Análisis geométrico, energético y topológico de una heterononámeros de (etanol)8-agua. Una paroximación computacional
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Abstract
El presente trabajo se enfocó en el estudio de la mezcla azeotrópica etanol-agua, con el fin de proveer información que pueda ser empleada en nuevas técnicas de separación de bajo costo. El estudio se realizó mediante el análisis computacional de las interacciones intermoleculares responsables de las preferencias geométricas y estabilidad de los heterononámeros (etanol)8-agua. Para esto se empleó el programa Gaussian 09. Se partió de 14 heterononámeros estables optimizados con la aproximación B3LYP/6-31+G(d) con los que cuenta la línea de investigación; después de reoptimizar esas estructuras, incluyendo la corrección de Grimme D3 y una base más robusta, (B3LYP/6-311++G(d,p)), el número de estructuras estables se redujo a 7. Los principales cambios estructurales fueron diferentes orientaciones de las cadenas alquílicas. El heterononámero más estable (Hnon-I) presenta una población isomérica del 98%, por lo tanto, a partir de esta estructura se diseñaron y optimizaron estructuras homólogas de (etanol)9, (metanol)9 y del heterononámero (metanol)8-agua. Las mediciones realizadas incluyen datos geométricos, energéticos y topológicos. La energía de unión (nonamerización) es la diferencia entre la energía del heterononámero y la suma de la energía de cada monómero aislado. De la misma manera se calcularon otras funciones de estado (ΔH, ΔS y ΔG). Como ejemplo, los siguientes son los datos energéticos de Hnon-I: ΔE = -72,58 kcal/mol; ΔH = -81,09 kcal/mol; ΔS = 0,275 kcal/K*mol, y ΔG = 0,99 kcal/mol. Estos resultados implican que la formación de Hnon-I es un proceso altamente exotérmico y no espontáneo. Se encontró que los ciclos formados por las interacciones O-H---O son fundamentales para la estabilidad del heterononámero independientemente de su naturaleza. Las interacciones más débiles (C-H---O y H---H) se revelaron por medio de los grafos moleculares calculados a través del análisis topológico de la densidad electrónica según la Teoría Cuántica de Átomos en Moléculas.
Summary in foreign language
The present research focused on the study of the ethanol-water azeotropic mixture, in order to provide information that can be used in new low-cost separation techniques. The study was carried out through the computational analysis of the intermolecular interactions responsible for the geometrical preferences and stability of the (ethanol)8-water heterononamers. For this, the Gaussian 09 program was used. It was based on 14 stable heterononamers optimized with the approximation B3LYP/6-31+G(d) which belong to the research line; after reoptimizing those structures, including the Grimme D3 correction and a more robust basis set, (B3LYP/6-311++G(d,p)), the number of stable structures was reduced to 7. The main structural changes were different orientations of the alkyl chains. The most stable heterononamer (Hnon-I) has an isomeric population of 98%, therefore, from this structure, homologous structures of (ethanol)9, (methanol)9, and the (methanol)8-water heterononamer were designed and optimized. The measurements taken include geometrical, energetic, and topological data. The binding energy (nonamerization) is the difference between the energy of the heterononamer and the sum of the energy of each isolated monomer. In the same way, other state functions (ΔH, ΔS, and ΔG) were calculated. As an example, the following are the energy data of Hnon-I: ΔE = -72.58 kcal/mol; ΔH = -81.09 kcal/mol; ΔS = 0.275 kcal/K*mol, and ΔG = 0.99 kcal/mol. These results imply that the formation of Hnon-I is a highly exothermic and no spontaneous process. It was found that the cycles formed by the O-H---O interactions are fundamental for the stability of the heterononamer regardless of its nature. The weakest interactions (C-H---O and H---H) were revealed by means of the molecular graphs calculated through the topological analysis of the electronic density according to the Quantum Theory of Atoms in Molecules.
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