Theoretical study of eletronic properties and of the solvation of organic carbonates in water

Neste trabalho, uma combinação de cálculos de mecânica quântica, simualções computacionais e teoria de perturbação termodinâmica, foi usada para estudar a solvatação do carbono de etileno (EC) e do carbonato de propileno (PC) em água. As estruturas do líquido foram geradas usando simulações com o método Monte Carlo e amostragem de Metropólis. A função de autocorrelação em energia foi usada para analisar a correlação estatística entre estas configurações. Após uma analise detalhada das ligações de hidrogênio, configurações supermoleculares descorrelacionadas ( carbonato + ligações de hidrogênio cercadas por 350 moléculas de água tratadas como cargas pontuais) foram amostradas das simulações e cálculos do momento de dipolo, no nível de cálculo MP2/ aug-cc-pvDZ, foram realizados. Em média foram formadas 1,4 ligações de hidrogênio entre a água e os solutos (EC ou PC). Foi obtido um momento de dipolo médio 9,9 ± 0,2 D para o EC-água e de 10,6 ± 0,2 D para o PC-água. Finalmente, simulações com o método de Monte Carlo no ensemble NPT e a técnica de perturbação de energia livre foram usados para determinar as energias livres de solvação, e os resultados foram Gsolv = -15,1 ± 0,8 Kcal/ mol para o EC em água e Gsolv = -15,3 ± 1,2 Kcal/mol para o PC em água. A análise destes resultados leva a conclusão de que o EC e o PC são igualmente estáveis em solução aquosa, ou seja, a metilação não tem efeito significativo na solvatação do PC e nem influência a formação das ligações de hidrogênio. In this work, a combination of quantum mechanics, Monte Carlo simulations and thermodynamic perturbation theory was used to study the solvation of ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) in water. The liquid structures was generated by NVT Monte Carlo simulation using standard procedures for the Metropolis sampling technique. The auto-correlation function of the energy was used to analyse the statistical correlation between the configurations (carbonates + hydrogen bonds sorrounded by 350 water molcules treated as point charges) were smpled from the simulations and dipole moment calculations, at the MP2/ aug-cc-pvDZ, were performed. On average, 1,4 hydrogen bonds were formed between water and the solutes (EC or PC). An average dipole momento of 9,9 ± 0,2 D was obtained for EC-water and 10,6 ± 0,2 D for PC-water. Finally, Monte Carlo simulations in the NPT ensemble combined with free energy pertubation technique were used to determine solvation free energies, and the results were Gsolv = -15,1 ± 0,8 kcal/mol for EC in water and Gsolv = -15,3 ± 1,2 kcal/mol for PC in water. The analysis of these results leads to the conclusion that EC and PC are equally stable in aqueous solution, i.e, the methylation hás no effect on the solvation of PC and no influence on the hydrogen bond formation.