Estudo da estrutura eletrônica de monômeros e dímeros neutros e dicatiônicos de moléculas aromáticas

Abstract

O estudo apresentado neste trabalho de dissertação é importante para conhecer as propriedades eletrônicas de algumas moléculas orgânicas que são de interesse em Física, Química e Química Industrial; tais como o benzeno (Bz), a anilina (An) e as nitroanilinas (NAn). Esses sistemas quando ionizados podem levar a espécies metaestáveis resultando em compostos intermediários de grande reatividade. Fizemos cálculos de estrutura eletrônica utilizando o programa Gaussian 09, partindo das espécies neutras para duplamente ionizadas. Esses cálculos mostraram que há desestabilização de algumas ligações interatômicas dos sistemas dicatiônicos em relação aos sistemas neutros, dando origem ao processo de fragmentação molecular. Nossos estudos revelaram modificações nos comprimentos da ligação, ordens de ligação (BO) e distribuição de carga em compostos aromáticos quando comparamos os sistemas duplamente ionizados com os neutros. Também investigamos a possibilidade de formação de dímeros motivados por resultados experimentais de fotofragmentação das NAns, obtidos recentemente em nosso grupo de pesquisa, na linha PGM (Plane Grating Monochromator) do Laboratório de Luz Síncrotron do Canadá (Canadian Light Source-CA). Os experimentos de espectroscopia de massa por tempo de voo mostraram assinaturas de metaestabilidade em seus espectros de coincidência elétron-íon-íon (PEPIPICO), as quais não podem ser explicadas pela fragmentação direta de moléculas isoladas. Sabendo disso, realizamos cálculos de estrutura eletrônica com otimização de geometria nos monômeros neutros e dicatiônicos e nos dímeros dicatiônicos, com o objetivo principal de propor um modelo teórico de fotofragmentação via cálculo de estrutura eletrônica. Empregamos o método DFT para a determinação de índices de ligação de Wiberg e cargas (CHELPG), utilizamos o funcional e o sistema de base UB3LYP/aug-cc-pVDZ para os cálculos dos monômeros. Já para os dímeros, usamos o funcional corrigido de longo alcance UwB97X-D/aug-cc-pVDZ de Head-Gordon. A partir da função de onda calculada anteriormente no Gaussian 09, determinamos as densidades eletrônicas e analisamos os mapas de contorno das densidades eletrônicas dos monômeros utilizando o programa Chemissian. As informações topológicas das ligações químicas entre pares de átomos, assim como, seus pontos críticos de ligação (BCP) foram investigadas utilizando a Teoria Quântica de Átomos em Moléculas (QTAIM). Essas grandezas foram esquematizadas utilizando o programa AIMAll. Concluímos que os monômeros dicatiônicos, apresentam maiores estiramentos das ligações nos pares de átomos do Benzeno r(C1-C2) e r(C4-C5); da Anilina r(C2-C3) e r(C7-C2); da Ortonitroanilina r(C2-C3), r(C3-C4), r(C3-N9) e r(C7-C2); da metanitroanilina r(C4-C5), r(C4-N9) e r(C7-C2) e por último da paranitroanilina r(C2-C3), r(C4-C5), r(C5-C6), r(C5-N9) e r(C7-C2). Sendo que o processo de transferência de carga e distribuição eletrônica nas nitroanilinas acontece na região do grupo doador de elétrons –NO2. Nos sistemas diméricos encontramos que os pontos críticos de ligação nos grupos –NH2 e –NO2 estabilizam suas densidades de cargas aproximadamente em 0.3 e/𝑎03 e 0.5 e/𝑎03 dando origem a ligações intermoleculares, o que estabiliza os sistemas An2+, oNAn2+, mNAn2+ e pNAn2+.