SOLVENTES EN QUIMICA ORGANICA. Caracterización Diseño Efectos Aplicaciones Propiedades Especiales

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1 SOLVENTES EN QUIMICA ORGANICA Caracterización Diseño Efectos Aplicaciones Propiedades Especiales 2010

2 EFECTOS DEL SOLVENTE EN REACCIONES SIMPLES S N AR A Cl NO 2 NO 2 + N H Solventes Apótico B Cl NO 2 NO 2 + N H Solventes Prótico REACCIÓN A (l mol -1 s -1 ) REACCIÓN B (l mol -1 s -1 ) MECANISMO SIMPLE k A CyH = k Alcanoles = k A DMSO = 1.93 Cl Cl H N Log k A = f [ET(30)] ET(30) r =0.918 ET(30) r = 0.98 n=13 n=11 NO 2 NO 2 + N H k 1 k -1 P. M. E. Mancini et al, J. Chem. Soc. Perkin Trans II (1984) P. M. E. Mancini et al, J. Chem. Soc. Perkin Trans II (1986) NO 2 NO 2 PRODUCTO ZH k 2 NO HAY POSIBILIDAD DE CORRELACIONAR LOS VALORES CINÉTICOS DE AMBAS REACCIONES CON NINGÚN MODELO SOLVATOCRÓMICO

3 EFECTOS DEL SOLVENTE EN REACCIONES DE S N AR CON POSIBILIDAD DE SUFRIR CATÁLISIS BÁSICA F C NO 2 NO 2 + N H Solventes Apótico k A k k 1 1 k1 k2 k k k 1 k k k k k3 B k3 B B B k k A A k 1 k1 k2 k1 k k 1 k 1 n=12 Reacciones a y b 3 B Rel. lineal MECANISMO GENERAL La reacción es base catalizada excepto en CHCl 3, CH 3 NO 2 y MeCN F NO 2 NO 2 + N H k 1 k -1 P. M. E. Mancini et al, J. Chem. Soc. Perkin Trans II (1987) F H NO 2 ZH N NO 2 k 2 k 3 [B] PRODUCTO La correlación de la cte de velocidad frente E T (30). A muy baja [Amina] r=0.98 A > [Amina] no hay correlación

4 INFLUENCIA DEL MEDIO EN LOS PROCESOS FÍSICOS Y QUÍMICOS Velocidad de reacción Mecanismos Equilibrio químico Selectividad Reactiva Posición e intensidad de las bandas de absorción espectral Separaciones cromatográficas

5 SOLVENTES PUROS Solventes convencionales: solventes moleculares Solventes noconvencionales: líquidos iónicos SOLVENTES-MEZCLA Solvatación preferencial

6 SOLVENTES MOLECULARES SOLVENTES ORGÁNICOS Del orden de 300 en uso [caracterizados a nivel microscópico, utilizando el descriptor E T (30)] PRÓTICOS y APRÓTICOS Con carácter HBD Cl 3 CH Cl 2 CH 2 NM AcN

7 LÍQUIDOS IÓNICOS Definición: Son Sales -Sustancias compuestas exclusivamente por cationes y aniones- (La mayoría presenta PF<100 C) RTIL S Sustancias ideales que proveen un nuevo medio para el desarrollo de reacciones químicas. PROPIEDADES Presión de vapor prácticamente nula Fase liquida con significativa polaridad Elevada conductividad térmica

8 CATIONES Y ANIONES MAS FRECUENTES Cation Alquilamonium catión H Alquilpiridinium N H 3 N N Alquilpirrolidinium N N anión X -, BF 4-, BPh 4-, PF 6-, NO 3-, F 3 CSO3- NCS -, N(CN) 2-, TiO -, NTf 2-, AlCl 4-, etc Alquilimidazolium N N

9 PROPIEDADES DE LOS SOLVENTES PROPIEDADES MACROSCÓPICAS PROPIEDADES MICROSCÓPICAS propiedades físicas como descriptores Ej.: Constante Dieléctrica Índice de Refracción escalas empíricas basadas en diferentes procesos solvente dependientes (nivel molecular) PARÁMETROS MACROSCÓPICOS PARÁMETROS MICROSCÓPICOS no reflejan la situación real de la estructura del solvente en el entorno microscópico de solutos (zona cibotáctica) procesos solvatocrómicos solutos de referencia espectros de absorción

10 PROPIEDADES MICROSCÓPICAS DE LOS SOLVENTES interacciones moleculares específicas y no específicas - habilidad donora de enlace de hidrógeno (HBD) - capacidad aceptora de enlace de hidrógeno (HBA) -habilidad donor-aceptor de par de electrones (EPD y EPA) -dipolaridad / polarizabilidad (electrostáticas y de polarización) FORMAS DE EXPRESAR LAS INTERACCIONES MICROSCOPICAS caracterización microscópica de la capacidad solvatante Escalas Empíricas (procesos solvente dependientes) Uniparamétricas (parámetro simple). Escalas Multiparamétricas (cada interacción descripta por un parámetro)

11 ESCALAS UNIPARAMÉTRICAS Todas las interacciones soluto-solvente determinadas por medio de un parámetro simple de polaridad solvatocromismo de betaínas zwiteriónicas E T (30) de Dimroth-Reichardt (sistemas no acuosos) Indicador:2,6-difenil(2,4,6-trifenil-1- piridinio)fenolato E T (33) de Dimroth-Reichardt (sistemas acuosos) Indicador: 2,6-dicloro(2,4,6-trifenil-1- piridinio)fenolato E T (30) E T (33) N N O Cl O Cl

12 ESCALAS MULTIPARAMÉTRICAS cada una de las interacciones determinadas por medio de un parámetro simple π*, α, β - Kamlet, Abboud y Taft π* 2 - Abe Método de Comparación Solvatocrómica SPP, SA, SB - Catalán Modelo prueba / homomorfo

13 ESCALAS π*, α, b DE KAMLET, ABBOUD Y TAFT XYZ = XYZ 0 + s( * + d ) + a + bb + h H Indicadores más empleados N,N-dietil-4-nitroanilina 4-nitrometoxibenceno 4-nitroanilina 4-nitrofenol (II) (III) (IV) (V)

14 EXPRESIONES DE CÁLCULO Dipolaridad /polarizabilidad π* * II = 0.314[ ν (II) ] * III = 0.427[ ν (III) ] * 2 = (24,213-ν (b-caroteno) )/2,145 : parámetro de polarizabilidad = 0.00 solventes alifáticos, no clorados = 0.50 solventes clorados = 1.00 solventes aromáticos Basicidad b b IV = 0.358[ ν (IV) ] * II b V = 0.346[ ν (V) ] * III Acidez α = E T (30) * b

15 ESCALAS SPP, SA Y SB DE CATALÁN SPP SA Indicadores 2-dimetilaminonitrofluoreno / fluornitrofluoreno SB 5-nitroindolina / 1-metil-5-nitroindolina o-ter-butilestilbazolio / o,o -di-ter-butilestilbazolio Expresiones de cálculo SPP = Δn (solvente) / 2119 Δn (cm -1 ) = n FNF - n DMANF SB = (Δn- 1570)/-1735 Δn (cm -1 ) = n NI - n MNI SA = (Δn/1299.8) 0.4 Δn (cm -1 ) = n TBSB ( n DTBS )

16 DISEÑO DE SOLVENTES

17 El termino solvente de diseño abre muchas posibilidades ya que permite modular las propiedades de un determinado solvente (o medio). FORMAS DE DISEÑO DE UN SOLVENTE Las mezclas binarias constituyen una de las formas de diseño. Combinacion de aniones y cationes en los LI s

18 MEZCLAS BINARIAS DE SOLVENTES interacciones soluto-solvente interacciones solvente-solvente SOLVATACIÓN PREFERENCIAL composición del solvente en el entorno microscópico de los solutos

19 DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES MICROSCÓPICAS DE MEZCLAS BINARIAS indicadores solvatocrómicos de referencia parámetros empíricos solvatocrómicos invalida el fenómeno de la solvatación preferencial la metodología? Propiedad absoluta e intrínseca de un solvente-mezcla definida y medida por medio de indicadores que representan sustitutos de los solutos en general

20 ASPECTOS DE LA CARACTERIZACIÓN MICROSCÓPICA DE MEZCLAS BINARIAS DE SOLVENTES los componentes de las mezclas son solvente activos uno con otro, formando especies asociadas a través de interacciones moleculares específicas los asociados moleculares son relevantes en el comportamiento de las mezclas

21 EJEMPLOS DE LA CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MICROSCOPICAS DE MEZCLAS BINARIAS FORMADAS POR SOLVENTES MOLECULARES TIPO DE SOLVENTES MOLECULARES A COMBINAR solvente ApHBA: EAc, CyH, Bona, Ac, DMF, DMSO solvente ApHBD: Cl 3 CH, Cl 2 CH 2 solvente ApHBA/HBD: AcN, NM solvente Prótico: MeOH MODELO DE SISTEMAS BINARIOS ANALIZADOS Solvente HBA + Cosolvente HBD Solvente HBA/HBD + Cosolvente HBD Solvente HBA + Cosolvente HBA/HBD Solvente HBA/HBD + Cosolvente HBA/HBD

22 DESCRIPTORES MICROSCÓPICOS EMPLEADOS EN EL ANÁLISIS E T (30) (Dimroth-Reichardt) π* 2 (Abe) π*, α, b (Kamlet, Abboud, Taft) SPP, SA, SB (Catalán)

23 EJEMPLO N 1 EMPLEO DE LA ESCALA UNIPARAMÉTRICA E T (30) P.M.E. Mancini, et al J. Phys. Org. Chem., 1997, 10, 849.

24 DETERMINACIÓN DEL PARÁMETRO EMPÍRICO DE POLARIDAD E T (30) PARA MEZCLAS BINARIAS DE SOLVENTES APRÓTICOS. MODELOS DE RESPUESTA Mezclas ApHBA / ApHBD ApHBA HBD / ApHBD [SOLVENTE ApHBA + Cl 3 CH, Cl 2 CH 2 ] [SOLVENTE ApHBA-HBD+ Cl 3 CH, Cl 2 CH 2 ] SOLVENTES ApHBD DMSO, DMF, EAc, Bona, AC, CyH SOLVENTES ApHBA-HBD AcN, NM

25 MEZCLAS SINÉRGICAS

26 DESVIACIONES MÁXIMAS

27 MEZCLAS NO SINÉRGICAS

28 DETERMINACIONES CINÉTICAS ClDNB+BUT ClDNB+PIP FDNB+BUT S N Ar no catalizada por base

29 La mayoría de las mezclas exploradas presentan efectos sinérgicos sobre el parámetro E T (30) (zona rica en el solvente ApHBA). Si el solvente ApHBA tiene algo de carácter HBD, generalmente no se observa sinergismo. La velocidad de reacción disminuye con el aumento de la concentración del CoS. No hay concordancia con el incremento de polaridad por sinergismo

30 EJEMPLO N 2 EMPLEO DE ESCALAS MULTIPARAMÉTRICAS π*, α, b Respuesta de valores promedio P.M.E. Mancini, et al, J. Phys. Org. Chem. 1999, 12, 430 P.M.E. Mancini, et al, J. Phys. Org. Chem , 713 P.M.E. Mancini, et al, J. Phys. Org. Chem. 2000, 13, 221

31 SOLVATACIÓN PREFERENCIAL DE PRUEBAS QUÍMICAS EN MEZCLAS BINARIAS DE [solventes ApHBA + cosolventes policlorados]. Modelos de respuesta SOLVENTES ApHBA: DMSO, AcN, EAc, COSOLVENTE POLICLORADO: Cl 3 CH, Cl 2 CH 2

32

33 MODELOS DE SOLVATACIÓN PREFERENCIAL BASADOS EN INTERCAMBIOS DE SOLVENTE Parámetros de Solvatación Preferencial f 2/1 y f 12/1

34

35 La aplicación de modelos de solvatación preferencial para la descripción de los datos de parámetros independientes *(II), *(III), * 2 y E T (30) en mezclas [EAc + Cl 3 CH ó Cl 2 CH2], indica dos modelos de respuesta. Los tres primeros solutos reflejan una conducta solvatocrómica similar influenciada por la polarizabilidad/hiperpolarizabilidad de las mezclas policloradas. En contraste, se observa sinergismo para E T (30), lo cual puede explicarse por la sensibilidad de este indicador al carácter HBD de las mezclas Las propiedades de estas mezclas complejas son mejor descriptas por los parámetros del método de Comparación Solvatocrómica

36 EJEMPLO N 3 SOLVATACIÓN PREFERENCIAL DE PRUEBAS QUÍMICAS EN MEZCLAS BINARIAS DE [SOLVENTES ApHBA + AcN ó NM] SOLVENTES ApHBA: DMSO, DMF, EAc, Bona, AC, CyH E T (30), π*, α, b P.M.E. Mancini, et al, J. Phys. Org. Chem. 1999, 12, 207

37 Sistemas ApHBA / AcN o NM

38

39 Aparentemente el bajo valor HBD de estas mezclas previene efectos sinérgicos marcados sobre los indicadores analizados Esta conducta derivada del tipo de solvatación preferencial observada en estas mezclas sobre los parámetros, no impide el empleo de estos como stand-ins para solutos generales. Es decir, pruebas químicas las cuales interactúan más débilmente con los componentes de la mezcla binaria que con las auto ó mutuas asociaciones, tendrían entornos similares y generarian valores convergentes de las propiedades con las expresiones empleadas para los solventes puros

40 EJEMPLO N 4 ESCALA MULTIPARAMÉTRICA SPP,SA,SB Determinación experimental de Descriptores Microscópicos en Mezclas Binarias del tipo [ApHBA + CoS HBD] Solvente ApHBA : EAc Cosolventes: ApHBA (Cl 3 CH) ApHBA/HBD (AcN) Prótico (MeOH) P.M.E. Mancini, et. al. ARKIVOC, 2003, 373. Pedro Mancini DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

41

42 Los valores SPP manifiestan una conducta acorde a aquellos casos en los cuales los componentes parte de las mezclas poseen muy similar polaridad polarizabilidad. Los valores SA correspondientes a las mezclas [EAc + Cl 3 CH ó AcN] exhiben muy baja acidez. Por el contrario el sistema [EAc + MeOH], en el cual la acidez de los componentes puros difiere en 0.6 unidades, muestra un elevado crecimiento de la propiedad. Por su parte los valores SB manifiestan deviación positiva de la idealidad, con efecto sinérgico en algún caso

43 ESCALAS π*, π* 2,E T N Análisis de relaciones interparamétricas Análisis de correlaciones entre descriptores microscópicos contaminación de los parámetros que miden las interacciones no-específicas por parte de las interacciones específicas originadas en la solvatación preferencial de los indicadores P.M.E. Mancini, el al J. Sol. Chem.,2001, 30, 8, 695. P.M.E. Mancini, et al, ARKIVOC,. 2007, 266

44 INTERACCIONES SOLUTO-SOLVENTE NO ESPECÍFICAS PARA MEZCLAS BINARIAS [Solvente ApHBA + Cosolvente HBD] Dipolaridad/Polarizabilidad e Índice de Refracción SOLVENTES ApHBA: DMSO and EAc COSOLVENTES HBD: Cl 3 CH, Cl 2 CH 2, AcN, MeOH

45 CORRELACIONES π* NEt2 vs π* 2 π* OMe2 vs π* 2 π* NEt2 vs π* 2 y E T (30) π* OMe2 vs π* 2 y E T (30) EAc DMSO El comportamiento de las mezclas binarias con DMSO está regido por interacciones no-específicas. Los descriptores microscópicos correspondientes a las mezclas binarias con EAc están influenciados por interacciones específicas vía enlace de hidrógeno.

46 CLUSTERS ESCALAS MULTIPARAMÉTRICAS π*, α, b y SPP, SA Y SB Agrupamiento de mezclas binarias a partir de la similitud en sus propiedades microscópicas moleculares Análisis de analogías y diferencias para grupos de solventes sobre la base de la naturaleza e intensidad de sus propiedades microscópicas

47 APLICACIÓN DE MÉTODOS MULTIVARIANTES Análisis de Clusters Ward s method (WM) Average Method (GA) * S HBA + CoS HBD [EAc ó DMSO + Cl 3 CH ó Cl 2 CH 2 ] * S HBA/HBD + CoS HBD [AN ó MeOH + Cl 3 CH ó Cl 2 CH 2 ] * S HBA+ CoS HBA/HBD [EAc ó DMSO + AN ó MeOH] * S HBA/HBD + CoS HBA/HBD [AN + MeOH] P.M.E. Mancini, et al, J. Phys. Org. Chem. 2009, 22,

48 RESULTADOS Tres clusters (n = 114) 1- EAc, AcN, Cl 2 CH 2, Cl 3 CH y sus mezclas [Cl 3 CH + MeOH (x cos = )] 2- DMSO y sus mezclas [ DMSO + MeOH (x cos = )] 3- MeOH y sus mezclas [ Cl 3 CH + MeOH (x cos = )] [ DMSO + MeOH (x cos = )]

49 Cluster 1 y Cluster 2 la dipolaridad/polarizabilidad es la propiedad determinante en ambos grupos, atribuyendose la diferencia entre ellos a la intensidad de ésta propiedad. Cluster 3 la característica remarcable de los miembros de éste grupo es la capacidad para desarrollar interacciones específicas actuando como HBD De las analogías y las diferencias de los grupos de solventes se puede concluir que la división propuesta es una función de la dipolaridad/polarizabilidad, acidez y basicidad dominantes en cada grupo en términos de naturaleza y magnitud de sus propiedades microscópicas representadas por π*, α y β, y SPP, SA y SB. Ambas escalas conducen a grupos idénticos de los solventes puros analizados y de sus mezclas binarias.

50 APROXIMACIONES MULTIPARAMÉTRICAS π*, α, b y SPP, SA, SB ANÁLISIS COMPARATIVO Evaluación del grado de concordancia entre los valores de las propiedades cuantificadas por escalas diferentes P.M.E. Mancini, et al, Phys. Chem. Liq., 2003, 41, 45

51 CORRELACIÓN vs CONCORDANCIA MÉTODO DE BLAND-ALTMAN * cálculo de las diferencias entre cada par de medidas * cálculo de la media de las diferencias * determinación de la desviación estandard de las diferencias * determinación de los intervalos de confianza del 95% para las diferencias * gráfico diferencias vs medias: análisis de la concordancia

52 DIFERENCIAS ENTRE PARÁMETROS VS MEDIAS DE LOS PARÁMETROS Media de las diferencias (----). Límites de concordancia ( )

53 * existe aceptable concordancia entre los diferentes parámetros que miden la misma propiedad del solvente * en primera instancia, ambas aproximaciones serían métodos apropiados para la cuantificación de las principales interacciones del solvente

54 COMPARACIÓN DE ESCALAS MULTIPARAMÉTRICAS DE SOLVENTES Caracterización Microscópica de 10 Mezclas binarias basada en Solutos Solvatocrómicos de Referencia ESCALAS SELECCIONADAS KAT ( *, y b) Catalán (SPP, SA y SB) MÉTODO DE COMPARACIÓN Bland y Almand Mezclas Binarias AcN + Cl 3 CH AcN + MeOH Cl 3 CH + MeOH EAc + Cl 3 CH EAc + AcN Eac + MeOH DMSO + Cl 3 CH DMSO + Cl 2 CH 2 DMSO + AcN - DMSO + MeOH P.M.E. Mancini et al, J. Phys. Org. Chem. 2006, 19,34.

55 Los análisis de correlación muestran que las escalas SPP y * están relacionadas linealmente para las mezclas con DMSO. Para estas mezclas el análisis de B-A revela que no hay concordancia entre los pares de valores En mayor o menor medida existe una correlación lineal entre las escalas SB y b, excepto para el sistema [EAc + MeOH]. Particularmente ha sido detectada una muy buena correlación para las mezclas conteniendo Cl 3 CH. El análisis de B-A indica los valores SB y b son claramente concordantes para [AcN + Cl 3 CH], [Cl 3 CH + MeOH] y las mezclas con EAc

56 El análisis de correlación muestra que las escalas SA y están linealmente relacionados para los sistemas de solventes que contienen MeOH. Por su parte el método de B-A revela que para todos los sitemas, excepto [DMSO + Cl 2 CH 2 ], no hay concordancia entre los parámetros de acidez. Cuando se incluyen en el análisis todas las mezclas y los solventes puros, se observa que: i) entre SPP y * hay una correlación pobre y una aceptable concordancia, ii) entre SB y b tanto la correlación como la concordancia son regulares; y iii) para SA y se detecta una correlación moderadamente buena y ausencia de concordancia Los resultados son una buena evidencia que las escalas involucradas en el análisis son dependientes del tipo de prueba y método usado para el desarrollo de cada escala. Los datos experimentales demuestran que para las mezclas analizadas la aproximación de Catalán con respecto a la de KAT sobrestima la dipolaridad/polarizabilidad y minimiza la acidez. Aunque ambas aproximaciones resultan poderosas herramientas para cuantificar las propiedades microscópicas de un solvente puro y sus mezclas, la medida inequívocamente correcta de una propiedad a priori no se conoce. Puede considerarse que la media de pares de valores resulta la estimación más confiable.

57 DISEÑO DE SOLVENTES USANDO LÍQUIDOS IÓNICOS

58 LÍQUIDOS IÓNICOS PRÓTICOS EN MEZCLAS. DISEÑO DE SOLVENTES BASADO EN LA DETERMINACIÓN DE SUS PROPIEDADES MICROSCÓPICAS caracterización de mezclas binarias [solvente molecular/líquido iónico prótico] SOLVENTES MOLECULARES: DMSO, AcN, MeOH SOLVENTE IÓNICO: EAN P.M.E. Mancini, et. al. Phys. Chem. Liq., 2004, 4, 6, 625.

59 Parameter Parameter 1,4 1,2 1,0 0,8 * E T N 1,4 1,2 1,0 0,8 * E T N 0,6 0,6 0,4 b 0,4 b 0,2 0,0 DMSO/EAN 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,2 0,0 MeOH/EAN 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 X cosolvent X cosolvent

60 Parameter 1,4 1,2 * 1,0 0,8 E T N 0,6 0,4 b* 0,2 0,0 AcN/EAN 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 X cosolvent

61 1,4 LIq 2 1,2 1,0 MeOH Liq 3 Liq 1 EAN 0,8 0,6 0,4 AcN 0,2 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 DMSO 1,0 1,21,4 0,8 0,6 0,4 b 0,2 0,0

62 * En el caso de los sistemas explorados, la adición de un líquido iónico al solvente molecular incrementa abruptamente la habilidad para donar un átomo de hidrógeno * La tendencia general de estas mezclas es exhibir valores del parámetro mayores que el del EAN puro, reflejando efectos sinérgicos sobre la propiedad. Este hecho puede estar relacionado a la formación de complejos vía enlace hidrógeno en la esfera de solvatación * Es posible preparar mezclas de solventes con propiedades donaras de enlace hidrógeno, es decir un nuevo solvente con particulares propiedades microscópicas * Una ventaja de este tipo de mezclas es que el solvente iónico no necesita ser líquido a temperatura ambiente, si soluble en el solvente molecular

63 DISEÑO SOBRE LA BASE DE LAS PROPIEDADES MICROSCÓPICAS DE MEZCLAS BINARIAS DEL TIPO [SOLVENTE MOLECULAR + LÍQUIDO IÓNICO 1,3- DIALQUILIMIDAZOLIO] Solventes Moleculares: AcN, DMF, MeOH Líquidos Iónicos: [bmim] [BF 4 ] y [bmim] [PF 6 ] Parámetros Empíricos empleados: E TN, *, y b P.M.E. Mancini, et al J. Phys. Org. Chem. 2008, 21,

64 PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS IÓNICOS E TN, * y muy similares b de [bmim] [BF 4 ] es el doble de [bmim] [PF 6 ] E TN cae en el rango de los solventes próticos polares (similar al de alcanoles de cadena corta) * es alto en comparación con el valor de los solventes moleculares no acuosos está afectado por el catión b está dominado por el anión

65 Basicity b vs IL mole fraction ([bmim][bf 4 ]; [bmim][pf 6 ]) 1,1 1,0 0,9 AN + IL 1,1 1,0 0,9 DMF + IL 1,1 1,0 0,9 MeOH + IL 0,8 0,8 0,8 0,7 0,7 0,7 b 0,6 0,5 0,6 0,5 0,6 0,5 0,4 0,4 0,4 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2 0,1 0,1 0,1 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

66 Acidity α vs IL mole fraction ([bmim][bf 4 ]; [bmim][pf 6 ]) 1,1 1,1 1,1 1,0 1,0 1,0 0,9 0,9 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 AN + IL 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 DMF + IL 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 MeOH + IL 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

67 En las mezclas exploradas de ambos líquidos iónicos, la comparación de los parámetros microscópicos del solvente a similar composición revela que las diferencias están centradas en el carácter básico Pueden proponerse nuevos solventes con similar dipolaridad/polarizabilidad y basicidad a la de AcN ó DMF, y acidez altamente incrementada, o alternativamente, que difieran en la basicidad (mezclas con metanol)

68 CARACTERIZACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS DEL TIPO [SOLVENTE MOLECULAR PRÓTICO + LÍQUIDO IÓNICO 1,3-DIALQUILIMIDAZOLIO]. INFLUENCIA DEL ANIÓN Parámetros: E T (30), b Solventes Moleculares: MeOH, EtOH, Prop-1-OH, Prop-1-OH y 2-EtOEtOH LI S: [bmim] Cl -, Br -, BF4 - y PF6 - [BF4 - ][bmim] [PF6 - ][bmim] Diferencias observables por el anión E T (30)=0.67; *=1.05; =0.63; b=0.38 E T (30)=0.67; *=1.03; =0.63; b=0.21 [Cl][bmim] y [Br][bmim] son sólidos a RT P.M.E. Mancini, et al, J. Phys. Chem. B. 2010, 114,

69 * La solubilidad de los LI s explorados en el correspondiente alcohol es variable, dependiendo del solvente prótico y del anión parte del LI. * En general el parámetro E T (30) exhibe un modelo de respuesta similar en todos los sistemas estudiados, manifestando desviación positiva de la idealidad y en algunas mezclas sinergismo. Por su parte el parámetro * también muestra similares modelos de solvatación, con desviación positiva. * La influencia de la naturaleza del anión se manifiesta claramente a través de interacciones específicas soluto-solvente y solvente-solvente (b y ). Los sistemas que comprenden [Cl]/[Br] exhiben mayores valores de basicidad, mientras que los sistemas compuestos por [BF 4 ]/[PF 6 ] presentan los máximos valores de acidez. El parámetro, al igual que E T (30) posee sinergismo. * De acuerdo a los modelos de solvatación preferencial aplicados, en los sistemas de solventes que comprenden los aniones [BF 4 ]/[PF 6 ] las pruebas químicas son preferencialmente solvatadas por el Complejo Solvente Mezcla, mientras que en los sistemas con los aniones Cl]/[Br] el LI controla la conducta solvatante. * Es posible seleccionar mezclas binarias con particulares propiedades solvatantes, variando no solo la composición, sino también cambiando la naturaleza del anión

70 APLICACIONES

71 CINÉTICA DE LA REACCIÓN ENTRE 2,6-DNFB CON HOMOPIPERIDINA EN MEZCLAS BINARIAS DE SOLVENTES Tipos de Mezclas S ApHBA + Co HBD S ApHBA + Co HBA/HBD S ApHBA/HBD + Co HBD [EAc + Cl 3 CH] [EAc + AcN] [AcN + Cl 3 CH] P.M.E. Mancini, et al, J. Phys. Org. Chem. 2002, 15, 5, 258.

72 Análisis de Correlación de los datos Cinéticos con las Propiedades del Solvente (Modelo de solvatación preferencial) log k Y s a bb A *

73 EFECTOS DE SOLVATACIÓN PREFERENCIAL SOBRE LOS RESULTADOS CINÉTICOS

74 CATÁLISIS BÁSICA * En las mezclas [EAc + Cl 3 CH] se manifiesta hasta X Co 0.7 *En las mezclas [EAc + AcN] se observa a lo largo de todo el rango de concentración * En las mezclas [AcN + Cl 3 CH] se manifiesta hasta X Co 0.2 *En general los parámetros de solvatación preferencial indican que en las mezclas [EAc + Cl 3 CH] y [EAc + AcN] los estados críticos de la reacción están principalmente solvatados por el complejo intersolventes. Por su parte las mezclas [AcN + Cl 3 CH] muestran una conducta particular, la cual puede ser atribuida a la autoasociación del AcN que acompaña a su asociación con el Co. * Cuando se observa efecto retardante de la velocidad la solvatación está dominada por interacciones específicas.

75 CINÉTICA DE LAS REACCIONES ENTRE 2,6-DNFB CON PYR Y PIP EN MEZCLAS BINARIAS DE SOLVENTES Tipos de Mezclas S ApHBA + Co HBD S ApHBA + Co HBA/HBD S ApHBA/HBD + Co HBD [EAc + Cl 3 CH] [EAc + AcN] [AcN + Cl 3 CH] P.M.E. Mancini, et. al, J. Phys. Org. Chem., 2004, 17, 2, 138.

76 ANÁLISIS DE CORRELACIÓN DE LOS DATOS CINÉTICOS CON LAS PROPIEDADES MOLECULARES MICROSCÓPICAS DEL SOLVENTE efectos del solvente sobre el coeficiente de velocidad de segundo orden k A log k A Y s * a b b

77 EFECTOS DE SOLVATACIÓN PREFERENCIAL SOBRE LOS PARÁMETROS CINÉTICOS (APLICACIÓN DE MODELOS) PYR EAc + Cl 3 CH f2/1 1 EAc Cl 3 CH f12/1 1 S12 EAc Cl 3 CH EAc + AcN S12 EAc Cl3CH AcN + Cl 3 CH Cl 3 CH S12 AcN PIP EAc + Cl 3 CH EAc + AcN AcN + Cl 3 CH S12 EAc Cl 3 CH S12 EAc AcN Cl 3 CH S12 AcN

78 Los resultados cinéticos de las reacciones de 2,6-DNFB con PYR y PIP desarrolladas en estas mezclas de solventes son base catalizadas y en consecuencia los solventes HBD no asisten a la salida del nucleófugo. Esto contrasta con las reacciones en las que el nucleófilo es HPIP. La suma de conductas está relacionada con los efectos estereoelectrónicos que se manifiestan en la etapa catalizada. La PYR exhibe enormes diferencias de velocidad respecto a la aminas restantes. Las diferencias son más pronunciadas en las mezclas ricas en solventes HBA. La estructura del nucleófilo tiene una gran influencia en el paso catalizado, siendo también mayor en solventes HBA.

79 * Mediante cálculos teóricos es posible demostrar que las conductas previas están sustentadas en efectos estereoelectrónicos, los cuales juegan un importante rol en la salida del nucleófugo. Estos efectos están relacionados a las diferencias de conformación debidas al tamaño del anillo de la amina. * La estructura del nucleófilo es también responsable del cambio de mecanismo que se observa en las mezclas con Cl 3 CH. * En casi todos los sistemas reaccionantes la constante de velocidad de segundo orden resulta más susceptible a los efectos del solvente relacionados con las interacciones dipolo y dipolo inducido que con aquellas atribuidas a las interacciones específicas. * El sistema 2,6-DNFB + PIP en [EAc + AcN] constituye el único ejemplo de sistema ideal.

80 ANÁLISIS MECANÍSTICO DE LA REACCIÓN 2,6-DNFB Y AMINAS ALICÍCLICAS DESARROLLADAS EN MEZCLAS [EAc + Cl 3 CH] Aminas: PYR, PIP, HPIP Temperaturas: 5, 15, 25, 40 y 50 C Herramienta de diagnóstico: Relaciones Isocinéticas P.M.E. Mancini, et al, J. Phys. Org. Chem., 2005, 18, 4, 336.

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82 RELACIONES ISOCINÉTICAS

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84 * A partir del análisis de las líneas de Arrhenius se prueba la existencia de Relaciones Isocinéticas, las cuales permiten inferir cambios en la naturaleza del ET determinante de la velocidad de reacción como una función de la composición del solvente * Las reacciones llevadas a cabo en EAc puro y en las mezclas [EAc+ Cl 3 CH] hasta X Co 0.3 proceden vía la formación de un intermediario bipolar cíclico de seis miembros. En el resto de las mezclas las reacciones proceden vía el mecanismo clásico SB-GA

85 PROPIEDADES ESPECIALES DE LÍQUIDOS IÓNICOS P.M.E. Mancini, et al, Charper 27 in Green Solvents Properties and Applications in Chemistry, Springer, 2010, in press

86 PIL: conducta nucleofílica y catalizador ácido en solventes moleculares A. REACCIÓN DE S N AR La mezcla NEA/MeCN ofrece sinergismo sobre la acidez (a). Sol. Mol. MeCN (b=0.40) B. REACCIONES DE ADICIÓN A COMPUESTOS CARBONÍLICOS R F NO 2 NO 2 + R= NEt 2 R= H R= NO 2 PIPERIDINA O n-butilamina O H NEA SOLV. MOL. + NH 3 NO 3 P. M. E. Mancini et al. J. Phys. Org. Chem. (2009),22, HN NO 2 R NO 2 N H Para la reacción analizada fue posible confirmar que un PLI (EAN) puede tomar parte en equilibrios ácido-base con las aminas (aún a baja concentraciones [EAN] 0.05M), generando una nueva especie nucleofílica, la cual puede participar en la reacción. En esta reacción la ka de segundo orden para la etilamina como nucleófilo fue determinada. + H 3 O + NO 3 Para la reacción de AdNu de aminas a aldehídos aromáticos p- sustituidos, donde se requiere catálisis ácida, el uso de un PIL parece ser conveniente. El EAN puede tomar parte en un equilibrio ácido-base con los aldehídos. Se observa como producto la correspondiente imina, confirmando la conducta dual de EAN.

87 INFLUENCIA DE LI s EN REACCIONES DE CICLOADICIÓN POLARES NO 2 OTMS + N N Entrada Relación D/D a T (ºC) hs) solvente Rendimiento (%) b - producto 1 5: cloroformo 30%- benzo[f]quinolina 2 5: cloroformo 35%- benzo[f]quinolina 3 5: NEA 48%- benzo[f]quinolina 4 5: NEA 55%- benzo[f]quinolina 5 5: [HMIM][BF4] 42%- benzo[f]quinolina 6 5: [HMIM][BF4] 50%- benzo[f]quinolina a D/D relación Dieno/ Dienófilo b Rendimientos calculados en base al dienófilo reaccionado. Tesis Doctoral Silvina Canciàn, FIQ-UNL, 2010.

88 OTMS + O NO 2 O Entrada Relación D/D a T (ºC) (hs) solvente Rendimiento (%) b - Producto 1 1: cloroformo 48% Benzofurano 2 1: cloroformo 50% benzofurano 3 1: NEA 60% benzofurano 4 1: NEA 70% benzofurano 5 1: [BMIM][BF 4 ]. 55% benzofurano 6 1: [BMIM][BF 4 ]. 63% benzofurano a D/D relación Dieno/ Dienófilo. b Rendimiento expresado en base al dienófilo consumido. c Rendimientos informados en tesis doctoral Claudia Della Rosa. UNL- 2006

89 CONCLUSIONES Es posible definir una Propiedad del Solvente, incluidas las Mezclas Binarias por medio de Pruebas Químicas para Interpretar Fenómenos dependientes del Solvente? Es más factible para los solventes puros Los indicadores que interaccionan en forma más débil con los componentes de una mezcla binaria, que las más complicadas interacciones entre los solventes, poseen ambientes similares y en consecuencia proveen convergencia con las expresiones utilizadas para los solventes puros.

90 Resulta posible relacionar las considereraciones precedentes con el análisis del efecto del solvente sobre las reacciones orgánicas en general, y en particular con las S N Ar. La influencia de un sistema binario del tipo [Solvente Ap + CoS No HBD] sobre modelos sencillos de reacciones S N Ar es muy similar a la de los solventes apróticos puros y en consecuencia la polaridad de la mezcla podría ser definida por parámetros empíricos. En contraste, en las mezclas [Solvente Aprótico + CoS HBD] la mencionada convergencia no existe y la solvatación preferencial condiciona el empleo de indicadores. Las propiedades microscópicas de los diferentes tipos de mezclas binarias exploradas resultan mejor descriptas por el grupo de parámetros derivados de los métodos de comparación solvatocrómica.

91 Probablemente ningún fenómeno observable de carácter simple describa exhaustivamente todas las posibles interacciones solutosolvente

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98 GRUPO DE TRABAJO Dra. Claudia ADAM Dra. Graciela FORTUNATO Lic. Virginia BRAVO Tesista de Grado Anabela GUILARDUCCI Tesista de Grado Virginia BENAVIDEZ Pasante Investigación Nérina PIERUCCIONE Profesora Leonor R. VOTTERO

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