Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
INSTITUTO DE QUÍMICA
BRUNO GIORDANO ALVARENGA
ESTUDO FÍSICO-QUÍMICO DE POLÍMEROS SUPRAMOLECULARES
BASEADOS EM LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO
CAMPINAS
2017
BRUNO GIORDANO ALVARENGA
ESTUDO FÍSICO-QUÍMICO DE POLÍMEROS SUPRAMOLECULARES
BASEADOS EM LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO
Tese de Doutorado apresentada ao Instituto
de Química da Universidade Estadual de
Campinas como parte dos requisitos
exigidos para a obtenção do título de doutor
em ciências.
ORIENTADOR: PROF. DR. EDVALDO SABADINI
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA
POR BRUNO GIORDANO ALVARENGA E ORIENTADA PELO PROF. DR.
EDVALDOSABADINI.
CAMPINAS
2017
FICHA CATALOGRÁFICA
Agência(s) de formento e nº(s) de processos(s): FAPESP, 2014/04518-8; CNPq: 146745/2013-2
Informações para a Biblioteca Digital
Título em outro idioma:Physicochemicalstudyofhydrogenbonded supramolecular polymers
Palavras-chave em inglês:
Supramolecular polymers
Rheology
Hydrogenbonding
Área de concentração: Físico-Química
Titulação: Doutor em Ciências
Banca examinadora:
Edvaldo Sabadini [Orientador]
Denise Freitas Siqueira Petri
Maria Isabel Felisberti
Raphael Nagao de Sousa
Vanderlei Gageiro Machado
Data de defesa: 10-10-2017
Programa de Pós-Graduação: Química
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Edvaldo Sabadini (Orientador)
Profa. Dra. Denise Freitas Siqueira Petri (IQ-USP-SP)
Prof. Dr. Vanderlei Gageiro Machado (IQ-UFSC)
Profa. Dra. Maria Isabel Felisberti (IQ-UNICAMP)
Prof. Dr. Raphael Nagao de Sousa (IQ-UNICAMP)
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no
processo de vida acadêmica do(a) aluno(a).
Este exemplar corresponde à redação final da Tese de
Doutorado defendida pelo aluno BRUNO GIORDANO
ALVARENGA, aprovada pela Comissão Julgadora em
10 de outubro de 2017.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho “In Memoriam” ao meu pai Carlos Magno Oliveira Alvarenga e à
minha avó Julieta de Paula Alvarenga que sempre apoiaram meus estudos enquanto
presentes.
AGRADECIMENTOS
Deixo registrado os meus profundos agradecimentos:
- Ao Professor Dr. Edvaldo Sabadini pela grande oportunidade de trabalharmos
juntos, por sua enorme disponibilidade, por nossas discussões científicas, pelos
seus conselhos pessoais, por seu caráter no qual sempre será um exemplo pessoal
e profissional para mim.
- Ao Professor Dr. Laurent Bouteiller pela oportunidade, paciência e ensinamentos
durante meu período na Université Pierre et Marie Curie.
- Ao pesquisador Dr. MatthieuRaynal da Université Pierre et Marie Curie que
certamente foi a pessoa que mais me ensinou em tão pouco tempo. Obrigado por
sua amizade.
- À todos meusamigos e colegas de laboratório que de alguma forma colaboraram
com minha formação. Um agradecimento especial à Thiago Ito, Victor Baldim, Ana
Maria Percebom, Karl Jan Clinckspoor e Manazael Jora.
- À minha namorada Ludmila Fernanda Silva, que sempre apoiou minhas decisões
mesmo que muitas vezes em contragosto, e esteve do meu lado sempre que
precisei. Te amo.
- Ao casal de amigos Marcelo Beraldo e Mariane Marcomini por sempre estarem
dispostos a me ajudar em minha estadia em Campinas.
- Ao CNPq(projeto 146745/2013-2) e à FAPESP (projeto 2014/04518-8) pelo apoio
financeiro fundamental na construção desta tese.
- ÀUNICAMP e a todos os funcionários que tornaram possível realizar este trabalho.
RESUMO
Os avanços no campo de química supramolecular estão relacionados tanto no
design e síntese de novas moléculas capazes de se auto-associarem em estruturas
supramoleculares (polímeros) através de interações não covalentes entre as partes
constituintes, como no melhor entendimento das condições experimentais em que as
propriedades microscópicas e macroscópicas destes sistemas possam ser
ajustadas. Pequenas moléculas orgânicas com um núcleo aromático e grupos
capazes de formar intensas ligações de hidrogênio, como derivados de bis-uréia e
benzeno-1,3,5-tricarboxamidas (BTAs) são particularmente interessantes devido
assuas simples estruturas e alta habilidade de se auto-associarem em longos e
estáveis polímeros supramoleculares em solventes de baixa polaridade que
fornecemgéisvisco-elásticos. Neste contexto, esta tese se concentra na discussão
de dois aspectos envolvendo polímeros supramoleculares que contribuem com o
desenvolvimento futuro de novos sistemas e aplicações: (i) o pouco esperado efeito
de pequenas mudanças natureza do solvente na auto-associação de bis-ureias, no
qual solventes mais polares fornecem soluções mais viscosas; (ii) o efeito da adição
de interações intermoleculares secundárias através grupos funcionais de grupos
amino-éster ou segmentos peptídicos ligados à estrutura molecular de BTAs alteram
os processos de auto-associação deste sistema em solução.Um inesperado efeito
de solvatação capaz de alterar a dinâmica de quebra e recombinação das cadeias
dos polímeros supramoleculares formados por bis-ureias foi descrito na
interpretação do efeito do solvente na tendência de viscosidade observada destes
sistemas. Efeitos da influência de impedimentos estéricos, presença e posição de
anéis aromáticos, heteroátomos e outros grupos funcionais em altera as
propriedades de sistemas supramoleculares formados por BTAs foram
rigorosamente estudados e discutidos. Outros efeitos como temperatura e
concentração, assim como transições que ocorrem em ambas estruturas
supramoleculares foram interpretados através da utilização de diferentes técnicas
espectroscópicas, calorimétricas, espalhamento de luz/nêutrons e reologia que
unem as observações das propriedades macroscópicas e microscópicas destes
sistemas.
ABSTRACT
Progress in the field of supramolecular chemistry is relatedto the design and
synthesis of new molecules that self-assemble into supramolecular structures
(polymers) through non-covalent interactions between the its constituent parts, and
the better understanding about the experimental conditions in which the microscopic
and macroscopic properties of these systems can be adjusted.Small organic
molecules with an aromatic core and groups able to form intense hydrogen bonds,
such as bis-urea derivatives and benzene-1,3,5-tricarboxamides (BTAs), are
particularly interesting because of their simple structures and high ability to self-
assemble into long and stable supramolecular polymers in low polarity solvents and
to yield viscoelastic gels.In this context, this thesis focuses on the discussion of two
aspects involving supramolecular polymers that contribute to the future development
of new systems and applications: (i) the unexpected effect of small changes in
solvent nature on self-assembly of bis-ureas, in which more polar solvents provide
more viscous solutions; (ii) the effect of the addition of secondary intermolecular
interactions through functional groups of amino ester groups or peptide segments
bound to the molecular structure of BTAs to alter the self-assembly processes of
these systems in solution.An unexpected solvation effect able to alter the breaking
and recombination dynamics of bis-ureassupramolecular polymers has been
described as a new interpretation of the effect of the solvent on the observed
viscosity tendency of these systems.Effects of the influence of steric impediments,
presence and position of aromatic rings, heteroatoms and other functional groups on
altered properties of supramolecular systems formed by BTAs were rigorously
studied and discussed. These aspects and other effects such as temperature and
concentration as well as transitions occurring in these systems were rigorously
studied through the use of different spectroscopic techniques, calorimetry, light and
neutron scattering and rheology that combine the observations of macroscopic and
microscopic properties.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1: Fotografias de microscopia eletrônica de varredura das fibras do gel formado por
2,4-di-O-benzilideno sorbitol em polímero polidioxanona..........................................................
23
Figura 1.2: Tipos de polímeros supramoleculares.................................................................... 25
Figura 1.3: Estrutura molecular de moléculas capazes de formar dímeros, porém não
sistemas supramoleculares com crescimento epitaxial................................................................
26
Figura 1.4: Estruturas de algumas bis-ureias já estudadas por Bouteiller e colaboradores....... 26
Figura 1.5: Estrutura molecular das bis-ureias EHUT, EHUB e EHUX...................................... 27
Figura 1.6: Estrutura molecular de EHUT e seus arranjos moleculares.................................... 27
Figura 1.7: Três possíveis conformações dos filamentos de EHUT. Os grupos 2-etilexil foram
trocados por grupos metila na tentativa de facilitar a visualização.............................................
28
Figura 1.8: Geometria otimizada das estruturas tubulares de EHUT determinado através de
MM/MD..........................................................................................................................................
29
Figura 1.9: Pseudo-diagrama de fases de EHUT em tolueno. Símbolos estão relacionado à
técnica utilizada,(▲) ITC transição tubo-filamento; (♦) ITC transição monômero-filamento ITC;
(■) viscosimetria; (●) FTIR............................................................................................................
30
Figura 1.10: Soluções 12 mmol L-1 de EHUT em diferentes solventes. As fotografias foram
retiradas em (a) imediatamente, (b) 7 minutos e (c) 40 minutos após os tubos serem
invertidos........................................................................................................................................
32
Figura 1.11: Estrutura molecular de BTAs C=O e N centradas.................................................... 33
Figura 1.12: Representação esquemática da auto-associação de BTAs em uma hélice um
dimensional (stacks) estabilizada através de 3 ligações de hidrogênio........................................
34
Figura 1.13: (a) Estrutura molecular de derivados de benzeno-1,3,5-tricarboxamida. Arranjo
molecular de stacks formados por BTAS com substituintes metila em (b) n-heptano e (c)
metilciclohexano............................................................................................................................
34
Figura 1.14 (a) Estrutura molecular de BTAs Met, Nle e Phe. (b) Estruturas moleculares
propostas para dímeros e stacks formados por dodecil-ésteres em ciclohexano.........................
35
Figura 2.1: Exemplo de uma deformação de um material ao longo do eixo x ao se aplicar uma
força no mesmo eixo.....................................................................................................................
40
Figura 2.2: Curvas de fluxos com perfil de diferentes tipos de materiais..................................... 41
Figura 2.3: Exemplo de obtenção da viscosidade no repouso a partir do platô newtoniano de
uma curva de fluxo de um material pseudoplastico.......................................................................
42
Figura 2.4:Representação esquemática da associação em série de uma mola
(comportamento sólido) e um pistão (comportamento líquido) que são análogos mecânicos
utilizados no modelo de Maxwell...................................................................................................
43
Figura 2.5: Experimentos reológicos oscilatórios fitados com o modelo de Maxwell de
soluções 10 mmol L-1de EHUT em n-octano.G’: modulo elástico; G’’ módulo viscoso. Destaque
para o cruzamento dos módulos que indicam a frequência onde se obtém o tempo de
relaxação.......................................................................................................................................
44
Figura 2.6:Representação esquemática dos dispositivos de um calorímetro de titulação
isotérmica......................................................................................................................................
46
Figura 2.7:(a) Termograma da titulação de uma solução 6 mmol L-1 de EHUT em clorofórmio
no solvente puro; (b) Entalpogramas de soluções (2 ;1; 0,5 e 0,25) mmol L-1 de EHUT em
clorofórmio normalizada pela concentração final na célula de amostra........................................
46
Figura 2.8: Entalpograma de DSC de uma solução 10 mmol L-1 de EHUT em tolueno uma
variação de 1ºC/min.As linhas vermelhas e pretas representam seis varreduras de
aquecimento e resfriado respectivamente.....................................................................................
47
Figura 2.9: Representação de um processo de espalhamento. A radiação incidente com o
vetor de propagação 𝑘𝑖⃗⃗ ⃗é espalhada por dois centros de espalhamentos (círculo azuis), e então
observada por um ângulo de espalhamento (θ)............................................................................
49
Figura 2.10: Regiões onde o vetor de espalhamento q é obtido por SLS e SANS..................... 51
Figura 2.11: Exemplo da evolução de 𝐾𝑐/𝑅𝜃 em função do vetor de espalhamento de um
sistema similar ao estudado (molécula em destaque)...................................................................
52
Figura 2.12: Representação esquemática de um equipamento que utiliza espalhamento de
nêutrons. Destaque para a distância do detector que pode ser modificável à fim de se obter
uma larga faixa de q, especialmente correspondente à baixos ângulos.......................................
53
Figura 2.13: Exemplo do perfil de espalhamento de nêutrons de soluções de EHUT em
diferentes concentrações (pontos) ajustados por um modelo de fibras longas e rígidas com
seção transversal (linhas)..............................................................................................................
54
Figura 2.14: Espectro de infravermelho de soluções de EHUT em clorofórmio. Setas indicam
o sentido do aumento da concentração (diminuição das bandas NH livres e aumento das
referentes a NH ligados)................................................................................................................
56
Figura 2.15: Espectro de infravermelho de soluções 10 mmol L-1de BTA Met em ciclohexano
(stacks), THF e acetato de etila (dímeros) e BTA Nle em ciclohexano.............................
57
Figura 2.16: Espectro de UV-Vis de soluções 0,125 mmol L-1 de (dímeros, linhas finas) e 2,0
mmol L-1 (stacks, linhas grossas) de BTAs Met, Phe, Nle e C8* em ciclohexano, e de soluções
0,125 mmol L-1 das mesmas em etanol (monômeros, linhas pontilhadas)....................................
58
Figura 2.17: Estrutura molecular dos enantiômeros L-Alanina e D-Alanina................................. 59
Figura 2.18: Espectro de dicroísmo circular de soluções 0,125 mmol L-1 de (dímeros, linhas
finas) e 2,0 mmol L-1 (stacks, linhas grossas) de BTAs Met, Phe, Nle e C8* em ciclohexano, e
de soluções 0,125 mmol L-1 das mesmas em etanol (monômeros, linhas pontilhadas)................
60
Figura 3.1. Fotografias dos frascos contendo 20 mmol L-1 de EHUT em tolueno na
temperatura ambiente....................................................................................................................
64
Figura 3.2: Dependência da viscosidade no repouso de soluções 6 mmol L-1 de EHUT em
benzeno e tolueno em função da temperatura. As temperaturas de transição estão indicadas
por setas........................................................................................................................................
66
Figura 3.3: Fotografias de soluções 20 mmol L-1 de EHUT em tolueno e n-dodecano a 20°C
imediatamente e 2 minutos depois da inversão dos frascos.........................................................
66
Figura 3.4: Curvas de fluxo obtidas de soluções 10 mmol L-1 de EHUT em (a) n-alquil-
benzenos (n = 1: tolueno; 2: n-etilbenzeno; 3: n-propilbenzeno; 4: n-butilbenzeno; 5: n-
pentilbenzeno) e (b) n-alcanos (n = 7: n-heptano; 8: n-octano; 9: n-nonano; 10: decano; 11: n-
undecano; 12: n-dodecano) a 20°C...............................................................................................
67
Figura 3.5 Viscosidade no repouso de soluções 10 mmol L-1 de EHUT em n-alquil-benzenos
(1 ≤ n ≤ 5) e n-alcanos (7 ≤ n ≤ 12)em função do número de carbonos sp3 da molécula de
solvente.........................................................................................................................................
6/
Figura 3.6: Constante dielétrica de n-alquil-benzenos (1 ≤ n ≤ 5) e n-alcanos (7 ≤ n ≤ 12) em
função do número de carbonos sp3 da molécula de solvente.......................................................
68
Figura 3.7:Experimentos reológicos oscilatórios sendo os dados experimentais ajustados com
o modelo de Maxwell (linhas contínuas) de soluções 6 mmol L-1 de EHUT.G’: modulo elástico;
G’’ módulo viscoso..........................................................................................................
70
Figura 3.8:Experimentos reológicos oscilatórios ajustados com o modelo de Maxwell de
soluções 6 mmol L-1 de EHUT em tolueno e n-dodecano.G’: modulo elástico; G’’ módulo
viscoso..........................................................................................................................................
71
Figura 3.9: Tempo de relaxação obtidos através do modelo de Maxwell de soluções 6 mmol L-
1 de EHUT em n-alquil-benzenos e n-alcanos a 20°C...................................................................
72
Figura 3.10: Espectros de infravermelho na região entre 3450 e 3200 cm-1 de soluções 10
mmol L-1 de EHUT em tolueno, n-pentilbenzeno, n-heptano e n-dodecano 20°C.........................
73
Figura 3.11: Temperatura de transição (T**) de soluções 10 mmol L-1de EHUT em função do
número de átomos de carbono sp3 de n-alquil-benzenos e n-alcanos..........................................
74
Figura 3.12: Espectros de infravermelho de soluções 1 mmol L-1 em tolueno. As setas
mostras o efeito da temperatura nas bandas de NH livres (3444 e 3429 cm-1) e NH ligados
(3340 e 3280 cm-1).........................................................................................................................
75
Figura 3.13:Rg das cadeias de EHUT em função do número de carbonos sp3 de soluções 1
mmol L-1 em n-alcanos..................................................................................................................
76
Figura 3.14: Entalpogramas experimentais para soluções 0,25 mmol L-1 de EHUT em tolueno,
n-etilbenzeno, n-propilbenzeno, n-butilbenzeno e n-pentilbenzeno à 25°C. Duas
concentrações são indicadas no diagrama: c* e c**, relacionadas com às concentrações de
transição monômero-filamento e filamento-tubo respectivamente................................................
77
Figura 3.15: Representação das etapas deequilíbrio de associação entre monômeros (M) e
duas supramoleculares estruturas (FneTn) de grau de polimerização n.....................................
78
Figura 3.16: Entalpogramas experimentais de solução 0,25 mmol L-1 de EHUT em n-
pentilbenzeno à (a) 25ºC, (b) 30ºC, (c) 35ºC, (d) 40ºC e (e) 45ºC. Linha vermelha corresponde
ao ajuste do modelo cooperativo...................................................................................................
79
Figura 3.17:Parâmetro de solubilidade de Hildebrand (𝛿) do solvente em função do número
de átomos de carbono sp3 de n-alquil-benzenos e n-alcanos.......................................................
82
Figura 4.1: Estruturas moleculares das BTAs estudadas, e as referências “Nle control” e BTA
C8..................................................................................................................................................
85
Figura 4.2: Representação esquemática de “stacks” e dímeros formados pela associação de
dodecil-éster BTAs........................................................................................................................
88
Figura 4.3: (a)Viscosidade relativa em diferentes contrações de BTAs C8*, Met, Phe, Aib, D
Abu, D Ala, Gly, Nle, Val em ciclohexano à 20°C. (b) Fotografias de soluções 20% m/m de
BTA Met, Aib, Phe, Abu e Ala antes e 30 segundos após inverterem os
frascos...........................................................................................................................................
89
Figura 4.4: Espectros de dicroísmo circular de soluções 2mmol L-1das BTAs estudadas neste
estudo em ciclohexano à 20ºC......................................................................................................
90
Figura 4.5: (a) Espectros de dicroísmo circular (b) UV-Vis de soluções 2mmol L-1 de BTAs D
Abu, D Ala, D Cha, L Ile, L Leu, L Met, L Nle, L Phe e L Val em ciclohexano à 20ºC..................
91
Figura 4.6: Espectros de infravermelho de soluções de 10 mmol L-1 BTAs L Met, L Phe, L Nle,
L Val, C8* e “Nle control” em ciclohexano à 20ºC.........................................................................
92
Figura 4.7: Espectros de infravermelhos de soluções 50 mmol L-1 das BTAs (D Cha, L Ile, L
Leu, L T-Leu, T-Leu, L Nle, e L Va)l em ciclohexano à 25ºC........................................................
93
Figura 4.8: Espectro de infravermelho de soluções de diferentes concentrações de BTA (a) L
Met e (b) L Phe em ciclohexano à 20ºC. A largura da linha indica aumento na concentração.....
94
Figura 4.9: Espectro de infravermelho de soluções de diferentes concentrações de BTA (a) D
Abu e (b) Aib em ciclohexano à 20ºC. A largura da linha indica aumento na concentração.........
94
Figura 4.10: Espectros de infravermelho de soluções (5, 25, 50, 100 e 200) mmol L-1 de BTA
D Ala em ciclohexano à 25ºC....................................................................................................................
95
Figura 4.11: Comparação entre os perfis de espalhamento de soluções 10 mmol L-1 de BTA D
Abu e BTA D Ala à 25°C. Modelo com fator forma esférica fornece (𝑀𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜/𝑀𝑚𝑜𝑛𝑜𝑚𝑒𝑟𝑜) =
4.1 e 1.9 para BTA D Ala e BTA D Abu respectivamente..............................................................
95
Figura 4.12: Espectros de infravermelho de soluções BTAs (a) L Phg, (b) Gly em ciclohexano
à 25ºC e em diferentes concentrações..........................................................................................
96
Figura 4.13: Espectro DC de soluções 0.05 mM das BTAs L Met, L Phe e D Abu em
ciclohexano à 20ºC........................................................................................................................
97
Figura 4.14: Entalpogramas experimentais de soluções das éster BTAs L Met (20, 30 e 40ºC),
L Phe (20, 30 e 35ºC)e Aib (20°C) em ciclohexano.......................................................................
97
Figura 4.15 Pseudo-diagrama de fases das transições monômeros – dímeros – stacks das
BTAs D Abu, D Ala, L Met, L Phe e Aib em ciclohexano...............................................................
98
Figura 4.16: Conjunto de estruturas similares das dodecil-éster BTAs que são comparadas
para isolar a influência de um único segmento. (I) Influência do grupo éster; (II) Influência do
comprimento da cadeia alquil linear ligado ao carbono α; (III) Influência do heteroátomo de
enxofre na BTA Met; (IV) Influência de um grupo aromático ligado ao carbono α........................
100
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1: Algumas características das principais técnicas de espalhamento..................; 49
Tabela 2.2: Número de onda das ligações NH, CO éster e CO amida que participam ou
não de ligações de hidrogênio..................................................................................................
56
Tabela 3.1. Valores dos parâmetros obtidos pelo ajuste cooperativo dos dados de ITC de
EHUT em tolueno e n-pentilbenzeno........................................................................................
80
Tabela 4.1: Número de onda das ligações NH, CO éster e CO amida que participam ou
não de ligações de hidrogênio.................................................................................................
92
Tabela 4.2: Propriedades de auto associação das dodecil-éster BTAs estudadas neste
trabalho. A viscosidade relativa aumenta na seguinte ordem: viscoso* < viscoso ** <
viscoso *** < gel........................................................................................................................
99
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
BTAs– benzeno-1,3,5-tricarboxamidas
DC –dicroísmo circular
DLS–dynamic light scattering
DMSO–dimetilsulfóxido
DSC – differentialscanningcalorimetry
Et2O – éter dietílico
EtOAc– acetato de etila
EHUT – 2,4-bis(2-etilhexilureido)tolueno
ITC – isothermaltitrationcalorimetry
IR –infravermelho
FTIR – fourier-transforminfraredspectroscopy
LH –ligação de hidrogênio
LMOGs–low molecular-mass organic gelators
MM/MD – modelagem molecular/dinâmica molecular
SAFIN – self-assembled fibrilar network
SANS – small-angle neutron scattering
SAXS – small-angle x-ray scattering
SEM – scanning electron microscopy
SLS – static light scattering
THF – tetrahidrofurano
UV-Vis – ultravioleta visível
LISTA DE SÍMBOLOS
Δℎ–entalpia de formação dos oligômeros filamentos
Δℎ2–entalpia de formação dos dímeros da formação de filamentos
Δ𝐻–entalpia de formação dos oligômeros tubos
Δ𝐻2–entalpia de formação dos dímeros da formação de tubos
𝛥𝐻∗∗ – entalpia na transição tubo-filamento de EHUT
∆𝐻𝑣 – entalpia de vaporização
𝐴– intensidade de absorção
𝛿 – parâmetro de Hildebrand
𝐺’ – módulo elástico
𝐺’’ – módulo viscoso
휀– absortividade molar
𝐸𝑐 – energia coesiva
[𝐹𝑛] – concentração de filamentos
𝑘 – constante termodinâmica de formação dos oligômeros filamentos
𝐾 – constante termodinâmica de formação dos oligômeros tubos
𝑘2 – constante termodinâmica de formação de dímeros da formação de filamentos
𝐾2 – constante termodinâmica de formação de dímeros da formação de tubos
ki⃗⃗ ⃗– vetor de incidência
kf⃗⃗ ⃗– vetor de espalhamento
l– caminho óptico
η – viscosidade
η0 – viscosidade no repouso
𝜃–ângulo de espalhamento
q⃗ – diferença de fases
𝑅𝑔 – raio de giro
𝜏 – tensão mecânica
𝜏𝑅 – tempo de relaxação
𝜏𝑞𝑢𝑒𝑏𝑟𝑎 – tempo de quebra
𝜏𝑟𝑒𝑝 – tempo de reptação
𝑇∗∗– temperatura de transição das fases filamentos e tubos de EHUT
[𝑇𝑛] – concentração de tubos
𝑉𝑚 – volume molar
𝛾 – taxa de cisalhamento
𝜆 – comprimento de onda
�̅�– número de onda
SUMÁRIO
PREFÁCIO 19
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO A SISTEMAS SUPRAMOLECULARES......... 20
1.1 Auto-associação e Auto-organização: Conceitos e sistemas............ 20
1.2 Géis moleculares............................................................................... 22
1.3 Polímeros supramoleculares formados por ligações de hidrogênio.. 24
1.4 Bis-ureias........................................................................................... 26
1.5 BTAS.................................................................................................. 33
CAPÍTULO 2: TÉCNICAS APLICADAS NA CARACTERIZAÇÃO DOS
SISTEMAS SUPRAMOLECULARES UTILIZADAS NESTE TRABALHO.....
39
2.1 Reologia............................................................................................. 39
2.2 Calorimetria (ITC e DSC)................................................................... 45
2.3 Técnicas de espalhamento estático (SLS e SANS).......................... 48
2.4 Técnicas espectroscópicas: FTIR, UV-Vis e dicroísmo circular........ 54
CAPÍTULO 3:O FUNDAMENTAL E NÃO ESPERADO EFEITO DO
SOLVENTE NOS PROCESSOS DE AUTO-ASSOCIAÇÃO E DINÂMICA
DE BIS-UREIAS...............................................................................................
61
3.1 Objetivos............................................................................................ 62
3.2 Materiais e Métodos.......................................................................... 62
3.2.1 Amostras......................................................................................... 62
3.2.1.1 Síntese de EHUT............................................................ 62
3.2.1.2 Preparo das amostras..................................................... 62
3.2.2 FTIR (Espectroscopia de infravermelho com transformada de
Fourier).....................................................................................................
63
3.2.3 DSC (Calorimetria diferencial de varredura)................................... 63
3.2.4 ITC (Calorimetria de titulação isotérmica)....................................... 63
3.2.5 Reologia.......................................................................................... 63
3.2.6 SLS (Espalhamento de luz estático)............................................... 63
3.3 Resultados e discussão..................................................................... 64
CAPÍTULO 4:O CRUCIAL PAPEL DO SUBSTITUINTES LATERAIS NA
NATUREZA E ESTABILIDADE DE SISTEMAS ASSOCIADOS
DERIVADOS DE DODECIL-ÉSTER BTAS EM CICLOHEXANO...................
84
4.1 Objetivos............................................................................................ 86
4.2 Materiais e Métodos.......................................................................... 86
4.2.1 Amostras......................................................................................... 86
4.2.1.1 Síntese BTAs- Primeira Etapa: Formação do tosilato de
amônia....................................................................................
86
4.2.1.2 Síntese BTAs - Segunda Etapa: Síntese do éster BTA. 86
4.2.2 Preparo das amostras........................................................ 86
4.2.2 FTIR (Espectroscopia de infravermelho com transformada de
Fourier) ....................................................................................................
87
4.2.3 ITC (Calorimetria de titulação isotérmica........................................ 87
4.2.4Dicroísmo circular e Espectroscopia UV......................................... 87
4.2.5 Viscosimetria................................................................................... 87
4.2.6 SANS (Espalhamento de nêutrons em baixos ângulos)................. 87
4.3 Resultados e discussão..................................................................... 88
CAPÍTULO 5: CONCLUSÕES......................................................................... 102
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS................................................................ 104
19 Prefácio
_________________________________________________________________________________
PREFÁCIO
Esta tese foi dividida em cinco capítulos com o intuito de facilitar sua leitura e
compreensão:
Capítulo 1: Uma introdução a sistemas supramoleculares com especial destaque na
apresentação dos monômeros bis-ureias e BTAs que são capazes de formar longos
polímeros supramoleculares através de ligações de hidrogênio.
Capítulo 2: Apresentação e exemplos de diferentes técnicas utilizada na
caracterização dos sistemas estudados.
Capítulo 3: Discussão sobre um não esperado efeito do solvente na viscosidade de
soluções de EHUT (bis-ureia).
Capítulo 4:Discussão sobre o efeito de diferentes grupos laterais ligados na
estrutura molecular de dodecil-éster BTAs.
Capítulo 5: Conclusões e considerações finais.
No final de cada capítulo estão inseridas as respectivas referências
bibliográficas de forma a facilitar a busca das mesmas durante a leitura.
20 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO A SISTEMAS SUPRAMOLECULARES
A teoria elementar de evolução molecular proposta por Oparin é a base usada
pela comunidade científica para propor explicações sobre o surgimento e existência
da vida no planeta Terra. De acordo com essa teoria, a vida teve origem na matéria
inanimada, evoluindo espontaneamente para um estado de maior complexidade e
especificidade molecular.1 Essa maior complexidade, responsável pela existência de
diferentes estruturas como DNA, organelas celulares, células, camadas lipídicas,
está relacionada a processos de auto-associação/auto-organização, que ocorrem
através de interações intermoleculares. Este talvez seja o exemplo mais impactante,
porém é apenas uma amostra da importância deste novo ramo da ciência chamado
de química supramolecular.
Jean-Marie Lehn, prêmio Nobel de Química em 1987 e “pai” do termo química
supramolecular, o define como “a química além da molécula”.2 De fato, a química
supramolecular trata das interações intermoleculares (interações eletrostáticas,
ligações de hidrogênio, interações π- π, coordenação metal-íon, dispersões de
London, etc.), que mantem diferentes moléculas unidas em sistemas altamente
organizados. Como ligações não covalentes estão envolvidas, as estruturas
supramoleculares apresentam uma natureza dinâmica que lhe confere diversas
propriedades únicas, especialmente a capacidade reversível de rearranjo e
regeneração molecular.3
Sistemas supramoleculares são encontrados em dispositivos moleculares que
atuam em funções distintas, como regulação, distribuição, transporte, comunicação,
reconhecimento molecular, replicação e catálise, entre outros.2 Portanto, estes
sistemas apresentam grande interdisciplinaridade, envolvendo conceitos de química,
física e biologia. A grande maioria deles são formados em processos de auto-
organização e auto-associação, sendo a distinção destes termos importante.
1.1 Auto-associação e auto-organização: conceitos e sistemas
Auto-associação (self-assembly) é a associação espontânea de vários
componentes moleculares em um agregado discreto. As estruturas são bem
definidas, formadas em diferentes etapas cinéticas, através de interações
21 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
intermoleculares e reconhecimento molecular.4 Como estes processos envolvem a
minimização da energia do sistema, em determinada condição, uma única estrutura
com número de componentes, geometria e força de interação bem definidos são
estabelecidos.5 Assim, os sistemas auto-associados são muito susceptíveis à
perturbações externas, permitindo variações na sua estrutura em direção à novos
estados termodinamicamente mais estáveis. Os exemplos mais importantes destes
sistemas são micelas, mesofases, polímeros supramoleculares e géis moleculares.
Já a auto-organização (self-organization) é ordenação de unidades
moleculares ou supramoleculares em uma estrutura mais complexa, formada através
de ligações não covalentes com algum grau de ordem espacial ou temporal.4 Apesar
de alguns desses sistemas estarem em equilíbrio, a maioria está em um estado
dinâmico caracterizado por várias configurações estáveis cineticamente,
requerendo, portanto, que haja uma fonte de energia externa.5 Uma vez que essa
energia decai ou cessa, a ordem da auto-organização diminui e pode provocar o
aparecimento de um comportamento não linear frente à diversos parâmetros. Alguns
exemplos de sistemas são: nanopartículas, auto-organização de líquidos iônicos em
solução aquosa, géis químicos formados por fibras cristalinas, além de diversos
sistemas físicos e biológicos.
Como as definições são parecidas, muitas vezes os conceitos de auto-
associação e auto-organização se confundem ou têm o mesmo significado. Para
uma melhor distinção entre eles, alguns pontos podem ser destacados: (i) Auto-
organização é um processo fora do equilíbrio, enquanto auto-associação é um
processo espontâneo em direção ao equilíbrio; (ii) Diferente do processos de auto-
organização, a auto-associação não necessita de um número mínimo de unidades e
assim até mesmo dímeros podem ser formados; (iii) As interações dinâmicas que
ocorrem no processo de auto-associação refletem as propriedades dos
componentes, assim o processo ocorre de forma específica, direcional e “pré-
programada”, enquanto nos processos de auto-organização essa codificação inicial
não é obrigatória.5
Dentre todos os exemplos citados, algumas nanoestruturas auto-associadas
altamente direcionais como fitas, hélices, fibras e tubos têm atraído a atenção dos
químicos supramoleculares por promoverem transformações macroscópicas do
sistema.6 Espécies como polímeros supramoleculares7 e micelas gigantes8 podem
22 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
ser grandes o suficiente para alterar as propriedades reológicas da solução,
promovendo o aparecimento de comportamento viscoelástico e a formação de géis
moleculares. Tanto polímeros supramoleculares, como os géis moleculares serão
apresentados e discutidos nas próximas seções.
1.2 Géis moleculares
Géis moleculares têm despertado grande interesse desde a década de 90
devido à suas propriedades vantajosas de se alterarem estruturalmente. Transições
sol-gel em sistemas supramoleculares podem ocorrer, quando sujeitos a estímulos
químicos, temperatura e pH.9 Essas características fornecem aos géis diversas
aplicações em: produtos de higiene pessoal (pasta de dente, shampoo, desodorante,
etc.), alimentos (doces, pudins), dispositivos eletrônicos, fármacos, na indústria têxtil
e de tintas, e na exploração de petróleo.10
Apesar de grande utilização, e de certa forma, fácil identificação, a definição
de um gel é um tanto complexa. Richard Weiss, um dos químicos mais influentes no
assunto, na tentativa de ligar as propriedades macroscópicas e microscópicas,
define um sistema como gel se: “(i) apresentar estrutura microscópica contínua com
dimensões macroscópicas que são permanentes na escala de tempo de um
experimento analítico; (ii) possuir comportamento reológico semelhante à de um
sólido apesar de ser majoritariamente líquido”.10Uma outra definição mais simplista
de um gel é a de um material visco-elástico formado por uma rede tridimensional de
ligações cruzadas e um solvente que é o componente majoritário.11
A partir dessas duas visões, podemos definir especificamente um gel
molecular como um sistema constituído de uma rede tridimensional formada por
longas estruturas supramoleculares auto-associadas que produzem uma malha
porosa capaz de aprisionar moléculas de solvente e inibir o fluxo do mesmo. Desta
forma, a rigidez da microestrutura é afetada pelo número e tipo de interações nas
zonas de junção entre as estruturas supramoleculares do gel.10 A Figura 1.1 contém
fotos de microscopia eletrônica de varredura (SEM) do gel de 2,4-di-o -
benzilidenosorbitol formado em polímero polidioxanona12 que ilustram visualmente
esse tipo de sistema.
23 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
Figura 1.1: Fotografias de microscopia eletrônica de varredura das fibras do gel formado por 2,4-di-o-
benzilideno sorbitol em polímero polidioxanona.12
As estruturas supramoleculares que constituem os géis moleculares e
consequentemente a rede fibrosa auto-associada (Self-Assembled Fibrilar Network -
SAFINs), são formadas quando uma solução de baixa concentração de moléculas
gelificantes, é resfriada abaixo de sua temperatura de gelificação característica (Tg).
O resfriamento torna a solução supersaturada, desencadeando eventos de
nucleação estocásticos impulsionados por forças entálpicas.10 A associação ocorre à
partir de interações altamente específicas, que permitem um crescimento
preferencial em uma dimensão (formando fibras ou tubos13) que podem ser
dinâmicas ou, mais frequentemente, formar estruturas cristalinas. Os agentes
gelificantes podem ser de origem inorgânica, fornecendo géis
termicamenteirreversíveis (géis químicos) com redes de ligações covalentes
cruzadas que não podem ser dissolvidas.11 Entretanto, a maioria desses agentes
gelificantes são compostos orgânicos de baixa massa (Low Molecular-Mass
OrganicGelators – LMOGs) que são capazes de formar estruturas supramoleculares
dinâmicas. Estas estruturas auto-associadas podem dissociar reversivelmente com a
alteração da temperatura. São portanto caracterizados como géis físicos.14
24 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
A capacidade de diferentes solventes em promover ou não a formação dos
polímeros supramoleculares (e consequentemente a SAFINS) envolve um balanço
entre parâmetros opostos, relacionados tanto com a solubilidade e interação com
solvente, como ao crescimento epitaxial de agregados alongados.10 Essa habilidade
de formação, assim como a forma, homogeneidade e tamanho da malha tem sido
objeto de ativa investigação pela comunidade científica. Além dos diferentes tipos de
interações possíveis entre as espécies no gel e os parâmetros citados,
características geométricas do solvente têm de ser consideradas, pois solventes
com propriedades semelhantes podem formar estruturas supramoleculares
diferentes15. Alguns estudos recentes têm se concentrado em determinar alterações
nas propriedades físicas, mecânicas, estruturais e estabilidade dos géis com
alterações no solvente.16–20 Porém o conhecimento de como as “peças” deste
quebra cabeça microscópico se agrupam ainda não está bem estabelecido.
1.3 Polímeros supramoleculares formados por ligações de hidrogênio
Os polímeros supramoleculares são formados por cadeias de monômeros,
geralmente LMOGs, associados através de ligações não covalentes reversíveis e
altamente direcionais.7 A natureza dinâmica das interações intermoleculares
envolvidas permite que esses materiais apresentem características distintas
comparados com os polímeros comuns.13 Em destaque, a capacidade de auto
regeneração, capaz de lhes proporcionar, entre outras propriedades, imunidade à
degradação mecânica.21
Apesar de outras interações mais fracas estarem presentes, a ligação de
hidrogênio é a principal força responsável pela união dos monômeros dos polímeros
supramoleculares devido sua alta energia e direcionalidade. As ligações de
hidrogênio entre os monômeros são capazes de promover processo de agregação
com a formação de longas cadeias supramoleculares, ou até mesmo promovendo a
união de cadeias de polímeros convencionais (covalentemente ligados) pelas suas
extremidades ou ramificações como mostrado na Figura 1.2. Dentre esses polímeros
destaca-se os que apresentam longas cadeias supramoleculares onde os
segmentos estão ligados somente através de interações não-covalente, pois
possuem propriedades reológicas incomuns.
25 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
Figura 1.2: Tipos de polímeros supramoleculares: Adaptado da ref. 21.
A intensidade das ligações de hidrogênio aumenta, na medida que novas
ligações estão envolvidas, portanto, os polímeros supramoleculares possuem uma
larga faixa de energias de associação. A especificidade da interação doador/receptor
da ligação de hidrogênio permite o controle maior da ordenação intermolecular
através de mudanças estruturais das espécies envolvidas.22A força da ligação de
hidrogênio primária, que é a energia de uma ligação de hidrogênio entre um aceptor
e um doador é determinada por inúmeros fatores que inclui acidez/basicidade e
geometria.22 Além disso, somente o número de ligações de hidrogênio não
determina a estabilidade de um complexo supramolecular, sendo que interações
eletrostáticas secundárias são críticas na estabilidade de certos complexos,21 e
ainda são responsáveis pela maior cooperatividade de agregação de alguns
sistemas.
Recentemente diversos trabalhos envolvendo moléculas capazes de formar
complexos como dímeros foram relatados. A Figura 1.3 apresenta alguns destes
sistemas, onde é possível perceber que a maioria destas moléculas são sistemas
heterocíclicos com grupos amida que possuem ligações de hidrogênio
complementares. Entretanto, o crescimento epitaxial de um polímero supramolecular
não acontece, na maioria das vezes, devido à falta de grupos subsequentes. Nestes
casos, o sistema se torna “fechado”, impossibilitando o processo cooperativo
essencial na formação de um agregado maior. Esse não é o caso das bis-ureias e
BTAs (que serão tratadas nas subseções 1.4 e 1.5) que são capazes de formar
ligações de hidrogênio contínuas através de seus segmentos ureia e amida
respectivamente, e desta forma podem formar longos agregados.
26 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
Figura 1.3: Estrutura molecular de moléculas capazes de formar dímeros, porém não sistemas
supramoleculares com crescimento epitaxial. Adaptado da ref. 21.
1.4 Bis-ureias
Bouteiller et al.7,23-27 têm sintetizado diversas moléculas (LMOGs) que
possuem uma estrutura central baseada em ureias aromáticas, capazes de se auto-
associarem através de intensas ligações de hidrogênio28 em longos polímeros
supramoleculares. Em concentrações moderadas, na faixa de milimolar (mmol L-1)
estes polímeros são suficientemente longos para se entrelaçarem gerando um dos
raros exemplos conhecidos de géis moleculares dinâmicos auto-associados. A
Figura 1.4 apresenta a estrutura molecular do núcleo aromático e alguns exemplos
de substituintes da estrutura da bis-ureia já estudados.7,29
Figura 1.4: Estruturas de algumas bis-ureias já estudadas por Bouteiller e colaboradores. Adaptado
da ref. 28.
Os grupos laterais ligados as ureias possuem influência especialmente na
solubilidade das bis-ureias. Substituintes alquil lineares fornecem solubilidade em
solventes de baixa polaridade,30 enquanto a introdução de ramificações nos
27 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
substituintes leva a solubilização das bis-ureias em solventes mais polares, tais
como clorofórmio e alquil-benzenos. As propriedades das bis-ureias também são
extremamente sensíveis ao núcleo aromático entre as duas funções ureias, pois
estes são responsáveis pelo primeiro nível de cooperatividade destes sistemas.30
Substituintes alquil na posição orto do anel aromático central facilitam que as
ligações de hidrogênio sejam formadas pois forçam uma conformação não coplanar
entre o anel aromático e o grupo ureia, energeticamente favorável para que os
sistemas supramoleculares sejam formados. Este é o caso das moléculas de EHUT,
EHUB e EHUX, representadas respectivamente da esquerda para a direita na Figura
1.5. Enquanto EHUT forma géis com relativa fluidez em soluções de tolueno, na
mesma concentração EHUX forma géis muito rígidos porém termodinamicamente
instáveis, enquanto EHUB não é capaz de se solubilizar na maioria de solventes
orgânicos.33
Figura 1.5: Estrutura molecular das bis-ureias EHUT, EHUB e EHUX.
Em especial EHUT, 2,4-bis(2-etilhexilureido)tolueno, tem chamado a atenção
pela capacidade de formar diferentes estruturas supramoleculares, como fibras e
tubos13,29,34 que possuem arquiteturas bem distintas e são estáveis em uma larga
faixa de temperaturas e concentrações em diversos solventes de baixa polaridade. A
Figura 1.6 representa um esquema de tais estruturas que foram determinadas
através de espalhamento de nêutrons em baixos ângulos
(SmallAngleNeutronScattering, SANS):23
Figura 1.6: Estrutura molecular de EHUT e seus arranjos moleculares.
28 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
Os filamentos de EHUT são formados geralmente em temperaturas elevadas,
acima de 50°C, em uma série de solventes orgânicos.30 Medidas de SANS de
soluções de EHUT em clorofórmio, nas quais os filamentos são formados
àtemperatura ambiente, foram quantitativamente ajustadas através de um modelo de
hastes rígidas (rigidrods),13 forneceram um diâmetro de 13 Å que está na ordem da
dimensão molecular de EHUT. Além disso, a densidade de empacotamento obtida
através do modelo indica uma distância de 4 Å entre os monômeros, indicando a
formação de uma cadeia de monômeros ligados através de ligações de hidrogênio
com um único monômero na seção transversal.13,30
Simulações de mecânica molecular/dinâmica molecular (MM/MD) permitiram
a identificação de três arranjos supramoleculares compatíveis com os dados de
SANS que estão representados na Figura 1.7.33 Estas estruturas possuem energia
potencial muito similar e duas destas foram identificadas através de medidas de
Raios-X do cristal de bis-ureias similares.33 A diferença entre as três estruturas está
relacionada com a frequência de alternação do ângulo diédrico ao longo do
filamento: a cada monômero, a cada três monômeros e sem alternação para
respectivamente as estruturas na forma de hélice, zigue-zague e hélice.
Figura 1.7: Três possíveis conformações dos filamentos de EHUT. Os grupos 2-etilexil foram
trocados por grupos metila na tentativa de facilitar a visualização. Adaptado da ref. 33.
29 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
Estudos envolvendo espectroscopia de infravermelho (FTIR),7 espalhamento
de luz,34e calorimetria de titulação isotérmica (ITC)35mostram que o comprimento
dos filamentos de EHUT possui uma dependência com a concentração. Ademais, os
dados indicam que a associação de EHUT em filamentos possuem dois níveis de
cooperatividade. Um primeiro relacionado à formação de dímeros, e um segundo
ligado ao crescimento cooperativo dos filamentos acima de uma concentração
crítica. Este efeito está relacionado tanto à polarização da função ureia, como uma
necessidade de mudança conformacional do monômero para se ajustar no
filamento.30 Ambos efeitos contribuem para o maior custo energético na formação de
dímeros comparados com os filamentos alongados. A consequência é o crescimento
cooperativo de longos filamentos supramoleculares capazes de fornecer soluções
em média sete vezes mais viscosas que os solventes puros em concentrações
moderadas (10-3 mol L-1), entretanto, há ainda uma forte dependência de
concentração, temperatura e solvente.
Em concentrações moderadas e temperatura ambiente, EHUT é capaz de se
auto-associar em longos tubos supramoleculares em diversos solventes alifáticos e
aromáticos. O perfil de espalhamento de nêutrons de soluções de EHUT em n-
dodecano ou tolueno também pode ser ajustado através do modelo de hastes
rígidas, entretanto o diâmetro da sessão transversal (26 Å) é duas vezes maior que
os filamentos formados em clorofórmio. Além disso a densidade de empacotamento,
aliada à estudos de MM/MD indicaram que estes tubos supramoleculares possuem 3
moléculas em sua seção transversal como mostrado na Figura 1.8.36
30 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
Figura 1.8: Geometria otimizada das estruturas tubulares de EHUT determinado através de MM/MD.
Adaptado da ref. 36.
O processo de crescimento dos tubos supramoleculares é mais cooperativo
do que o de filamentos. Em uma solução 10mmol L-1 de EHUT em tolueno a 20ºC, o
grau de polimerização dos tubos é na ordem de 2𝑥10−4, o que corresponde à um
comprimento de cadeia de cerca de 4μm.37Esse enorme comprimento, aliado à
rigidez e baixa dinâmica destes polímeros supramoleculares, conduz à formação de
géis viscoelásticos em concentrações moderadas deste sistema, o que lhe torna
particularmente interessante em aplicações nos campos de cosméticos e
hidrocarbonetos. 30
A transição entre os monômeros, filamentos e tubos de EHUT é
extremamente cooperativa e pode ser facilmente detectada através de diversas
técnicas tais como ITC, DSC, viscosimetria e FTIR. A Figura 1.9 ilustra um pseudo-
diagrama de fases de EHUT em tolueno,no qual é possível verificar transições tanto
em função da concentração como da temperatura. Em concentrações menores que
10−5mol L-1 EHUT está totalmente dissociado na forma de monômeros. À medida
que a concentração é aumentada, filamentos são formados em temperaturas mais
elevadas, e tubos supramoleculares à temperatura ambiente. No caso deste sistema
EHUT-tolueno, a temperatura de transição entre tubos e filamentos (T**) é de cerca
31 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
42°C (10 mmol L-1), sendo que uma variação positiva nessa temperatura é um
indicativo de uma maior estabilidade dos tubos em solução.
Figura 1.9: Pseudo-diagrama de fases de EHUT em tolueno. Símbolos estão relacionado à técnica
utilizada,(▲) ITC transição tubo-filamento; (♦) ITC transição monômero-filamento ITC; (■)
viscosimetria; (●) FTIR . Adaptado da ref. 13.
Dentre os diversos fatores que podem afetar a auto-associação de polímeros
supramoleculares, o solvente tem um papel intrigante, pouco explicado e tem sido
objeto de ativa investigação pela comunidade científica.15,38 A capacidade de
diferentes solventes em promover ou não a formação das estruturas
supramoleculares envolve um balanço entre parâmetros opostos, relacionados tanto
com a solubilidade e interação com o solvente, como ao crescimento epitaxial de
agregados alongados.10 O solvente pode afetar o processo de auto-associação de
diferentes formas, por exemplo, solventes polares competem com os monômeros
pelas interações intermoleculares e como consequência desestabilizam a estrutura
supramolecular.39 Este é o caso de EHUT, que é incapaz de se auto-associar em
solventes como etanol, DMSO e THF.30
Um outro efeito particular do solvente sobre a auto-associação do EHUT está
relacionado com o tamanho/volume da molécula de solvente.15 Este efeito está
relacionado com a necessidade da molécula de solvente preencher a cavidade do
tubo de EHUT. Assim, se a molécula de solvente for demasiadamente volumosa
para preencher a cavidade tubular, os tubos são desestabilizados e como
consequência os filamentos são formados. O resultado é um enorme decaimento na
viscosidade do sistema, além da perda de propriedades visco-elásticas. Este
32 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
comportamento está ilustrado na Figura 1.10, que contém fotografias de soluções de
12 mmol L-1 de EHUT em diversos solventes com propriedades físico-químicas
semelhantes, porém com diferentes volumes. Vale destacar que até mesmo a
pequena mudança de p-xileno para o-xileno resulta numa diminuição de 200 vezes
na viscosidade.
Figura 1.10: Soluções 12 mmol L-1 de EHUT em diferentes solventes. As fotografias foram retiradas
em (a) imediatamente, (b) 7 minutos e (c) 40 minutos após os tubos serem invertidos. Adaptado da
ref. 15..
O grande número de trabalhos científicos publicados mostra claramente que a
natureza do solvente e da estrutura molecular das bis-ureias produz resultados que
são difíceis de serem racionalizados, mas por outro lado estimulantes. Neste
sentido, este trabalho envolveu uma colaboração com o Professor Laurent Bouteiller
da Universidade Pierre and Marie Currie–Paris para busca de novos experimentos e
interpretações que permitam entender os caminhos seguidos no processo de auto-
33 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
associação desta classe de moléculas. O projeto envolveu a estadia de cerca de um
ano do aluno no grupo ChimiedesPolymères.
1.5 BTAs
Outros sistemas capazes de se auto-associarem em polímeros
supramoleculares são as BTAs (benzeno-1,3,5-tricarboxamidas) que são moléculas
que consistem de um núcleo central aromático com três amidas conectadas nas
posições 1,3 e 5, podendo ser N centradas ou C=O centradas como mostrado na
Figura 1.11. As ramificações deste núcleo central podem ser alifáticas ou
aromáticas, polares ou apolares, carregadas ou neutras, quirais, racêmicas ou
aquirais, simétricas (com os mesmos substituintes) ou não simétricas, e suas
propriedades estão relacionadas a escolha destes grupos. Essas moléculas têm sido
investigadas em uma larga variedade de aplicações, como organogéis, hidrogéis,
cristais líquidos, materiais nano-estruturados, agentes de nucleação para polímeros
e microcápsulas para entrega de fármacos.40
Figura 1.11: Estrutura molecular de BTAs C=O e N centradas.
Dependendo das condições, as BTAs podem ter um crescimento
unidimensional formando longas estruturas na forma de pilhas (“stacks”, Figura 1.12)
através de três ligações de hidrogênio das amidas, além de interações secundárias
como interações entre os anéis aromáticos, especialmente em solventes de baixa
polaridade, nas quais são solúveis e capazes de formarem géis orgânicos. Estas
estruturas supramoleculares possuem uma orientação preferencial em hélice
quando substituintes quirais são utilizados o que possibilita a sua utilização em
aplicações onde se necessita deste tipo de configuração como por exemplo em
catálises assimétricas.41,42.
34 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
Figura 1.12: Representação esquemática da auto-associação de BTAs em uma hélice
unidimensional (stacks) estabilizada através de 3 ligações de hidrogênio. Adaptado da ref. 40.
O solvente também tem um papel fundamental no processo de auto-
associação das BTAs, pois pode competir pelas interações intermoleculares que
estão envolvidas na formação das estruturas supramoleculares, sendo assim deve
possuir baixa polaridade para que as ligações de hidrogênio sejam formadas. Há
efeitos não óbvios como no caso das BTAs metil-alquil substituídas43 (Figura 1.13)
em que as estruturas supramoleculares se diferem no anglo diedro entre o anel
aromático e a carbonila quando se utiliza solvente linear (n-n-heptano) ou cíclico
(metilciclohexano). Este efeito está atribuído à intercalação dos alcanos lineares
entre as moléculas de BTAs no agregado modificando a maneira como a ligação de
hidrogênio é formada. Entretanto, não há relatos de outras variações causadas pelo
solvente nestes sistemas.
Figura 1.13: (a) Estrutura molecular de derivados de benzeno-1,3,5-tricarboxamida. Arranjo
molecular de stacks formados por BTAS com substituintes metila em (b) n-heptano e (c)
metilciclohexano. Adaptado da ref. 43.
35 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
Por outro lado, a adição de interações secundárias através da variação
estrutural dos substituintes do núcleo nas BTAs altera sensivelmente a estabilidade
e dinâmica das estruturas formadas. Em especial grupamento α-amino ésteres ou
segmentos peptídicos têm chamado atenção devido à grande variedade destes
grupos que podem ser facilmente incorporados nas funções amidas da BTAs. O
tamanho do segmento éster também tem influência no processo de auto-associação
das BTAs. Estudos anteriores envolvendo BTAs metil-ésteres derivadas de (L)-
valina, (L)-metionina mostraram que estes sistemas são capazes de se auto-
associarem na forma de stacks. O mesmo não acontece em derivados de (L)-
fenilalanina e (L)-tirosina. Segmentos maiores, como BTAs octil-ésteres de (L)-
isoleucina, (L)-fenilalanina não possuem a habilidade de formar géis ou longas
estruturas em solventes apolares. Entretanto, contraditório ao esperado, BTAs
dodecil-ésteres derivadas de (L) metionina e (L)-fenilalanina são capazes de formar
géis moleculares em ciclohexano.41
Apesar de BTA dodecil-ésteres derivadas de (L) metionina (BTA Met) e (L)-
fenilalanina(BTA Phe)formarem stacks em altas concentrações em ciclohexano
(estruturas moleculares na Figura 1.14a), o mesmo não ocorre em baixas
concentrações, formando dímeros incapazes de formar soluções viscosas. Já BTA
dodecil-éter derivada de (L)-norleucina forma dímeros até mesmo em concentrações
mais elevadas.41 Estes sistemas se diferem na maneira que as ligações de
hidrogênio são formadas. Enquanto ocorre a ligação NH--CO da amida na formação
de stacks, os dímeros apresentam uma ligação NH--CO do grupamento éster (Figura
1.14b).
Figura 1.14 (a) Estrutura molecular de BTAs Met, Nle e Phe. (b) Estruturas moleculares propostas
para dímeros e stacks formados por dodecil-ésteres em ciclohexano. Adaptado da ref. 41.
No sentido de investigar essas propriedades não comuns das BTAs dodecil-
ésteres foi feito um estudo (Capítulo 4) da natureza e estabilidade de 13 novos
36 Capítulo 1: Introdução a sistemas supramoleculares
_________________________________________________________________________________
sistemas derivados de diferentes aminoácidos ou segmentos peptídicos (estruturas
no anexo I). A influência do grupo dodecil-éster, comprimento da cadeia alifática
ligada ao carbono α, além da presença de heteroátomos e grupos fenólicos foi
sistematicamente avaliado. Os diferentes comportamentos observados destacaram
a importância de controlar as propriedades de auto-associação dos monômeros das
BTAs.
39 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
CAPÍTULO 2
TÉCNICAS APLICADAS NA CARACTERIZAÇÃO DOS SISTEMAS
SUPRAMOLECULARES UTILIZADAS NESTE TRABALHO
A caracterização de sistemas supramoleculares envolve a utilização de
diversas técnicas que permitem entender os processos de agregação molecular.
Uma das propriedades (macroscópicas) utilizada envolve a reologia, que mede a
resposta do sistema perturbações mecânicas, sendo importantes na avaliação dos
géis formados pelos sistemas supramoleculares. Técnicas de espalhamento são
indispensáveis na determinação estrutural, seja do tamanho dos sistemas formados,
seja relativo a morfologia dos mesmos. Calorimetria, tanto isotérmica como de
varredura oferecem uma descrição termodinâmica e são úteis na determinação de
transições que acontecem em relação a concentração e temperatura,
respectivamente. As técnicas espectroscópicas, tais como FTIR, UV-Vis e dicroísmo
circular são abrangentes e são utilizadas na caracterização das interações
intermoleculares envolvidas, especialmente ligações de hidrogênio, e formação dos
diferentes agregados que possuem perfis de absorção diferentes. Neste sentido,
esse capítulo tem como foco estabelecer uma base de conhecimento sobre técnicas
de caracterização na tentativa de facilitar o entendimento das discussões dos
capítulos seguintes.
2.1 Reologia
Reologia é a ciência que estuda a resposta de materiais frente à uma
perturbação mecânica dada na forma de uma tensão, tais como: extensão,
compreensão e cisalhamento.44 Através destes experimentos é possível avaliar
propriedades mecânicas de um material, como por exemplo sua viscosidade e os
módulos de armazenamento e perda. Desta forma, o entendimento do
comportamento reológico é essencial em sistemas de diversas áreas como
cosméticos, fármacos, tinturas, alimentos, indústria petroquímica, entre outros.45
No campo dos sistemas supramoleculares a reologia pode ser utilizada como
um indicativo dos processos de auto-associação, especialmente quando polímeros
supramoleculares são formados e consequentemente aumentam drasticamente a
viscosidade do sistema devido ao entrelaçamento das cadeias. Além disso, como
40 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
estes sistemas são dinâmicos, ensaios oscilatórios aliados a modelos descritos na
literatura podem ser utilizados na tentativa de compreender os processos de quebra
e recombinação das moléculas que formam os agregados não-covalentes.
O entendimento da reologia se baseia em duas leis fundamentais, chamadas
de equações constitutivas, que descrevem o comportamento mecânico dos
materiais.45 A primeira descrita matematicamente pela lei de Hooke (Equação 2.1)
considera que o material tem um comportamento totalmente elástico quando uma
força é aplicada ao longo de um eixo e consequentemente uma deformação (Δx) é
gerada no mesmo, como mostrado na Figura 2.1. De acordo com a lei de Hooke, a
força na forma de tensão mecânica (necessária para deformar (sendo o
coeficiente de deformação) o material é diretamente proporcional ao módulo elástico
do materialG
Figura 2.1: Exemplo de uma deformação de um material ao longo do eixo x ao se aplicar uma força
no mesmo eixo.
τ = Gγ Equação 2.1
Já quando o sistema apresenta um comportamento totalmente líquido, o
material se deformará permanentemente no tempo quando uma tensão é aplicada
caracterizando um escoamento que pode ser em dois regimes: lamelar onde o fluído
é deslocado em apenas uma direção e, turbulento, onde a energia é alta o suficiente
para gerar vórtices e o deslocamento é aleatório. O regime turbulento pode também
ser usado na caracterização de sistemas supramoleculares, especialmente através
de estudos de atrito hidrodinâmico,46 entretanto não é o foco deste trabalho.
No regime lamelar, a lei de Newton47 (Equação 2.2) que correlaciona a tensão
(𝜏) com a viscosidade (𝜂) e taxa de cisalhamento (𝛾 ) pode ser utilizada para
descrever o comportamento do material. A definição da taxa de cisalhamento
(equação 2.3) indica que este parâmetro representa a taxa de deformação do
41 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
material em relação ao tempo, sendo a viscosidade a sua constante de
proporcionalidade com a tensão aplicada.
τ = ηγ Equação 2.2
γ =dγ
dt Equação 2.3
A correlação entre a tensão aplicada e a taxa de cisalhamento não é
constante na maioria dos materiais, ou seja, tem comportamento não-newtonianos.
Por exemplo, nos sistemas supramoleculares podem ocorrer modificações
estruturais devido a dinâmica das interações intermoleculares quando uma tensão é
aplicada, levando a um comportamento não-newtoniano. A Figura 2.2 apresenta
curvas de fluxo, que são relações entre tensão e taxa de cisalhamento, onde é
possível observar os diferentes comportamentos de matérias existentes. Especial
destaque para a curva dos materiais pseudoplásticos que é o caso dos sistemas
supramoleculares estudados.
Figura 2.2: Curvas de fluxos com perfil de diferentes tipos de materiais.
Os fluidos pseudoplásticos possuem comportamento newtoniano nos limites
de baixos valores de taxas de cisalhamento, e desta forma a viscosidade nesta faixa
denominada viscosidade no repouso é constante. Entretanto, com o aumento na
taxa de cisalhamento, os sistemas supramoleculares se desenovelam e se alinham
ao fluxo. Como resultado há uma menor resistência ao escoamento e
consequentemente uma diminuição gradual na inclinação da curva da Figura 2.2.
Desta forma, o primeiro passo na obtenção da viscosidade (no repouso) é
42 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
determinar a faixa de taxa de cisalhamento (ou tensão aplicada) onde existe um
platô newtoniano como mostrado na Figura 2.3. Esta viscosidade no repouso é o
parâmetro que será utilizado ao longo deste trabalho.
Figura 2.3: Exemplo de obtenção da viscosidade no repouso a partir do platô newtoniano de uma
curva de fluxo de um material pseudoplastico.
Além da obtenção da viscosidade no repouso, a reologia pode ser usada na
caracterização das propriedades visco-elásticas dos sistemas supramoleculares.
Neste tipo de estudo, são conduzidos ensaios oscilatórios que alteram a frequência
onde a tensão é aplicada no sistema. A resposta do material é um processo de
relaxação da energia em excesso (obtida pela tensão aplicada) através de um
rearranjo espacial através de movimentos moleculares que resulta no escoamento
do material.45 Se a frequência que a tensão é aplicada for alta o suficiente para não
permitir o processo de relaxação, a energia é armazenada e posteriormente
restituída na forma elástica. Caso a frequência de perturbação seja baixa, o sistema
tem tempo suficiente para dissipar a energia pelo processo de relaxação descrito.
Neste sentido, quaisquer sistemas estudados, inclusive os supramoleculares
apresentam comportamento elástico e viscoso que dependem se a perturbação
ocorre com alta ou baixa frequência em relação ao tempo de relaxação
característico do material. Essas características sólida e líquida são expressas pelos
módulos dinâmicos elásticos (G’) e viscoso (G’’) respectivamente, que são obtidos
em experimentos reológicos oscilatórios em diferentes frequências. Existem diversos
modelos que descrevem os módulos elásticos através de análogos mecânicos como
43 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
mola e pistão (leis de Hooke e Newton) descritos na literatura. No caso específico de
sistemas dinâmicos como polímeros supramoleculares47 e micelas gigantes,48 o
modelo de Maxwell que utiliza uma associação destes elementos em série como
mostrado na Figura 2.4 tem sido eficientemente utilizado em diversos trabalhos,
inclusive na descrição do comportamento reológico de EHUT.2
Figura 2.4:Representação esquemática da associação em série de uma mola (comportamento
sólido) e um pistão (comportamento líquido) que são análogos mecânicos utilizados no modelo de
Maxwell.
O modelo de Maxwell descreve matematicamente os módulos elásticos e
dinâmicos através das Equações 2.4 e 2.5 respectivamente, onde ω é a frequência
de oscilação e τR é o tempo de relaxação das cadeias. O τR, é obtido pela frequência
onde há o cruzamento dos dois módulos (ωc= 1/τR quando G'(ωc) = G'' (ωc);
Equação 2.6). Um exemplo de um espectro mecânico de EHUT ajustado elo modelo
Maxwell está representado na Figura 2.5:
G' = G0(ωτR)
2
1 + (ωτR)2 Equação 2.4
G'' = G0(ωτR)
1 + (ωτR)2 Equação 2.5
G' = G'' → G0(ωτR)
2
1 + (ωτR)2= G0
(ωτR)
1 + (ωτR)2 → (ωτR) = 1 →
τR =1
ω Equação 2.6
44 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
Figura 2.5: Experimentos reológicos oscilatórios ajustados com o modelo de Maxwell de soluções 10
mmol L-1de EHUT em n-octano.G’: modulo elástico; G’’ módulo viscoso. Destaque para o cruzamento
dos módulos que indicam a frequência onde se obtém o tempo de relaxação. Adaptado da ref. 47.
O tempo de relaxação é a combinação dos processos de reptação e de
quebra das cadeias, que podem ser caracterizadas por dois tempos de relaxação
separados, respectivamente τrep e τquebra. Enquanto o τquebra é inerente à dinâmica
de quebra e recombinação do sistema supramolecular, o τrep está relacionado ao
movimento das cadeias na tentativa de dissipar a energia mecânica aplicada.49 Se
nos sistemas supramoleculares os processos de quebra e recombinação são muito
mais rápidos que a reptação, ou seja τquebra ≪ τrep, o tempo de relaxação geral é
dado pela Equação 2.6:45
τR = √τrepτquebra Equação 2.6
Comparar o tempo de relaxação de sistemas supramoleculares, desde que
sigam o modelo de Maxwell, significa comparar diretamente o tamanho das cadeias
supramoleculares (L̅), pois existe uma proporcionalidade (τR ∼ L̅) entre estes
parâmetros como mostrado por Cates e Candau,10 sendo então de extrema valia na
caracterização destes sistemas, especialmente por correlacionar propriedades
macroscópicas e microscópicas do sistema. No entanto, como mostrado na Figura
2.5, pela qualidade do ajuste, pode-se concluir que o modelo de Maxwell não
descreve completamente os processos de relaxação do EHUT em n-octano.
45 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
2.2 Calorimetria (ITC e DSC)
Os processos de auto-associação envolvidos na formação de sistemas
supramoleculares geram troca de energia do sistema devido à formação/quebra de
interações intermoleculares. A calorimetria de titulação isotérmica (ITC: Isothermal
Titration Calorimetry) é uma técnica capaz de medir essa troca de energia que
acompanha essa mudança física/química. Essa técnica é ideal para a investigação a
energia de ligação destes sistemas porquê fornece uma caracterização
termodinâmica completa de ambas as componentes entálpicas e entrópicas.8
Adicionalmente a capacidade calorífica pode ser determinada através de
experimentos em diferentes temperaturas.
O procedimento comum utilizado em ITC é titular uma solução de um
composto A que preenche a célula da amostra, com uma solução do composto B
através de uma seringa automática constantemente sob agitação (Figura 2.6). A
troca de calor é então medida através da diferença com a célula de referência que
contém o solvente puro fornecendo informações da interação entre A e B. Quando
se trabalha com sistemas auto-associados monocomponente, tais como
surfactantes, polieletrólitos anfifílicos e moléculas formadoras de polímeros
supramoleculares como deste trabalho, um diferente procedimento é adotado: uma
solução concentrada do sistema auto-associado (acima da concentração de
transição) é colocada na seringa e injetada na célula da amostra que contém o
solvente puro. Se a concentração final for baixa o suficiente, o sistema
supramolecular é totalmente dissociado e como consequência é medido o calor
característico desta dissociação.
46 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
Figura 2.6:Representação esquemática dos dispositivos de um calorímetro de titulação isotérmica.
Modificado da ref 50.
A Figura 2.7a mostra o termograma que representa o fluxo de calor de uma
solução 6 mmol L-1 de EHUT em clorofórmio titulado neste solvente puro.35 Este é
um típico “dado bruto” que correlaciona o fluxo de calor em função do tempo, sendo
que cada pico corresponde a uma injeção da solução. Ao se integrar os picos do
termograma e corrigir pela quantidade/concentração de titilante se obtém um
entalpograma que corresponde à variação da entalpia em todo processo (Figura
2.7b).
Figura 2.7:(a) Termograma da titulação de uma solução 6 mmol L-1 de EHUT em clorofórmio no
solvente puro; (b) Entalpogramas de soluções (2 ;1; 0,5 e 0,25) mmol L-1 de EHUT em clorofórmio
normalizada pela concentração final na célula de amostra. As linhas representam um ajuste através
de um modelo termodinamico cooperativo que será descrito no capítulo 3. Adaptado da ref. 35.
47 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
Duas informações podem ser obtidas diretamente do entalpograma: a
variação de entalpia geral do processo (ΔH), e a concentração de auto-associação
(c*), que é análogo à concentração micelar crítica (cmc) de surfactantes. Entretanto,
a interpretação precisa do entalpograma é extremamente difícil devido à dificuldade
de extrair estes parâmetros termodinâmicos. A rigorosa análise quantitativa dos
dados de ITC somente pode ser feita utilizando modelos capazes de descrever as
etapas mais significativas que ocorrem no processo de auto-associação. Neste
sentido, no Capítulo 3 será apresentado um modelo cooperativo37 capaz de
descrever as variações entalpicas na dissociação de EHUT.
Outra técnica calorimétrica utilizada na caracterização de sistemas
supramoleculares é a calorimetria diferencial de varredura (DSC: Differential
Scanning Calorimetry). Mais especificamente, a Nano DSC oferece informações da
estabilidade térmica e capacidade calorífica de macromoléculas em soluções
diluídas quando aquecidas ou resfriadas. No experimento de nano DSC, uma
solução diluída do sistema estudado é colocada em uma célula de amostra,
enquanto o solvente puro é utilizado como referência em uma segunda célula.
Ambas as células são então mantidas em pressão constante e a temperatura é
sensivelmente alterada, gerando um fluxo de calor correspondente a modificações
do sistema estudado (como quebra e formação de interações intermoleculares) em
função da temperatura. A Figura 2.8 mostra um entalpograma de DSC de uma
solução 10 mmol L-1 de EHUT em tolueno quando uma variação de 1ºC/min é
utilizada. As linhas vermelhas e pretas representam seis varreduras de aquecimento
e resfriamento respectivamente:
48 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
Figura 2.8: Entalpograma de DSC de uma solução 10 mmol L-1 de EHUT em tolueno uma variação
de 1ºC/min.As linhas vermelhas e pretas representam seis varreduras de aquecimento e resfriado
respectivamente. Adaptado da ref. 37.
No caso de EHUT duas informações são facilmente obtidas dos entalpograma
de DSC: (i) a temperatura de transição (T**) do processo, que neste caso está
relacionada à transição fita-tubo, obtida através da temperatura onde se verifica o
pico máximo de fluxo de calor (41,5ºC para este sistema); (ii) a entalpia de transição
do processo (ΔH**) que é obtida através da integração da área do fluxo de calor
quando uma linha base contendo uma varredura do solvente puro é descontada do
entalpograma original. Além disso, a presença de diferenças entre estes dois
parâmetros nas varreduras de resfriamento e aquecimento é um indicativo de que
processos cinéticos diferentes estão presentes.
Desta forma, a precisão das técnicas calorimétricas, aliada à quantidade de
parâmetros termodinâmicos que podem ser obtidos dos processos de auto-
associação que ocorrem nos sistemas supramoleculares tornam imprescindível sua
utilização na caracterização destes sistemas.
2.3 Técnicas de espalhamento estático (SLS e SANS)
Técnicas que envolvem espalhamento de radiação eletromagnética ou
partículas têm sido desenvolvidas e amplamente empregadas em diversas áreas de
pesquisa, principalmente na determinação estrutural de fármacos, sistemas auto-
associados, nanopartículas, suspensões, emulsões, sistemas biológicos e
polímeros. O espalhamento de luz estático (SLS: Static Light Scattering),
49 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
espalhamento de luz dinâmico (DLS: Dynamic Light Scattering), espalhamento de
raios-X (SAXS: Small-Angle X-ray Scattering) e o espalhamento de nêutrons à
baixos ângulos (SANS: Small-Angle Neutron Scattering) são as principais técnicas
utilizadas para caracterização de polímeros e sistemas supramoleculares,
especialmente nos aspectos estruturais, fornecendo propriedades como massa
molar média, raio de giro, raio de hidratação e morfologia destas macromoléculas.
Além disso, as técnicas de espalhamento se destacam por serem extremamente
precisas, não invasivas, não destrutivas e apresentam uma ampla faixa de tamanho
onde as partículas podem ser caracterizadas.
Enquanto as técnicas de espalhamento de luz fornecem informações relativas
às cadeias poliméricas inteiras, como o tamanho das mesmas, trabalhando numa
faixa de tamanho maior (250-2500nm), os espalhamentos em baixo ângulo (SANS e
SAXS) caracterizam informações estruturais mais “internas” do objeto, como
camadas e seção transversal. A Tabela 2.1 lista algumas características das
principais técnicas de espalhamento.
Tabela 2.1: Algumas características das principais técnicas de espalhamento. Dados da ref. 51.
Parâmetro Tipo de radiação
Luz Raios X Nêutrons
Radiação é espalhada por Nuvem eletrônica Nuvem eletrônica Núcleo
Comprimento de onda típico (nm) 400-700 0,15 0,15-2,5
Escala de comprimento das
partículas alvo (nm)
250-2500 0,1-2500 0,5-1000
Destruição da amostra Negligenciável Provável Improvável
Nos experimentos de espalhamento, uma radiação incide sobre a amostra e
então é espalhada da direção do feixe de entrada. A dispersão ocorre quando a
radiação interage com os centros de espalhamento, no caso deste trabalho as
cadeias poliméricas. Um detector então observa o espalhamento da radiação
através do ângulo de dispersão (θ) como está ilustrado na Figura 2.9:
50 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
Figura 2.9: Representação de um processo de espalhamento. A radiação incidente com o vetor de
propagação ki⃗⃗ ⃗é espalhada por dois centros de espalhamentos (círculo azuis), e então observada por
um ângulo de espalhamento (θ). Adaptado da ref. 52.
A imagem mostra dois centros de dispersão que espalham a radiação em um
determinado sentido, e o detector responde na proporção da amplitude das ondas
(considerando a radiação como ondas), número de fótons ou nêutrons espalhados
(se partículas forem consideradas). Se o processo de dispersão não for aleatório, a
radiação que chega ao detector depois da interação com os centros de
espalhamento está em uma fase diferente devido à diferença de caminho percorrido.
Por exemplo, a radiação que é dispersa no centro de espalhamento inferior, percorre
uma distância maior comparado com a radiação dispersa pelo centro superior,
consequentemente a diferença de fases é observada.
A diferença entre as fases (δ) é obtida pela Equação 2.7 que relaciona a
distância extra percorrida pela radiação e o seu comprimento de onda. Geralmente,
a diferença de fases é escrita em termos vetoriais (q⃗ ) pela Equação 2.8 através da
diferença entre os vetores incidente (ki⃗⃗ ⃗) e de espalhamento (kf⃗⃗ ⃗) da radiação, e assim
possam estar inclusas informações como posição, além do ângulo de dispersão.
δ = 2πd λ⁄ (Equação 2.7)
q⃗ = ki⃗⃗ ⃗-kf⃗⃗ ⃗ (Equação 2.8)
A magnitude do vetor de espalhamento é dada pela Equação 2.9, que quando
combinada com a Lei de Bragg (Equação 2.10), se obtém uma expressão muito
simples e útil (Equação 2.11), capaz de determinar a distância entre os centros de
51 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
espalhamento (espaçamento de Bragg), além de ser importante nas configurações
do equipamento, garantindo que esteja na faixa de tamanho que o instrumento
possa responder:
q =4π
λsen (
θ
2) (Equação 2.9)
λ = 2d sen (θ
2) (Equação 2.10)
d =2π
q (Equação 2.11)
Como as dimensões que envolvem os sistemas supramoleculares estão
compreendidas entre poucos nanômetros até alguns micrômetros, se torna
necessário observar uma ampla faixa de q, que pode ser feito através de alteração
no comprimento de onda da radiação (Equação 2.9) ou mais comumente
modificando os parâmetros geométricos instrumentais (por exemplo, a distância do
centro espalhador ao detector). Neste contexto, é conveniente na caracterização de
sistemas supramoleculares utilizar SLS para obter informações de baixo q, e SANS
ou SAXS na caracterização de altos q (Figura 2.10).
Figura 2.10: Regiões onde o vetor de espalhamento q é obtido por SLS e SANS. Adaptado da ref 53.
A caracterização dos sistemas supramoleculares por SLS é possível quando
as dimensões destas partículas estão na mesma ordem de grandeza do
52 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
comprimento de onda da luz e possuírem índice de refração diferente do solvente.
Neste caso ocorre a dispersão da radiação elas cadeias dos polímeros
supramoleculares que é descrita pela lei de Rayleigh que fornece a razão de
Rayleigh (Rθ).Utilizando a constante óptica (Kc) que depende apenas de parâmetros
fixos no equipamento, obtém-se a extremamente útil relação de Zimm (equação
2.12), onde é possível obter a massa molar média do polímero (Mw), o raio de giro
(Rg), através de correlação com a contração polimérica (c), e o parâmetro A2 que
caracteriza o tipo de interação polímero-solvente.
Kc
Rθ=
1
Mw[1 +
16π2η02Rg
2
3λ2sen² (
θ
2)] + 2A2c (Equação 2.12)
A equação 2.12 pode ser simplificada para se obter a Equação 2.13 que
corresponde a uma equação da reta. Assim, através de medidas de SLS em
diferentes ângulos, pode-se extrapolar um plote Kc Rθ⁄ vs q, (Figura 2.11) e assim
obter o valor de Rg da cadeia supramolecular. O valor de Rg oferece um parâmetro
importante na comparação do tamanho de cadeias poliméricas que reflete nas
propriedades macroscópicas da solução.
Kc
Rθ~
1
Mw[1 + (
q2Rg2
3⁄ )] (Equação 2.13)
Figura 2.11: Exemplo da evolução de Kc/Rθ em função do vetor de espalhamento de um sistema
similar ao estudado (molécula em destaque). Símbolos são referentes à diferentes concentrações. A
linha sólida tem inclinação -1. Adaptado da ref. 54.
53 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
Para se obter o espalhamento de nêutrons em baixos ângulos e
consequentemente alto valor de vetor de espalhamento (q), é necessária uma
grande distância entre a amostra e o detector, que pode variar dentre 1 a 20 metros
em média (Figura 2.12). As partículas necessitam ser aceleradas através de um
acelerador de partículas (próton é acelerado e posteriormente gerará nêutrons ou
obtidas através da utilização de reatores nucleares que geram as partículas com alta
intensidade.55
Figura 2.12: Representação esquemática de um equipamento que utiliza espalhamento de nêutrons.
Destaque para a distância do detector que pode ser modificável à fim de se obter uma larga faixa de
q, especialmente correspondente à baixos ângulos.
Dentre as técnicas de espalhamentos em baixos ângulos, SANS apresenta
vantagens sobre SAXS, em especial (i) a possibilidade de modificar contraste entre
as partículas e o ambiente (solvente) através da utilização de isótopos favorecendo
a determinação de certas estruturas; (ii) a possibilidade de obter diferentes
comprimentos de onda da radiação com apenas uma única fonte de radiação
através da relação de de Broglie (Equação 2.14) que correlaciona o comprimento de
onda com a massa do nêutron (m), com sua velocidade (v) e a constante de Planck
(h):48
λ =h
mv Equação 2.14
Um exemplo da aplicação de SANS em sistemas supramoleculares esta
ilustrado na Figura 2.13, que mostra o perfil de espalhamento de soluções de EHUT
em tolueno deuterado.23Através do gráfico qI vs q pode-se verificar que em uma
larga faixa de baixos ângulos existe uma dependência I~q-1 ao longo de uma ordem
de grandeza. Esta dependência da intensidade com q é característica de sistemas
54 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
alongados (tipo bastões). Além disso, em ângulos maiores há um forte decaimento
da intensidade de espalhamento. Este é um perfil típico de longas estruturas
supramoleculares como as estudadas neste trabalho. Entretanto, para se obter os
parâmetros estruturais derivados do espalhamento por SANS é necessário a
utilização de modelos teóricos que neste caso específico se trata de um ajuste com
fator forma para filamentos longos e rígidos com seção transversal (Equação
2.15),23onde c é a concentração dos filamentos, ML é a massa por unidade de
comprimento do filamento, Δb representa o contraste específico, r o raio na seção
transversal e J1é a função matemática de Bessel que é uma solução de uma
equação diferencial.
Figura 2.13: Exemplo do perfil de espalhamento de nêutrons de soluções de EHUT em diferentes
concentrações (pontos) ajustados por um modelo de fibras longas e rígidas com seção transversal
(linhas). Adaptado da ref. 49.
Vale ressaltar que inúmeros modelos de SANS estão reportados na literatura
sendo complementares nas análises dos dados experimentais constituindo uma
ferramenta poderosa e única na descrição da morfologia de diferentes sistemas
supramoleculares.
2.4 Técnicas espectroscópicas: FTIR, UV-Vis e dicroísmo circular
As técnicas espectroscópicassão baseadas na resposta na forma de emissão
ou absorção de um sistema, quando uma radiação eletromagnética interage com o
mesmo. Os processos que acontecem estão relacionados à mecânica molecular,
como rotação, vibração e transições eletrônicas. Além disso são quantizados, ou
seja, acontecem com uma energia específica para cada sistema. Os processos de
55 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
transições eletrônicas acontecem quando o comprimento de onda da radiação está
na ordem de 10-6 a 10-8 m, na região UV-vis do espectro. Já as transições
vibracionais e rotacionais acontecem com incidência de radiação na ordem 10-3 a 10-
5 m na região do infravermelho.56
Em experimentos espectroscópicas uma fonte incide sobre a amostra uma
radiação em diferentes comprimentos de onda. Um detector é utilizado para
observar a intensidade da radiação absorvida pela amostra, fornecendo um espectro
que correlaciona essa intensidade com o comprimento de onda da radiação. A
intensidade de absorção (A) se correlaciona com a absortividade molar da amostra
(ε), concentração (c) e caminho ótico (l) pela Lei de Lambert-Beer (Equação 2.16).
Como já existe uma base de dados bem estabelecida da energia e
consequentemente comprimento de onda de absorção característico de inúmeros
grupos funcionais e até mesmo molécula, o espectro de absortividade molar fornece
a identidade da molécula estudada.
A = εcl Equação 2.16
Nos sistemas estudados a espectroscopia de infravermelho é especialmente
útil por poder avaliar a formação de ligações de hidrogênio devido as diferentes
energias de vibração e consequentemente número de onda relativos a grupos
formadores de ligações de hidrogênio quando estão ligados ou livres. Espectros de
FTIR de soluções de EHUT mostram 4 bandas: 2 absorções em 3444 e 3429 cm-1
que são atribuídas à grupos N-H livres e 2 absorções em 3340 e 3280 cm-1 que são
de grupos N-H que estão formando ligações de hidrogênio.23A Figura 2.14 mostra
um exemplo de espectro de infravermelho de soluções de EHUT em clorofórmio em
diferentes concentrações, onde é possível verificar que com o aumento da
concentração a magnitude das vibrações N-H livres diminui. Esse é um indicativo de
que as cadeias supramoleculares de EHUT estão sendo formadas e há um aumento
da massa molar destas cadeias com a concentração.7
56 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
Figura 2.14: Espectro de infravermelho de soluções de EHUT em clorofórmio. Setas indicam o
sentido do aumento da concentração (diminuição das bandas NH livres e aumento das referentes a
NH ligados). Adaptado da ref. 63..
As dodecil-éster BTAs deste trabalho são capazes de se auto associar em
dímeros e stacks que se diferem na maneira como as ligações de hidrogênio são
formadas. Dímeros possuem uma ligação de hidrogênio entre os grupos N-H e CO
éster, enquanto os stacks a ligação é entre N-H e CO amida. Consequentemente, a
vibração de N-H possui uma energia e frequência diferente em ambos os casos.
Além disso, como os grupos livres também são diferentes é possível observar
através de espectroscopia de infravermelho quais estruturas estão sendo formadas.
A Tabela 2.2 lista o número de onda típico das vibrações dos grupamentos N-H e
CO de stacks, dímeros e monômeros.
Tabela 2.2: Número de onda das ligações NH, CO éster e CO amida que participam ou não de
ligações de hidrogênio. De acordo com a referência 54.
Espécie/Ligação NH CO éster CO amida
Monômeros
Livre
3425 cm-1
Livre
1755cm-1
Livre
1675 cm-1 e1527 cm-
Dímeros Ligado
3380 cm-1
Ligado
1737 cm-1
Livre
1675 cm-1 e 1527 cm-
Stacks Ligado
3230 cm-1
Livre
1755 cm-1
Ligado
1644 cm-1 e 1560 cm-1
Essas absorções podem ser melhor visualizadas na Figura 2.15 que
apresenta espectros de IV de soluções 10 mmol L-1 de BTA Met em ciclohexano,
THF e acetato de etila, e de BTA Nle em ciclohexano. Enquanto o espectro de BTA
Met em ciclohexano indica a formação stacks com absorções em 3230, 1755, 1644
57 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
e 1560 cm-1, a formação de monômeros é evidenciada quando THF e acetato de
etila é utilizado (CO amida e éster livres). Como THF forma ligações de hidrogênio
com BTA Met também é possível observar a absorção referente a NH ligado neste
caso. Já BTA Nle forma dímeros em ciclohexano como indica seu espectro de IV
contendo as absorções referentes a ligação N-H—CO amida.
Figura 2.15: Espectro de IV de soluções 10 mmol L-1de BTA Met em ciclohexano (stacks), THF e
acetato de etila (dímeros) e BTA Nle em ciclohexano. Adaptado da ref. 41.
A espectroscopia de UV-visível pode ser utilizada na caracterização de
sistemas supramoleculares no qual as moléculas que se auto-associam sofrem
transição eletrônica nessa região. Essa técnica é especialmente útil quando se
deseja caracterizar sistemas mais diluídos. Neste trabalho, a espectroscopia UV-
visível foi utilizada na caracterização dos agregados de BTAs devido a diferentes
comprimentos de onda onde a absorção máxima nos dois agregados formados,
stacks e dímeros. A Figura 2.16 mostra os espectros de UV-Vis de soluções de BTA
Met, Phe, Nle e C8* em diferentes concentrações, e consequentemente estrutura
auto-associada/monômero onde se pode observar esse comportamento. Quando
58 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
dímeros são formados nessas BTAs o comprimento de onda de absorção máximo
(λmax) é de aproximadamente 210 nm. Por outro lado, os espectros de sistemas
contendo stacks sofrem um deslocamento hipsocrômico (blue shift) e têm seu
máximo de absorção próximo à195 nm. Este deslocamento pode estar atribuído à
extensão das interações π-π (empilhamentos) de cromóforos empilhados41 como os
que acontecem na formação de stacks. Essa ferramenta espectroscópica então é
capaz de caracterizar as transições destes sistemas quando estas acontecem em
concentrações não detectáveis por outros métodos, como calorimetria e FTIR.
Figura 2.16: Espectro de UV-Vis de soluções 0,125 mmol L-1 de (dímeros, linhas finas) e 2,0 mmol L-1
(stacks, linhas grossas) de BTAs Met, Phe, Nle e C8* em ciclohexano, e de soluções 0,125 mmol L-1
das mesmas em etanol (monômeros, linhas pontilhadas). Adaptado da ref. 41.
O dicroísmo circular é um tipo de espectroscopia que se difere das
espectroscópicas convencionais de IV e UV-Vis por utilizar luz circularmente
polarizada, sendo que instrumentalmente a principal diferença é a utilização de um
polarizador da radiação. Moléculas quirais que são moléculas que não são
sobreponíveis, como os enantiômeros D e L alanina, presentes na Figura 2.17,
interagem com a luz polarizada de forma articular sendo que neste exemplo, ambas
moléculas desviam a luz polarizada de apenas uma direção. Enquanto o
enantiômero L-alanina desvia o plano da luz polarizada para a esquerda, o
59 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
enantiômero D-alanina desvia o plano para direita. Um racemato (50%) de ambos
enantiômeros não produziria nenhum tipo de desvio.57
Figura 2.17: Estrutura molecular dos enantiômeros L-Alanina e D-Alanina.
No experimento de dicroísmo circular a amostra é incidida pela radiação
circularmente polarizada com uma alta frequência de troca entre os dois sentidos de
polarização. Desta forma a amostra é exposta por ambas as radiações, e a resposta
do equipamento é dada pela diferença (ΔA) entre as absorções da radiação
polarizada para a direita (AR) e esquerda (AL).58 Utilizando a lei de Lambert-Beer
pode se obter então a elipsididade molar (∆ε) de uma molécula de acordo com a
Equação 2.17:
∆ε = ∆A
cl=
AR-AL
cl Equação 2.17
Espectros de dicroísmo circular também podem ser usado em condições
similares aos de UV-Vis, e muitas vezes obtidos conjuntamente, sendo importantes
na caracterização das BTAs derivadas de aminoácidos por serem quirais em sua
maioria. Análogo aos espectros de UV-Vis há uma clara distinção no espectro de
dicroísmo circular entre stacks e dímeros, tanto no perfil como no máximo de
absorbância como mostrado na Figura 2.18. Enquanto monômeros não possuem
elipsidade molar significativa, dímeros são caracterizados através de intensos sinais
característicos, negativos e positivos que dependem da quiralidade da molécula, em
aproximadamente 255, 226 e 205nm. Já stacks exibem um sinal com λmax ≈ 205nm
e um ponto de cruzamento próximo à 205 nm. Estes perfis característicos servem
como base de comparação dos sistemas estudados neste trabalho.
60 Capítulo 2: Técnicas aplicadas na caracterização dos sistemas supramoleculares utilizadas neste trabalho
_________________________________________________________________________________
Figura 2.18: Espectro de dicroísmo circular de soluções 0,125 mmol L-1 de (dímeros, linhas finas) e
2,0 mmol L-1 (stacks, linhas grossas) de BTAs Met, Phe, Nle e C8* em ciclohexano, e de soluções
0,125 mmol L-1 das mesmas em etanol (monômeros, linhas pontilhadas). Adaptado da ref. 41.
61 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
CAPÍTULO 3
O FUNDAMENTAL E INSPERADO EFEITO DO SOLVENTE NOS PROCESSOS
DE AUTO-ASSOCIAÇÃO E DINÂMICA DE BIS-UREIAS
A escolha do solvente tem uma forte influência nos processos de auto-
associação o que torna a racionalização dos efeitos do solvente um parâmetro
importante. Esta racionalização é particularmente desafiante nos casos de
processos fora do equilíbrio como engenharia de cristais,59-61 organogeladores62-64
ou formação de nanoestruturas.65 À primeira vista, o caso de sistemas que estão em
equilíbrio termodinâmico parece ser muito melhor entendidos. Por exemplo, no caso
dos sistemas associados através de ligações de hidrogênio a principal característica
conhecida do solvente é sua polaridade, devido a competição dos grupos polares
pelas ligações de hidrogênio.66,67 Entretanto, quando consideramos solventes com
polaridade similar, efeitos sutis que alterem significativamente os processos de auto-
associação podem ocorrer. Por exemplo, o volume das moléculas de solventes
aromáticos tem influência na estabilidade de estruturas supramoleculares tubulares
devido a necessidade de o solvente preencher a cavidade.15 De maneira similar, a
troca de um solvente alcano cíclico por alcano linear pode alterar a configuração
quiral de sistemas supramoleculares na forma de hélice como mostrado por Meijer et
al,68 possivelmente devido a capacidade dos alcanos lineares se intercalarem entre
os monômeros estabilizando uma configuração preferencial. Há ainda o efeito do
tamanho das moléculas de solventes alcanos que mostraram influenciar a
estabilidade de dímeros ligados por ligações de hidrogênio através de um forte efeito
par-ímpar.69
Este capítulo se concentra na discussão de um surpreendente efeito do
solvente que torna polímeros supramoleculares formados por ligações de hidrogênio
baseados em segmentos bis-ureia. Embora seja esperado que soluções de EHUT
formem soluções menos viscosas em tolueno do que em n-dodecano, uma vez que
tolueno é um solvente mais polar, como será mostrado, um resultado oposto é
observado. Um cuidadoso estudo foi desenvolvido usando técnicas
espectroscópicas e calorimétricas de soluções de EHUT preparados em uma família
de solventes n-alquil-benzenos e n-alcanos que diferem na quantidade de número
de carbonos alifáticos. Os estudos mostraram que um aumento na cadeia alifática
do solvente leva à formação de ligações de hidrogênio mais fortes, porém, contrário
62 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
ao esperado, produzem soluções menos viscosas. Este contra intuitivo efeito será
discutido neste Capítulo em que é apresentada uma possível explicação para essa
observação.
3.1 Objetivos
O objetivo deste capítulo foi elucidar o efeito do solvente nos processos de
auto-associação de bis-ureias, se concentrando no aumento das cadeias alifáticas
de solventes n-alquil-benzenos e n-alcanos.
3.2 Materiais e Métodos
3.2.1 Amostras
Todos os solventes: diclorometano, acetato de etila, n-n-heptano, n-n-octano,
n-n-nonano, n-decano, n-n-undecano, n-n-dodecano, tolueno, n-n-etilbenzeno, n-n-
propilbenzeno, n-n-butilbenzeno, n-n-pentilbenzeno e reagentes utilizados na síntese
foram obtidos da Sigma-Adrich e foram usados sem futura purificação. A quantidade
de água (< 200 ppm) nos solventes foi determinada por análises de titulação Karl
Fisher.
3.2.1.1 Síntese de EHUT
EHUT foi sintetizado seguindo o protocolo bem estabelecido:23uma solução
de 2-etilhexilamina (19,2g; 149mmol) em 100mL de diclorometano foi adicionado
lentamente em uma solução (sob agitação e atmosfera de N2) de 2,4-tolueno
diisiocianato (2,7g; 73mmol) em 250mL de diclorometano anidro. Depois de 2h, o
precipitado foi filtrado e seco. O produto foi recristalizado utilizando acetato de etila e
filtrado à 85°C. A pureza da bis-ureia foi averiguada por cromatografia de camada
delgada e RMN.
3.2.1.2 Preparo das amostras
Todas as amostras foram preparadas seguindo rigoroso protocolo: o sólido de
EHUT foi deixado 24 horas em um forno à vácuo na temperatura de 40°C à fim de
se eliminar umidade residual. As soluções foram montadas em frascos de vidro
através de pesagem de EHUT sólido e solvente em uma balança analítica de quatro
casas decimais e então lacradas. As soluções foram então aquecidas sob agitação
por 24 horas na temperatura de 75ºC em um banho de areia. A temperatura foi
então decrescida na taxa de 5°C/hora até a temperatura. As amostras repousaram
por 24 horas antes de todas as medidas.
63 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
3.2.2 FTIR (Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier)
Análises de espectroscopia de infravermelho (FTIR) foram feitas em um
espectrômetro Nicolet iS10 utilizando uma célula de CaF2 com caminho ótico de 0,1
mm; 0,2 mm; 0,05 mm ou 1,0 mm. Correções referentes à atmosfera, solvente e
absorção da célula foram feitas nos espectros finais.
3.2.3 DSC (Calorimetria diferencial de varredura)
Termogramas foram obtidos utilizando um instrumento N-DSCIII da CSC. A
célula de referência foi preenchida com o solvente e a célula da amostra (0,3mL)
com solução do sistema estudado. A células capilares não foram tampadas, e uma
pressão constante de 6×105 foi aplicada. Uma corrida de linha base (solvente em
ambas as células) foi feita nas mesmas condições e subtraída do termograma da
amostra. A temperatura de transição (T**) foi determinada como a média das
corridas de aquecimento e resfriamento utilizando a taxa de 1°C/min.
3.2.4 ITC (Calorimetria de titulação isotérmica)
Calores de dissociação foram medidos utilizando um calorímetro Microcal VP-
ITC. A célula de amostragem (1,435 mL) foi preenchida com solvente puro. Uma
solução de EHUT (diferentes concentrações) no mesmo solvente foi inserida em
uma seringa (0,295mL) com agitação contínua (310 rpm). Alíquotas (3-5 µL) da
solução foram injetadas na célula de amostragem a cada 200s até o esgotamento da
volume da amostra na seringa. A temperatura dos experimentos foi entre 25 e 50°C.
3.2.5 Reologia
Curvas de fluxo e medidas oscilatórias de soluções 6mmol L-1 e 10mmol L-1
de EHUT nos diversos solventes estudados foram obtidas em um reômetro Haake
Rheostress equipado com uma célula Z20-din (volume 8,2mL; gap: 4,2mm). A
temperatura foi controlada em exatamente 20,0ºC através de um banho externo com
precisão melhor que 0,1°C. Os experimentos oscilatórios foram executados na
região de viscoelasticidade linear e as curvas de fluxo foram obtidas em uma taxa de
cisalhamento de 10-4 a 0,3 s-1. A evaporação do solvente foi minimizada através de
uma tampa capaz de igualar a pressão de vapor do solvente. Todos os
experimentos foram executados pelo menos em duplicatas.
3.2.6 SLS (Espalhamento de luz estático)
Medidas de espalhamento de luz de soluções 1 mmol L-1 de EHUT em solventes
alifáticos foram executadas utilizando um sistema ALV-CGS3 com goniômetro
64 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
acoplado com um laser de He-Ne. A temperatura foi controlada à 20ºC (precisão
0,1°C) e o ângulo de espalhamento variou na faixa de 30°e 150°. Devido à falta de
contraste entre as moléculas de EHUT e os solventes aromáticos as medidas não
puderam ser realizadas nestes solventes.
3.3 Resultados e discussão
O solvente tem papel central na formação de sistemas supramoleculares pois
ele participa do balanço energético relacionado com as interações entre as espécies:
monômero-monômero, solvente-solvente e solvente-monômero. A interação
solvente-monômero é especialmente importante em sistemas entalpicamente
dirigidos pois deve ser favorável o suficiente para permitir a solubilização dos
monômeros, entretanto deve viabilizar que as interações intermoleculares
envolvendo os monômeros que desencadeiem o crescimento de agregados
ocorram. A Figura 3.1 mostra fotografias de soluções contendo 20 mmol L-1 de
EHUT na temperatura de 25C em benzeno e tolueno, solventes que possuem
estruturas e propriedades similares, porém fornecem sistemas com comportamentos
diferentes. Enquanto há uma separação de fases de EHUT, com baixa viscosidade
em benzeno, um gel rígido é formado em tolueno. Esse gel formado através do
entrelaçamento das cadeias de tubos supramoleculares de EHUT também é
formado em uma série de outros solventes aromáticos e alifáticos e que possuem
viscosidade distintas.
Figura 3.1. Fotografias dos frascos contendo 20 mmol L-1 de EHUT em tolueno à temperatura
ambiente.
65 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
Diversos aspectos tornam EHUT o sistema ideal na interpretação do efeito do
solvente no processo de auto-associação das bis-ureias, sendo essa a bis-ureia
utilizada na discussão deste capítulo: (i) já é bem estabelecido a capacidade de
EHUT se auto-associar em diferentes solventes orgânicos de baixa
polaridade;13,15,70(ii) diferentemente de outros sistemas similares, suas longas
estruturas possuem um macro dipolo negligenciável, porque ambos os grupos ureias
de um monômero especifico estão orientadas paralelamente;30 (iii) as características
dinâmicas de quebra e recombinação das ligações de hidrogênio envolvidas na
formação das estruturas supramoleculares de EHUT e consequentemente falta de
um esqueleto fixo evita que complicações associadas a armadilhas cinéticas que
podem ocorrer durante o crescimento de outros sistemas grandes como as fibras
cristalinas; (iv) a formação de estruturas supramoleculares de EHUT com
crescimento cooperativo37 pode ser facilmente provada através de ferramentas
espectroscópicas e observações macroscópicas.
As diferenças do comportamento de EHUT em tolueno e benzeno são mais
bem visualizadas através de um diagrama que correlaciona a viscosidade em
repouso em função da temperatura, no qual também ajuda entender as transições
que ocorrem nestes sistemas. Em altas temperaturas a energia térmica do sistema é
suficientemente alta para dissociar as moléculas de EHUT e impedir a formação de
estruturas supramoleculares. Entretanto, à medida que a temperatura diminui, EHUT
auto-associa em filamentos resultando em soluções viscosas.30 Em concentrações e
temperatura moderadas, a diminuição da energia térmica permite que um sistema
mais ordenado seja formado, no caso longos tubos supramoleculares e rígidos com
3 moléculas na seção transversal. Essa estrutura é a chave para a alta
viscoelasticidade dos sistemas formados em solventes orgânicos.30 Tal diagrama
está ilustrado na Figura 3.2 que mostra como os valores da viscosidade no repouso
mudam em função da temperatura para soluções 6 mmol L-1 de EHUT em tolueno e
benzeno. Acima de 35°C ambos os sistemas se comportam de maneira bastante
similar, com a transição entre fita e tubo ocorrendo em 42°C. Em temperaturas
abaixo de 35°C, EHUT se mantém na forma de tubo em tolueno, porém o sistema
EHUT-benzeno se colapsa em 2 fases: EHUT no estado sólido e uma fase ainda
viscosa. À medida que a temperatura decresce o sistema tende a total precipitação
(com diminuição da viscosidade) até que a separação de fase seja completa à
temperatura ambiente como mostrado na Figura 3.1.
66 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
Figura 3.2: Dependência da viscosidade no repouso de soluções 6 mmol L-1 de EHUT em benzeno e
tolueno em função da temperatura. As temperaturas de transição estão indicadas por setas.
Ao contraste de benzeno, EHUT é solúvel e capaz de auto-associar nos já
descritos tubos supramoleculares, em vários solventes aromáticos e
alifáticos,15,70entretanto esses sistemas nunca foram quantitativamente comparados.
A princípio é esperado que as ligações de hidrogênio de EHUT relacionadas na
formação dos sistemas supramoleculares sejam mais estáveis em solventes
alifáticos do que aromáticos devido as menores constantes dielétricas do primeiro
grupo. Entretanto, surpreendentemente soluções de EHUT em n-dodecano são
menos viscosas do que em tolueno como mostra a Figura 3.3. Neste sentido, uma
comparação das propriedades reológicas e estruturais de sistemas de EHUT em
diversos alquil-benzenos e alcanos foram feitas na tentativa de elucidar esse efeito.
Figura 3.3: Fotografias de soluções 20 mmol L-1 de EHUT em tolueno e n-dodecano a 20°C
imediatamente e 2 minutos depois da inversão dos frascos.
67 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
A Figura 3.5 mostra a viscosidade no repouso de soluções 10 mmol L-1de
EHUT em n-alquil-benzenos (1 ≤ n ≤ 5) e n-alcanos (7 ≤ n ≤ 12) que são obtidas
através do platô Newtoniano de curvas de fluxo (Figura 3.4) de experimentos
reológicos. Os dados confirmam a observação visual da Figura 3.3: a solução de
EHUT em tolueno é cerca de três vezes mais viscosa que em n-dodecano. Além
disso há um comportamento diferente entre as séries de n-alquil-benzenos e n-
alcanos: enquanto há um aumento na viscosidade dos sistemas para cada carbono
sp3 acrescido em n-alcanos, uma tendência oposta é observada para os n-alquil-
benzenos. O mais surpreendente da nossa observação é o fato de solventes com
maior constante dielétrica (Figura 3.6), portanto, com maior polaridade, são os que
fornecem soluções mais viscosas em ambas as séries. Essa observação é contra
intuitiva pois solventes mais polares deveriam tornar a força das ligações de
hidrogênio entre as moléculas de EHUT mais fracas. O sistema EHUT em tolueno, o
solvente mais polar de toda série, é aquele que fornece a solução mais viscosa.
Figura 3.4: Curvas de fluxo obtidas de soluções 10 mmol L-1 de EHUT em (a) n-alquil-benzenos (n =
1: tolueno; 2: n-etilbenzeno; 3: n-propilbenzeno; 4: n-butilbenzeno; 5: n-pentilbenzeno) e (b) n-alcanos
(n = 7: n-heptano; 8: n-octano; 9: n-nonano; 10: decano; 11: n-undecano; 12: n-dodecano) a 20°C.
68 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130
50
100
150
200
250
300
350
400
n-alquil-benzenos
n-alcanos
Vis
co
sid
ad
e n
o r
ep
ou
so
(P
a s
)
Número de átomos de carbono sp3
Figura 3.5 Viscosidade no repouso de soluções 10 mmol L-1 de EHUT em n-alquil-benzenos (1 ≤ n ≤
5) e n-alcanos (7 ≤ n ≤ 12) em função do número de carbonos sp3 da molécula de solvente.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
n-alquil-benzenos
n-alcanos
Co
nsta
nte
die
létr
ica
Número de átomos de carbono sp3
Figura 3.6: Constante dielétrica de n-alquil-benzenos (1 ≤ n ≤ 5) e n-alcanos (7 ≤ n ≤ 12) em função
do número de carbonos sp3 da molécula de solvente. Valores obtidos da ref. 71.
Uma possível interferência nos resultados de viscosidade das soluções de
EHUT poderia estar relacionadaà presença de água que competiria pelas ligações
de hidrogênio. Neste sentido, análises de titulação de Karl Fischer de todos os
solventes da série n-alquil-benzenos e n-alcanos revelaram que a quantidade de
água em todos solventes é aproximadamente a mesma (de 80 a 200 ppm). Portanto,
a diferença da quantidade de água nos solventes pode ser excluída das
possibilidades que influenciam as tendências de viscosidade.
69 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
As medidas de viscosidade foram complementadas através de experimentos
reológicos oscilatórios que são capazes de provar a dinâmica destes sistemas
supramoleculares. As curvas referentes à variação dos módulos elástico (G’) e
viscoso (G’’) em função da frequência de oscilação de soluções 6 mmol L-1 de EHUT
(a concentração foi diminuída em relação aos experimentos de viscosidade na
tentativa de minimizar o tempo de experimento, obtendo os módulos em frequências
maiores e, assim, diminuindo a evaporação do solvente através de experimentos
mais rápidos) em todos os solventes das séries n-alquil-benzeno e n-alcanos está
mostrada na Figura 3.7. Ambos os módulos, elástico e viscoso foram analisados
utilizando o Modelo de Maxwell,45 através das Equações 3.1 e 3.2, onde 𝜔 é a
frequência de perturbação mecânica, 𝜏𝑅 o tempo de relaxação característico e 𝐺0 o
módulo no platô.
𝐺′ = 𝐺0(𝜔𝜏𝑅)
2
1 + (𝜔𝜏𝑅)2 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 3.1
𝐺′′ = 𝐺0(𝜔𝜏𝑅)
1 + (𝜔𝜏𝑅)2 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 3.2
70 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
Figura 3.7 Experimentos reológicos oscilatórios sendo os dados experimentais ajustados com o
modelo de Maxwell (linhas contínuas) de soluções 6 mmol L-1 de EHUT.G’: modulo elástico; G’’
módulo viscoso.
Embora o Modelo de Maxwell não ajuste perfeitamente as curvas oscilatórias,
ele pode ser usado na discussão dos resultados. De acordo com este modelo, a
dinâmica de sistemas supramoleculares dinâmicos pode ser descrita através de um
único tempo de relaxação 𝜏𝑅 , obtido pela frequência na qual há o cruzamento dos
dois módulos (𝜔𝑐= 1/𝜏𝑅 quando 𝐺′(𝜔𝑐) = 𝐺′′ (𝜔𝑐)).15,30,37,45,46,70,71 Esta relaxação é a
combinação dos processos de reptação e de quebra/recombinação das cadeias, que
podem ser caracterizadas por dois tempos de relaxação separados, respectivamente
𝜏𝑟𝑒𝑝 e 𝜏𝑞𝑢𝑒𝑏𝑟𝑎 Quando temos𝜏𝑞𝑢𝑒𝑏𝑟𝑎 ≪ 𝜏𝑟𝑒𝑝, o tempo de relaxação geral é dado pela
Equação 11:45
𝜏𝑅 = √𝜏𝑟𝑒𝑝𝜏𝑞𝑢𝑒𝑏𝑟𝑎 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 3.3
71 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
Quando os módulos dinâmicos das soluções de EHUT em tolueno e n-
dodecano são comparados como na Figura 3.8 observa-se que os platôs dos
módulos são muito similares, entretanto o cruzamento dos módulos acontece em
uma frequência muito menor em tolueno do que em n-dodecano.
Consequentemente o tempo de relaxação das cadeias de EHUT em tolueno é cerca
de 2,5 vezes maior do que em n-dodecano na concentração do experimento (6 mmol
L-1). Quando se compara a série de n-alquil-benzenos nota-se ainda uma diferença
de 20 vezes no tempo de relaxação de EHUT em tolueno comparado a solução de
n-pentilbenzeno como mostrado na Figura 3.9. Além disso, a relação do tempo de
relaxação em ambas as séries: n-alquil-benzenos e n-alcanos com o número de
carbonos sp3, possui a mesma tendência observada nas medidas de viscosidade.
Figura 3.8 Experimentos reológicos oscilatórios ajustados com o modelo de Maxwell de soluções 6
mmol L-1 de EHUT em tolueno e n-dodecano.G’: modulo elástico; G’’ módulo viscoso.
72 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
n-alquil-benzenos
n-alcanos
r (s
)
Número de átomos de carbono sp3
Figura 3.9: Tempo de relaxação obtidos através do modelo de Maxwell de soluções 6 mmol L-1 de
EHUT em n-alquil-benzenos e n-alcanos a 20°C.
Neste sentido,propõe-se aqui nesta Tese que a maior viscosidade de EHUT
em tolueno comparado aos outros sistemas está relacionado a uma menor dinâmica
de suas cadeias. Essa menor dinâmica que está associada ao maior valor do R
pode ser devido a um tempo de quebra ou de reptação (ou ambos) maiores em
tolueno. A priori, essa evolução do tempo de relaxação (e viscosidade) induzida pelo
solvente poderia ser devido a uma variedade de razões que serão examinadas
adiante.
Primeiramente é necessário avaliar se as estruturas dos polímeros
supramoleculares é a mesma nos vários solventes estudados na concentração e
temperatura dos experimentos realizados. Estudos prévios de EHUT em tolueno
mostraram que a estrutura tubular é a principal estrutura presente na concentração
de 10 mmol L-1 e a 20°C, mas que estes se convertem nos filamentos em
temperaturas maiores.37 Como a viscosidade dos filamentos é menor que a dos
tubos, se torna necessário avaliar se a não esperada tendência de viscosidade está
relacionada a uma influência do solvente no equilíbrio entre filamentos e tubos.15
Neste sentido, espectroscopiadeIV foi utilizada qualitativamente na determinação da
estrutura visto que a forma da banda das vibrações N-H é característica da estrutura
supramolecular de EHUT.13 A Figura 3.10 mostra o espectro de IV de soluções 10
mmol L-1 de EHUT nos extremos das séries n-alquil-benzenos e n-alcanos: tolueno,
73 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
n-pentilbenzeno, n-heptano e n-dodecano. Todos os espectros são idênticos, e sua
forma com ausência de banda relacionada a vibração NH livre é característico da
estrutura tubular.
3450 3400 3350 3300 3250 32000
100
200
300
400
500
600
700
(a
.u.)
(cm-1)
Tolueno
Pentilbenzeno
Heptano
Dodecano
Sem NH livre
Figura 3.10: Espectros de IV na região entre 3450 e 3200 cm-1 de soluções 10 mmol L-1 de EHUT em
tolueno, n-pentilbenzeno, n-heptano e n-dodecano 20°C.
A estabilidade térmica dos tubos supramoleculares também foi avaliada
através de calorimetria diferencial de varredura (DSC) na qual foi possível obter a
temperatura de transição (T**) entre os tubos e filamentos (Figura 3.11). Os dados
mostram que T** de EHUT nos solventes n-alcanos é relativamente maior do que os
n-alquil-benzenos o que indica que os tubos são mais estáveis no grupo de
solventes alifáticos. Em ambas as séries há um aumento na T** em relação a cada
carbono sp3 adicionado. Vale destacar que no caso dos n-alquil-benzenos essa
tendência é contrária as medidas de viscosidade, sendo o sistema EHUT-tolueno o
mais viscoso, porém com menor temperatura de transição. Além disso, como o
diagrama de fases de EHUT em tolueno (Figura 1.9) mostra que a concentração de
filamentos é negligenciável a 20°C para [EHUT]=10 mmol L-1,37pode-se afirmar que
os tubos supramoleculares são a única espécie presentes na concentração e
temperatura dos experimentos reológicos. Desta forma, os experimentos de DSC e
espectroscopia de IV mostram que nem a estabilidade do tubo, nem a presença de
filamentos são a chave para a tendência anômala de viscosidade destes sistemas.
74 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1230
40
50
60
70
80
90
100
n-alquil-benzenos
n-alcanos
T**
(°C
)
Número de átomos de carbono sp3
Figura 3.11: Temperatura de transição (T**) de soluções 10 mmol L-1de EHUT em função do número
de átomos de carbono sp3 de n-alquil-benzenos e n-alcanos.
A espectroscopia de infravermelho também pode ser qualitativamente usada
para avaliar a densidade de ligações de hidrogênio formadas nos solventes
estudados quando se observa mudanças nas bandas de absorção quando a
temperatura é aumentada, desfavorecendo assim a auto-associação. Os espectros
de infravermelho presentes na Figura 3.10 mostraram que na concentração de 10
mmol L-1de EHUT não é possível observar qualquer banda referente a vibrações N-
H livre. Entretanto, em uma concentração menor como mostrado na Figura 3.12 que
apresenta espectros de soluções 1 mmol L-1 de EHUT em tolueno e n-pentilbenzeno
entre 25°C e 75°C quatro bandas podem ser identificadas: duas bandas em 3444 e
3429 cm-1 que são atribuídas à N-H grupos livres; e duas bandas em 3340 e 3280
cm-1 relacionados aos grupos N-H que estão formando ligações de hidrogênio.13 Em
ambos os sistemas a magnitude relativa da banda relacionada com os grupos N-H
ligados diminui com o aumento da temperatura, sendo que uma pequena
contribuição de grupos N-H livres pode ser detectada em tolueno a 75°C, mas não
em n-pentilbenzeno. Como conclusão, este experimento confirma que as ligações de
hidrogênio de EHUT são mais estáveis em n-pentilbenzeno do que em tolueno como
era esperado devido a menor constante dielétrica do primeiro solvente (Figura 3.6).
Além disso, nos sistemas envolvendo n-alcanos não se observam grandes variações
75 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
em seus espectros em temperaturas até 75ºC, sendo que transições nestes
sistemas acontecem em temperaturas superiores como mostrados pelos
experimentos de DSC.
Figura 3.12: Espectros de infravermelho de soluções 1 mmol L-1 em tolueno. As setas mostras o
efeito da temperatura nas bandas de NH livres (3444 e 3429 cm-1) e NH ligados (3340 e 3280 cm-1).
O contraste no espalhamento de luz entre os solventes n-alcanos e os tubos
supramoleculares de EHUT permite a obtenção do raio de giro (Rg) destas estruturas
através de espalhamento de luz estático (SLS). Através da Equação 3.4 proposta
por Ornstein-Zernike72 pode-se correlacionar a intensidade de espalhamento obtido
em diversos ângulos (30-150°) por SLS com o vetor de espalhamento q
correspondente, onde 𝑞 = (4𝜋𝑛
𝜆) 𝑠𝑒𝑛 (
𝜃
2),n é o índice de refração do solvente, o
comprimento de onda da luz incidente e é o ângulo de espalhamento e obter o raio
de giro das cadeias de EHUT.
𝐼(𝑞) ~ 1 [1 + (𝑅𝑔2
3⁄ ) 𝑞2] 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 3.4⁄
A Figura 3.13 mostra os Rg obtidos para os tubos de EHUT em soluções 1
mmol L-1 em n-alcanos. O raio de giro dos tubos supramoleculares sutilmente
aumenta em relação ao número de átomos de carbono sp3 da molécula de solvente,
havendo uma maior evolução de n-heptano para os demais solventes. O fato dos
tubos supramoleculares de EHUT serem maiores à medida que a molécula de n-
alcanos pode explicar a tendência de viscosidade observadas nesta classe
solventes, já que estruturas maiores possuem maior quantidade de pontos de
entrelaçamentos e consequentemente maior viscosidade. Uma comparação com os
n-alquil-benzenos usando esta técnica é inviável devido à falta de contraste entre
76 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
estes solventes e EHUT. Entretanto, o tamanho das cadeias de EHUT em tolueno,
como já relatado na literatura está na mesma faixa de tamanho descrita.37
7 8 9 10 11 12
110
120
130
140
150
160
170
180
Rg (
nm
)
Número de átomos de carbono sp3
Figura 3.13:Rg das cadeias de EHUT em função do número de carbonos sp3 de soluções 1 mmol L-1
em n-alcanos.
Mais informações qualitativas sobre o processo de auto-associação de EHUT
em n-alquil-benzenos podem ser obtidas através de calorimetria de titulação
isotérmica (ITC). A Figura 3.14 mostra entalpogramas obtidos quando uma solução
0,25 mmol L-1 de EHUT é injetada no correspondente solvente puro a 25°C da série
dos n-alquil-benzenos. Os sinais endotérmicos detectados para todos os sistemas
estão relacionados à quebra das ligações de hidrogênio que acontecem durante o
processo de diluição das soluções de EHUT. O fato das energias relacionadas com
os processos serem menores e deslocadas para concentrações menores (c* e c**
qualitativamente obtidas pela inflexão média das curvas experimentais) no caso de
n-pentilbenzeno, significa que a associação é mais forte (a estrutura polimérica é
mais difícil de ser quebrada) neste solvente35 do que nos demais.
77 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
Figura 3.14: Entalpogramas experimentais para soluções 0,25 mmol L-1 de EHUT em tolueno, n-
etilbenzeno, n-propilbenzeno, n-butilbenzeno e n-pentilbenzeno à 25°C. Duas concentrações são
indicadas no diagrama: c* e c**, relacionadas com às concentrações de transição monômero-
filamento e filamento-tubo respectivamente.
Intrigantemente, o sistema EHUT/tolueno é o que possui o processo de auto-
associação mais fraco, e com menor estabilidade da estrutura tubular. Por outro
lado, como já foi mostrado, é o sistema que possui a maior viscosidade. Na tentativa
de se obter algum tipo de correlação, um modelo termodinâmico cooperativo de
associação completa37 foi usado para analisar quantitativamente os dados
calorimétricos. Neste modelo capaz de descrever quantitativamente esse sistema, a
auto-associação do monômero (M) em fitas e tubos em equilíbrio (Fn e Tn) pode ser
expressa por um conjunto infinito de equilíbrios como mostrado na Figura 3.15, onde
a etapa de dimerização é menos favorável que as etapas de associação
subsequentes, e essas são independentes do número de moléculas do agregado
(n). Deste modo, as constantes de equilíbrio de formação são kn= kpara n > 2 e k >
k2 no caso dos filamentos (Fn), e Kn = K para n > 2 e K > K2 no caso dos tubos (Tn).
78 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
Figura 3.15: Representação das etapas deequilíbrio de associação entre monômeros (M) e duas
supramoleculares estruturas (FneTn) de grau de polimerização n.
A concentração de todas as cadeias supramoleculares ([Fn] e [Tn]) pode ser
expressa então através das equações 3.5 e 3.6 obtidas pela lei de ação das massas:
[𝐹𝑛] = 𝑘2𝑘𝑛−2[𝑀]𝑛, 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑛 ≥ 2 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 3.5
[𝑇𝑛] = 𝐾2𝐾𝑛−2[𝑀]𝑛, 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑛 ≥ 2 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 3.6
A [M] pode ser numericamente determinada da Equação 3.7 obtida através da
conservação das massas se a concentração global (C0), k2, k, K2, K são conhecidas:
𝑘2𝑘
[𝑀]
(1 − 𝑘[𝑀])2+𝐾2𝐾
[𝑀]
(1 − 𝐾[𝑀])2+ (1 −
𝑘2𝑘−𝐾2𝐾) [𝑀] − 𝐶0 = 0 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 3.7
A dependência da temperatura pode ser introduzida pelas equações de
van’tHoffse as entalpias de associação (Δh2, Δh, ΔH2, e ΔH) forem assumidas
independentes da temperatura na faixa estudada.
𝑘2(𝑇) = 𝑘2(𝑇0) 𝑒𝑥𝑝 [Δℎ2𝑅
(1
𝑇0−1
𝑇)] 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 3.8
𝑘(𝑇) = 𝑘(𝑇0) 𝑒𝑥𝑝 [Δℎ
𝑅(1
𝑇0−1
𝑇)] 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 3.9
𝐾2(𝑇) = 𝐾2(𝑇0) 𝑒𝑥𝑝 [Δ𝐻2
𝑅(1
𝑇0−1
𝑇)] 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜3.10
𝐾(𝑇) = 𝐾(𝑇0) 𝑒𝑥𝑝 [Δ𝐻
𝑅(1
𝑇0−1
𝑇)] 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 3.11
Este modelo foi usado para ajustar os dados experimentais de ITC de
soluções 0,25 mmol-1 de EHUT em n-pentilbenzeno (Figura 3.16 apresenta os
termogramas ajustados) a 25, 30, 35, 40 e 45 °C e comparado com dados prévios
de soluções de EHUT em tolueno.37 O ajuste fornece oito parâmetros: as entalpias
79 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
de associação Δh2, Δh, ΔH2e ΔH e as constantes de associação correspondentes:
k2, k, K2e K. A Tabela 1 lista essas constantes obtidas pelo ajuste de EHUT em
tolueno e n-pentilbenzeno.
Figura 3.16: Entalpogramas experimentais de solução 0,25 mmol L-1 de EHUT em n-pentilbenzeno à
(a) 25ºC, (b) 30ºC, (c) 35ºC, (d) 40ºC e (e) 45ºC. Linha vermelha corresponde ao ajuste do modelo
cooperativo.
80 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
Tabela 3.1. Valores dos parâmetros obtidos pelo ajuste cooperativo dos dados de ITC de EHUT em
tolueno e n-pentilbenzeno.
Parâmetros Tolueno37 n-pentilbenzeno
k2 820 26000
k 76950 129000
K2 0,24 198
K 87110 171000
k2/k 0,01 0,20
K2/K 2,75 x 10-6 1,16 x 10-3
Uma comparação entre os parâmetros da Tabela 1 permite algumas
observações: (i) todas as constantes de associação são maiores em n-pentilbenzeno
do que em tolueno. Esta observação é bastante lógica porque as ligações de
hidrogênio são esperadas serem mais facilmente formadas no solvente com menor
polaridade e consequentemente a formação das estruturas neste solvente é
facilitada; (II) o efeito do solvente é mais óbvio na formação de dímeros (k2 e K2) do
que na formação de oligômeros (k e K); (iii) A cooperatividade do sistema avaliada
entre as razões das constantes de formação dos oligômeros e dímeros (K/K2 e k/k2)
mostra que a auto-associação é várias vezes mais cooperativa na formação de
tubos e filamentos em tolueno do que em n-pentilbenzeno.
Apesar dos processos de auto-associação de EHUT serem mais cooperativos
em tolueno, os dados de DSC, ITC e espectroscopia de IV mostram qualitativamente
que as ligações de hidrogênio são mais fortes em n-pentilbenzeno o que
provavelmente significa que as cadeias supramoleculares (tubos) são mais longas
neste solvente. De fato, no caso de um crescimento isodesmico, uma ligação mais
forte resulta em uma constante de associação maior o que implicaria em cadeias
mais longas. Entretanto, no caso de crescimento cooperativo é matematicamente
possível que uma maior constante de associação leve a cadeias menores caso a
cooperatividade seja menor. Desta forma, a falta de clareza deste ponto torna difícil
afirmar que o comprimento dos agregados é o responsável pela diferença de
viscosidade destes sistemas.
Neste sentido, esta Tese propõe uma explicação para o efeito contra intuitivo
observado. A dinâmica dos processos de quebra e recombinação é afetada por
efeitos de solvatação, sendo a responsável pelas variações nas viscosidades
observadas. De fato, os processos de dinâmica local como a maior velocidade na
81 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
quebra e recombinação observados pelo tempo de relaxação das cadeias de EHUT
(Figura 3.9), possuem a mesma tendência que as medidas de viscosidade (Figura
3.5). A razão das ligações de hidrogênio de EHUT se quebrarem e reformarem mais
rapidamente nos solventes onde são mais estáveis (como mostram os experimentos
de IV) e serem facilmente formadas (dados calorimétricos) se compararmos tolueno
com n-pentilbenzeno não são óbvias, porém podem estar relacionadas a efeitos de
solvatação. Ademais, um sistema similar envolvendo uma influência independente
entre dinâmica e termodinâmica de sistemas coordenados por metais já foi descrito
na literatura.73
O parâmetro de solubilidade de Hildebrand (𝛿) é obtido da raiz
quadrada da energia coesiva do solvente (𝐸𝑐) que é derivada do calor de
vaporização do solvente (∆𝐻𝑣) e seu volume molar (𝑉𝑚), como indicado na Equação
3.12. Assim, fornece uma estimativa numérica do grau de interações das
substâncias. 𝛿diminui consideravelmente de 18.2 MPa1/2 para o tolueno para 17.4
MPa1/2no caso don-pentilbenzeno. Assim as cadeias de 2-etilhexil de EHUT (16
MPa1/2) que formam uma coroa externa aos tubos supramoleculares de EHUT são
mais bem solvatados em n-pentilbenzeno do que em tolueno. Além disso, a quebra
do tubo supramolecular em duas partes gera duas novas pontas que necessitam ser
solvatadas.
De forma similar à usada para tratar sistemas micelares, o tubo de EHUT
pode ser considerado uma pseudo-fase. Assim, pode-se dizer que haverá certa
energia superficial entre a cadeia formada pelas moléculas de EHUT agregadas e o
solvente. No caso de solventes em que as diferenças entre os parâmetros de
solubilidade de Hildebrand são menores, as energias superficiais serão,
consequentemente menores. Neste caso, a dinâmica de quebra e recombinação das
cadeias é facilitada e a cinética será mais rápida em relação aos casos em que as
diferenças nos parâmetros de solubilidade sejam maiores.
𝛿 = √𝐸𝑐 = √∆𝐻𝑣 − 𝑅𝑇
𝑉𝑚 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 3.12
Como mostrado na Figura 3.17, a variação dos valores de 𝛿 para os solventes
estudados, segue o mesmo comportamento observado para a viscosidade no
repouso (Figura 3.5).
82 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1315.0
15.5
16.0
16.5
17.0
17.5
18.0
18.5
n-alquil-benzenos
n-alcanosP
arâ
me
tro
de
Hild
eb
ran
d (
MP
a)
Número de átomos de carbono sp3
Figura 3.17:Parâmetro de solubilidade de Hildebrand (𝛿) do solvente em função do número de
átomos de carbono sp3 de n-alquil-benzenos e n-alcanos. Valores obtidos da ref.74.
Parte da energia mecânica de cisalhamento que é usada na medida da
viscosidade é perdida nos processos de reptação e, no caso nos polímeros
supramoleculares, parte da energia é dissipada quando a cadeia é
espontaneamente quebrada (pelos efeitos térmicos). Sendo assim, a cinética de
quebra no caso dos solventes alifáticos é mais eficiente em relação aos aromáticos,
refletindo nos resultados observados. Portanto, mesmo gerando polímeros de
maiores massas molares nos casos dos solventes alifáticos, o efeito de solvatação
exterior das cadeias poliméricas, acentua a cinética de quebra e recombinação,
reduzindo a viscosidade em relação aos solventes aromáticos.
Como conclusões, observa-se que pequenas variações na estrutura
molécular do solvente possuem um forte efeito nos processos de auto-associação
de EHUT, podendo até mesmo impedi-los, como no caso de benzeno. Efeitos de
solvatação da coroa de cadeiass dos tubos supramoleculares de EHUT podem
influenciar na velocidade dos processos de quebra e recombinação das cadeias,
tornando-os mais rápidos em solventes onde são mais termodinamicamente
estáveis. Quando a energia coesiva do solvente é próxima a das cadeias de 2-
etilhexil de EHUT como nos casos dos solventes n-alcanos, a viscosidade da
83 Capítulo 3: O fundamental e inesperado efeito do solvente nos processos de auto-associação e dinâmica de bis-ureias
_________________________________________________________________________________
solução diminui e explica a diferença de viscosidade medidas e observada nas
Figura 3.3 e 3.5.
84 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
CAPÍTULO 4
O CRUCIAL PAPEL DOS SUBSTITUINTES LATERAIS NA NATUREZA E
ESTABILIDADE DE SISTEMAS ASSOCIADOS DERIVADOS DE DODECIL-ÉSTER
BTAS EM CICLOHEXANO
O desenvolvimento de novos sistemas supramoleculares através do design
de pequenas moléculas orgânicas que possuam interações não covalentes bem
definidas é especialmente interessante devido às propriedades dinâmicas destes
sistemas, que podem ser modificadas/ajustadas através de diferentes estímulos
(solvente, temperatura, pH, etc.). BTAs (benzeno-1,3,5-tricarboxamidas) são
moléculas que consistem de um núcleo central aromático com três grupos amidas
conectadas nas posições 1,3 e 5, capazes de se auto-associarem em longos
polímeros supramoleculares (stacks) através de intensas ligações de hidrogênio. A
introdução de novos grupos funcionais, ou segmentos alifáticos ou peptídicos,
heteroátomos e outros anéis aromáticos na estrutura molecular pode prejudicar a
estabilidade dos agregados e até mesmo impedir a formação destes sistemas
supramoleculares.75 Por outro lado, alguns grupos podem modificar positivamente as
propriedades destes sistemas através de interações intermoleculares
secundárias43,76,77estabilizando e/ou favorecendo determinada estrutura com as
propriedades desejadas em possíveis aplicações.
BTAs derivadas de α-amino éster,78-82 ou de fragmentos peptídicos83-85
apresentam características atrativas: (i) uma ampla variedade de grupos quirais que
podem ser incorporados na posição α das funções ureia e (ii) interações secundárias
seriam esperadas entre os grupos ligantes, o que poderia reforçar ou enfraquecer as
estruturas supramoleculares. Estes sistemas também são intrigantes devido à não
linearidade de comportamento do crescimento segmento éster que podem
influenciar tanto de forma positiva como negativa os processos de auto-associação
dessa classe de moléculas.41 Neste sentido, este capítulo teve como objetivo uma
sistemática caracterização de 13 dodecil-éster BTAs (estruturas moleculares na
Figura 4.1) que possibilitam a influência das seguintes características nas
propriedades de auto-associação das BTAs: (i)a função éster através da
comparação de BTA Gly e uma BTA alquil reportada na literatura;86(ii) o
comprimento da cadeia linear conectada ao carbono α (Metil – BTA D Ala, Etil – BTA
D Abu e Butil – BTA L Nle); (iii) o átomo de enxofre de BTA L Met comparado com
85 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
seu análogo BTA Nle; (iv) de grupos volumosos ligados ao carbono α (iso-propil –
BTA L Val, iso-butil – BTA L Leu, sec-butil – BTA Ile e terc-butil – BTA L T-Leu); (v)
grupos fenílicos (BTA L Phg e BTA L Phe); (vi)um segundo carbono na posiçãoα dos
grupos amida (BTA Aib). Duas outras moléculas foram usadas como referências
nesse sistemático estudo: BTA C8* que é capaz de formar longos stacks43 e Nle
“control” que é incapaz de se auto-associar devido à sua mono substituição no
núcleo aromático.
Figura 4.1: Estruturas moleculares das BTAs estudadas, e as referências “Nle control” e BTA C8*.
86 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
4.1 Objetivos
O objetivo deste capítulo foi elucidar o efeito de interações secundárias
causadas pela presença de anéis aromáticos, heteroátomos, além do tamanho de
ramificações alifáticas e grupos volumosos que possam gerar impedimento estérico
na auto-associação de dodecil-éster BTAs em ciclohexano. Tanto a estabilidade de
13 sistemas como as transições (quando existem) foram determinadas
especialmente por técnicas espectroscópicas, calorimetria e espalhamento de
nêutrons.
4.2 Materiais e Métodos
4.2.1 Amostras
Todos aminoácidos, reagentes da síntese, solventes da síntese e solvente
das amostras (ciclohexano e ciclohexano deuterado) foram obtidas da Sigma-
Aldrich.
4.2.1.1 Síntese BTAs- Primeira Etapa: Formação do tosilato de amônia
Em um aparato Dean-Stark acoplado à um balão com dois “pescoços”, o
aminoácido (1 eq., 15.0 mmol) é suspenso em tolueno (150 mL), e p-TsOH.H2O (1.2
eq., 18.0 mmol) é adicionado à temperatura ambiente. N-dodecanol (1.1 eq., 16.5
mmol) é então adicionado, e a goma resultante é agitada sob refluxo por uma noite.
Depois da mistura esfriar à temperatura ambiente, a mistura é evaporada sob
pressão reduzida fornecendo um olho espesso ou um solido. Esta amostra é
colocada em 70mL de Et2O sendo gentilmente aquecida até 35º e permitida esfriar
em um banho de gelo. O precipitado resultante é filtrado à vácuo e lavado com éter
gelado para remover resíduos dos reagentes. O sólido resultante é então seco à
vácuo para fornecer um tosilato de amônia do respectivo aminoácido.
4.2.1.2 Síntese BTAs - Segunda Etapa: Síntese do éster BTAs:
Em um balão seco à chama sob atmosfera de argônio, cloreto de benzeno
tricarbonil (1eq.,3.0 mmol) é dissolvido em diclorometano anidro (100mL) à
temperatura ambiente. O tosilato de amônio da etapa 1 (3.3 eq.; 9.9 mmol) é então
adicionado em uma porção, e a mistura resultante é resfriada à 0°C com um banho
de gelo/água. Et3N anidro é adicionado gota a gota e a reação é agitada por 36-42h
na temperatura ambiente. Salmoura é então adicionado ao frasco, e a mistura crua é
extraída três vezes com diclorometano. A fase orgânica é seca com MgSO4, filtrado
87 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
e o solvente é evaporado sob pressão resultado. O sólido resultante é dissolvido em
diclorometano e purificado em uma pequena coluna de sílica gel
(diclorometano/EtOAc 6:1) para remover sais e impurezas.
4.2.2 Preparo das amostras
Todas as amostras foram obtidas através da pesagem mássica do solvente e
da BTA em balança analítica com quatro casas decimais, e posterior agitação por
24h na temperatura ambiente. As amostras descansaram mais 24h antes da
realização das medidas.
4.2.3 FTIR (Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier)
Análises de espectroscopia de infravermelho (FTIR) foram feitas em um
espectrômetro Nicolet iS10 utilizando uma célula de CaF2 com caminho ótico de
0,1mm; 0,2mm; 0,05 mm ou 1.0 mm. Correções referentes à atmosfera, solvente e
absorção da célula (background) foram feitas nos espectros finais.
4.2.4 ITC (Calorimetria de titulação isotérmica)
Calores de dissociação foram medidos utilizando um calorímetro Microcal VP-
ITC. A célula de amostragem (1,435 mL) foi preenchida com ciclohexano puro.
Soluções das BTAs: 1,2 mmol L-1(BTA Aib), 2mmol L-1 ou 5 mmol L-1 ou 10 mol L-
1(BTA Met e BTA Phe) em ciclohexano foram inseridas em uma seringa (0,295mL)
com agitação continua 260 rpm). Alíquotas (5 µL) da solução foram injetadas na
célula de amostragem à cada 300 s até o volume o de amostra na seringa se
esgotar. A temperatura dos experimentos foi entre 25 e 50°C.
4.2.5Dicroísmo circular e Espectroscopia UV
Medidas de dicroísmo circular foram executadas em um espectrômetro Jasco
J-1500 equipado com laser de Xenônio (XBO 150W/4) em células de quartzo de
diferentes caminhos óticos (0,05 ou 2 nm). Os dados foram obtidos à 20°C na faixa
de 350 e 190nm. Espectros da célula/solvente foram obtidos nas mesmas condições
e utilizados na correção dos espectros das amostras. Espectros de UV foram
simultaneamente obtidos nas mesmas condições.
4.2.6 Viscosimetria
Medidas viscosimétricas foram feitas em um micro viscosímetro Anton Paar
AmVn falling-ball com um capilar de 0,16 mm de diâmetro à 25°C utilizando soluções
das BTAs em várias concentrações em ciclohexano. Os resultados são médias de 6
replicatas utilizando as medidas referente aos ângulos +20 e -20.
4.2.7 SANS (Espalhamento de nêutrons em baixos ângulos)
88 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
Medidas de SANS foram feitas em LLB (Saclay, França) no instrumento Pace
utilizando uma combinação de duas faixas de distância de comprimento de onda que
cobriram a faixa de q (4×10-3 a 0,24Å-1), onde o vetor de espalhamento é definido
como q=(4π/λ)sin(θ/2), onde θ é o angulo entre o feixe incidente e o espalhado.
Correções referentes ao solvente e background foram subtraídas, e um padrão foi
usado para normalizar a intensidade de espalhamento na unidade cm-1.
4.3 Resultados e discussão
Devido à presença de grupos formadores de ligações de hidrogênio, dodecil-
éster BTAs são capazes de se auto-associar em longas pilhas (stacks) e/ou dímeros
em solventes orgânicos de baixa polaridade41,87,88 dependendo das condições
experimentais (Figura 4.2). Enquanto “stacks” são formados através de contínuas
ligações de hidrogênio entre os grupos amidas das dodecil-éster BTAs o que torna
estas estruturas extremamente longas, dímeros são formados por interações entre
os três grupos amidas e éster de duas moléculas de dodecil-éster BTAs, tornando o
sistema fechado, o que impossibilita o crescimento dos mesmos. Desta forma,
ambos sistemas associados possuem propriedades macroscópicas e microscópicas
diferentes, tornando possível sua fácil caracterização.
Figura 4.2: Representação esquemática de “stacks” e dímeros formados pela associação de dodecil-
éster BTAs.
Medidas de viscosidade são uma maneira rápida e fácil de se observar a
formação de stacks nas BTAs, pois estes sistemas supramoleculares fornecem
soluções altamente viscosas. Uma solução moderadamente concentrada (0,1% em
massa) de BTA C8* (BTA referência)111 em ciclohexano possui a viscosidade relativa
de 5,5 à 20°C (Figura 4.3a), um forte indicativo da alta cooperatividade deste
sistema. A habilidade das dodecil éster BTAs se auto-associarem em stacks em
89 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
ciclohexano à 20°C observada através das medidas de viscosidade é BTA Met >
BTA Aib > BTA Phe > BTA Abu > BTA Ala >>> outras dodecil -éster BTAs. Outra
observação possível é que a baixa evolução da viscosidade em função da
concentração especialmente nas soluções de BTA Abu e BTA Ala é um indicativo
que stacks e dímeros podem estar em equilíbrio nestes sistemas. Além disso BTAs
Gly, Nle e Val não possuem significativo aumento da viscosidade nem mesmo em
concentrações mais elevadas (10% m/m) indicando que estes sistemas não se auto-
associam em stacks nestas condições.
Figura 4.3: (a)Viscosidade relativa em diferentes contrações de BTAs C8*, Met, Phe, Aib, D Abu, D
Ala, Gly, Nle, Val em ciclohexano à 20°C. (b) Fotografias de soluções 20% m/m de BTA Met, Aib,
Phe, Abu e Ala antes e 30 segundos após inverterem os frascos.
Dicroísmo circular tem sido amplamente utilizada na caracterização de
soluções moderadamente concentradas de BTAs quirais.43,88,89 Esta técnica
espectroscópica que mede o desvio que uma luz circularmente polarizada (na região
UV-Vis neste estudo) sofre pela interação da matéria, pode ser utilizada na
caracterização dos sistemas estudados e distinção dos agregados devido a
diferentes “assinaturas” dos perfis de espalhamento de soluções que contém os
mesmos. Por exemplo, BTA C8* que forma stacks em ciclohexano tem no seu perfil
de espalhamento um máximo de elipsidade molar (ε) em λmax~225 nm, sendo que
em 204 nm o sinal passa pelo eixo e se torna negativo. Similar perfil de absorção é
observado em solução 2 mmol L-1 de BTA L Met (Figura 4.4), indicando a formação
de stacks nessa concentração. Por outro lado, o comportamento dos dímeros é
caracterizado por dois picos (como elipicidades positiva e negativas), com
90 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
λmax~230 nm e λmin~255 nm como observado para a maioria das BTAs: D Abu, D
Cha, L Ile, L Leu, L Nle, L T-Leu e L Val. Já os espectros de BTA D Ala, L Phe não
são conclusivos, provavelmente porque nessa concentração dímeros e stacks
possam estar em equilíbrio em ambas as soluções, hipótese essa provada
posteriormente.
Figura 4.4: Espectros de dicroísmo circular de soluções 2mmol L-1das BTAs estudadas nestes estudo
em ciclohexano à 20ºC.
Um comportamento semelhante é observado nos espectros de UV-Vis de
soluções do conjunto das dodecil-éster BTAs estudadas. Enquanto BTAs que estão
associadas em dímeros possuem uma absorbância máxima próxima a210 nm, os
espectros de sistemas que estão auto-associados em stacks sofrem um
deslocamento hipsocrômico (blue shift) e têm seu máximo de absorção próximo
a195 nm. Este deslocamento pode estar atribuído à extensão das interações π-π
(empilhamentos) de cromóforos empilhados43 como os que acontecem na formação
destas longas estruturas na forma de pilha. A Figura 4.5 mostra espectros de UV-Vis
de soluções 2 mmol L-1 das BTAs estudadas, onde é possível observar um
deslocamento para azul apenas no caso das BTAs Met e Phe, diferentemente das
outras BTAs, de acordo com os dados obtidos por dicroísmo circular. Entretanto,
através simplesmente da análise destes espectros, não é possível afirmar que
apenas stacks são formados, especialmente no caso de BTA Phe. Além disso, BTA
91 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
Abu, BTA Ala e BTA Aib mostraram nas medidas de viscosidade que formam géis
moleculares em 20% m/m. Se torna necessária então uma avaliação mais
sistemática do efeito da concentração na auto-associação das BTAs estudadas.
Figura 4.5: (a) Espectros de dicroísmo circular (b) UV-Vis de soluções 2mmol L-1 de BTAs D Abu, D
Ala, D Cha, L Ile, L Leu, L Met, L Nle, L Phe e L Val em ciclohexano à 20ºC.
Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) é capaz
de determinar o tipo de agregado em que BTAs estão associadas devido à diferente
maneira em que as moléculas de BTAs interagem através das ligações de
hidrogênio (Figura 4.2), já que no caso de dímeros a ligação NH—CO acontece com
o grupamento éster, e nos stacks é feita através de dois grupos amidas.
Consequentemente, a energia da vibração e número de onda onde as vibrações
destes grupos acontecem no espectro de infravermelho são sutilmente diferentes, o
que torna FTIR especialmente útil na caracterização do efeito da concentração visto
que o caminho ótico pode ser alterado. A Tabela 4.1 apresenta o número de onda
característicos das vibrações dos grupos NH, CO éster e CO amida livres e quando
estão formando ligações de hidrogênio. A Figura 4.6 mostra espectros de
infravermelho de soluções 10 mmol L-1 das BTAs Met, Phe, C8* em ciclohexano
onde é possível observar a absorbâncias características da formação de stacks
(ligação NH-CO amida), e de BTA Nle e Val que apresentam absorbâncias típicas de
dímeros (ligação NH-CO éster). Além disso, como previsto o espectro de “Nle
92 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
control” possui o perfil característico de monômeros, como as absorbâncias dos
grupos NH e CO livres.
Tabela 4.1: Número de onda das ligações NH, CO éster e CO amida que participam ou não de
ligações de hidrogênio.
Espécie/Ligação NH CO éster CO amida
Monômeros
Livre
3425 cm-1
Livre
1755cm-1
Livre
1675 cm-1 e1527 cm-
Dímeros Ligado
3380 cm-1
Ligado
1737 cm-1
Livre
1675 cm-1 e 1527 cm-
Stacks Ligado
3230 cm-1
Livre
1755 cm-1
Ligado
1644 cm-1 e 1560 cm-1
Figura 4.6: Espectros de IV de soluções de 10 mmol L-1 BTAs L Met, L Phe, L Nle, L Val, C8* e “Nle
control” em ciclohexano à 20ºC.
BTA L Nle e L Val formam apenas dímeros até mesmo em concentrações
elevadas (50 mmol L-1) como pode ser visto nos espectros de infravermelho
mostrados na Figura 4.7. Similar comportamento é observado para BTA D Cha, L Ile,
L-Teu e L-Ile em uma longa faixa de concentração (2, 5, 10, 25, 50, 100 e 200) mmol
L-1. Todas essas BTAs têm em comum a presença de grupos volumosos ligados ao
carbono α. Estes grupos ainda têm como característica a incapacidade de formar
interações intermoleculares mais fortes. Desta forma, é possível afirmar que o
impedimento estérico destes volumosos substituintes desestabiliza a formação de
93 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
stacks ou estabiliza a formação de dímeros sendo esta energeticamente mais
favorável nas condições deste estudo.
Figura 4.7: Espectros de IV de soluções 50 mmol L-1 das BTAs (D Cha, L Ile, L Leu, L T-Leu, T-Leu,
L Nle, e L Va)l em ciclohexano à 25ºC.
Os espectros de infravermelho de soluções das BTAs L Met e L Phe (Figura
4.8) mostram que stacks são formados já em concentrações baixas, 2 mmol L-1, em
ciclohexano como já foi observado nos estudos envolvendo espectroscopia de
dicroísmo circular e UV-Vis. Entretanto, há um claro equilíbrio entre dímeros e
stacks, sendo que stacks se tornam a única espécie apenas em concentrações
maiores que 25 mmol L-1. Existe, portanto uma ampla faixa de concentração onde
dímeros e stacks são formandos em equilíbrio nestes sistemas, e as transições
serão melhor evidenciadas posteriormente através de medidas calorimétricas.
Porém como conclusão parcial da comparação entre estes dois sistemas, é possível
afirmar que a formação de stacks é mais favorável no sistema BTA L Met do que
BTA L Phe.
94 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
Figura 4.8: Espectro de IV de soluções de diferentes concentrações de BTA (a) L Met e (b) L Phe em
ciclohexano à 20ºC. A largura da linha indica aumento na concentração.
Um comportamento similar é observado no espectro de soluções de BTA D
Abu (Figura 4.9a), porém neste sistema a transição é relativamente mais lenta pois
stacks são a espécie predominante somente acima de 100 mmol L-1, mesmo que em
200 mmol L-1 a presença de dímeros ainda possa ser observada. Por outro lado,
BTA Aib se auto-associa totalmente em stacks já em 2 mmol L-1(Figura 4.9b).
Figura 4.9: Espectros de IV de soluções de diferentes concentrações de BTA (a) D Abu e (b) Aib em
ciclohexano à 20ºC. A largura da linha indica aumento na concentração
BTA D Ala é a éster BTA com o comportamento mais surpreendente e
interessante dentre todas as BTAs estudadas. Em concentrações menores que 25
mmol L-1 (Figura 4.10) o espectro de infravermelho revela a presença de NH livres,
um indicativo que monômeros estão presentes, mesmo que à 5mmol L-1a presença
de dímeros seja destacada. À medida que a concentração é elevada, pode-se
observar uma forte competição entre diferentes estruturas: dímeros e stacks, além
de espécies com absorção de infravermelho observadas próximos a 3270 cm-1.
Estas espécies, referenciadas como “stacks curtos”, foram determinadas através de
95 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
espalhamento de neutros de baixos ângulos (SANS)87, cujo o perfil de espalhamento
(Figura 4.11) foi ajustado com modelo com fator forma de esfera e forneceu que a
massa do agregado corresponde a quatro vezes a do monômero (Magregado/
Mmonomero = 4,1). A concentração onde stacks são a espécie predominante
acontece em 80 mmol L-1, aproximadamente a mesma de BTA D Abu, ou seja os
substituintes metil e etil ao carbono α presentes nestas BTAs possuem influência
bastante similar nos processos de auto-associação deste sistemas.
Figura 4.10: Espectros de IV de soluções (5, 25, 50, 100 e 200) mmol L-1 de BTA D Ala em
ciclohexano à 25ºC.
Figura 4.11: Comparação entre os perfis de espalhamento de soluções 10 mmol L-1 de BTA D Abu e
BTA D Ala à 25°C. Modelo com fator forma esférica fornece (Magregado/Mmonomero) = 4.1 e 1.9 para
BTA D Ala e BTA D Abu respectivamente.
96 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
Os espectros de infravermelho das últimas duas BTAs estão na Figura 4.12 e
mostram que BTA Gly possui um comportamento bastante similar à BTA D Ala,
exceto pela negligenciável formação de stacks, existindo um equilíbrio entre stacks
curtos (Magregado/Mmonomero=4,6)87 e dímeros em toda a faixa de concentração
estudada. Por outro lado BTA L Phg se auto-associa apenas em dímeros até mesmo
em concentrações elevada, o que evidencia que a posição do anel aromático ligada
à molécula de BTA é importante na estabilização dos stacks.
Figura 4.12: Espectros de infravermelho de soluções BTAs (a) L Phg, (b) Gly em ciclohexano à 25ºC
e em diferentes concentrações.
Das 13 dodecil-éster apresentadas na Figura 4.1 e caracterizadas neste
trabalho, apenas BTA D Abu, D Ala, L Met, L Phe e Aib são capazes de se auto-
associarem em stacks em ciclohexano a temperatura ambiente, sendo que há ainda
uma ampla faixa de concentração onde stacks e dímeros estão em equilíbrio nestes
sistemas. Deste modo, a caracterização da concentração onde stacks são
predominantes (c*, em relação à concentração total) é um indicativo de quais
processos de auto-associação são mais favoráveis e consequentemente as
espécies supramoleculares são mais facilmente formadas. De acordo com os
espectros de infravermelho, c*D Abu e c*D Ala são aproximadamente 80 mmol L-1, e c*L
Met,e c*L Phe e c*Aib devem ocorrer em concentração menor do que 2 mmol L-1. De
fato, o perfil dos espectros de dicroísmo circular de soluções 0,05 mmol L-1 de BTA L
Phe e L Met (Figura 4.13) mostram que nessa concentração, dímeros são a espécie
predominante. Ademais, espectros de UV de BTA Aib (Figura 4.13b) mostra que a
transição para dímeros ocorre em uma concentração menor do que 0,05 mmol L-1,
indicando que este é o sistema que possui maior cooperatividade na formação de
stacks.
97 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
Figura 4.13:(a) Espectro DC de soluções 0,05 mmol L-1 das BTAs L Met, L Phe Abu em ciclohexano
à 20ºC. (b) Espectro UV-Vis de soluções 0,05; 0,5; 5 mmol L-1 de BTA Aib à 20ºC;
Calorimetria de titulação isotérmica (ITC) é capaz de determinar as transições
entre stacks-dímeros pois se observa facilmente a liberação de calor nesse
processo. A Figura 4.14 mostra os entalpogramas obtidos quando soluções de BTA
L Met, L Phe e Aib são injetadas em ciclohexano puro. Na temperatura de 20ºC a
concentração de transição destes sistemas é c*L Met=0,28 mmol L-1, c*L Phe=0,44
mmol L-1 e c*Aib=0,003 mmol L-1, o que comprova que a habilidade destas éster-
BTAs se auto-associarem em stacks diminui na seguinte ordem BTA Aib > BTA L
Met > BTA L Phe > BTA D Ala e BTA D Abu.
Figura 4.14: Entalpogramas experimentais de soluções das éster BTAs L Met (20, 30 e 40ºC), L Phe
(20, 30 e 35ºC)e Aib (20°C) em ciclohexano.
98 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
Os entalpogramas de BTA L Met e L Phe em outras temperaturas aliados à
experimentos de DSC e dicroísmo circular87 que complementares realizados pelo
grupo do Professor Bouteiller mostraram respectivamente as transições stacks-
dímeros e dímeros -monômeros permitiram construir o pseudo-diagrama de fases
das BTAs L Phe, L Met, D Ala, D Abu e Aib ilustrado na Figura 4.15 onde é possível
visualizar as transições que ocorrem nestes sistemas: (i) dímeros de BTAs L Phe e L
Met se dissociam em monômeros apenas em temperaturas superiores que 60ºC
mesmo em concentrações extremamente baixas (5 μmol L-1); (ii) A transição dímero-
stacks possui uma relação praticamente linear com a temperatura para BTA L Phe e
L Met, sendo que a auto-associação em stacks de BTA L Met é mais favorecida em
toda faixa de concentração estudada (iii) BTAs L Phe, L Met e provavelmente BTA
Aib são capazes de seu auto-associar em stacks até mesmo em temperaturas
moderadamente altas (60ºC) em concentrações na faixa de mmol L-1
Figura 4.15 Pseudo-diagrama de fases das transições monômeros – dímeros – stacks das BTAs D
Abu, D Ala, L Met, L Phe e Aib em ciclohexano.
Fica claro através deste extenso estudo que a estabilidade de stacks e
dímeros é fortemente afetada pela concentração, sendo que a formação de
agregados maiores é favorecida em concentrações maiores, e pela natureza dos
substituintes ligados ao carbono α das cadeias laterais das dodecil éster BTAs que
podem ser ajustados a fim de prevalecer determinada espécie. Entre todas as 13
dodecil-éster BTAs caracterizadas em ciclohexano, apenas BTA Aib, L Met, L Phe, D
Ala e D Abu são capazes de formar stacks em ciclohexano o que reflete no
comportamento macroscópico da solução pois produzem sistemas viscosos.
99 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
Entretanto, há uma discrepância entre a viscosidade relativa e a concentração de
transição (c*, dímeros-stacks) como pode ser observado na Tabela 4.2, já que c* de
BTA Aib é a menor (0,03 mmol L-1 a 20ºC) enquanto BTA L Met é quem possui a
maior viscosidade possivelmente devido a formação de stacks maiores neste
sistema, entretanto os demais sistemas seguem a mesma ordem de estabilidade de
stacks e viscosidade relativa.
Tabela 4.2: Propriedades de auto associação das dodecil-éster BTAs estudadas neste trabalho. A
viscosidade relativa aumenta na seguinte ordem: viscoso* < viscoso ** < viscoso *** < gel.
BTA Estrutura em ciclohexano (20°C) C*( 20°C) Aspecto
BTA Gly Dímeros + stacks curtos - Fluido
BTA D Cha Dímeros - Fluido
BTA L Leu Dímeros Fluido
BTA L Phg Dímeros - Fluido
BTA L Ile Dímeros - Fluido
BTA D Ala Dímero + stacks + stacks curtos 80 mmol L-1 Viscoso*
BTA L tert-Leu Dímeros - Fluido
BTA L Nle Dímeros - Fluido
BTA L Val Dímeros - Fluido
BTA D Abu Dímeros + Stacks 80 mmol L-1 Viscoso*
BTA L Phe Dímeros + Stacks 0,44 mmol L-1 Viscoso**
BTA L Met Dímeros + Stacks 0,28 mmol L-1 Gel
BTA Aib Dímeros + Stacks 0,003 mmol L-1 Viscoso***
Diante do estudo das propriedades de associação das 13 BTAs presentes na
Figura 4.1, pode-se obter informações de como um simples átomo ou um grupo de
átomos localizados na cadeia lateral destas moléculas pode impactar na natureza e
estabilidade das espécies auto-associadas através de ligação de hidrogênio. Desta
forma, as seguintes influencias mostradas na Figura 4.16 podem ser verificadas
nestes sistemas:
100 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
Figura 4.16: Conjunto de estruturas similares das dodecil-éster BTAs que são comparadas para
isolar a influência de um único segmento. (I) Influência do grupo éster; (II) Influência do comprimento
da cadeia alquil linear ligado ao carbono α; (III) Influência do heteroátomo de enxofre na BTA Met;
(IV) Influência de um grupo aromático ligado ao carbono α.
Influência do grupo éster (I): A influência do grupo éster presente em todas as
dodecil-éster BTAs caracterizadas neste trabalho pode ser feita quando
comparamos BTA Gly com um análogo alquil já relatado na literatura: BTA C15 que
é capaz de formar longos stacks em ciclohexano.41 Claramente, o grupo éster de
BTA Gly impossibilita a formação de stacks em solução, possivelmente devido a sua
ação como aceptor de ligações de hidrogênio, o que limita a habilidade de auto-
associação das BTAs estudadas neste trabalho. Este efeito negativo é
particularmente forte no caso de BTA Gly, mas pode ser compensando pela
influência positiva de substituintes ligados ao carbono α. A origem destes efeitos
positivos será comentada abaixo:
Influência do comprimento da cadeia alquil linear ligada ao carbono α (II): A
habilidade de dodecil-éster BTAs de formarem stacks possui a seguinte ordem BTA
D Abu (-CH2CH3) > BTA D Ala (-CH3) >> BTA Gly (-H)>> BTA L Nle (-CH2
(CH2)2CH3). Apesar de BTA D Abu e BTA D Ala possuírem a mesma concentração
de transição (80 mmol L-1), BTA D Ala forma “stacks curtos” em concentrações
moderadas. O mesmo ocorre para BTA Gly, sendo que essa BTA não possui a
capacidade de formar stacks. BTA Nle possui um grupo demasiadamente grande e
como consequência se apresenta como dímeros em toda faixa de concentração
estudada. Portanto, o grupo etil é o melhor substituinte lateral na estabilização de
stacks nesta série.
Influência do heteroátomo de enxofre na BTA Met (III): Apesar de BTA Met e
BTA Nle serem isoestéricos, estes compostos exibem grande diferença na
capacidade de auto-associação. Enquanto BTA Met forma stacks em ciclohexano
101 Capítulo 4: O crucial papel dos substituintes laterais na natureza e estabilidade de sistemas associados derivados de dodecil-éster BTAs em ciclohexano
_________________________________________________________________________________
em uma larga faixa de concentração e temperatura, BTA Nle se apresenta apenas
como dímeros. Comparado com BTA Nle, a habilidade de BTA Met em auto-associar
em longos e estáveis stacks pode ser devido a fracas interações intermoleculares
adicionais (em adição a ligação de hidrogênio e interações aromáticas). De fato,
interações de curto alcance entre o átimo de enxofre e o grupo carbonílicos de BTA
Met foram detectados no raio-X da estrutura de BTAs derivadas de (L)-metionina82 e
provavelmente são a origem de estabilização dos stacks desta BTA.
Influência de um grupo aromático ligado ao carbono α (IV): Apesar do relativo
volume de um grupamento aromático, BTA Phe se auto-associa em ciclohexano,
diferentemente de BTA Cha que possui um grupamento ciclo-alquílico em sua
estrutura. A posição do grupo fenílico na cadeia lateral também é importante, o que
é evidenciado pela incapacidade de BTA Phg se auto-associar em stacks.
Novamente, a estabilidade dos stacks formados por BTA Phe provavelmente tem
origem na presença de interações adicionais, neste caso interações aromáticas
como foi proposto em trabalhos envolvendo éster-BTAs80 e BTAs como fragmentos
di-peptídicos.83
Algumas outras observações valem destaque: (i) exceto BTA L Phe, todas as
outras dodecil éster BTAs que possuem grupos volumosos (tais como BTA L Val, L
Ile, L Leu e L T-Leu) tem limitada habilidade de formar stacks; (ii) Devido a maior
facilidade de auto-associação (refletido na menor c**) as interações adicionais do
átomo de enxofre de BTA Met são mais impactantes na estabilização de stacks
comparadas as interações aromáticas adicionais presentes em BTA Phe e
finalmente (iii) BTA Aib, a única dodecil -éster BTA investigada que possui com um
secundário carbono α forma os stacks mais estáveis da série estudada.
Desta forma, fica evidente que pequenas variações estruturais afetam
sensivelmente a natureza e estabilidade dos agregados formados por ligações de
hidrogênio formado pelas dodecil-éster BTAs em ciclohexano. Apenas 5 (BTA Aib,
BTA Met, BTA Phe, BTA Ala e BTA Abu) das 13 BTAs estudadas são capazes de
formarem stacks que fornecem soluções viscosas ou gel. A estabilidade relativa
entre stacks e dímeros pode ser, portanto, ajustada pela modificação dos
substituintes ligado ao carbono α, seja através de um único átomo ou um grupo de
átomos e consequentemente refletir nas propriedades macroscópicas destes
sistemas.
102 Capítulo 5: Conclusões
_________________________________________________________________________________
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES
Esta Tese mostrou através de um sistemático estudo com a utilização de
diversas técnicas como modificações nas condições experimentais, tais como
temperatura, concentração e propriedades do solvente, além de pequenas
mudanças estruturais dos monômeros modificam sensivelmente o comportamento
macroscópico e microscópico de polímeros supramoleculares formados através de
ligações de hidrogênio. Consequentemente as propriedades destes sistemas podem
ser alteradas de diferentes maneiras a fim de alinhar as necessidades de possíveis
futuras aplicações.
Uma pequena mudança na natureza do solvente teve um forte efeito não
esperado na viscosidade de sistemas supramoleculares derivados de bis-ureias.
Apesar dos processos de auto-associação ocorreram mais facilmente em solventes
menos polares (refletido por exemplo em uma menor c* de EHUT em n-
pentilbenzeno comparado a tolueno) por possuem ligações de hidrogênio mais
estáveis (mostrado nas análises de espectroscopia de infravermelho),
inesperadamente o solvente mais polar de toda série (tolueno) é o que fornece
soluções mais viscosas, inclusive quando comparados a solventes alifáticos. Esta
tese propôs que este efeito está relacionado aos processos de solvatação
envolvendo a corona externa dos polímeros supramoleculares que alteram a
dinâmica de quebra e recombinação das cadeias. Neste sentido, solventes com
densidade de energia coesiva (representados pelo parâmetro de Hildebrand)
próximaà da corona externa favorecem a solvatação da mesma e então permitem
uma maior dinâmica local, e assim refletido em processos de quebra e
recombinação mais rápidos. Consequentemente, as cadeias de EHUT formadas em
solventes que interagem melhor com suas cadeias externas dissipam energia
mecânica mais facilmente, portanto a viscosidade observada nestes sistemas é
menor.
A influência de substituintes ligados ao carbono α no comportamento de auto-
associação das dodecil-éster BTAs estudadas no Capítulo 4 mostrou como a
estabilidade de agregados pode ser afetada por efeitos estéricos, além da formação
de novas interações intermoleculares. As assinaturas espectroscópicas dos
agregados (dímeros, stacks e stacks curtos) formados pelas dodecil-éster BTAs
103 Capítulo 5: Conclusões
_________________________________________________________________________________
foram bem estabelecidas e permitiram caracterizar a natureza e estabilidade dos
agregados em ciclohexano. Apenas cinco das dodecil-éster BTAs (Aib, L Met, L Phe,
D Ala e D Abu) foram capazes de formarem stacks em ciclohexano na faixa de
concentração e temperatura estudada e forneceram soluções viscosas ou géis.
Estes sistemas apresentam como característica estrutural grupos pouco volumosos
ou capazes de formarem interações intermoleculares adicionais, como no caso de
BTA L Met e L Phe. O comportamento das outras 8 dodecil-éster BTAs que formam
apenas dímeros (ou stacks curtos em alguns casos) revela que pequenas mudanças
como o crescimento da cadeia alquílica lateral podem ser ajustadas na tentativa de
ajustar as propriedades destes sistemas. Adicionalmente, este estudo revelou a
influência de um único átomo, um grupo de átomos, funcionais ou não, além da
posição na estrutura molecular dos mesmos alteram sensivelmente a estabilidade
destes sistemas supramoleculares.
Fica evidente como um controle preciso das propriedades de auto-associação
de polímeros supramoleculares baseados em ligações de hidrogênio pode ser feita
através tanto de modificações estruturais que podem favorecer a estabilidade de
certas espécies, como nas condições experimentais tais como alterações em
temperatura, concentração e solvente. Entretanto, as peças deste quebra cabeça
possuem muitas variáveis, e alguns comportamentos esperados não são
observados empiricamente. Foi proposta nesta tese explicações como a
relacionadas com a dinâmica das interações intermoleculares que podem afetar um
conjunto específico de sistemas (EHUT e solventes n-alquil-benzenos e n-alcanos),
e a formação de novas interações intermoleculares (estabilização de stacks) porém
ainda não são claros quais os pesos de cada parâmetro na racionalização geral
deste universo, sendo assim será constante a busca pelas respostas na fronteira da
ciência.
Referências bibliográficas
_________________________________________________________________________________
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Luisi, P. L., Walde, P. & Oberholzer, T. Lipid vesicles as possible intermediates in the origin of
life. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 4, 33–39 (1999).
2. Lehn, J.-M. Perspectives in Supramolecular Chemistry—From Molecular Recognition towards
Molecular Information Processing and Self-Organization. Angew. Chemie Int. Ed. English 29,
1304–1319 (1990).
3. Lehn, J.-M. Dynamers: dynamic molecular and supramolecular polymers. Prog. Polym. Sci. 30,
814–831 (2005).
4. Lehn, J.-M. & Ball, P. in The New Chemistry (ed. Hall, N.) 300–351 (Cambridge University
Press, 2000).
5. Winkler, D. A., Halley, J. D. David, A. Consistent Concepts of Self-organization and Self-
assembly. Wiley Period. 14, 10–17 (2008).
6. Sorrenti, Illa, O. & Ortuño, R. M. Amphiphiles in aqueous solution: well beyond a soap bubble.
Chem. Soc. Rev. 42, 8200–19 (2013).
7. Simic, V., Bouteiller, L. & Jalabert, M. Highly cooperative formation of bis-urea based
supramolecular polymers. J. Am. Chem. Soc. 125, 13148–54 (2003).
8. Rodrigues, R. K., Ito, T. H. & Sabadini, E. Thermal-stability of mixed giant micelles of
alkyltrimethylammonium surfactants and salicylate. J. Colloid Interface Sci. 364, 407–12
(2011).
9. Zeng, F., Han, Y., Yan, Z., Liu, C. & Chen, C. Supramolecular polymer gel with multi stimuli
responsive , self- healing and erasable properties generated by host e guest interactions.
Polymer (Guildf). 54, 6929–6935 (2013).
10. Weiss, R. G. Molecula Gels.(Springer-Verlag: Berlin/Heidelberg, 2006).
11. Loira-Pastoriza, C., Sapin-Minet, A, Diab, R., Grossiord, J. L. & Maincent, P. Low molecular
weight heparin gels, based on nanoparticles, for topical delivery. Int. J. Pharm. 426, 256–62
(2012).
12. Ilzhoefert, J. R., Spontak, R. J. & Carolina, N. Effect of Polymer Composition on the
Morphology of Self-Assembled Dibenzylidene Sorbitol. Langmuir 11, 3288–3291 (1996).
13. Bouteiller, L., Colombani, O., Lortie, F. & Terech, P. Thickness transition of a rigid
supramolecular polymer. J. Am. Chem. Soc. 127, 8893–8 (2005).
14. Rogovina, L. Z., Vasil, V. G. & Braudo, E. E. Definition of the Concept of Polymer Gel. 50, 85–
92 (2008).
Referências bibliográficas
_________________________________________________________________________________
15. Pinault, T., Isare, B. & Bouteiller, L. Solvents with similar bulk properties induce distinct
supramolecular architectures. ChemPhysChem 7, 816–819 (2006).
16. Kaszyńska, J., et al. On the relation between the solvent parameters and the physical
properties of methyl-4,6-O-benzylidene-α-d-glucopyranoside organogels. Tetrahedron 68,
3803–3810 (2012).
17. Kataoka, Y. & Kawaguchi, M. Effects of solvent power on dynamic moduli of
polydimethylsiloxane-treated fumed silica suspension gels. Colloids Surfaces A Physicochem.
Eng. Asp. 436, 1041–1047 (2013).
18. Bielejewski, M.,et al. Influence of solvent on the thermal stability and organization of self-
assembling fibrillar networks in methyl-4,6-O-(p-nitrobenzylidene)-α-d-glucopyranoside gels.
Tetrahedron 67, 7222–7230 (2011).
19. Sliozberg, Y. R. et al. Effect of polymer solvent on the mechanical properties of entangled
polymer gels: Coarse-grained molecular simulation. Polymer (Guildf). 54, 2555–2564 (2013).
20. Edwards, W., Lagadec, C. a. & Smith, D. K. Solvent–gelator interactions—using empirical
solvent parameters to better understand the self-assembly of gel-phase materials. Soft Matter
7, 110 (2011).
21. Cifferi, A. Supramolecular Polymers. (CRC Press, 2005).
22. Binder, W. & Ronald, Z. in Advances in Polymer Science (ed. Binder, W.) 1–78 (Springer Berlin
Heidelberg, 2007).
23. Lortie, F. et al. Structural and Rheological Study of a Bis-urea Based Reversible Polymer in an
Apolar Solvent . Langmuir 18, 7218–7222 (2002).
24. Vonau, F. et al. Branched Substituents Generate Improved Supramolecular Ordering in
Physisorbed Molecular Assemblies. J. Phys. Chem. C 113, 4955–4959 (2009).
25. Roman, M. et al. Supramolecular balance: using cooperativity to amplify weak interactions. J.
Am. Chem. Soc. 132, 16818–24 (2010).
26. Pensec, S. et al. Self-Assembly in Solution of a Reversible Comb-Shaped Supramolecular
Polymer. Macromolecules 43, 2529–2534 (2010).
27. Obert, E. et al. Both water- and organo-soluble supramolecular polymer stabilized by
hydrogen-bonding and hydrophobic interactions. J. Am. Chem. Soc. 129, 15601–5 (2007).
28. Bouteiller, L. in Advances in Polymer Science (ed. Binder, W.) 79–112 (Springer Berlin
Heidelberg, 2007).
29. Bouteiller, L. Bonded 13 Hydrogen Supramolecular Polymers versus Wormlike Micelles :
Similarities and Specificities. (2007).
Referências bibliográficas
_________________________________________________________________________________
30. Isare, B., Pensec, S., Raynal, M. & Bouteiller, L. Bisurea-based supramolecular polymers:
From structure to properties. Comptes Rendus Chim. 19, 148–156 (2016).
31. Ressouche, E., Pensec, S., Isare, B., Jestin, J. & Bouteiller, L. Two-Component Self-
Assemblies: Investigation of a Synergy between Bisurea Stickers. Langmuir 32, 11664–11671
(2016).
32. Bouteiller, L. & van der Schoot, P. Probing weak intermolecular interactions in self-assembled
nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 134, 1363–6 (2012).
33. Brocorens, P. et al. Conformational plasticity of hydrogen bonded bis-urea supramolecular
polymers. J. Phys. Chem. B 117, 5379–86 (2013).
34. Lortie, F., Boileau, S., Bouteiller, L., Chassenieux, C. & Lauprêtre, F. Chain Stopper-Assisted
Characterization of Supramolecular Polymers. Macromolecules 38, 5283–5287 (2005).
35. Arnaud, A. & Bouteiller, L. Isothermal titration calorimetry of supramolecular polymers.
Langmuir 20, 6858–63 (2004).
36. Shikata, T. et al. Structure and dynamics of a bisurea-based supramolecular polymer in n-
dodecane. J. Phys. Chem. B 112, 8459–65 (2008).
37. Bellot, M. & Bouteiller, L. Thermodynamic description of bis-urea self-assembly: competition
between two supramolecular polymers. Langmuir 24, 14176–82 (2008).
38. Isare, B. et al. Chirality in dynamic supramolecular nanotubes induced by a chiral solvent.
Chemistry 16, 173–7 (2010).
39. Ouhib, F., Raynal, M., Jouvelet, B., Isare, B. & Bouteiller, L. Hydrogen bonded supramolecular
polymers in moderately polar solvents. Chem. Commun. 47, 10683 (2011).
40. Cantekin, S., de Greef, T. F., Palmans, A. R. Benzene-1,3,5-tricarboxamide: a versatile
ordering moiety for supramolecular chemistry. Chem. Soc. Rev. 41, 6125 (2012).
41. Desmarchelier, A., Raynal, M., Brocorens, P., Vanthuyne, N. & Bouteiller, L. Revisiting the
assembly of amino ester-based benzene-1,3,5-tricarboxamides: chiral rods in solution. Chem.
Commun. 51, 7397–7400 (2015).
42. Caumes, X. et al. Tuning the structure of 1,3,5-benzene tricarboxamide self-assemblies
through stereochemistry. Chem. Commun. 52, 13369–13372 (2016).
43. Nakano, Y., Hirose, T., Stals, P. J. M., Meijer, E. W. & Palmans, A. R. A. Conformational
analysis of supramolecular polymerization processes of disc-like molecules. Chem. Sci. 3,
148–155 (2012).
44. Barnes, H. A., Hutton, J. F. & Walters, K. An Introduction to Rheology. Journal of Non-
Newtonian Fluid Mechanics 3, (Elsevier Science Publishers, 1989).
Referências bibliográficas
_________________________________________________________________________________
45. Goodwin, J. W. Rheology for Chemists. Rheology for Chemists (Royal Society of Chemistry,
2008).
46. Sabadini, E., Francisco, K. R. & Bouteiller, L. Bis-urea-based supramolecular polymer: the first
self-assembled drag reducer for hydrocarbon solvents. Langmuir 26, 1482–6 (2010).
47. Francisco, K. R., Dreiss, C. a, Bouteiller, L. & Sabadini, E. Tuning the viscoelastic properties of
bis(urea)-based supramolecular polymer solutions by adding cosolutes. Langmuir 28, 14531–9
(2012).
48. Ito, T. H. et al. Molecular variations in aromatic cosolutes: critical role in the rheology of cationic
wormlike micelles. Langmuir 30, 11535–42 (2014).
49. Deborah, I. & De, N. Rheology for Chemists. Rheology for Chemists (2008).
50. Martinez, J. C. et al. in Applications of Calorimetry in a Wide Context – Differential Scanning
Calorimetry, Isothermal Titration Calorimetry and Microcalorimetry (ed. Elkordy, A. A.) 74–104
(InTech, 2013).
51. King, S. in Modern Techniques for Polymer Characterisation (eds. Pethrick, R. A. & Dawkins, J.
V.) 171–232 (John Wiley & Sons, Inc., 1999).
52. Pecora, R. in Soft-Matter Characterization (eds. Borsali, R. & Pecora, R.) 1–40 (Springer
Netherlands, 2008).
53. Talmon, I. in Giant Micelles: Properties and Applications (eds. Zana, R. & Kaler, E.) 4445, 163–
178 (CRC Press, 2007).
54. Catrouillet, S. et al. Competition Between Steric Hindrance and Hydrogen Bonding in the
Formation of Supramolecular Bottle Brush Polymers. Macromolecules 46, 7911–7919 (2013).
55. Roe, R. J. Methods of X-ray and neutron scattering in polymer science. Topics in Polymer
Science3, (Oxford University Press, 2000).
56. McQuarrie, D. A. & Simon, J. D. Physical Chemistry: A Molecular Approach. Physical
Chemistry: A Molecular Approach 1997, (University Science Books, 1997).
57. Clayden, J. J., Greeves, N., Warren, S. & Wothers, P. Organic Chemistry. Oxford University
Press 40, (Oxford University Pres, 2001).
58. Corrêa, D. H. & Ramos, C. H. The use of circular dichroism spectroscopy to study protein
folding, form and function. African J. Biochem. Res.3, 164–173 (2009).
59. Goesten, M. G., Kapteijn, F. & Gascon, J. Fascinating chemistry or frustrating unpredictability:
observations in crystal engineering of metal–organic frameworks. CrystEngComm 15, 9249
(2013).
60. Blagden, N. et al. Current directions in co-crystal growth. New J. Chem. 32, 1659-1672 (2008).
61. Lovette, M. A. et al. Crystal shape engineering. Ind. Eng. Chem. Res . 47, 9812–9833 (2008).
Referências bibliográficas
_________________________________________________________________________________
62. Lan, Y., Corradini, M. G., Weiss, R. G., Raghavan, S. R. & Rogers, M. A. To gel or not to gel:
correlating molecular gelation with solvent parameters. Chem. Soc. Rev. 44, 6035–6058
(2015).
63. Bonnet, J., Suissa, G., Raynal, M. & Bouteiller, L. Organogel formation rationalized by Hansen
solubility parameters: dos and don’ts. Soft Matter 10, 3154–3160 (2014).
64. Dasgupta, D. & Guenet, J. M. The solvent in physical gelation: Polymers versus
organogelators. Macromol. Chem. Phys. 214, 1885–1892 (2013).
65. Chen, Y., Zhan, C. & Yao, J. Understanding Solvent Manipulation of Morphology in Bulk-
Heterojunction Organic Solar Cells. Chem. Asian J. , 2620–2632 (2016).
66. Cook, J. L., et al. Solvent effects on hydrogen bonding. Angew. Chemie, Int. 46, 3706–3709
(2007).
67. Amenta, V. et al. Interplay of Self-Association and Solvation in Polar Liquids. J. Am. Chem.
Soc.135, 12091–12100 (2013).
68. Cantekin, S. et al. A stereoselectively deuterated supramolecular motif to probe the role of
solvent during self-assembly processes. Chem. Commun. 48, 3803–3805 (2012).
69. Jonkheijm, P., van der Schoot, P., Schenning, A. P. H. J. & Meijer, E. W. Probing the Solvent-
Assisted Nucleation Pathway in Chemical Self-Assembly. Sci. 313, 80–83 (2006).
70. Shikata, T. et al. Structure and dynamics of a bisurea-based supramolecular polymer in n-
dodecane. J. Phys. Chem. B 112, 8459–65 (2008).
71. Care, E. CRC Handbook of Chemistry and Physics. (CRC Press: New York, 2005).
72. van der Gucht, J., Besseling, N., Knoben, W., Bouteiller, L. & Cohen Stuart, M. Brownian
particles in supramolecular polymer solutions. Phys. Rev. E 67, 51106 (2003).
73. Yount, W. C.; Loveless, D. M.; Craig, S. L. Small-Molecule Dynamics and Mechanisms
Underlying the Macroscopic Mechanical Properties of Coordinatively Cross-Linked Polymer
Networks. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 14488–14496.
74. Barton, A. F. M. CRC handbook of solubility parameters and other cohesion parameters. (CRC
Press: New York, 1991).
75. Mes, T., Smulders, M. M. J., Palmans, A. R. A. & Meijer, E. W. Hydrogen-bond engineering in
supramolecular polymers: polarity influence on the self-assembly of benzene-1,3,5-
tricarboxamides. Macromolecules 43, 1981–1991 (2010).
76. Isare, B., Pembouong, G., Boué, F. & Bouteiller, L. Conformational control of hydrogen-bonded
aromatic bis-ureas. Langmuir28, 7535–7541 (2012).
77. Giannicchi, I. et al. Orthohalogen substituents dramatically enhance hydrogen bonding of
aromatic ureas in solution. Chem. Commun. 50,511–513 (2014).
78. Cao, H., Duan, P., Zhu, X., Jiang, J. & Liu, M. Self-assembled organic nanotubes through
instant gelation and universal capacity for guest molecule encapsulation. Chem. Eur.
J.18,5546–5550 (2012).
79. Shen, Z., Wang, T. & Liu, M. Macroscopic chirality of supramolecular gels formed from achiral
tris(ethyl cinnamate) benzene-1,3,5-tricarboxamides. Angew. Chemie Int. 53, 13424–13428
(2014).
Referências bibliográficas
_________________________________________________________________________________
80. de Loos, M., van Esch, J. H., Kellogg, R. M. & Feringa, B. L. C3-Symmetric, amino acid based
organogelators and thickeners: a systematic study of structure-property relations.
Tetrahedron63, 7285–7301 (2007).
81. Veld, M. A. J., Haveman, D., Palmans, A. R. A. & Meijer*, E. W. Sterically demanding benzene-
1,3,5-tricarboxamides: tuning the mechanisms of supramolecular polymerization and chiral
amplification. Soft Matter 7, 524–531 (2011).
82. Jana, P., Paikar, A., Bera, S., Maity, S. K. & Haldar, D. Porous organic material from discotic
tricarboxyamide: Side chain-core interactions. Org. Lett. 16, 38–41 (2014).
83. Van Den Hout, K. P., Martín-Rapún, R., Vekemans, J. A. J. M. & Meijer, E. W. Tuning the
stacking properties of C3-symmetrical molecules by modifying a dipeptide motif. Chem. Eur. J.
13, 8111–8123 (2007).
84. Frisch, H. et al. PH-switchable ampholytic supramolecular copolymers. Angew. Chemie Int. 52,
10097–10101 (2013).
85. Dai, K., Zhang, Y., Tang, J., Ji, X. & Li, Z. Organic Liquid Stimuli-Response Behaviors of
Electrically Conductive Microfibrillar Composite with a Selective Conductive Component
Distribution. J. Appl. Polym .Sci124, 4466–4474 (2011).
86. Matsunaga, Y., Miyajima, N., Nakayasu, Y., Sakai, S. & Yonenaga, M. Design of Novel
Mesomorphic Compounds: N , N ′, N ″-Trialkyl-1,3,5-benzenetricarboxamides. Bull. Chem.
Soc. Jpn61, 207–210 (1988).
87. Desmarchelier, A. et al. Tuning the nature and stability of self-assemblies formed by ester
benzene 1,3,5-tricarboxamides: the crucial role played by the substituents. Soft Matter12,
7824–7838 (2016).
88. Desmarchelier, A. et al. Sergeants-and-soldiers supramolecular co-assemblies as a chirally-
amplified platform for asymmetric catalysis .J. Am. Chem. Soc. 138, 4908-4916 (2016)
89. Van Gorp, J. J., Vekemans, J. A. J. M. & Meijer, E. W. C3-symmetrical supramolecular
architectures: Fibers and organic gels from discotic trisamides and trisureas. J. Am. Chem.
Soc. 124, 14759–14769 (2002).