Estudio estructural con dinamica molecular clasica polarizable de liquidos ionicos derivados de 1-alquil-3metil-imidazolio.

Abstract

Esta tesis estudia los Líquidos Iónicos, por medio de Dinámica Molecular Clasica convencional y polarizable. Los Líquidos Ionicos, se han destacado dentro de la comunidad científica debido a sus caracterısticas ventajosas respecto de otros solventes orgánicos convencionales. Pero tambien, porque, en principio, se pueden disenar para satisfacer determinadas propiedades y atender necesidades especificas, a través de modificaciones estructurales de sus iones constituyentes. La investigacion en el campo de los Líquidos Ionicos requiere esfuerzos experimentales, as´ı como teórico/computacionales. Respecto de esta ´ultima alternativa, recientemente se han logrado importantes progresos debidos al aumento de la capacidad de computo y la infraestructura computacional disponible, ademas de mejoras significativas en los algoritmos empleados. La descripción precisa de estos requiere el empleo de campos de fuerza polarizable, pues se ha encontrado que los campos de fuerza convencionales (basados en cargas fijas) conllevan problematicas insalvables. Los Líquidos Ionicos, poseen una plétora de aplicaciones, entre las que destaca su utilización en la Captura de Gases Contaminantes. Una importante ventaja de esta estrategia de remediacion ambiental, es que permite integrar estos gases a una matriz desde la cual pueden usarse directamente para generar materiales con valor agregado. La tesis esta organizada como sigue: en el Capitulo I se define el problema que se busca abordar, junto con las bases teóricas de los metodos empleados y se da un resumen breve del estado del arte en la investigación de Líquidos Iónicos con Dinámica Molecular Clásica. El Capıtulo II, trata acerca de la metodologıa computacional utilizada. Desde la obtención de las geometrías optimizadas para cada especie considerada, pasando por el calculo de los parametros que permiten modificar un campo de fuerza convencional, para hacerlo polarizable y finalmente las herramientas empleadas en el análisis de las trayectorias obtenidas. En el Capıtulo III, se discuten las modificaciones al campo de fuerza de Líquidos Ionicos, as´ı como también de algunos Solventes de Eutectico Profundo. El Capitulo IV, discute el efecto de ciertas modificaciones estructurales en Líquidos Ionicos, a saber, el efecto del anión, del largo de la cadena alquímica, de la presencia de ´átomos de fluor en la cadena alquılica y la aromaticidad del anillo. En el Capıtulo V se consideran las propiedades estructurales de mezclas entre algunos Líquidos Iónicos seleccionados y los gases CO2 y SO2, con el objetivo de estudiar la distribución de gases en el seno del liquido. Finalmente el Capitulo VI, presenta las conclusiones parciales separadas por Capitulo y Sección, ademas de una conclusión general y una perspectiva con miras a investigaciones futuras

This thesis studies Ionic Liquids by means of conventional and polarizable Classical Molecular Dynamics. Ionic Liquids have attracted attention within the scientific community due to their advantageous characteristics compared to other conventional organic solvents, and also because, in principle, they can be designed to meet specific properties and needs through structural modifications of their constituent ions. Research in the field of Ionic Liquids requires both experimental and theoretical/computational efforts. Regarding the latter, significant progress has recently been achieved thanks to the increase in computational power and available infrastructure, as well as substantial improvements in the algorithms employed. A precise description of systems such as Ionic Liquids requires the use of polarizable force fields, since conventional force fields (based on fixed charges) have been shown to entail insurmountable issues. Ionic Liquids possess a wide range of applications, among which their use in the Capture of Polluting Gases stands out. An important advantage of this environmental remediation strategy is that it allows these gases to be integrated into a matrix from which they can be directly used to produce value-added materials. The thesis is organized as follows: Chapter I defines the problem to be addressed, together with the theoretical foundations of the methods employed, and provides a brief overview of the state of the art in Ionic Liquid research using Classical Molecular Dynamics. Chapter II deals with the computational methodology used, from the optimization of geometries for each species considered, to the calculation of the parameters required to modify a conventional force field and make it polarizable, and finally, the tools employed in the analysis of the resulting trajectories. Chapter III discusses the modifications to the force field for Ionic Liquids, as well as for Deep Eutectic Solvents. Chapter IV examines the effect of certain structural modifications, namely the effect of the anion, the length of the alkyl chain, the presence of fluorine in the alkyl chain, and the type of ring (aromatic or non-aromatic). Chapter V considers the structural properties of mixtures of selected Ionic Liquids with the gases CO2 and SO2, with the aim of studying gas distribution within the liquids. Finally, Chapter VI presents the partial conclusions for each Chapter and Section, as well as a general conclusion and future research perspectives.