UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE QUÍMICA · 2018-09-03 · capazes de formar...

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

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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

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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


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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


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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.


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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


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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.


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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.


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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


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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.


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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.


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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


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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


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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


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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-


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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.


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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.


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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


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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

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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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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:


_________________________________________________________________________________

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),


_________________________________________________________________________________

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:


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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


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.


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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

)


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,


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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

)


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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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

)


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.


_________________________________________________________________________________

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).


_________________________________________________________________________________

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


𝐾2(𝑇) = 𝐾2(𝑇0) 𝑒𝑥𝑝 [Δ𝐻2

𝑅(1

𝑇0−1

𝑇)] 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜3.10

𝐾(𝑇) = 𝐾(𝑇0) 𝑒𝑥𝑝 [Δ𝐻

𝑅(1

𝑇0−1


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


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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).


_________________________________________________________________________________

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)


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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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*.


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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)


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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


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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


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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.


_________________________________________________________________________________

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.


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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.


_________________________________________________________________________________

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.


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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:


_________________________________________________________________________________

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


_________________________________________________________________________________

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

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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

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