Estructura molecular y predicción de propiedades fisicoquímicas de líquidos iónicos

Resumen

Los líquidos iónicos (LIs) son sistemas que siguen despertando un gran interés tanto desde el punto de vista científico como en sus aplicaciones. Así, debido a su baja presión de vapor, que evita las emisiones en procesos químicos, son considerados como una alternativa a los disolventes orgánicos convencionales. Estructuralmente los LIs están constituidos únicamente por iones, y existe un gran número de combinaciones posibles de iones que dan lugar a LIs con propiedades características muy diferentes. Por ello, son considerados como disolventes de diseño en el sentido de que es posible desarrollar distintos LIs con funciones específicas para cada aplicación. Este elevado número de combinaciones posibles, unido a la escasez de datos experimentales disponibles en la literatura científica, justifica la aplicación de modelos predictivos para estimar sus propiedades termofísicas. El hecho de que se trate de sistemas en fase líquida dificulta su tratamiento con los métodos convencionales desarrollados para el cálculo de la estructura molecular. En este sentido, los métodos COSMO y COSMO-RS han abierto una alternativa en la que se tiene en cuenta esta estructura a la hora de elaborar predicciones sobre su comportamiento químico y sus propiedades. En el caso del método COSMO-RS, los valores de las propiedades termofísicas de los fluidos puros y de las mezclas se pueden predecir utilizando únicamente información estructural de las moléculas. Para el trabajo teórico, los LIs pueden ser considerados a partir de dos modelos: el de pares iónicos, en el que cada par catión-anión se considera como un todo desde el punto de vista estructural, o el de iones independientes, en el que se considera como una mezcla de iones. En este trabajo se han tenido en cuenta ambos modelos para estudiar la estructura molecular de un conjunto de LIs y se han aplicado diferentes métodos para analizar su densidad electrónica. El tamaño de los sistemas hace que la aplicación de los métodos de cálculo más rigurosos sea inviable. Por este motivo, se ha encontrado un compromiso razonable entre calidad y coste del cálculo en los métodos basados en la teoría del funcional de la densidad. Con estos métodos, se han llevado a cabo cálculos de la estructura molecular de diferentes LIs y se ha analizado la influencia de esta estructura en las predicciones de sus propiedades fisicoquímicas realizadas mediante COSMO-RS. Dentro de la gran variedad de LIs, son especialmente interesantes los LIs bioderivados, entre cuyas propiedades más significativas destacan su elevada biodegradabilidad y su baja toxicidad. La parte aniónica de estos LIs es el aminoácido y la parte catiónica suele estar formada por derivados de imidazolios, aminas, pirrolidinios o fosfonios. Este trabajo se ha centrado en el estudio de algunas de sus propiedades más interesantes como son la densidad y la viscosidad. En definitiva, el objetivo de esta Tesis Doctoral ha sido el análisis de la estructura molecular de diversos LIs, y una relación con sus propiedades químicas y termofísicas, la elaboración de una metodología para predicción de éstas mediante COSMO y COSMO-RS, y validación de esta metodología por comparación con resultados disponibles en la bibliografía.