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Separation of Structural and Chiral Isomers in Nanoporous Materials

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Publication date
2018
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2018-03-16
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Calero, Sofia 
Merkling, Patrick 
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El potencial que los materiales nanoporosos tienen como filtros moleculares es ampliamente conocido y de gran relevancia científica. Por otra parte, las técnicas de simulación molecular son muy útiles para predecir la capacidad selectiva de dichos materiales, tanto reales como hipotéticos, y proporcionan una visión microscópica del proceso de separación. Esto permite entender los mecanismos moleculares que rigen dichos procesos y relacionarlos con las características particulares de cada material. Este trabajo de tesis se centra en la separación de isómeros estructurales y quirales a través de procesos de adsorción en materiales nanoporosos. Los isómeros estructurales comparten la misma fórmula molecular pero presentan conectividad distinta. En este trabajo se aborda la separación de los alcoholes amílicos debido a su importancia en la industria química y farmacéutica. Estos compuestos presentan propiedades fisicoquímicas muy parecidas que complican y encarecen el proceso de separación. En el caso de los isómeros quirales, que presentan la misma conectividad, estas propiedades son idénticas salvo cuando interaccionan con otra entidad quiral. El hecho de que dos enantiómeros de un compuesto quiral puedan reaccionar de forma diferente con otro compuesto quiral es de enorme relevancia en las. industrias farmacéutica, agroquímica o alimentaria. Sin embargo, la síntesis de un enantiómero puro es costosa instrumental y económicamente, por lo que suelen sintetizarse como mezclas racémicas o escalémicas, es decir, como mezclas de ambos enantiómeros. En este trabajo de tesis se han utilizado técnicas de simulación molecular para estudiar la adsorción y difusión de mezclas de isómeros estructurales y quirales en MOFs (Estructuras Metal-Orgánicas) y zeolitas. A partir de los resultados obtenidos para dichos procesos se ha analizado la capacidad selectiva de estos materiales y el comportamiento específico de cada uno de ellos. Esto permite entender los mecanismos que rigen cada proceso y cómo se organizan las moléculas dentro de la estructura como consecuencia de las interacciones entre ellas y con la estructura. Además, dado que muchos materiales muestran algún tipo de flexibilidad estructural, resulta interesante entender la relevancia que puede tener la movilidad de los átomos de la estructura en la interacción con las moléculas y, como consecuencia, en la selectividad. Separación de isómeros quirales en MOFs (Capítulos 2 y 4) En el Capítulo 2 se estudia la separación enantioselectiva de los compuestos bioactivos ibuprofeno y lisina en el MOF homoquiral HMOF-1, también conocido como Cd-BINOL, y en MOFs no quirales (MIL-47 y MIL-53). Utilizando la simulación molecular se obtuvieron los valores de adsorción del par de enantiómeros de ibuprofeno, y de lisina, a partir de mezclas con diferente fracción molar. Se analizó también la disposición de las moléculas debida a la formación de puentes de hidrógeno, para relacionarla con la enantioselectividad de cada MOF. El grado de confinamiento de cada enantiómero en la estructura se considera un punto clave para que una estructura muestre enantioselectividad. En el Capítulo 4 se usaron, como sondas quirales para examinar la adsorción enantioselectiva de HMOF-1, tres alcoholes quirales del grupo de los alcoholes amílicos, es decir, isómeros estructurales del pentanol, en concreto 2-pentanol (2P), 2-metilbutanol (2MB) y 3-metil-2-butanol (3M2B). En este caso, el estudio se limitó a la descripción del exceso enantiomérico de cada compuesto. Los resultados se analizaron y explicaron en relación con el sistema de canales de la estructura, las características químicas del material y la forma en que las moléculas se confinan en los poros. Separación de isómeros estructurales en MOFs (Capítulo 3 y 4) En el Capítulo 3 se estudia la adsorción selectiva de los alcoholes amílicos, isómeros estructurales del pentanol, en ZIF-77 con la intención de relacionar las características estructurales de cada isómero con la topología de esta estructura, formada por dos canales interconectados de diferente tamaño. Para ello se obtuvieron, mediante simulación molecular, las isotermas de adsorción de cada compuesto y de las mezclas de varios isómeros. También se ha estudiado el comportamiento difusivo de cada uno de los compuestos en la estructura y el de los alcanos análogos. Esto hizo posible relacionar el tamaño de las moléculas con el tamaño del poro, y de las características químicas de la superficie de la estructura con la presencia de grupos hidroxilo, para entender el proceso de separación. Finalmente, se establecieron diferentes grupos de moléculas en base a sus características estructurales, lo que permite explicar la selectividad estructural de ZIF-77. Una vez analizada la capacidad de separación de isómeros estructurales en ZIF-77, se abordó el mismo estudio en una estructura más compleja: Cd-BINOL, conocida también como HMOF-1. Este MOF se caracteriza por tener un sistema de canales bidimensional, formado por un canal helicoidal y un canal en zigzag más estrecho que conecta los anteriores. Además, la composición química de su estructura es distinta a la del ZIF-77. Se llevó a cabo un trabajo computacional similar al realizado en ZIF-77, acompañado de un análisis exhaustivo sobre el efecto que tienen sobre la selectividad las interacciones entre moléculas, y de éstas con la estructura y el patrón de formación de enlaces de hidrógeno. Esto permitió también evaluar y explicar la eficacia de IAST (Ideal Adsorption Solution Theory) y del cociente de los coeficientes de Henry como métodos de predicción alternativos. Evaluación de diferentes campos de fuerza para modelizar flexibilidad en zeolitas (Capítulo 5) La limitada flexibilidad inherente a las zeolitas se ha estudiado ampliamente y ha dado lugar al desarrollo de campos de fuerza transferibles para este tipo de estructuras. En este capítulo se evalúan tres campos de fuerza conocidos (desarrollados por J. B. Nicholas, P. Demontis et al., y J. R. Hill y J. Sauer) basándonos en su capacidad de reproducir el espectro IR experimental de zeolitas pura sílice. Junto a estas zeolitas se seleccionaron algunas estructuras pura sílice hipotéticas para obtener un grupo representativo de diferentes topologías (SOD, RHO, LTA y FAU; y FER, TON, MOR y MFI) y poder examinar también la capacidad de cada campo de fuerza para reflejar, en el espectro IR obtenido por simulación, las particularidades estructurales de cada zeolita. Para ello se comparan espectros IR experimentales con aquellos obtenidos con cada uno de los campos de fuerza mencionados, y estos últimos entre sí. Con la idea de ser rigurosos en dicha comparación se desarrolló un índice de similitud, que permitió evaluar de forma cuantitativa la precisión de los campos de fuerza. Separación de isómeros estructurales y quirales en zeolitas (Capítulo 6) En este capítulo se analiza la influencia de la flexibilidad de zeolitas STW en la separación de isómeros quirales y estructurales. Los compuestos 2-pentanol, 2-metilbutanol y 3-metil-2-butanol se escogieron como sondas quirales dado que, además de compuestos quirales, son isómeros estructurales. Las estructuras pura sílice y el germanosilicato de la zeolita STW (STW-Si y STW-SiGe, respectivamente) se seleccionaron como adsorbentes por su canal helicoidal característico. Se abordaron varias cuestiones. En primer lugar, la selectividad quiral y estructural de ambas estructuras modelizadas como rígidas. En segundo lugar, un estudio análogo modelizando los adsorbentes como flexibles permitiendo, de esta forma, el movimiento de los átomos y la variación de forma de la estructura durante el proceso de adsorción. Finalmente, se explican de forma detallada algunos conceptos tratados previamente, como el grado de confinamiento y la adsorción preferente y su conexión con la selectividad quiral y estructural. Conclusiones En relación con la separación de isómeros quirales en MOFs, el grado de confinamiento de la molécula dentro de la estructura ha demostrado ser un factor clave. De esta forma, los MOFs no quirales muestran un comportamiento heteroselectivo para las mezclas enantiómericas de ibuprofeno, pero no las de lisina, debido al tamaño más pequeño de esta molécula respecto al canal donde se adsorbe. De forma similar, la estructura homoquiral HMOF-1 (Cd-BINOL) muestra un comportamiento heteroselectivo para las mezclas de lisina y las de ibuprofeno, pero sólo es capaz de separar la mezcla racémica del último. Finalmente, en las mezclas racémicas de 2-pentanol y 3-metil-2-butanol el exceso enantiomérico aumenta si se contabiliza sólo en el canal más estrecho. Por otra parte, el comportamiento heteroselectivo observado en MIL-47 y MIL-53 está relacionado con la formación de puentes de hidrógeno entre enantiómeros R y S, y la asociación entre los componentes minoritarios de la mezcla, respectivamente. Esto pone de manifiesto que, además del confinamiento, las interacciones intermoleculares pueden influir en la enantioselectividad. De hecho, estos patrones de asociación también se observan en las mezclas enantioméricas de ibuprofeno y las de lisina en HMOF-1. El estudio de la separación estructural de los alcoholes amílicos en ZIF-77 y Cd-BINOL (HMOF-1) apunta al grado de ramificación de cada molécula como la característica que determina la preferencia de adsorción de las mismas. En términos generales, la molécula con una estructura más lineal se adsorbe preferentemente. Le siguen las que tienen una y dos ramificaciones, respectivamente. En último lugar se adsorben las moléculas con dos ramificaciones en el mismo átomo de carbono. En el caso del ZIF-77, el diámetro de sus canales bidimensionales y su baja polaridad permiten que esta estructura pueda separar isómeros estructurales de tamaño intermedio y diferente composición química. En el caso del Cd-BINOL, el mayor diámetro de sus canales y su diferente polaridad añaden complejidad al análisis de la selectividad estructural. De esta forma, se adsorben preferentemente las moléculas con menos ramificaciones y cuyo grupo hidroxilo está menos apantallado por el resto de la molécula. Cd-BINOL adsorbe preferentemente 1-pentanol que, en mezclas con isómeros muy ramificados, excluye al componente minoritario de la estructura. Además, esta estructura es idónea para la separación de estos alcoholes por su alta capacidad de almacenamiento. La formación de enlaces de hidrógeno entre los alcoholes es responsable del llenado de la estructura, una vez que las moléculas empiezan a adsorberse debido a fuerzas de dispersión, y de la organización molecular dentro del canal cuando se llega a la saturación. Debido a esto, el cociente de los coeficientes de Henry sólo permite estimar la tendencia de la adsorción selectiva. Igualmente, la teoría IAST proporciona una predicción cualitativa de las isotermas de adsorción de las diferentes mezclas y, por tanto, con baja precisión. Esto pone de manifiesto la importancia de las interacciones intermoleculares en la selectividad estructural. Como resultado de la evaluación de la capacidad de los tres campos de fuerzas, Nicholas, Demontis y Hill, para reproducir y predecir flexibilidad estructural en zeolitas, se observó que el espectro IR calculado con el campo de fuerzas desarrollado por Nicholas reproduce el espectro experimental de forma cualitativa y cuantitativa, comparándolos mediante el índice de similitud (S). En términos cuantitativos, en esta comparación el campo de fuerzas de Nicholas es seguido por los de Demontis y Hill, en este orden. Sin embargo, si se tiene en cuenta la capacidad de reproducir las características estructurales específicas de cada zeolita, el campo de fuerzas de Nicholas sobrestima estas diferencias, mientras que con el de Hill se obtiene un espectro IR que refleja estas características. El espectro obtenido utilizando el campo de fuerzas de Demontis no refleja bien las particularidades estructurales de cada zeolita. Debido a esto, no es posible identificar una zeolita a partir de la comparación de su espectro IR experimental con uno obtenido generado por los campos de fuerzas estudiados. Esto evidencia, además, que la capacidad de un campo de fuerzas para reproducir una propiedad depende también de aquella propiedad en base a la cual está parametrizado. En cuanto al estudio de la separación de isómeros estructurales y quirales en zeolitas, éste se llevó a cabo teniendo en cuenta el efecto de la flexibilidad en la selectividad. Se observó que la presencia de átomos de germanio en la estructura STW-SiGe le confiere una mayor flexibilidad, conduciendo a distorsiones estructurales que dependen de la cantidad y del tipo de molécula adsorbida. En relación con la selectividad estructural, esta amplitud en la vibración de la estructura no conlleva diferencias significativas en la selectividad, manteniéndose la preferencia de STW-SiGe por el 2-pentanol, seguido de 2-metilbutanol, y 3-metil-2-butanol. En cuanto a la selectividad quiral, las estructuras con canal dextrógiro STW-Si y STW-SiGe, adsorben preferentemente R-2-pentanol y S-3-metil-2-butanol, respectivamente, frente a sus enantiómeros. Sin embargo, cuando estas estructuras se modelizan como flexibles, la reducida flexibilidad de STW-Si hace que se conserve el sitio de reconocimiento quiral, por lo que mantiene su enantioselectividad, mientras que la mayor vibración de STW-SiGe hace que la estructura del sitio de reconocimiento se distorsione levemente provocando la perdida de la enantioselectividad. Esto indica que, dada la importancia del confinamiento para la enantioselectividad, la posible flexibilidad de la estructura y cómo puede afectar ésta a sus sitios de adsorción, es un factor importante a tener en cuenta para decidir qué tipo de modelo es el más apropiado para estudiar la selectividad de una estructura mediante simulación molecular. Finalmente, y teniendo en cuenta las conclusiones expuestas previamente, si se quiere estudiar la separación estructural o quiral en una estructura específica, hay una serie de cuestiones que convendría preguntarse previamente. En primer lugar, si la topología de la estructura y el tamaño de sus poros son los adecuados para la mezcla que se quiere separar. En segundo lugar, cuál es la naturaleza de los compuestos y cómo de fuertes son las interacciones que pueden establecer entre ellos, y cuál podría ser el efecto de estas interacciones en la selectividad. Por último, aunque no por ello menos importante, habría que preguntarse con qué precisión son capaces de reproducir las principales características del sistema los modelos y los campos de fuerza.
Doctoral program
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Description
Programa de Doctorado en Biotecnología, Ingeniería y Tecnología
Línea de Investigación: Experimentación y Computación en Materiales y Sistemas Complejos
Clave Programa: DBI
Código Línea: 15
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