Reações de íons de compostos oxigenados em fase gasosa estudadas por espectroscopia de ressonância ciclotrônica de ions

• Ano de defesa: 1974
• Autor(a) principal: Tiedemann, Peter Wilhelm
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Acilação de cetonas; Acylation of ketones; Afinidades protônicas; Ion/molecule reactions; Proton affinities; Reações íon/molécula
• Link de acesso: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/46/46132/tde-02032011-161312/

A técnica de ressonância ciclotrônica de íons permite aprisionar numa cela adequada íons produzidos por impacto de elétrons sobre um gás a baixa pressão (10-7 - 10-4 Torr) . Os íons são mantidos na cela por tempos de 3 a 10 ms e dessa maneira podem reagir com moléculas neutras do gás do qual provém ou, de algum outro gás introduzido no espectrômetro. Resultam dessas reações produtos iônicos, que frequentemente foram observados reagirem novamente com moléculas neutras, dando origem a íons terciários. Todos os íons são detectados pela potência que absorvem de um campo de rádio-frequência conveniente, podendo ser registrado um espectro, no qual cada íon é caracterizado por sua massa, sendo a intensidade do pico correspondente proporcional à corrente iônica parcial do lon na cela. Contudo, a situação é tal que íons de massa maior permanecem por tempos mais longos na cela, de modo a reagirem em maior extensão e absorverem maior potência do oscilador de rádio-frequência. Essa discriminação de massa precisa ser levada em conta ao interpretar os espectros de ressonância ciclotrônica de íons e, para esclarecer a natureza das correções necessárias, as principais equações que descrevem o movimento dos íons na cela foram deduzidas e discutidas na primeira parte deste trabalho. Tais equações sugerem urna série de experiências, que tornam a espectroscopia de ressonância ciclotrônica de íons uma técnica muito versátil. Estas experiências foram todas apresentadas na primeira parte, devendo-se salientar a experiência de ressonância dupla, que permite identificar de maneira inequívoca o precursor de algum produto iônico, a experiência de ejeção de íons, que permite remover seletivamente um íon de dada espécie da cela, além de experiências que visam a obtenção de constantes de velocidade de reações de íons com moléculas. É justamente esta última grandeza mencionada, a saber, a constante de velocidade de uma reação, a que pode ser com parada com valores calculados a partir de modelos teóricos. Esses modelos baseiam-se em sua maioria na interação do íon, considerado como carga puntiforme, com a molécula neutra de certa polarizabilidade e momento dipolar (modelo de polarização) ou, na fragmentação de um complexo intermediário (modelos estatísticos). Os aspectos teóricos das reações entre íons e moléculas em fase gasosa foram analisados e os modelos mencionados, discutidos, além de modelos chamados \"diretos\" mais apropriados para comparações com resultados de experiências de feixes iônicos. A espectroscopia de ressonância ciclotrônica de íons foi utilizada para o estudo de reações de acilação em cetonas, reações bastante gerais (foi verificado que ocorrem também em outros sistemas carbonílicos) e que podem ser representadas pela equação RCOR\'+ + RCOR\' &#8594; RCO+ (RCOR\') + R\'. Estudos de variação das correntes iônicas relativas de todos os íons das cetonas, em função da pressão de cetona neutra, possibitaram a dedução de um mecanismo de formação desses íons acilados. Os resultados estão de acordo com um esquema no qual esse produto é formado pela fragmentação de um dímero intermediário, para o qual se supõe existirem condições de estado estacionário. Esta fragmentação se dá de maneira análoga à fragmentação dos íons moleculares de cetonas em espectroscopia de massa usual, tratando-se então de uma fragmentação induzida por uma espécie neutra. A pressões elevadas, nas quais o dímero pode sofrer colisões não-reativas e relaxar o excesso de energia interna, o mesmo é estabilizado, fornecendo um pico no espectro. Cetonas de polarizabilidade maior têm uma afinidade maior para o grupo acila; isto foi concluído, quando foram observadas reações de transferência de grupos acila, como por exemplo a transferência de CH3CO+ da cetona para a butanona num sistema formado pela mistura dessas duas cetonas. Estudos de basicidade relativa de álcoois, ácidos, ésteres e cetonas revelaram que há uma relação de proporcionalidade entre a basicidade desses compostos e seu potencial de ionização. Isto havia sido mostrado anteriormente para o caso das aminas, por outros pesquisadores. O conhecimento da basicidade de álcoois, ácidos e ésteres permitiu analisar reações de esterificação e transesterificação sob o ponto de vista termoquímico. Trata-se de reações entre moléculas protonadas das espécies mencionadas, que podem ser consideradas análogas às reações catalisadas por ácidos em solução. O fato de uma reação ser exotérmica não significa que ela ocorra. Assim, foi observado que ácido fórmico não é esterificado por metanol ou etanol nas condições reinantes numa cela de ressonância ciclotrônica de íons, enquanto quê ácido acético o é. A ordem relativa de basicidades em fase gasosa foi determinada como sendo HCOOH < ( CH30H < C2H5OH < CH3COOH. Dessa maneira os resultados estão de acordo com um ataque nucleófilo por parte do álcool no ácido protonado; porém, se este é menos básico que o álcool, ocorre a transferência de próton e não a esterificação. Reações de transesterificação não foram observadas de maneira alguma, mas uma outra reação entre ésteres e álcoois foi encontrada e que pode ser exemplificada pela equação (CH3)2CHOH2+ + HCOOC3H7 &#8594; HCO2(C3H7) (C3H7)+ + H2O. Esta reação só se dá com álcoois capazes de produzir íons de carbônio mais estáveis que os primários; portanto metanol e etanol não reagem. O produto formado pode fragmentar novamente O que revelou que o grupo alquila proveniente do álcool retém um excesso de energia na sua ligação, pois na decomposição é esta a ligação que rompe. Em todos estes estudos, isto é, nos de acilação de cetonas e de esterificação, bem como nos estudos de basicidade, foi sempre salientada a importância de examinar essas reações em fase gasosa, pelo fato de serem reações mais simples, uma vez que se dão na ausência de solventes e portanto revelarem propriedades intrínsecas das espécies envolvidas. Finalmente foram descritas algumas modificações realizadas no espectrômetro de ressonância ciclotrônica de íons, para poder operá-lo de forma pulsada. Com isso é possível manter os íons por tempos maiores na cela (500 ms) e, o que é mais importante, esses tempos podem ser definidos com grande precisão, o que torna viável a obtenção de resultados quantitativos (constantes de velocidade de reação) melhores.