Molecular Interaction of (Ethanol)₂−Water Heterotrimers

Abstract

The potential energy surface of the (ethanol)2-water heterotrimers for the trans and gauche conformers of ethanol was studied using density functional theory. The same approximation was used for characterizing representative clusters of (ethanol)3, (methanol)3, and (methanol)2-water. Trimerization energies and enthalpies as well as the analysis of geometric parameters suggest that the structures with a cyclic pattern in the three hydrogen bonds of the type O-H---O (primary hydrogen bonds), where all molecules are proton donor-acceptor at the same time, are more stable than those with just two primary hydrogen bonds. Additionally, we propose the formation of "secondary hydrogen bonds" between hydrogen atoms of the methyl group of ethanol and the oxygen atom of water or other ethanol molecule (C-H---O), which were found to be weaker than the primary hydrogen bonds.

Energías de Interacción y Geometrías de Equilibrio para Aglomeraciones de 1,2-propanodiol con 3, 4, 5 y 6 Moléculas de Agua

“…Así, se reportan estudios computacionales, donde se describe que las interacciones que típicamente ocurren en estos sistemas son debidas a enlaces de hidrógeno (Mejía et al, 2007(Mejía et al, , 2010. Estas interacciones intermoleculares son la base para explicar la formación de clústeres (David et al, 2009) y su influencia sobre las propiedades macroscópicas mensurables para estas mezclas; razón por la cual las mezclas alcohol/agua interactúan simultáneamente formando enlaces de hidrógeno primarios y secundarios (Oliveira y Vasconcellos, 2006).…”

Heteropentámeros (etanol)4-agua: estudio estructural y termodinámico

“…7,8 De nuestro conocimiento, en estudios del sistema etanol-agua a nivel experimental solo se ha publicado la entalpía de dimerización etanol-agua 9,10 y el espectro Raman del heterotrímero cíclico (etanol) 2 -agua, 11 por lo tanto los mayores avances en el estudio a nivel molecular para sistemas etanol-agua hasta heterotetrámeros se han logrado por medio de modelación molecular. [12][13][14] En algunos de esos estudios se ha reportado que el orden energético de los diferentes patrones geométricos obtenidos para agregados de moléculas de etanol, metanol, etanol-agua y metanol-agua es independiente del tipo de monómeros que los conforman. En los dos primeros casos, etanol n y metanol n (n = 3 y 4), se pudo corroborar un buen acuerdo entre las entalpías de interacción predichas por cálculos computacionales y los valores experimentales 13,14 Por tanto, la información obtenida experimentalmente para pentámeros de etanol y metanol son la base para el trabajo computacional de heteropentámeros de (etanol) 4 -agua.…”

“…[12][13][14] En algunos de esos estudios se ha reportado que el orden energético de los diferentes patrones geométricos obtenidos para agregados de moléculas de etanol, metanol, etanol-agua y metanol-agua es independiente del tipo de monómeros que los conforman. En los dos primeros casos, etanol n y metanol n (n = 3 y 4), se pudo corroborar un buen acuerdo entre las entalpías de interacción predichas por cálculos computacionales y los valores experimentales 13,14 Por tanto, la información obtenida experimentalmente para pentámeros de etanol y metanol son la base para el trabajo computacional de heteropentámeros de (etanol) 4 -agua. Por ejemplo, la mayoría de estudios experimentales de resonancia magnética nuclear, infrarrojo y propiedades termodinámicas han mostrado que el etanol 15,16 y el metanol 17,18 en estado líquido forman principalmente tetrámeros, pentámeros y hexámeros cíclicos.…”

“…[12][13][14] Los patrones geométricos más estables corresponden a aquellos con un mayor número de puentes de hidrógeno primarios y con una disposición cíclica de estos, donde todas las moléculas se comportan como aceptoras y dadoras de protón al mismo tiempo en los puentes de hidrógeno primarios. [12][13][14] Este último resultado sugiere la presencia de efectos cooperativos, los cuales han sido descritos en diferentes sistemas enlazados por dos o más puentes de hidrógeno por medio del análisis de parámetros geométricos, 20 energéticos 21 o cargas atómicas, 22 entre otros. Por otra parte, el aumento en el número de moléculas que conforman los agregados incrementa exponencialmente la cantidad de configuraciones posibles y se hace inmanejable el número total de agregados para hacer un análisis detallado de su estructura electróni-ca.…”

“…23 Adicionalmente, dado que las superficies de energía potencial de estos agregados enlazados por puentes de hidrógeno son muy planas, se presentan muchos mínimos locales. 12,13 Una búsqueda de las estructuras más estables en este tipo de sistemas se puede realizar por medio de exploraciones aleatorias del espacio conformacional, como ha sido demostrado para agregados de agua con algoritmos genéticos 24 o con annealing simulado (AS). 22 Estos métodos estocásti-cos son ejemplos de las diferentes metodologías disponibles para una mejor exploración de la superficie de energía potencial de sistemas de tamaño relativamente grande, otras alternativas son algoritmos Monte Carlo, métodos de difusión y dinámica molecular.…”