Estudo téorico do efeito do solvente no fenômeno de emissão por agregação em derivado de pireno com potencial para detecção de água em etanol
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Fabiano Vargas Pereira
Guilherme Ferreira de Lima
Guilherme Ferreira de Lima
Resumo
Este trabalho apresenta um estudo teórico-computacional de uma sonda fluorescente derivada de pireno, denominada PyQ, com o objetivo de avaliar seu potencial como sensor óptico para detecção de adulterantes em etanol combustível. O foco central é a investigação do fenômeno de emissão induzida por agregação (AIE), explorando os efeitos do meio solvente (água e etanol) e dos estados de agregação sobre as propriedades fotofísicas da sonda. Para isso, foram empregados cálculos de Teoria do Funcional da Densidade (DFT e TD-DFT) e simulações de Dinâmica Molecular (DM), utilizando modelos de solvatação implícita (CPCM) e explícita (modelo de cluster). Os resultados indicam que a modelagem com solventes explícitos é fundamental para representar adequadamente os efeitos do meio, uma vez que o modelo contínuo não foi capaz de diferenciar os solventes. Verificou-se que a
dimerização do pireno é termodinamicamente favorável em água, quando consideradas interações explícitas de solvatação, enquanto a agregação intramolecular da sonda PyQ ocorre preferencialmente via empilhamento tipo J, reforçado por ligações de hidrogênio com o meio aquoso. As propriedades fotofísicas calculadas mostraram que a sonda PyQ possui momento dipolar não nulo e que a
agregação aumenta a emissão, corroborando o mecanismo de AIE observado experimentalmente. Em particular, em água foi observado que 99% das agregações correspondem a empilhamento do tipo J, o que favorece a emissão. Apesar das limitações do modelo cluster, devido ao número reduzido de moléculas de solvente e à representação simplificada dos agregados, o estudo fornece suporte teórico consistente para a compreensão do comportamento emissivo da sonda PyQ. Conclui se que a combinação de técnicas de química computacional é uma abordagem promissora para o desenvolvimento de sensores ópticos eficientes para adulterantes
em biocombustíveis.
Abstract
This work presents a theoretical-computational study of a pyrene-based fluorescent probe, named PyQ, aiming to evaluate its potential as an optical sensor for detecting adulterants in fuel ethanol. The study focuses on investigating the aggregation-induced
emission (AIE) phenomenon, exploring the effects of the solvent environment (water and ethanol) and aggregation states on the photophysical properties of the probe. To achieve this, Density Functional Theory (DFT and TD-DFT) calculations and Molecular
Dynamics (MD) simulations were performed using both implicit solvation models (CPCM) and explicit solvent models (cluster approach). The results demonstrate that explicit solvent modeling is essential for accurately representing solvent effects, as the
continuous model was insufficient to differentiate between solvents. Pyrene dimerization was found to be thermodynamically favorable in water when explicit solvation interactions were considered, while intramolecular aggregation of the PyQ probe predominantly occurred through J-type stacking, reinforced by hydrogen bonding in aqueous media. The calculated photophysical properties revealed that PyQ has a non-zero dipole moment and that aggregation enhances its emission, supporting the AIE mechanism observed experimentally. Specifically, in water, 99% of the aggregates exhibited J-type stacking, which favors emission. Despite the limitations of
the cluster model, due to the reduced number of solvent molecules and the simplified representation of aggregates, the study provides consistent theoretical support for understanding the emissive behavior of the PyQ probe. It is concluded that the combination of computational chemistry techniques is a promising approach for developing efficient optical sensors for adulterants in biofuels.
Assunto
Físico-química, Dinâmica molecular, Funcionais de densidade, Biocombustíveis - Adulteração e inspeção, Detectores óticos, Sondas fluorescentes
Palavras-chave
Pireno, Fotofísica, Dinâmica molecular, TD-DFT, Emissão induzida por agregação (AIE), Detectores óticos
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