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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.46.2017.tde-11042017-073533
Document
Author
Full name
Felipe Alberto Augusto
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2016
Supervisor
Committee
Baader, Josef Wilhelm (President)
Braga, Ataualpa Albert Carmo
Fileti, Eudes Eterno
Silva, René Alfonso Nome
Title in Portuguese
Desvendando a alta eficiência do sistema peroxioxalato
Keywords in Portuguese
1,2- dioxetanodiona
1,2-dioxetano
1,2-dioxetanona
Físico-química orgânica
Peroxioxalato
Química teórica
Quimiluminescência
Abstract in Portuguese
O sistema peroxioxalato possui diversas aplicações analíticas, principalmente devido aos altos rendimentos de emissão obtidos e relativa simplicidade. Aqui se estudou a alta eficiência desse sistema em diversas frentes, comparando-o a sistemas semelhantes, relacionando-o com um sistema intramolecular eficiente, procurando a estrutura do seu intermediário de alta energia e investigando as etapas de produção desse, tentando-se obter informações experimentais e teóricas sobre essa reação. A cinética do sistema peroxioxalato foi estudada utilizando-se como ativador o naftaleno, um composto aromático relativamente simples, que permite a aplicação de cálculos teóricos precisos ao sistema. Esses estudos teóricos dos complexos de transferência de carga entre naftaleno e o 1,2-dioxetano, a 1,2-dioxetanona e a 1,2-dioxetanodiona mostraram que a acessibilidade dos estados excitados está diretamente relacionada às propriedades eletrônicas do peróxido envolvido. Estudando-se os ânions radicais desses peróxidos se observou que o aumento no número de carbonilas do peróxido faz dele um melhor aceptor de elétron e que, especificamente para a 1,2-dioxetanona, a transferência de elétron é capaz de promover um caminho de decomposição sem barreiras energéticas. Estudos cinéticos da reação peroxioxalato utilizando DBU como catalisador básico forte não nucleofílico indicaram a viabilidade da reação nessas condições, embora com velocidades altas. Entretanto, não foi possível obter resultados cinéticos usando fenolatos como ativadores. Experimentos de adição retardada de ativador também foram efetuados usando um solvente que poderia facilitar a detecção do intermediário de alta energia, observando-se um acúmulo desse intermediário nas cinéticas de emissão. Porém, não foi possível detectar esse intermediário por espectrometria de massas. Por último, verificou-se que as etapas iniciais do sistema são exotérmicas, exceto a formação do anel de quatro membros. Estudando-se esse passo detalhadamente obteve-se para uma das etapas um valor de ρ de Hammett semelhante ao observado experimentalmente, indicativo de que essa deve ser a etapa determinante de velocidade e de que o intermediário de alta energia deve ser a 1,2-dioxetanodiona.
Title in English
Unraveling the high efficiency of the peroxyoxalate
Keywords in English
1,2- dioxetanedione
1,2-dioxetane
1,2-dioxetanone
Chemiluminescence
Peroxyoxalate
Physical organic chemistry
Theoretical chemistry
Abstract in English
The peroxyoxalate system has several analytical applications, mainly due to its high emission yields and relative simplicity. Here this system high efficiency was studied in several fronts, comparing it with similar systems, connecting it with an intramolecular efficient system, searching for the structure of its high-energy intermediate and investigating the steps in its production, trying to obtain experimental and theoretical information about this reaction. The peroxyoxalate system kinetics was studied using naphthalene as activator, an aromatic compound relatively simple, that allows the application of accurate theoretical calculations to this system. These theoretical study of charge transfer complexes between naphthalene and 1,2-dioxetane, 1,2-dioxetanone, and 1,2- dioxetanedione have shown that the availability of excited states is directly related to the electronic properties of the involved peroxide. Studying the radical anion of these peroxides it was observed that an increase in the number of peroxide carbonyls makes it a better electron acceptor and that, specifically for 1,2-dioxetanone, the electron transfer can provide a barrierless decomposition path. Kinetic studies of the peroxyoxalate system using DBU as a nonnucleophilic strong base catalyst indicated the reaction feasibility in these conditions, despite its high rate. However, it was not possible to obtain kinetic results using phenolates as activators. Experiments of delayed addition of activator were made as well using a solvent that could facilitate the detection of the high-energy intermediate, observing accumulation of this intermediate in emission kinetics. Yet, it was not possible to detect this intermediate by mass spectroscopy. At last, it was verified that the initial steps of the system are exothermic, with exception of the four-membered ring formation. Studying this step in more detail, it was obtained for a step a Hammett ρ value similar to the one observed experimentally, indicating that this step should be the rate limiting step and that the high-energy intermediate should be the 1,2-dioxetanedione.
 
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Publishing Date
2017-04-24
 
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