Desenvolvimento e aplicação de QSPRS ao estudo de reacções de heterólise em matrizes alargadas de substratos e solventes

Abstract

A presente dissertação visa aprofundar o conhecimento do efeito de solvente nas reacções de heterólise de halogenetos de alquilo terciários, através da determinação de relações quantitativas estrutura-propriedade (QSPR). O trabalho tem como objectivos: i) aumentar o conjunto de dados cinéticos referentes a diversos sistemas solvente/substrato, de forma a obter maior variabilidade e representatividade; ii) demonstrar, por aplicação de regressões lineares múltiparamétricas (RLM), a capacidade dos modelos testados em quantificar o efeito de solvente tendo como ponto de partida a conhecida equação TAKA; iii) clarificar a intervenção do solvente nas referidas reacções, enquadrando os resultados com o trabalho produzido na área. A nível experimental, foram determinados 400 valores médios de constantes de velocidade referentes a 12 substratos em 63 solventes (próticos, apróticos e misturas), alguns dos quais a diferentes temperaturas (de 3.77 a 85.00 ºC) e concentrações de substrato (de 1x10-4 a 2x10-2 mol dm-3). Os dados cinéticos foram obtidos por condutimetria e tratados com uma folha de cálculo Microsoft Excel desenhada no âmbito desta dissertação. Estes dados, conjuntamente com alguns valores da literatura, permitiram coligir uma vasta matriz com 278 log k utilizada no estabelecimento e validação dos modelos QSPR. A introdução na equação TAKA original de um novo descritor quantificador da rigidez do solvente – a viscosidade – possibilitou não só a obtenção de modelos com qualidade estatística e capacidade interpretativa superiores, como também abordar e quantificar de forma pioneira a influência dos efeitos de não-equilíbrio do solvente na reactividade. A aplicação sistemática de RLM a vários halogenetos de alquilo terciários com características estruturais distintas permitiu também estabelecer uma relação quantitativa entre a sensibilidade destes substratos aos vários descritores de solvente e várias propriedades de substrato consideradas relevantes. Por fim, a comparação entre os resultados de duas metodologias tradicionalmente consideradas antagónicas, as equações TAKA e de Grunwald- Winstein, permitiu identificar semelhanças insuspeitas e estabelecer um elo imprevisível na interpretação do papel do solvente na reactividade dos sistemas estudados.

The present dissertation aims to broaden our understanding of solvent effects in heterolysis reactions of tertiary alkyl halides throughout the application of quantitative structure-property relationships (QSPR). This work intends to: i) expand the available kinetic data in terms of the studied solvent/substrate systems, in order to attain a more representative set; ii) demonstrate, through the application of multiparametric linear regressions (MLR), the ability of the tested models to quantify solvent effects using as a starting point the wellestablished TAKA equation; iii) clarify the solvent’s intervention in the referred reactions, relating our results with previous studies. A total of 400 (average) rate constants were determined for 12 substrates in 63 solvents (protic, aprotic and mixtures), some of which using different temperatures (ranging from 3.77 to 85.00 ºC) and substrate concentration (from 1x10-4 to 2x10-2 mol dm-3). The kinetic data were obtained by conductimetry and treated with a Microsoft Excel spreadsheet specifically designed within the scope of this dissertation. These values, together with others gathered from literature, allowed the assembly of a 278 log k values’ matrix which was used to establish and validate the QSPR models. The introduction in the original TAKA equation of a new descriptor quantifying the solvent’s stiffness – the viscosity – permitted not only the development of models with higher statistical quality and interpretative ability, but also the pioneer quantification, of the influence of non-equilibrium solvent effects in reactivity. The systematic application of MLR to several tertiary alkyl halides with distinct structural features also allowed the establishment of a quantitative relationship between the substrates’ sensitivity to different solvent descriptors and several relevant substrate properties. The comparison between results obtained for two independent methodologies used to study solvent effects on heterolysis reactions, the TAKA and the Grunwald-Winstein equations, disclosed unsuspected similarities and allowed the establishment of a surprising link in the interpretation of solvent effects in the reactivity of the studied systems.