Aqueous biphasic systems with ionic liquids

Abstract

O objectivo principal deste trabalho é estudar o equilíbrio de fases de líquidos iónicos em sistemas aquosos bifásicos. Para isso foram estudadas as solubilidades mútuas entre água e líquidos iónicos hidrofóbicos, e foi criado um modelo que descreve esta propriedade. Além disso, foram realizados e estudados sistemas aquosos bifásicos com líquidos iónicos hidrofílicos e o sal inorgânico K3PO4. Os líquidos iónicos são sais compostos por iões grandes que não formam uma rede cristalina bem definida, e assim permanecem líquidos à temperatura ambiente ou perto desta. Estes compostos são solventes interessantes, em reacções orgânicas convencionais do tipo liquido-liquido e em processos de separação, devido às suas propriedades termofísicas, à sua grande capacidade de solvatação e à sua pressão de vapor desprezável. Em particular, o conhecimento de solubilidades mútuas com água é muito importante para a extracção de compostos orgânicos em meios aquosos, uma vez que são necessários líquidos iónicos com baixa solubilidade na água, e para tal o conhecimento das solubilidades mútuas é de elevada importância. Com este propósito, as solubilidades mútuas entre a água e os líquidos iónicos foram determinadas no intervalo de temperatura entre 288,15 K até 318,15 K e à pressão atmosférica. Os líquidos iónicos seleccionados permitiram o estudo da influência da estrutura do catião e do anião. De forma a complementar este estudo foi criado um modelo QSPR de forma a prever as solubilidades mútuas entre a água e os líquidos iónicos a 303,15 K. Os sistemas aquosos bifásicos com líquidos iónicos podem ser de especial interesse em aplicações de biotecnologia na separação e purificação de biomoléculas vitais. Assim, foi realizado um estudo sistemático envolvendo um grande número de líquidos iónicos baseados no catião imidazólio afim de se obter nova informação acerca da capacidade dos líquidos iónicos promoverem a formação de sistemas aquosos bifásicos e extraírem biomoléculas. Com este propósito, foi avaliada a influência da natureza do anião, bem como a estrutura do catião. Foram determinados diagramas de fase com líquidos iónicos, água e K3PO4, assim como as respectivas linhas de equilíbrio. Como complemento, os sistemas aqui estudados foram também caracterizados pelo seu potencial em extrair aminoácidos, para o qual o L-triptofano foi seleccionado como uma biomolécula modelo.

ABSTRACT: The main goal of this work is to study the behavior of ionic liquids in aqueous biphasic systems. For that purpose it was studied the mutual solubilities of water and hydrophobic ionic liquids and created a model to describe that property. In addition, aqueous biphasic systems employing hydrophilic ionic liquids and an inorganic salt, K3PO4, were carried and analyzed. Ionic liquids are salts composed of large ions that cannot easily form an ordered crystal and thus remain liquid at or near room temperature. Their intrinsic thermophysical properties, their high solvating ability and their negligible vapour pressures make them interesting solvents in conventional organic liquid-phase reactions and in separation processes. In particular, the knowledge of their mutual solubilities with water is very important for the extraction of organic products from chemical reactions that proceed in aqueous media and in liquid-liquid extractions from aqueous phases since ionic liquids with low solubility in water are required, and therefore the knowledge of their mutual solubilities with water is highly important. With that aim, the mutual solubilities between water and hydrophobic ionic liquids were determined from temperatures ranging from 288.15 K to 318.15 K and at atmospheric pressure.The selected ILs allowed the study of the cation and anion structure influence. In order to complement this experimental approach, a QSPR model was built to predict mutual solubilities between water and ionic liquids at 303.15 K. Aqueous biphasic systems containing ionic liquids could be especially interesting in biotechnological applications for the separation and purification of vital biomolecules. Therefore, a systematic study involving a large number of imidazolium-based ILs was conducted to provide new information related to the ionic liquids ABS promoting capability and extraction ability. For that purpose, the influence of the anion nature as well as the cation structure composing the ionic liquids were evaluated. Phase diagrams of the aqueous biphasic systems formed by ionic liquids and K3PO4, and the respective tie-lines, were measured. In addition, the aqueous biphasic systems here investigated were also characterized according to their extractive potential of aminoacids, where Ltryptophan was selected as a model biomolecule.