Amine transferable force fields for molecular simulation

Abstract

Dado el continuo incremento de problemas ambientales, las emisiones de gases a la atmósfera son consideradas como uno de los más importantes problemas a resolver dentro de las próximas décadas. Además de los conocidos gases responsables del efecto invernadero, gases con elevado contenido de azufre presentes por ejemplo en el gas natural requieren una especial atención dado su alta toxicidad para diferentes organismos. En el caso de gas natural diferentes procesos han sido propuestos incluyendo, adsorción, separación por membrana, conversión química y condensación. Dentro estas posibilidades la escogencia de una de ellas depende de muchos factores tales como el contenido de impurezas en la corriente a ser tratada y las características psicoquímicas del gas. El proceso de absorción que hace uso de alcanolaminas como solvente es uno de los más ampliamente extendidos cosa que se evidencia en el gran número de plantas instaladas y gran variedad de procesos ofrecidos por diferentes compañías en el mercado actual. Con respecto a los gases de efecto invernadero, un esfuerzo considerable ha venido siendo dedicado bien sea a mejorar los métodos actuales o bien a desarrollar procesos alternativos con el de reducir especialmente las emisiones de dióxido de carbono el cual es considerado como uno de los mayores responsables del calentamiento global. Diferentes alternativas han sido propuestas incluyendo la absorción física haciendo uso de líquidos iónicos o de absorción química usando alcanolaminas. Zeolitas y estructuras organometálicas han sido también tenidas en cuenta como posibles buenos candidatos. Pese a los recientes avances no existe hasta el momento una respuesta clara acerca de cual es la tecnología más reciente y parece ser más bien un problema sin solución única. Una de las posibles tecnologías consideradas actualmente como una elección atractiva son los procesos que envuelven alcanolaminas que aunque involucran un alto contenido energético en la etapa de regeneración del solvente presenta grandes ventajas en cuanto a conocimiento del proceso ya que ha sido estudiado desde hace varias décadas. Por tal razón gran cantidad de datos experimentales están disponibles en varios rangos de temperatura, presión y concentración. Sin embargo, dentro de la gran cantidad de posibles aminas hasta el momento solo pocas de ellas han sido estudiadas siendo las más importantes las alcanolaminas, como por ejemplo, monoetanolamina (MEA), diethanolamina (DEA), methyldietaholamina (MDEA) y más recientemente las llamadas hindered amines tales como 2-methyl-2-amino propanol (AMP). Por otro lado experimentos recientes muestran que aminas no necesariamente alcanolaminas tales como aminas alifáticas, aminas multifuncionales o aminas cíclicas presentan buenas características como absorbentes del dióxido de carbono pero no existen criterios bien de_nidos que establezcan o especifiquen la escogencia dentro de un conjunto de posibles candidatos. Es por tanto claro que muchas preguntas deben ser respondidas y no hay duda de que la simulación molecular debe ser considerada como una importante herramienta que junto con información experimental pueda ayudar a clarificar varios de estos aspectos. El presente trabajo muestra el desarrollo de campos de fuerza clásicos para aminas primarias, secundarias y terciarias siguiendo la aproximación anisotrópica de átomos unidos. En este estudio, el nitrógeno que pertenece al grupo amino fue optimizado encontrando un conjunto de parámetros de Lennard-Jones los cuales fueron directamente transferidos a un conjunto de varias moléculas dentro de las cuales se incluyeron: aminas ramificadas, lineales, bifuncionales, multifuncionales y cadenas lineales largas. El método de Monte Carlo fue empleado como herramienta de simulación en el colectivo de Gibbs a temperatura volumen y número de partículas constante. Diferentes propiedades termodinámicas fueron calculadas tales como: diagramas de equilibrio líquido-vapor, presiones de vapor, entalpás de vaporización, puntos de ebullición y propiedades críticas tales como las temperaturas y densidades críticas. A su vez, se estudiaron los coeficientes de viscosidad a través de la dinámica molecular como herramienta de cálculo en el colectivo isobárico isotérmico y siguiendo los formalismos de Einstein y Green-Kubo. Las tensiones superficiales de la n-butilamina fueron calculadas así como también las entalpas en exceso de esta misma molécula en diferentes soluciones acuosas y con n-heptano. Un nuevo campo de fuerza para alcanolaminas fue también desarrollado basado en la reoptimización del grupo hidroxilo proveniente de un reciente campo de fuerza anisotrópico para alcoholes. Un nuevo conjunto de cargas putuales también fue propuesto para las alcanolaminas estudiadas. Varias propiedades fueron estudiadas en función de la temperatura y 10 nuevos potenciales de torsión fueron desarrollados permitiendo extender el estudio a muchas máas moléculas de las 25 aquí estudiadas. En general buenos resultados fueron obtenidos para las propiedades termodinámicas y las propiedades de transporte comparando con la información experimental. De esta forma, a nuestro saber, este campo de fuerza es actualmente uno de los modelo más precisos encaminado a la predicción de propiedades de aminas y alcanolaminas.