Molecular aggregation of thiols and alcohols: study of non-covalent interactions by microwave spectroscopy

Abstract

El estudio y comprensión de las interacciones no covalentes a nivel molecular es un campo que está en continuo desarrollo y cobra vital importancia para determinar el comportamiento estructural de muchas moléculas de interés químico, tecnológico o biológico. En esta tésis doctoral se han analizado las interacciones intermoleculares implicadas en la formación de agregados moleculares neutros, tanto dímeros como productos de microsolvatación, en fase gas. Los complejos intermoleculares se han generado mediante expansiones supersónicas pulsadas, caracterizándose posteriormente mediante espectroscopía de rotación. Este trabajo ha utilizado dos técnicas espectroscópicas, incluyendo un espectrómetro de microondas con transformada de Fourier (FTMW) de tipo Balle-Flygare en el rango de frecuencias 8-20 GHz, y un espectrómetro de transformada de Fourier de banda ancha con excitación multifrecuencia (CP-FTMW) cubriendo el rango espectral de 2-8 GHz. Los complejos intermoleculares estudiados han incluido moléculas con grupos alcohol y/o tiol, con objeto de analizar las diferencias entre las interacciones intermoleculares que implican átomos de oxígeno o azufre, en especial el enlace de hidrógeno. Se han estudiado moléculas incluyendo tanto sistemas cíclicos alifáticos (ciclohexanol, ciclohexanotiol) como aromáticos (furfuril alcohol, furfuril mercaptano, tienil alcohol, tienil mercaptano). Los enlaces de hidrógeno analizados han comprendido especialmente interacciones de tipo O-H···O, O-H···S y S-H···S. La formación de los complejos intermoleculares ha revelado en algunos de ellos una gran variedad conformacional, como la observación de seis isómeros del dímero de ciclohexanol. En el caso de los monohidratos se han observado en algunos casos desdoblamientos asociados a movimientos internos de gran amplitud, como la rotación de la molécula de agua en los monohidratos de ciclohexanol y tienil mercaptano. En los casos de moléculas quirales la dimerización ha permitido observar la estabilidad relativa de los diastereoisómeros homo o heteroquirales. El estudio experimental se ha completado con diferentes cálculos teóricos de orbitales moleculares, en especial teoría del funcional de la densidad, a fin de caracterizar las interacciones estructuralmente, energéticamente y mediante análisis topológico de la densidad electrónica. El conjunto de datos experimentales y teóricos permite aumentar la información existente sobre enlaces de hidrógeno con átomos de azufre, generalmente poco estudiados, y su comparación con los análogos oxigenados.

The study and understanding of non-covalent interactions at molecular level is a field in continuous development and essential to determine the structural behavior of many molecules of chemical, technological or biological interest. In this PhD thesis, the intermolecular interactions involved in the formation of neutral molecular aggregates, both dimers and microsolvation products, have been analyzed in the gas phase. The intermolecular complexes were generated by pulsed supersonic expansions, and later characterized by rotational spectroscopy. This work has used two spectroscopic techniques, including a Balle-Flygare Fourier-Transform Microwave (FTMW) spectrometer in the 8-20 GHz frequency range, and a broadband Chirped-Pulse Fourier Transform Microwave (CP-FTMW) spectrometer covering the 2-8GHz spectral range. The intermolecular complexes studied have included molecules with alcohol and / or thiol groups, in order to analyze the differences between the intermolecular interactions involving oxygen or sulfur atoms, especially hydrogen bonds. Molecules that comprise both aliphatic (cyclohexanol) and aromatic (furfuryl alcohol, furfuryl mercaptan, thenyl alcohol, thenyl mercaptan) ring systems have been studied. The analyzed hydrogen bonds included especially O-H···O, O-H···S and S-H···S interactions. The formation of intermolecular complexes has revealed a great conformational diversity in some of them, such as the observation of six isomers of the cyclohexanol dimer. With regard to the monohydrates, tunnelling splittings associated with internal large amplitude motions have been observed in some cases, such as the rotation of the water molecule in the monohydrates of cyclohexanol, thenyl alcohol and thenyl mercaptan. In the case of chiral molecules, dimerization has made it possible to observe the relative stability of homo- or heterochiral diastereoisomers. The experimental study has been supported by different theoretical molecular orbital calculations, in particular Density Functional Theory (DFT) calculations, in order to characterize the interactions structurally, energetically and by a topological analysis of electron density. The set of experimental and theoretical data will advance the existing information on hydrogen bonds involving sulfur atoms, generally scarcely studied, and their comparison with the oxygenated analogues.