Cálculos de estrutura eletrônica aplicados ao estudo de sensores químicos baseados em derivados de polipirrol

Abstract

Polímeros orgânicos conjugados são considerados materiais de grande relevância para aplicações tecnológicas variadas, principalmente devido às suas propriedades optoeletrônicas únicas e métodos utilizados em sua síntese. Nesse contexto, os derivados de polipirrol (PPy) têm sido amplamente empregados. A grande variabilidade de síntese desse material permite a produção de uma série de derivados com propriedades distintas, permitindo sua aplicação em diversas áreas. Neste trabalho, cálculos de estrutura eletrônica foram realizados para avaliar a influência de grupos laterais nas propriedades estruturais, ópticas, eletrônicas e de reatividade de derivados de PPy, em especial para aplicações como sensores químicos. Os cálculos foram feitos para sistemas oligoméricos aplicando a teoria do funcional da densidade. Estudos de preliminares foram conduzidos utilizando dois funcionais distintos para otimização de geometria e avaliação de propriedades optoeletrônicas. Estudos comparativos da alternância de comprimento de ligação, distribuição espacial e energética dos orbitais de fronteira, gaps eletrônicos, energias de ligação de éxcitons, espectros de absorção óptica, densidade eletrônica de estados e reatividade local foram conduzidos para cada derivado e a influência dos grupos laterais foi discutida em termos de suas propriedades de inserção/retirada de elétrons. Um conjunto de regras simples (equações lineares) foi proposto para a predição de propriedades optoeletrônicas de derivados de PPy. Em particular, os resultados mostraram que os parâmetros de Hammett dos grupos laterais são suficientes para permitir o design de materiais adaptados para diferentes aplicações. Dados de reatividade indicam os sistemas PPy-CCH e PPy-CN como derivados promissores para aplicação em sensores químicos, contudo estudos de adsorção sugerem uma resposta sensorial bastante similar destes derivados em relação ao PPy não modificado. De modo geral os derivados PPy, PPy-CCH e PPy-CN permitem a detecção dos analitos Cl2 e SO2, principalmente no que tange possíveis respostas elétricas.

Conjugated organic polymers have been considered interesting materials for varied technological applications, mainly due to their unique optoelectronic properties and variety of methods employed in their synthesis. In this context, polypyrrole (PPy) derivatives have been widely employed. The great versatility of synthesis of this material allows the production of a number of derivatives with distinct properties, allowing their application in several areas. In this report, aiming to guide the design of compounds with specific features, electronic structure calculations were conducted to evaluate the influence of side groups in the structural, optical and electronic properties of PPy derivatives, specially for application in chemical sensors. The calculations were carried out for oligomeric systems in the framework of the density functional theory. Preliminary benchmark studies were conducted by employing two distinct functionals for geometry optimization and evaluation of optoelectronic properties. Comparative studies of the bond length alternation, spatial and energetic distribution of the frontier orbitals, electronic gaps, exciton binding energies, optical absorption spectra, electronic density of states and local reactivity were conducted for each derivative and the influence of the side groups was discussed in terms of their electron donation/withdrawing properties. A set of simple rules (linear equations) was proposed for the prediction of optoelectronic properties of PPy derivatives. In particular, the results have shown that simple Hammett parameters of side groups are sufficient to enable the design of improved materials. The reactivity study indicates PPy-CCH and PPy-CN as promising derivatives for chemical sensor application, however adsorption studies suggest a sensory response quite similar for these derivatives in relation to unmodified PPy. In general, the derivatives PPy, PPy-CCH and PPy-CN allow the detection of the analytes Cl2 and SO2, especially regarding possible electrical responses.