Probing the sensitivity of orientational ordering as a way towards absolute enantiorecognition: Helical-particle solutes in helical-particle nematic solvents

To inquire into whether two enantiomers can be absolutely distinguished on the sole basis of their different degrees of orientational ordering when dissolved in a chiral nematic liquid crystal, several enantiomeric pairs of hard helical particles are dissolved in a cholesteric (nematic) liquid crystal made of slender hard helical particles as well as in a screwlike nematic liquid crystal made of tortuous hard helical particles. While in the former ordinary chiral nematic solvent their nematic order parameters are (almost) coincident, in the latter new chiral nematic solvent the two enantiomeric solutes not only usually have more appreciably different nematic order parameters, but also always have significantly different screwlike order parameters. If also the latter orientational order parameter could be measurable in real experiments, it would constitute an additional decisive piece of information on the way to absolutely distinguishing two enantiomers on the sole basis of their different degrees of orientational order when dissolved in a chiral nematic liquid crystal that is in the apter screwlike nematic phase. Even in that event, however, the general absence of regularity and systematicity in the trend of the orientational order parameters, already manifest in these elementary hard helical-particle binary systems, would make this coveted achievement experimentally arduous without the assistance of very accurate and precise theoretical calculations.Support from the Università della Calabria and that from the Government of Spain under Grants No. FIS2013-47350-C5-1-R, No. MDM-2014-0377, and No. FIS2017-86007-C3-1-P is acknowledge

Rigid probe solutes in a smectic-A liquid crystal: An unconventional route to the latter's positional order parameters

Biphenylene and pyrene were dissolved in the nematic and smectic-A phases of the liquid crystal 4,4’-di-n-heptyl-azoxybenzene and the orientational order parameters of both solutes and solvent measured via proton and deuteron nuclear-magnetic-resonance spectroscopy. This new data set was then merged with the one previously obtained, formed by 4,4’-di-chloro-benzene and naphthalene as solutes in the same solvent, and the resulting overall data set analyzed with a statistical thermodynamic density-functional theory to provide positional-orientational distribution functions of the various solutes along with the smectic solvent’s positional order parametersM.E.D.P. is grateful to the European Commission, the European Social Fund, and the Regione Calabria for cofunding her Ph.D. scholarship. M.E.D.P., G.C., and G.D.L. thank the University of Calabria and MIUR PRIN 2009 for financial support. G.C. acknowledges the financial support of the Spanish Ministry of Research via a Raóon y Cajal research fellowshi

Is styrene planar in liquid phases?

The proton NMR spectra of two C-13-labeled isotopomers of styrene dissolved in two liquid crystalline solvents have been obtained and analyzed to yield four sets each of 24 dipolar couplings. These couplings were then used to investigate the structure of the ring and the ene fragments of the molecule, and the position of the maximum, phi(0), in the ring-ene bond rotational probability distribution. To do this, the effect on the dipolar couplings of small-amplitude vibrational motion was taken into account using vibrational wave functions calculated by molecular orbital and density functional methods. It is concluded that the NMR data are consistent with the ring fragment, averaged over the ring-ene rotation, planar, while the ene fragment is not. The value of phi(0) is found to be 18.0degrees+/-0.2degrees for the two solutions, compared with a value of 27degrees calculated by the molecular method MP2/6-31G*

Description of potentially ordered liquid phases through statistical thermodynamics tools. Molecular field and computer similation approache:comparing two techniques.

Dottorato di Ricerca in Scienze e Tecnologie Fisiche, Chimiche e dei Materiali. Ciclo XXXIIl campo di ricerca in cui il Progetto si colloca è quello dello studio termodinamico statistico di sistemi uidi complessi, potenzialmente ordinati. Esso ha preso spunto dalle precedenti ricerche svolte presso il laboratorio LX-NMR S.C.An. del Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche dell'Università della Calabria dove, da lungo tempo, ci si occupa di problematiche connesse ai Cristalli Liquidi, conducendo studi che potrebbero essere de niti di 'base', miranti cioè alla comprensione delle interessantissime proprietà molecolari di cui godono questi sistemi. La nalità del Progetto implica, come appena detto, uno studio della materia a livello molecolare. Spesso, sulla base dei dati sperimentali raccolti (ad esempio, mediante le competenze NMR del Laboratorio presso il quale ha avuto luogo lo svolgimento del presente Progetto di Dottorato) si rende necessaria una 'interpretazione' dei risultati sperimentali, allo scopo di fornire una chiave di lettura dei fenomeni che avvengono su scala molecolare, in modo da coniugare, possibilmente, aspetti microscopici e macroscopici (provando cioè a fornire una giusti cazione e 'razionalizzazione' microscopica dei comportamenti macroscopici della materia stessa). Gli approcci adottati nel perseguire tale scopo devono necessariamente far riferimento alla Termodinamica Statistica. Storicamente, presso il Gruppo di Ricerca del Laboratorio presso il quale è stato sviluppato Progetto di Dottorato, l'approccio utilizzato è stato di tipo Molecular Field (MF); tuttavia, nell'ultima decade, grazie alla collaborazione con altri gruppi di Ricerca (in particolare, in collaborazione col prof. Giorgio Cinacchi ) ci si è avvicinati allo studio delle problematiche riguardanti le fasi parzialmente ordinate anche per mezzo di simulazioni numeriche (tipicamente Monte Carlo, ma non solo. . . ). Pertanto, nell'ottica di valorizzare sinergicamente quelle che possono essere considerate due importanti chiavi di lettura dei fenomeni a livello molecolare (ai quali, come Chimico-Fisici, siamo interessati), si è pensato di coniugare sinergicamente i due approcci (MF e MC) cui si è appena accennato. Entrambe le metodologie presentano ovviamente pregi e difetti, spesso (fortunatamente. . . ) complementari. Ad esempio, il MF ha il pregio di partire, tipicamente, da una certa 'semplicità' descrittiva, che spesso si origina su basi intuitive (a volte, anche 'elementari'), al ne di cogliere quelle che sono le caratteristiche essenziali dei fenomeni che si stanno investigando. Di contro, come pecca, esso risulta spesso troppo 'a grana grossa'; alle volte anche troppo essenziale nelle linee, tanto da non permettere di cogliere pienamente i dettagli e/o gli aspetti peculiari cui si aspirerebbe. D'altro canto, l'approccio stesso può presentare un aspetto matematico impegnativo, a causa di calcoli di un certo rilievo che richiedono l'utilizzo di software opportuni (spesso originali e/o commerciali), sebbene non sia strettamente necessario disporre di una imponente potenza di calcolo. Nelle simulazioni numeriche, al contrario, l'obiettivo è quello di costruire, partendo dalla modellizzazione delle interazioni molecolari, una 'realtà molecolare virtuale', ovviamente anch'essa in uenzata dalla metodologia utilizzata (Monte Carlo, Molecular Dynamics, ecc. . . ) che getti luce su aspetti magari meno intuitivi del comportamento dei sistemi uidi studiati. Per sperare di ottenere dei dati a dabili e realistici, però, occorre mettere in gioco una quantità di particelle signi cativa che può essere anche imponente (a seconda del fenomeno che si sta investigando), con la possibile conseguente dilatazione dei tempi di calcolo, a volte tali da rendere inattuabili i calcoli stessi. In tale ottica, per cogliere il meglio di entrambe le metodologie, è necessario a nostro avviso, metterle a confronto. Ciò che ci siamo dunque proposti per lo svolgimento del lavoro di Dottorato è stato di provare entrambi gli approcci il più possibile 'in parallelo'. Questa prospettiva risultava alquanto 'intrigante' e ci siamo riproposti di applicarla a quell'Universo ancora nebuloso rappresentato delle a ascinanti fasi termotropiche nematiche biassiali (ma non solo. . . vide infra). L'esistenza di tale mesofase è ancora oggi oggetto di dibattito, in quanto la prova ultima ed inequivocabile dell'osservazione di tali fasi non è stata fornita al di là d'ogni ragionevole dubbio; infatti, negli anni, questa fase ha pienamente meritato l'appellativo di fase 'elusiva e sfuggente', tale da essere de nita da alcuni ricercatori del campo, come il 'Sacro Graal' dei Cristalli Liquidi. Facendo riferimento più in dettaglio al lavoro di Tesi, abbiamo pensato di organizzare il materiale con una Introduzione complessiva, in cui si focalizzano quelle che saranno le nalità del lavoro. Il Capitolo 1, invece, è dedicato ad un'impostazione teorica generale della materia trattata, che farà da supporto anche per i successivi capitoli (senza però dilungarci nell'ennesima e ridondante descrizione dettagliata delle fasi liquido-cristalline, che risulta essere praticamente ubiquitaria, al ne di non appesantire eccessivamente la lettura). Nel Capitolo 2, ci si occupa di una parte consistente dell'attività del Progetto (parte del quale è stato svolto presso l'Università Autonoma di Madrid sotto la supervisione del prof. Giorgio Cinacchi. In tale periodo ci si è dedicati prevalentemente all'apprendimento delle metodologie (con particolare attenzione ai metodi MC), non solo teoricamente. ma anche e soprattutto dal punto di vista pratico. In particolare, abbiamo studiato come le caratteristiche di simme tria delle singole particelle componenti il sistema studiato (dunque, l'appartenenza delle molecole a particolari point groups, quali il D2h, C2h, C2v, ecc. . . ) possano, in linea di principio, originare regioni ove i sistemi acquisiscano, ad es., la caratteristica di essere orientazionalmente biassiali. Procedendo in questa disamina, nel Capitolo 3 è illustrata una particolare applicazione di una metodologia MF (elaborata precedentemente dal prof. Celebre), in scenari molecolari nel cui contesto altri approcci dello stesso tipo denotavano limiti e di coltà. In particolare, sono state investigate le interazioni orientazionali cosiddette 'parzialmente repulsive' tra le molecole, consentendo di 'correlare' direttamente i parametri di biassialità e che compaiono all'interno dell'espressione del potenziale orientazionale, alle propriet à di forma delle particelle (nel caso in questione, schematizzate come mattoncini a simmetria D2h). Ciò può consentire, in linea di principio, di esplorare le conseguenze dell'alterazione dei parametri geometrici molecolari su caratteristiche peculiari del sistema, come le Temperature di transizioni di fase, l'eventuale biassialità delle fasi ecc. Nel corso dello svolgimento del Progetto di Dottorato, è sorta (anche in sinergia con le diverse attività di ricerca all'interno del Laboratorio LX-NMR S.C.An.) una problematica in cui l'apporto delle simulazioni numeriche poteva risultare particolarmente utile. L'interesse era quello di cogliere come sistemi ordinati, composti da particelle elicoidali, potessero impartire un determinato ordine orientazionale a dei piccoli soluti, a loro volta elicoidali, a seconda del senso di avvolgimento delle particelle di solvente. Vista la peculiarità oggettiva (morfologica) delle particelle, i risultati ottenuti potrebbero fungere da banco di prova per un processo di 'enantioriconoscimento' assoluto. Dalle simulazioni abbiamo osservato che talune volte (non sempre. . . ) è possibile discriminare senza ambiguità i due enantiomeri (trattandosi di particelle elicoidali, essi vengono tipicamente individuati mediante i descrittori P ed M), È stato accertato che il veri carsi delle possibilità di enantiodiscriminazione dipende da determinate condizioni (che vengono dettagliatamente discusse nel Capitolo 4). L'idea e le simulazioni numeriche hanno altresì costituito prezioso materiale per un modello MF del fenomeno, in grado di consentire appunto, in linea di principio, la distinzione assoluta dei due enantiomeri (assunta nota l'elicità del solvente). Ciò è reso possibile dalla formulazione di un potenziale orientazionale sensibile alla chiralità, capace di tenere conto del senso di avvolgimento delle particelle elicoidali che si stanno considerando. Il modello elaborato viene presentato e discusso nel Capitolo 5: esso sembra essere particolarmente interessante, avendo anche, a nostro avviso, i requisiti necessari per essere, successivamente, ulteriormente migliorato e 'a nato' per la trattazione di sistemi reali. Per concludere, l'aspetto che maggiormente ci preme sottolineare quale ' loso a' che permea l'intero lavoro di Tesi, è quello di concepire le due metodologie, Molecular Field e Simulazioni Numeriche, come sinergiche (e pertanto non mutuamente esclusive, bensì complementari) una loro corretta applicazione potrebbe condurre il Ricercatore ad ampli carne l'e cacia ed allo stesso tempo aumentare la possibilità di 'innescare' nuove idee sulla base dei dati ottenuti.Università della Calabri

Molecular Characterization of the Organic Fraction of Municipal Solid Waste and Compositional Evolution during Oxidative Processes Assessed by HR-MAS ¹³C NMR Spectroscopy

The use of high-resolution magic angle spinning (HR-MAS) 13C NMR spectroscopy is proposed here as an innovative and non-destructive approach to investigate the chemical composition of the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) and for monitoring the evolution of their composition during the oxidative iron-based Fenton treatment to which the initial matrix is subjected. The high quality and the good resolution of the 13C HR-MAS NMR spectra allowed an accurate assignment and quantification of the various types of carbon present in the analyzed organic matrix. Moreover, the HR-MAS has also shown its effectiveness in monitoring the different oxidative processes to which the same initially organic matrix has been subjected. The results obtained from the HR-MAS spectra on the collected samples during the different oxidative experiments, indicate that Fenton treatment is able to modify the percentage of the different types of carbons as a function of the concentrations of both Fenton reactants, H2O2 and Fe2+ salt, and of the oxidative process time

Molecular Characterization of the Organic Fraction of Municipal Solid Waste and Compositional Evolution during Oxidative Processes Assessed by HR-MAS 13C NMR Spectroscopy

The use of high-resolution magic angle spinning (HR-MAS) 13C NMR spectroscopy is proposed here as an innovative and non-destructive approach to investigate the chemical composition of the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) and for monitoring the evolution of their composition during the oxidative iron-based Fenton treatment to which the initial matrix is subjected. The high quality and the good resolution of the 13C HR-MAS NMR spectra allowed an accurate assignment and quantification of the various types of carbon present in the analyzed organic matrix. Moreover, the HR-MAS has also shown its effectiveness in monitoring the different oxidative processes to which the same initially organic matrix has been subjected. The results obtained from the HR-MAS spectra on the collected samples during the different oxidative experiments, indicate that Fenton treatment is able to modify the percentage of the different types of carbons as a function of the concentrations of both Fenton reactants, H2O2 and Fe2+ salt, and of the oxidative process time

Calculated versus "experimental" force fields.: The influence in the structure determination of benzene by NMR spectroscopy in liquid crystal solvents

Very accurate bond distances can be derived from dipolar couplings, Dij, obtained by analysis of the NMR spectra of samples dissolved in anisotropic solvents (LXNMR). To do this, however, the couplings must be corrected for the averaging produced by vibrational motion. The vibrational corrections require a knowledge of the force field, which may be obtained by fitting experimental vibrational frequencies or, much more easily, from quantum-mechanical computations. In the present study, the reliability of the methods used to calculate the force field and the effects on the accuracy of the vibrational corrections to the Dij is tested on benzene for which a very accurate structural study is available.</p

Intrinsic information content of NMR dipolar couplings: a conformational investigation of 1,3-butadiene in a nematic phase

The conformational equilibrium of 1,3-butadiene in a condensed fluid phase is investigated by liquid-crystal NMR spectroscopy. The full set of D HH and DCH dipolar couplings is determined from the analysis of the 1H spectra of the three 1,3-butadiene most-abundant isotopomers (i.e. the all 12C and the two single-labeled 13C isotopomers) for a total of 21 independent dipolar couplings. A very good starting set of spectral parameters for the analysis of the 1H spectrum is determined in a semiautomated way by the analysis of the (N-1) (specifically, N = 6, the number of 1/2 spin nuclei in the spin system) quantum refocused (5QR), and not (5Q), spectra. As an alternative approach, a Monte Carlo (MC) numerical simulation, capable of predicting the solute ordering, is tested to simulate the 5QR spectrum. The set of D ij couplings is very good, proving that the MC method can represent a novel, valid alternative to the existing spectral simplification procedures. The experimentally determined dipolar-coupling data set is fully compatible with the 1,3-butadiene conformational distribution reported in the literature for isolated molecules, indicating the presence of about 99% of s-trans conformer. With regards to the remaining 1 %, in spite of the direct and very strong dependence of the observables on the molecular structure, it was not possible to discriminate between the planar s-cis and s-gauche forms, both of which produce a very good fit of the dipolar couplings. Vibrational corrections, up to the anharmonic term, were applied; the calculated geometrical parameters are in good - although not exact - agreement with those reported in the literature from experimental and theoretical investigations. This result can be considered as supporting the methodology used for obtaining the structure and conformational distribution of a flexible molecule in a liquid phase.</p