B.2 Coordenadas cartesianas da estrutura central do cluster mais populoso
3.4 Álcool reduzido do WOOH
3.4.1 Espectro eletrônico UV-vis
O álcool reduzido do WOOH, que será identificado aqui por WOH, também foi caracterizado por Rosein e colaboradores [7] quanto ao espectro eletrônico UV-vis e a RMN. Quanto à primeira propriedade, duas bandas foram identificadas em torno de 235 nm e 292 nm. Para o cálculo teórico foi realizado o mesmo procedi- mento aplicado anteriormente para o WOOH e o triptofano, a nível TD-B3LYP com modelo de água PCM. No entanto, assim como observado para o WOOH, a banda de maior comprimento de onda (292 nm) não foi bem caracterizada. Com isso se buscou adotar o procedimento utilizado para o WOOH de se realizar o cálculo para a estrutura central do cluster mais populoso, mesmo assim não se obteve diferenças significativas. Como alternativa o nível de cálculo foi modi- ficado, sendo substituido o funcional B3LYP pelo O3LYP que possui estrutura semelhante ao B3LYP, diferenciando-se principalmente devido a diminuição da contribuição de Hartree-Fock4 no cálculo de energias (de 20% para 12%)[65][66].
4B3LYP e O3LYP são funcionais híbridos, nos quais a energia de troca-correlação é calculada
como uma contribuição para a energia de troca proveniente do método Hartree-Fock, adicional- mente a contribuições obtidas por meio de funcionais de troca-correlação que são construídos
83 3.4. Álcool reduzido do WOOH
Tabela 3.16: Espectro UV-vis - WOH em PCM
B3Lyp/6-311+G* O3lyp/6-311+G*
Comprimento de onda (nm) Força do oscilador Comprimento de onda (nm) Força do oscilador
276.7 0.07 286.0 0.06
237.2 0.09 247.2 0.04
214.8 0.10 233.4 0.08
213.1 0.03 215.8 0.04
204.7 0.11 214.1 0.05
Com isso os resultados obtidos se aproximaram do experimental.
Na tabela3.16estão apresentados os cinco picos de maior intensidade (força do oscilador), em ordem decrescente de comprimento de onda, para os dois funcionais utilizados. Desse resultado se conclui a não universalidade da metologia adotada para o cálculo de espectro UV-vis, mostrando mais uma vez a dificuldade de se obter um funcional que seja eficiente para todos os sistemas. A geometria utilizada nesse cálculo está esquematizada na tabela B.4 do apêndice B, a qual também contém os demais parâmetros utilizados na simulação de MC para o procedimento ASEC [64] aplicado na próxima seção.
Assim como para o WOOH, os cálculos teóricos aqui apresentados foram feitos para a estrutura trans do composto em questão, sendo a definição dessa nomenclatura a mesma empregada para o tautômero do triptofano hidroperóxido.
3.4.2 Ressonância magnética nuclear
Cálculos teóricos de RMN para blindagem magnética e acoplamento de spins do WOH também foram realizados, novamente utilizando os métodos PCM e ASEC para representação do solvente. A tabela 3.17 apresenta os valores para a blindagem em relação aos dados experimentais disponíveis.
Capítulo 3. Resultados 84
Tabela 3.17: Blindagem magnética (ppm)- B3LYP/aug-cc-pVTZ-J Átomo 𝜎 (PCM) 𝜎 (ASEC) Experimental[7]
H6 26.89 27.14 26.63 H8 29.69 29.69 28.13 H13 26.22 26.61 25.65 H22 23.86 24.07 23.61 H24 24.36 24.50 24.03 H27 23.98 24.19 23.69 H28 24.48 24.79 24.17 C3 -6.54 1.46 11.69 C5 111.10 111.28 123.35 C7 135.45 135.42 144.23 C12 82.63 81.20 99.89 C14 84.34 84.49 96.85 C19 22.54 24.46 35.85 C20 40.88 41.93 55.09 C21 50.51 50.60 60.01 C23 55.37 53.36 62.83 C25 42.89 42.21 52,98 C26 63.89 63.85 72.64
85 3.4. Álcool reduzido do WOOH
Figura 3.17: Geometria do WOH
Mais uma vez foi obtida uma boa descrição quantitativa da blindagem para os prótons (1𝐻), enquanto para os carbonos (13𝐶) apenas a tendência qualitativa
se encontra em bom acordo. Não se percebe diferença significativa entre os resul- tados dos dois métodos de solvente. É evidente, como era de se esperar devido a semelhança estrutural, a proximidade dos valores para átomos “correspondentes” entre WOOH e WOH.
Por fim, a tabela 3.18 apresenta os valores para acoplamento de spins, na qual a descrição quantitativa para 𝐽22,24, 𝐽24,27 e 𝐽27,28 estão em bom acordo com
o experimento, sendo as duas outras - 𝐽6,8 e 𝐽6,9 - mais distantes para os dois
Capítulo 3. Resultados 86
Tabela 3.18: Acoplamento de spins (Hz) Átomos J (PCM) J (ASEC) Experimental[7]
H6-H8 12.9 12.9 7.9
H6-H9 8.6 8.4 6.1
H22-H24 8.4 8.4 7.5
H24-H27 8.4 8.4 7.7
Capítulo 4
Conclusões
Esse trabalho se dispôs a investigar propriedades estruturais e espectroscópicas de quatro moléculas envolvidas na reação de oxidação do aminoácido triptofano por oxigênio singleto, aplicando técnicas de Química Quântica e simulação com- putacional.
Relativamente ao triptofano, foi verificada a possibilidade de se concluir através do cálculo da Energia livre de Gibbs a forma na qual a molécula se apresenta em fase gasosa (neutra) e em ambiente aquoso (zwiteriônica), o que se encontra de acordo com as evidências experimentais. Aplicando-se a técnica TD-DFT, não se observou efeito solvatocrômico significativo quanto ao espectro eletrônico de absorção, tendo-se obtido as bandas experimentais características em torno de 220 nm e 280 nm. Foram realizados cálculos de Ressonância Magnética Nuclear - blindagem magnética e acoplamento de spins, tendo-se obtido bons resultados, comparados aos experimentais para os prótons (1𝐻). Quanto aos carbonos (13𝐶)
foi obtida a tendência qualitativa da blindagem, ou seja átomos mais blindados tiveram valores de fato maiores do que os menos blindados, embora numeri-
Capítulo 4. Conclusões 88
camente os resultados se distanciem um pouco dos valores experimentais. Tal comportamento também foi observado para o espectro de RMN do tautômero do triptofano hidroperóxido (WOOH) e do álcool (WOH), nos quais se aplicou dois métodos de representação do solvente - PCM e ASEC - que apresentaram resul- tados semelhantes. Em geral os valores encontrados para acoplamento de spins também concordam com as evidências experimentais, salvo algumas exceções. É válido salientar que nos cálculos de RMN foram utilizados conjuntos de funções base parametrizadas especificamente para a avaliação dessa propriedade, a aug- cc-pVTZ-J.
Para o triptofano também se analisou, através do método de Monte Carlo e da Dinâmica Molecular, a interação soluto-solvente (água) através de funções de distribuição radiais de pares e investigação quanto a formação de ligações de hidrogênio. Quanto a essa última propriedade se obteve a interessante observação da doação do hidrogênio ligado ao nitrogênio do anel indol, o que se verifica experimentalmente, apesar do conhecimento sobre a hidrofobicidade desse grupo molecular.
Quanto ao triptofano hidroperóxido, composto postulado como um inter- mediário na reação de oxidação do triptofano, se verificou sua plausibilidade teórica, ao se obter uma estrutura estável, por meio do cálculo de frequências vibracionais. Também se verificou sua maior capacidade de solvatação relati- vamente ao seu tautômero anelar (WOOH), ao se calcular a energia livre de solvatação de ambos a partir da estrutura em vácuo, o que corrobora o indicativo proveniente de seu maior momento de dipolo elétrico. Todavia se observou que esse composto postulado é menos estável do que o tautômero anelar, mesmo em meio aquoso, com um valor superior a 12 kcal/mol entre energia livre de sol-
89
vatação diferencial, que contempla além da energia livre de solvatação a energia livre em fase gasosa dessas moléculas. Esse cálculo pode ser uma justificativa para a obserção experimental do WOOH, em detrimento do composto postulado. Adicionalmente se verificou a dependência conformacional do espectro UV-vis do WOOH, especialmente em relação a banda característica com maior compri- mento de onda (296 nm - experimental), ao se obter diferentes valores ao se alterar a estrutura molecular. Para o espectro do WOH, se obteve, também para a banda característica com menor energia (292 nm - experimental), uma inconsistência entre os resultados para a técnica até então adotado para todos os compostos avaliados ao longo do trabalho (TD-B3LYP/6-311+G*) e o experi- mento, tendo-se então buscado como alternativa a utilização de outro funcional, O3LYP, para a obtenção de um melhor resultado. Esse fato leva à conclusão da ausência de universalidade nas técnicas de DFT aplicadas, o que sugere espaço para o melhoramento dos procedimentos de cálculo de espectro via teoria do fun- cional de densidade, ainda que os desvios nos resultados obtidos não sejam tão grandes.
Apêndice A
Complementos
A.1 Modelo contínuo do solvente
Um dos focos do presente trabalho envolveu a análise teórica do efeito do sol- vente nas propriedades físico-químicas das moléculas estudadas. Um dos modelos utilizados foi o PCM (Polarized continuum model), portanto essa seção visa des- crever as características gerais dessa representação simplificada do solvente.
As primeiras tentativas de representar o solvente de modo a permitir cálculos teóricos advém dos trabalhos de Kirkwood [67] e Onsager [68] na década de 1930, nos quais o solvente era caracterizado apenas por sua constante dielétrica (𝜖). Assim nesses modelos o soluto é inserido em uma cavidade esférica, no vácuo (𝜖 = 1), imersa por um meio contínuo com valor da constante dielétrica ajustado para o solvente de interesse.
91 A.1. Modelo contínuo do solvente
Figura A.1: Representação esquemática do soluto em uma cavidade no solvente contínuo. (extraído de [69])
considerando as condição de contorno.
∇2𝜑(𝑟) = −4𝜋𝜌(𝑟)𝜖 (A.1)
No trabalho citado de Onsager também é introduzido o conceito de “campo de reação” A.2que estabelece um mecanismo de polarização do solvente por ação da distribuição de cargas do soluto, a qual é representada pelo momento de dipolo (𝜇) do soluto.
𝑅 = 2(𝜖 − 1)𝜇
(2𝜖 + 1)𝑟3 (A.2)
Em A.2 r denota o raio da cavidade. Posteriormente Tapia e Goscinski [70] implementaram esse modelo nos cálculos de mecânica quântica na aproximação de Hartree-Fock, a qual, como mencionado no capítulo 2, é avaliada por meio de um procedimento auto-consistente.
Os modelos contínuos apresentam um baixo custo computacional e são efi- cientes para descrever o solvente quando interações específicas, como ligações de hidrogênio, não são requeridas para o estudo em questão. Todavia além desses
Apêndice A. Complementos 92
últimos casos, outro problema enfretado se deve a dependência do modelo com o raio da cavidade, como expresso em A.2. No PCM se busca contornar essa dificuldade ao se definir várias cavidades centradas nos átomos do soluto, com raios cerca de 20% maiores do que os de Van der Walls [29].
Quando interações específicas se fazem necessárias uma das alternativas ado- tadas é a de incluir algumas poucas moléculas de solvente explicitamente na cavidade. Consequentemente para se analisar as conformações desse novo sis- tema é recomendável a aplicação de simulação computacional combinada com os cálculos quânticos, ao se que nomeia de procedimento QM/MM.