Descritores Topológicos Calculados pelo Programa DRAGON

A necessidade de usar descritores topológicos originou-se do fato de que propriedades físico-químicas podem ser expressas em números e, portanto têm uma possibilidade numérica de se fazer comparações e correlações. As estruturas químicas são entidades discretas, portanto é preciso que se traduzam estas estruturas em números com o objetivo de avaliar o grau de similaridade/dissimilaridade e fazer correlações com diversas propriedades físico- químicas. As estruturas em 3 dimensões das moléculas dependem da sua topologia, ou seja, das posições individuais dos átomos e das ligações entre eles (Hansch et

al. 1990).

Os descritores topológicos, comumente (Balaban & Devillers 1999) chamados de índices topológicos (TI), são calculados baseados na matriz de adjacência e/ou na matriz de distância topológica de uma molécula representada em 2 dimensões. Nas representações das moléculas em 2 dimensões, os átomos e as ligações

correspondentes são representados como vértices e arestas, respectivamente (Balaban & Devillers 1999).

Quando dois átomos (vértices) estão ligados (vizinhos) por uma ligação covalente (aresta), sua distância topológica é definida como 1 (Balaban & Devillers 1999) e estes átomos são adjacentes. As distâncias e as adjacências entre dois átomos numa molécula representada em 2 dimensões são as menores possíveis. Exemplificando, para a representação da molécula do 1-metil-2-propil-ciclobutano (figura 1.6.7.1), as matrizes de adjacência e de distância são apresentadas nas figuras, respectivamente, 1.6.7.2 e 1.6.7.3. 1 2 3 ₄ 5 6 7 8

Figura 1.6.7.1. Representação em 2 dimensões da estrutura molecular do 1-metil-2-propil-

ciclobutano. 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 1 0 0 0 0 0 0 2 1 0 1 0 1 0 0 0 3 0 1 0 1 0 0 0 0 4 0 0 1 0 1 0 0 0 5 0 1 0 1 0 1 0 0 6 0 0 0 0 1 0 1 0 7 0 0 0 0 0 1 0 1 8 0 0 0 0 0 0 1 0

Figura 1.6.7.2. Matriz de adjacência da molécula do 1-metil-2-propil-ciclobutano. Os átomos foram

1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 1 2 3 2 3 4 5 2 1 0 1 2 1 2 3 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 2 1 2 1 0 1 2 3 6 3 2 3 2 1 0 1 2 7 4 3 4 3 2 1 0 1 8 5 4 5 4 3 2 1 0

Figura 1.6.7.3. Matriz de distâncias topológicas da molécula do 1-metil-2-propil-ciclobutano. Os

átomos foram numerados como atribuído na figura 1.6.7.1.

Os descritores moleculares são regularmente criticados na literatura sobre

QSAR. Algumas das principais críticas (Balaban & Devillers 1999) dos descritores

topológicos são:

1. Têm um significado físico-químico pouco claro;

2. Existe uma probabilidade de correlação ao usar um grande número de descritores altamente intercorrelacionados como, por exemplo, conectividade normal e conectividade de valência;

3. O índice de degeneração de certos descritores topológicos pode ser alto;

Algumas das vantagens dos descritores topológicos que os fazem ser largamente utilizados nos estudos de QSAR e QSPR (Relação Quantitativa entre Estrutura Química e Propriedade Molecular) são:

1. Os descritores topológicos podem ser calculados para todas as moléculas existentes;

2. A obtenção dos valores dos descritores topológicos é relativamente rápida utilizando os computadores hoje existentes;

3. O cálculo de diferentes descritores de uma mesma molécula e e considerando- se cada descritor como uma variável permite uma abordagem usando estatística multivariada (Balaban & Devillers 1999);

Há uma extensa quantidade de diferentes descritores topológicos presentes no programa DRAGON v. 5.4 (119 descritores), como por exemplo:

a) O índice topológico CICk (equação 1.6.7.2) que como o índice ICk (índice de informação das moléculas) (equação 1.6.7.1), considera os átomos de hidrogênio nas moléculas. Os valores iguais a ordem zero representa grupos de átomos isolados em classes equivalentes e a ordem 1 denota pares de átomos ligados covalentemente, agrupados em ordem de equivalência (de acordo com a natureza dos átomos, e a multiplicidade da ligação). Para uma série de n vértices, estes são considerados equivalentes se representam o mesmo elemento químico, e possuem as mesmas características estruturais com os seus vizinhos de ordem k. Se há diferentes classes diferentes classificados na ordem k, estes elementos são numerados sucessivamente pi (i = 1, 2, 3, ..., r), onde r é o número total de diferentes elementos classificados na mesma ordem (Balaban & Devillers 1999).

∑

n n

p i

i =

Equação 1.6.7.3

Onde: ni - número de átomos de mesmo elemento com a mesma vizinhança de ordem k;

n – número total de átomos;

Pela equação 1.6.7.1, verifica-se que quanto maior a diversidade entre os vértices de mesma ordem k, maior será o valor do índice de informação das moléculas (ICk). Através da equação 1.6.7.2 verifica-se que quanto maior o ICk, menor será CICk, portanto quanto maior a diversidade entre os vértices de mesma ordem k, menor será o CICk.

b) O descritor PJI2 é calculado a partir do raio (R) e do diâmetro D generalizados (equação 1.6.7.4). O raio e o diâmetro são calculados a partir dos pontos extremos e centrais de uma molécula em duas dimensões. Todas as distâncias topológicas dos átomos (vértices) de uma molécula representada em 2 dimensões são calculadas com relação a todos os outros átomos (vértices) desta. O átomo que apresentar o maior valor de distância topológica com o átomo mais distante será considerado como ponto extremo e seu valor de distância topológica será o diâmetro generalizado (D). Conseqüentemente o átomo que apresentar o menor valor de distância topológica com o átomo mais distante será considerado como ponto central e seu valor de distância topológica será o raio generalizado (R). O ponto extremo e o centro da molécula não precisam ser únicos (Petitjean 1992).

O descritor PJI2 pode ser interpretado com uma medida de balanço entre uma molécula cíclica e uma acíclica. Um valor de PIJ2 igual a 0, indica uma

molécula estritamente cíclica, quanto maior o valor de PJI2, maior será o caráter acíclico do formato da molécula (Petitjean 1992).

R R D PJI2 ( ) − = Equação 1.6.7.4 1.6.8. Descritores BCUT

Sigla utilizada para os descritores propostos por Burden (B), validados pelo

Chemical Abstracts Service (CAS) Registry e ampliados na Universidade do Texas

(UT). Os descritores BCUT são calculados através dos autovalores obtidos da matriz de adjacência (exemplo: figura 1.6.7.2) com elementos nulos da diagonal substituídos por alguma propriedade atômica (massa atômica, volume de van de Waals, eletronegatividade, e polarizabilidade) (Burden 1997).

A essência da obtenção dos descritores é resolver a equação de autovalor (equação 1.6.8.1).

[e] [V] [V]

[B] = Equação 1.6.8.1

Na equação 1.6.8.1, [V] é a matriz de autovetores, [e] é uma matriz diagonal de autovalores, e [B] é uma matriz de conectividade com as seguintes características (BURDEN 1989):

1. Os elementos diagonais dos átomos são valores de alguma propriedade atômica (massa atômica, volume de van de Waals, eletronegatividade, e polarizabilidade);

2. Os valores dos elementos não diagonais dependem da ligação existente entre os átomos i e j. O valor é √1 para uma ligação simples, √2 para uma ligação dupla, √3 para uma ligação tripla e 1,5 para uma ligação aromática;

3. Todos os outros elementos não diagonais recebem valor 0,001.

Considerando-se que esta classe de descritores depende das propriedades atômicas, pode-se aplicar esta em estudos de QSAR e QSPR (Pearlman & Smith 1999; Burden 1997) inclusive para moléculas isotopológicas, ou seja, com a mesma conectividade. Esta classe apresenta 64 descritores ;