Para considerarmos o potencial coulombiano gerado pelas mol´eculas do solvente, bem como pelo complexo de Ru, devemos calcular o potencial el´etrico gerado pelos orbitais moleculares.
O potencial el´etrico gerado por uma distribuic¸˜ao de carga em relac¸˜ao `a origem do sistema de coordenadas ´e dado por
V (~r) = 1 4πεo " q |~r|+ ~µ·~r |~r|3 +O(r n) # . (6.20)
Como as mol´eculas do solvente (´agua e acetonitrila) e do complexo s˜ao neu- tras, o primeiro termo da equac¸˜ao acima ´e nulo. O segundo termo ´e o poten- cial dipolar, onde ~µ ´e o momento de dipolo el´etrico da distribuic¸˜ao de carga e ~r ´e o ponto onde se quer calcular o potencial. O(rn) representa os multi-
polos el´etricos de ordem superior (quadrupolo, octopolo, etc.), os quais ser˜ao desprezados por serem muito pequenos.
Figura 11: Coordenadas utilizadas no c´alculo do potencial el´etrico no ponto ~r cau- sado por um momento de dipolo ~µ em ~Rk(Eq. (6.21)).
Assim, o potencial el´etrico gerado pelos momentos de dipolo pre- sentes no sistema ´e dado por
VDP(~r) = 1 4πεo
∑
k~µk· (~r −~Rk)
|~r −~Rk|3
, (6.21)
sendo que a soma em k ´e feita sobre todas as mol´eculas do sistema, ~Rk ´e
o baricentro da carga nuclear da k-´esima mol´ecula e ~r− ~Rk sua posic¸˜ao em
relac¸˜ao ao ponto em que se quer calcular o potencial (Fig. (11)). O momento de dipolo el´etrico da k-´esima mol´ecula ´e dado por
~µk= NF
∑
φk=1 ~µφ kφk, (6.22)onde ~µφkφk ´e o momento de dipolo el´etrico do orbital molecularφk (para a
mol´ecula k isolada2) e ´e dado pela Eq. (6.17). NFrepresenta o n´ıvel de Fermi
da mol´ecula.
Assim, atrav´es da Eq. (6.21), conhecemos o potencial dipolar em um ponto qualquer~r, devido a polarizac¸˜ao do meio.
O elemento de matriz para o potencial de dipolo el´etrico VDP(~r), ge-
rado entre dois orbitais do tipo Slater|ii e | ji, ´e dado por
Vi jDP = hi|VDP| ji (6.23)
Expandindo VDP(~r) at´e a primeira ordem em torno do ponto m´edio entre os orbitais atˆomicos i e j temos
Vi jDP ≈ hi|[ VDP(~ro) +~∇VDP(~ro)(~r−~ro) ]| ji
= hi| VDP(~ro)| ji + hi| ~∇VDP(~ro)(~r−~ro)| ji
= hi| VDP(~ro)| ji + hi| ~∇VDP(~ro)~r| ji − hi| ~∇VDP(~ro)~ro| ji
= VDP(~ro)hi| ji +~∇VDP(~ro)hi|~r | ji −~∇VDP(~ro)~rohi| ji
= VDP(~ro) Si j+ 1 e~∇V DP(~r o) ~µi j−~∇VDP(~ro)~roSi j = VDP(~ro) Si j+~∇VDP(~ro) " 1 e~µi j−~roSi j # . (6.24)
Considerando apenas o termo de ordem mais baixa na expans˜ao do potencial, obtemos
Vi j≈ VDP(~ro) Si j, (6.25)
onde definimos ~rocomo o ponto m´edio entre os orbitais atˆomicos i e j, ou
seja, Vi jDP≈ Si jVDP ~ Ri+~Rj 2 . (6.26)
Dessa forma, reescrevemos o hamiltoniano como
Hi j= Hi jo− eVi jDP (6.27)
a fim de considerarmos os efeitos diel´etricos do meio. O primeiro termo ´e o hamiltoniano semiemp´ırico de Wolfsberg-Helmholtz
Hi jo=K
2Si j(Hii+ Hj j), (6.28) onde K ´e um parˆametro semiemp´ırico e Hii est´a associado ao potencial de
ionizac¸˜ao do orbital atˆomico de valˆencia i. O segundo termo na Eq. (6.28) ´e a interac¸˜ao dipolar, dada pela Eq. (6.22).
Utilizando as Eqs. (6.26) e (6.28) na Eq. (6.27) obtemos Hi j = K 2Si j(Hii+ Hj j)− eSi jV DP ~Ri+ ~Rj 2 ! = Si j " K 2(Hii+ Hj j)− eV DP ~Ri+ ~Rj 2 !# . (6.29)
O primeiro termo da equac¸˜ao acima decai exponencialmente por causa da matriz de overlap S, portanto, descreve as interac¸˜oes de curto alcance, ou seja, o acoplamento intramolecular e entre mol´eculas pr´oximas umas das outras.
Para melhor descrever as interac¸˜oes de longa distˆancia consideramos a interac¸˜ao dipolar no sistema (∼ r−2). Desta forma, o hamiltoniano semiemp´ı- rico Hodescreve principalmente as interac¸˜oes de curto alcance e o potencial
dipolar VDP(~r) descreve interac¸˜oes de longa distˆancia.
Para n˜ao considerar a interac¸˜ao dipolar no limite em que r−→ 0, ado- tamos um raio de corte rcorte para calcular o potencial dipolar. Assim, para r≤ rcorte o sistema ´e descrito somente pelo termo semiemp´ırico de H¨uckel
(Ho) e para r > rcorte, o sistema ´e descrito pelo termo semiemp´ırico e tamb´em
pela interac¸˜ao dipolar.
A escolha do raio de corte ´e feita analisando-se a estrutura de solvata- c¸˜ao das mol´eculas do sistema, de acordo com as camadas de solvatac¸˜ao.
6.4 ACETONITRILA
Figura 12: Mol´ecula CH3CN. Representac¸˜ao por trˆes s´ıtios HC e os demais s´ıtios CT , YC e Y N.
A simulac¸˜ao de mecˆanica molecular (Apˆendice B) foi feita represen- tando a mol´ecula de acetonitrila (CH3CN) por seis s´ıtios de interac¸˜ao (Fig. 12), destes s´ıtios trˆes s˜ao metil-hidrogˆenio (HC), um metil-carbono (CT), um carbono (CT) e um nitrogˆenio (YN) (SILVA et al., 2010). A acetonitrila na fase l´ıquida foi simulada em uma caixa com aproximadamente 500 mol´eculas e aplicando condic¸˜oes peri´odicas de contorno. Desse conjunto de mol´eculas
escolhemos uma arbitrariamente para fazermos a an´alise da polarizac¸˜ao in- duzida.
Para isso calculamos, para diversas (∼200) configurac¸˜oes moleculares n˜ao correlacionadas do solvente, o momento de dipolo de uma mol´ecula
CH3CN isolada3, escolhida arbitrariamente. Desse conjunto de dados cons- tru´ımos um histograma e ajustamos uma gaussiana para obtermos o mo- mento de dipolo da mol´ecula. Para a mol´ecula CH3CN isolada a gaussiana obtida ´e centrada em µ= 3, 85 D (Figura 6.4), em acordo com o momento de dipolo da acetonitrila no v´acuo, µ≈ 3,92 D. Na fase l´ıquida, devido a polarizac¸˜ao eletrˆonica induzida pelo meio, o momento de dipolo encontrado foi|~µ| = 4,65 D, apresentando boa concordˆancia com dados experimentais e c´alculos de primeiros princ´ıpios (µ= 4, 5 D) (OHBA; IKAWA, 1991).
Figura 13: Polarizac¸˜ao induzida na acetonitrila l´ıquida. No gr´afico superior s˜ao os resultados obtidos para a mol´ecula 24 e no gr´afico inferior, para a mol´ecula 150. O histograma em vermelho corresponde ao momento de dipolo na fase gasosa (3, 85± 0, 25 D) e o histograma verde corresponde ao momento de dipolo na fase l´ıquida (4, 65± 0,3 D). Ambos os histogramas s˜ao ajustados por uma gaussiana.
Como pode ser observado na Fig. (6.4), h´a um aumento no momento de dipolo da mol´ecula CH3CN na fase l´ıquida. Esse aumento ´e produzido pela polarizac¸˜ao eletrˆonica induzida pelo meio sobre a mol´ecula. A interac¸˜ao dipolar e a eventual transferˆencia de carga geram um rearranjo eletrˆonico na mol´ecula, o que causa esse aumento do momento de dipolo el´etrico.
3Escolhida a mol´ecula para calcular o momento de dipolo, elimina-se as demais mol´eculas
6.5 ´AGUA
Figura 14:Modelo de trˆes s´ıtios de interac¸˜ao para a mol´ecula H2O. Para realizarmos simulac¸˜oes de mecˆanica molecular com ´agua des- crevemos a mol´ecula de H2O pelo modelo de trˆes s´ıtios SPC/E (Simple Point Charge, modelo simples de carga pontual4). Nesse modelo a mol´ecula H2O ´e representada com uma distˆancia rOH = 1, 00 ˚A e com ˆangulo ∠HOH =
109, 47o. As cargas nos s´ıtios Hw (hidrogˆenio) e Ow (oxigˆenio) s˜ao, 0, 4238e e−0,8476e, respectivamente5 (BERENDSEN; GRICERA; STRAATSMA, 1987).
Figura 15:Polarizac¸˜ao na ´agua. A curva gaussiana em vermelho indica o momento de dipolo de uma mol´ecula de H2O qualquer em fase gasosa (2, 2± 0,1 D). O his- tograma em verde, fitado por uma gaussiana, indica o momento de dipolo da mesma mol´ecula em soluc¸˜ao aquosa (2, 5± 0,5 D).
A parametrizac¸˜ao do m´etodo de H¨uckel estendido foi feita adotando-
4A sigla E, em SPC/E, denota que o modelo adiciona uma correc¸˜ao m´edia de polarizac¸˜ao
para a func¸˜ao de energia potencial.
se a estrutura da mol´ecula H2O em v´acuo, onde rOH= 0, 957 ˚A e o ´angulo
∠HOH= 104, 52o, com momento de dipolo el´etricoµ= 1, 85 D. No Apˆendice
B detalhamos a dinˆamica molecular do sistema.
Assim como feito para a acetonitrila, escolhemos arbitrariamente uma mol´ecula da soluc¸˜ao aquosa para calcular seu momento de dipolo isolada- mente (Fig. (6.5)). Para a mol´ecula H2O isolada, a gaussiana calculada est´a centrada em µ= 2, 2 D, ou seja, surge um efeito mecˆanico de polarizac¸˜ao induzida de 0, 35 D, produzido pela deformac¸˜ao geom´etrica da mol´ecula du- rante a dinˆamica molecular com o modelo SPC/E.
Contudo, os c´alculos feitos para a fase l´ıquida produzem uma contri- buic¸˜ao adicional para a polarizabilidade correspondente `a polarizac¸˜ao eletrˆo- nica induzida, aumentando o momento de dipolo da mol´ecula H2O para apro- ximadamenteµ= 2, 50 D. Tais resultados concordam bem com as estimativas experimentais (GREGORY et al., 1997) e estudos te´oricos (ROCHA et al., 2001) para o momento de dipolo da mol´ecula H2O em soluc¸˜ao aquosa (2, 6 D a 2, 9 D).
7 RESULTADOS E DISCUSS ˜AO
Neste cap´ıtulo apresentamos o estudo da dinˆamica quˆantica dos esta- dos excitados do complexo [Ru(bpy)3]2+solvatado em ´agua ou acetonitrila. Para isso usamos a teoria descrita nos cap´ıtulos anteriores na simulac¸˜ao do sistema.
Inicialmente descrevemos a solvatac¸˜ao em torno do complexo [Ru (bpy)3]2+, depois as propriedades ´opticas do complexo solvatado e, por fim, analisamos a dinˆamica dos estados excitados do complexo.