PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
LUCAS JOSÉ KARAS
FORÇA DA LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO INTRAMOLECULAR O-H
...O
PARA ALGUNS COMPOSTOS ACÍCLICOS 1,3-DISSUBSTITUÍDOS: O
EFEITO DO GRUPO ALQUILA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CURITIBA 2017
FORÇA DA LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO INTRAMOLECULAR O-H
...O
PARA ALGUNS COMPOSTOS ACÍCLICOS 1,3-DISSUBSTITUÍDOS: O
EFEITO DO GRUPO ALQUILA
CURITIBA 2017
Dissertação apresentada como requisito parcial para obteção do grau de Mestre em Química, do Programa de Pós-Graduação em Química da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR – Campus Curitiba.
Área de Concentração: Química Orgânica Orientador: Prof. Dr. Paulo Roberto de Oliveira.
Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação - Campus Curitiba
Termo de Aprovação Título da Dissertação n° 003
FORÇA DA LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO O-H...O PARA ALGUNS COMPOSTOS
ACÍCLICOS 1,3-DISSUBSTITUÍDOS: O EFEITO DO GRUPO ALQUILA Por
LUCAS JOSÉ KARAS
Dissertação apresentada às 14 horas do dia 20 de fevereiro de 2017, como requisito parcial para obtenção do título de MESTRE EM QUÍMICA, na área de concentração Química Orgânica, linha de pesquisa Análise Conformacional, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Curitiba. O candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
Banca examinadora:
__________________________________________________________ Prof Dr Paulo Roberto de Oliveira (Orientador)
Programa de Pós-Graduação em Química
Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR ________________________________________________ Prof Dr Luciano Nassif Vidal
Programa de Pós-Graduação em Química
Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR ________________________________________________ Prof Dr Cláudio Francisco Tormena
Instituto de Química
Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP
Visto da Coordenação:_________________________________ Prof. Dr. Fernando Molin
Coordenador do PPGQ
AGRADECIMENTOS
Agradeço inicialmente a Deus por me guiar e dar condições para que eu pudesse enfrentar todas as adversidades.
Aos meus familiares por todo apoio e amor. Agradeço em especial aos meus pais, Paulo Karas e Elizabeth Karas, que sempre me deram incentivo, estrutura e condições para que eu pudesse estudar.
Ao Professor Doutor Paulo Roberto de Oliveira pelos diversos ensinamentos repassados como professor e orientador desde a graduação, além de incentivo, amizade e por me dar oportunidade e condições de encontrar meu segmento na química.
Ao Professor Doutor Luciano Nassif Vidal e ao Professor Renan Borsoi por ser banca da qualificação, contribuindo com ensinamentos e acrescentando melhorias ao trabalho.
Ao Professor Doutor Cláudio Francisco Tormena e ao Professor Doutor Luciano Nassif Vidal por aceitarem ser banca da defesa desta dissertação.
Ao Professor Doutor Cláudio Francisco Tormena e ao Professor Doutor Roberto Rittner por disponibilizarem espaço e recursos do LFQO para realização de sínteses e por contribuírem para a discussão do trabalho.
Aos meus grandes amigos e colegas de trabalho Patrick Batista e Renan Viesser, por grande amizade e colaboração desde síntese, analises espectroscópicas e discussão de resultados.
Aos meus colegas do Laboratório de Análise Conformacional e Recursos Renováveis Julia, Peixe e Thiago e Elise pela troca de conhecimento e convívio diário.
Aos Professores da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, em especial aos Professores Eduard Westphal e Fernando Molin e a Professora Cristiane Pillisão, os quais me passaram valiosos conhecimentos em química orgânica.
Aos meus colegas de curso, em especial Alysson Veloso, Julia Sovierzoski, Michael Brandon, Michele Dias e Osmar Pires pelo companheirismo, força e amizade que vou levar para o resto da vida.
Aos meus grandes parceiros Claudino Alves, José Jorge, Leonardo Almeida e Luis Parolim por incontáveis horas de diversão e amizade.
De forma geral agradeço a todos que contribuíram de forma direta ou indireta para a realização deste trabalho, bem como para minha formação.
A beautiful chemical world, of molecules waiting to be made, opens up through the ingenuity of theoretical chemists. Their predictions astound us, generate ideas, and prompt the synthesis of new structures and functions.
(Roald Hoffmann, Paul Schleyer e Henry Schaefer III, 2008)
RESUMO
KARAS, Lucas José. Força da ligação de hidrogênio intramolecular O-H...O para alguns
compostos acíclicos 1,3-dissubstituídos: O efeito do grupo alquila. 91 f. Dissertação de mestrado – Programa de Pós-Graduação em Química, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2017.
Ligações de hidrogênio intramoleculares (LHI) estão entre as interações estabilizantes mais importantes que uma molécula pode apresentar, sendo muitas vezes a interação responsável por determinar o arranjo molecular. A avaliação da importância de ligações de hidrogênio para a estabilização de confôrmeros de uma molécula é realizada através de análise conformacional, que é o ramo da química orgânica que se atém a determinação da geometria molecular e da energia dos confôrmeros de uma molécula e de estudos para determinar quais as interações estéricas e eletrônicas que são responsáveis pela estabilização de cada confôrmero. Para investigar esta influência em compostos acíclicos 1,3-dissubstituídos, as preferências conformacionais dos compostos 3-R-propanol [R = OH (1), OCH3 (2), OCH2CH3(3),
OCH(CH3)2 (4) e OC(CH3)3(5)], 3-R-butanol [R = OH(6), OCH3(7)] e 3-metil-3-R-butanol [R
= OH (8), OCH3 (9)] foram avaliadas através de cálculos teóricos utilizando o funcional
LC-ωPBE/6-311+G(d,p) atrelados a técnicas experimentais de espectroscopia no infravermelho e ressonância magnética nuclear. Os compostos 1, 2, 6 e 7 foram obtidos comercialmente, os demais foram sintetizados. Para todos os compostos o confôrmero mais estável foi o que apresenta LHI O-H...O. Através do estudo de população térmica observou-se que a somatória
da população dos confôrmeros que fazem LHI sempre foi muito superior a população dos que não fazem LHI. A população térmica dos confôrmeros que fazem LHI foi de 65, 66, 73, 69, 97, 92, 79, 99 e 99 % para os compostos de 1 a 9, respectivamente. As análises de infravermelho mostraram que os valores de aumentaram de 76, 87, 96, 100 e 112 cm-1 para os compostos
de 1 a 5, respectivamente, indicando que a adição de grupos alquilas ao oxigênio aceptor de hidrogênio aumenta a força da LHI, apesar da repulsão estérica aumentar com o aumento do volume do substituinte. Os resultados de infravermelho mostram também que a força da LHI é maior para o composto 2 ( = 87 cm-1) do que para o composto 6 ( = 77 cm-1) indicando
que a adição de grupos alquilas diretamente ao oxigênio aceptor de hidrogênio aumenta mais a força da LHI do que quando adicionados ao carbono α a este oxigênio. Os resultados de 3J
HH
obtidos pelo RMN de 1H mostraram que os valores de 3J
HH são alterados com a mudança da
basicidade do solvente. Os valores de 3J
HH são menores em CCl4 e maiores em DMSO-d6 para
todos os compostos. Uma equação foi proposta para mensurar a fração molar de confôrmeros com ligação de hidrogênio intramolecular através de constantes de acoplamento vicinais baseado em observações teóricas e experimentais. Os valores de fração molar dos confôrmeros que fazem LHI foram de 59, 53, 56, 57, 78, 88 e 74 % em CCl4 para 22, 13, 15, 12, 16, 44 e 13
% em piridina-d5, para os compostos de 1, 2, 3, 4, 5, 8 e 9, respectivamente. Estes resultados
mostram que em solventes mais básicos, os confôrmeros que não fazem LHI são mais estáveis, consequentemente as rotações entre as ligações carbono-carbono são facilitadas e os valores de
3J
HH são próximos ou maiores que 7,0 Hz, que é um valor médio para livre rotação.
Palavras-chave: ligação de hidrogênio intramolecular; cálculos teóricos; sistemas acíclicos 1,3-dissubstituídos; infravermelho; ressonância magnética nuclear.
ABSTRACT
KARAS, Lucas José. The strength of O−H···O intramolecular hydrogen bonding for some 1,3-disubstituted acyclic compounds: the effect of the alkyl group. 91 p. Master’s Thesis – Chemistry Graduate Program, Federal University of Technology - Paraná. Curitiba, 2017.
Intramolecular hydrogen bonding is one of the most important intramolecular interactions, which is a critical element in deciding the molecular arrangement. Conformational analysis is the most powerful tool to evaluate the hydrogen bonding importance for a conformational preference. The term conformational analysis covers two aspects: determining molecular geometry and conformer energies, followed by studies to determine which steric and electronic interactions are responsible for the conformational stability. To investigate this influence in acyclic compound, the conformational preferences of 3-R-propanol [R = OH (1), OCH3 (2),
OCH2CH3(3), OCH(CH3)2 (4) e OC(CH3)3(5)], 3-R-butanol [R = OH(6), OCH3(7)] e
3-metil-3-R-butanol [R = OH (8), OCH3 (9)] are evaluated by means of theoretical calculations along
with experimental infrared and nuclear magnetic resonance spectroscopies. Compounds 1, 2, 6, and 7 were purchased and the rest of remaining compound were synthesized. In fact, the most stable conformation of these compounds exhibit IAHB. Thermal population of hydrogen-bonded conformers are 65, 66, 73, 69, 97, 92, 79, 99, and 99% for compound 1-9, respectively. Experimental infrared data show the red-shift value increase of 76, 87, 96, 100 to 112 cm-1 for
compound 1-5, respectively, suggesting that the addition of alkyl groups to the IAHB proton acceptor atom increases the strength of this interaction and, although the steric repulsion increases along with increasing substituent volume, the increase in the IAHB strength is higher than the increase in the steric repulsion. Infrared data also show that the IAHB strength is greater for compound 2 ( = 87 cm-1) than for compound 6 ( = 77 cm-1), indicating that the increase
in the IAHB strength is greater when alkyl groups are bonded directly to the oxygen proton acceptor than to the α-carbon. Experimental 3J
H1H2 increases with the increase in solvent
basicity for all compounds, indicating a change in the conformacional preference along with the increase in solvent basicity. An equation based on vicinal coupling constant is proposed to analyze 1,3-disubstituted acyclic compounds, allowing measurement of the experimental molar fraction (XHB) of conformers hydrogen-bonded in any solvent. The XHB values changed of 59,
53, 56, 57, 78, 88, and 74% in the CCl4 solvent to 22, 13, 15, 12, 16, 44, and 13% in pyridine-
d5 as solvent. These results indicate that conformers hydrogen-bonded are predominant in
non-basic solvents, while the population of conformers non-hydrogen-bonded increases as solvent basicity increases.
Keywords: intramolecular hydrogen bonding; theoretical calculation; acyclic 1,3-dissubstituted systems; infrared spectroscopy; nuclear magnetic resonance.
INDÍCE DE FIGURAS
Figura 1. Estrutura dos compostos estudados. ... 16 Figura 2. Gráficos de superfícies mostrando a interação entre os orbitais σC-H e σ*C-H para o
etano. A) antiperiplanar e B) synperiplanar. Fonte: Weinhold 9 ... 19
Figura 3. Análise NCI do ácido fórmico. (a) gráfico do gradiente de densidade reduzida versus sign(λi)ρ, onde o pico de valor negativo é atribuído a interações atrativas (ligação de hidrogênio)
e positivo é atribuído a interação repulsiva (van der Waals). Isosuperfícies mostrando (b) interações atrativas e (c) interações repulsivas. Fonte: Contreras-Garcia et. al.51 ... 24
Figura 4. Diagrama de energia para o efeito Zeeman. Adaptado de Simpson.60 ... 29
Figura 5. Relação entre constante de acoplamento e o ângulo diedro . ... 31 Figura 6. Anel de seis membros tipo cadeira com o grupo substituinte R em posição pseudo-equatorial (A) e pseudo-axial (B). ... 40 Figura 7. Estrutura dos confôrmeros mais estáveis que formam LHI (1a, 2a, 3a, 4a e 5a) e que não formam LHI (1c, 2b, 3b, 4b e 5c) para os compostos 1-5. ... 41 Figura 8. Anel de seis membros tipo cadeira com o grupo substituinte R e metila em posição pseudo-equatorial-equatorial e) (A), pseudo-axial-axial (a-a) (B), pseudo-equatorial-axial (e-a) (C), pseudo-axial-equatorial (a-e) (D) e torcida (E). ... 43 Figura 9. Tipos de LHI para o composto 6. A) O4-H6...O5 e (B) O5-H7...O4. ... 43
Figura 10. Estrutura dos confôrmeros mais estáveis que formam LHI (6a, 6b e 7a) e que não formam LHI (6e e 7c) para os compostos 6 e 7... 44 Figura 11. Anel de seis membros tipo cadeira com o grupo substituinte R em posição pseudo-equatorial (A) e pseudo-axial (B). ... 45 Figura 12. Tipos de LHI para o composto 8, LHI O4-H6...O7 (A) e LHI O5-H7...O4 (B). ... 45
Figura 13. Estrutura dos confôrmeros mais estáveis que formam LHI (8a, 8c e 9a) e que não formam LHI (8e e 9c) para os compostos 8 e 9... 46 Figura 14. Gráficos moleculares QTAIM para os confôrmeros 1a, 2a, 3a, 4a, 5a, 6a, 6b, 7a, 8a, 8c e 9a. BCPs e RCPs são mostrados como círculos verdes e vermelhos, respectivamente, e BPs são indicados por linhas tracejadas. ... 47 Figura 15. Gráfico do gradiente de densidade reduzida (s) versus sign(λ2)ρ (A) e isosuperfícies
NCI (B) gerados com s = 0,5 u.a. e escala de cor –azul-verde-vermelho -0,03 < ρ < +0,03 u.a. para os confôrmeros 1a, 2a, 3a, 4a, 5a. ... 49 Figura 16. Estrutura de Newman para os confôrmeros 6a e 6b... 52 Figura 17. Estrutura de Newman para os confôrmeros 8a e 8c. ... 54 Figura 18. Espectro no infravermelho dos compostos 1 (A), 2 (B), 3 (C), 4 (D), 5 (E), 6 (F), 7 (G), 8 (H) e 9 (I) em soluções de CCl4 nas concentrações de 0.01, 0.03, e 0.10 mol L-1. ... 58
Figura 19. Valores de deslocamento da banda de estiramento do grupo OH para o vermelho dos compostos 1-9. ... 60 Figura 20. Sobreposição dos espectros de infravermelho na região de estiramento do grupo hidroxila dos compostos 1-5. ... 61 Figura 21. Sobreposição dos espectros no infravermelho na região de estiramento do grupo hidroxila dos compostos 1, 6 e 8 (A) e 2, 7 e 9 (B). ... 61 Figura 22. Espectro no Infravermelho dos compostos n-butanol e terc-butanol em concentração de 0,03 mol L-1 em CCl
4. ... 63
Figura 23. Equilíbrio conformacional do 3-metilcicloexano (A) mostrando os hidrogênios utilizados na Equação 11 e (B) o ângulo diedro entre os hidrogênios que estão acoplando. ... 65
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Núcleos ativos para RMN.a... 28
Tabela 2. Energia relativa de Gibbs (ΔG)a e população térmica (P)b para os confôrmeros mais
estáveis dos compostos 1-5 a 298 K. ... 39 Tabela 3. Energia relativa de Gibbs (ΔG)a e população térmica (P)b para os confôrmeros mais
estáveis dos compostos 6 e 7 a 298 K. ... 42 Tabela 4. Energia relativa de Gibbs (ΔG)a e população térmica (P)b para os confôrmeros mais
estáveis dos compostos 8-9 a 298 K. ... 44 Tabela 5. Parâmetros geométricos da LHI (rO5…H6, comprimento da ligação O4-H6 e ΔO4-H6)
e NCI [sign(λ2)ρ] calculados para os confôrmeros mais estáveis dos compostos 1-9. ... 48
Tabela 6. Energia relativa total [ΔE(Total)], energia relativa de interação estérica [ΔE(L)] e energia relativa de interação hiperconjugativa [ΔE(NL)] para os confôrmeros mais estáveis com e sem LHI para os compostos 1-9. ... 51 Tabela 7. Análises NBO, geométricas e NCI para os confôrmeros 6a e 6b em diferentes níveis de teoria. ... 52 Tabela 8. Análise de NBO steric e NBO para os confôrmeros 6a e 6b do composto 6. ... 53 Tabela 9. Análise de NBO e NBO steric para os confôrmeros 8a e 8c com o funcional LC-ωPBE/6-311+G(d,p). ... 54 Tabela 10. Valores de cargasa obtidas do QTAIM para os átomos participantes de ligação de
hidrogênio nos confôrmeros 6e e 8e. ... 55 Tabela 11. Frequências de estiramento OH (OHlivre e OHligada)a e entalpia de formação da
ligação de hidrogênio ( )b para os compostos 1-9. ... 59
Tabela 12. Interações hiperconjugativasa entre os orbitais σ ligantes das ligações C-H das
metilas adicionadas no carbono da posição α ao oxigênio aceptor de prótons e o orbitalσ* da
ligação C3-O5, para os compostos 6, 7, 8 e 9. ... 62
Tabela 13. Constantes de acoplamento vicinais (3J
H1H2)a, frações molares experimentais (XHB)
e frações molares calculadas (XCALC) em solventes com diferentes constantes dielétricas (Ɛ)b e
LISTA DE ABREVIATURAS
BCP Bond critical point
DFT
GTO Density Functional Theory Guassian-type orbitals
LHI Ligação de hidrogênio Intramolecular NBO
NBO DEL NCI
Natural Bond Orbitals
Análise de orbitais naturais de ligação com deleção Non-Covalent Interactions
NMLO Natural Localized Molecular Orbitals QTAIM
RCP RMN
Quantum Theory of Atoms in Molecules Ring critical point
Ressonância magnética nuclear
LISTA DE SÍMBOLOS
σ Orbital sigma ligante σ*
3J HH
Orbital sigma antiligante
Constante de acoplamento vicinal hidrogênio-hidrogênio LP Pares de elétrons livres
π* Orbital pi antiligante
X-H Segmento doador de próton na ligação de hidrogênio Y Átomo receptor de próton na ligação de hidrogênio
G Energia relativa de Gibbs
P População térmica do confôrmero Constante de equilíbrio
ρ(r) Densidade eletrônica no ponto r
2ρ(r) Laplaciano ao quadrado da densidade eletrônica no ponto r
∆rH Interpenetração no raio do átomo H
∆rO Interpenetração no raio do átomo O
∆q(H) Variação na carga do átomo de hidrogênio
∆E(H) Variação na energia atômica do átomo de hidrogênio
∆M(H) Variação no modulo do momento dipolo do átomo de hidrogênio ∆V(H) Variação do volume do átomo de hidrogênio
V(r) Energia potencial no ponto r
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 14 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 17 2.1 ANÁLISE CONFORMACIONAL ... 17 2.1.1 Efeito estérico ... 18 2.1.2 Efeito Hiperconjugativo ... 18 2.1.3 Ligações de Hidrogênio ... 19 2.2 CÁLCULOS TEÓRICOS ... 20
2.2.1 Teoria do Funcional de Densidade (DFT) ... 20
2.2.2 Teoria Quântica de Átomos em Moléculas (QTAIM)... 22
2.2.3 Orbitais Naturais de Ligação (NBO) ... 23
2.2.4 Interações não-covalentes (NCI) ... 24
2.2.5 Funções de Base ... 25
2.3 ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO ... 26
2.3.1 Deslocamento da banda O-H ... 27
2.3.2 Efeito da concentração... 27
2.4 RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR ... 28
2.4.1 Introdução a Ressonância Magnética Nuclear... 28
2.4.2 Constante de acoplamento (3J HH) ... 30 3 OBJETIVOS ... 33 3.1 OBJETIVO GERAL ... 33 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 33 4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 34
4.1 SÍNTESE DOS COMPOSTOS ... 34
4.1.1 3-etoxipropanol (3). ... 34 4.1.2 3-isopropoxipropanol (4). ... 35 4.1.3 3-tercbutoxipropanol (5) ... 35 4.1.4 3-metil-1,3-butanodiol (8) ... 35 4.1.5 3-metil-3-metoxibutanol (9) ... 36 4.2 DETALHES COMPUTACIONAIS ... 37 4.3 ANÁLISES ESPECTROSCÓPICAS ... 37 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 38
5.1 ANÁLISE CONFORMACIONAL: CÁLCULOS TEÓRICOS ... 38
5.1.1 Determinação das geometrias mais estáveis dos compostos 1-9 ... 38
5.1.2 Análises topológicas: QTAIM e NCI ... 46
5.1.2 Análise de orbitais naturais de ligação: NBO, NBO DEL e NBO Steric ... 50
5.2 EFEITO DO SUBSTITUINTE NA FORÇA DA LHI: INFRAVERMELHO ... 56
5.3 EFEITO DO SOLVENTE NO EQUILÍBRIO CONFORMACIONAL: RMN ... 63
6 CONCLUSÕES ... 69 REFERÊNCIAS ... 70 APÊNDICE A ... 78 APÊNDICE B ... 78 APÊNDICE E ... 80 APÊNDICE F ... 80 APÊNDICE I ... 82 APÊNDICE J ... 82 APÊNDICE M ... 84
APÊNDICE N ... 84 APÊNDICE O ... 85 APÊNDICE P ... 85 APÊNDICE Q ... 86 APÊNDICE R ... 86 APÊNDICE S ... 87 APÊNDICE T ... 87 APÊNDICE U ... 88 APÊNDICE V ... 88 APÊNDICE X ... 89 APÊNDICE Z ... 89 APÊNDICE Y ... 90 APÊNDICE AA ... 91 APÊNDICE AB. ... 91
1 INTRODUÇÃO
O termo análise conformacional refere-se a dois aspectos de estudos: determinação da geometria molecular e energia dos confôrmeros, seguida pela determinação de quais interações estéricas e eletrônicas são responsáveis pela estabilização de cada confôrmero. 1; 2 A análise
conformacional tem se tornado uma ferramenta fundamental para diversos campos da química, dentre eles podemos citar mecanismos de reações, design de novos catalisador, além de ser uma peça fundamental em pesquisas farmacêuticas e farmacológicas.3 A análise
conformacional pode ser realizada utilizando uma variedade de técnicas espectroscópicas, ou combinações delas. As principais técnicas espectroscópicas utilizadas são a espectroscopia no infravermelho, 4; 5 e a ressonância magnética nuclear (RMN).6 Entretanto, para obtermos um
conhecimento completo sobre a preferência conformacional de um composto, cálculos mecânico quânticos são requeridos.2
Cálculos teóricos são aplicados a estudos conformacionais como uma importante ferramenta para identificar interações intramoleculares que explicam as preferências conformacionais observadas experimentalmente. As interações intramoleculares mais importantes para a estabilização de uma conformação são as repulsões estéricas e as interações hiperconjugativas. Melo et al.,7 mostraram que para os 3-haloderivados da
1-metilpirrolidin-2-ona, as repulsões estéricas entre o oxigênio e halogênio determinam a preferência conformacional para flúor-, cloro- e bromo-derivados, enquanto que as interações hiperconjugativas governam a preferência conformacional para iodo-derivados. A importância em saber quais interações governam a preferência conformacional de um composto, pode ser ilustrada utilizando o etano. Este composto é a molécula mais simples que apresenta livre rotação da ligação simples carbono-carbono. Mesmo para este pequena e simples molécula, há dúvidas acerca de quais interações são responsáveis pela preferência da conformação alternada sobre a conformação eclipsada.8; 9; 10; 11; 12
Além das interações hiperconjugativas e estéricas, uma das interações mais importantes que pode controlar a preferência conformacional são as ligações de hidrogênio intramoleculares (LHI).2; 4 O termo ligação de hidrogênio foi formulado por Pauling,13 que
estabeleceu que “sobre certas condições um átomo de hidrogênio é atraído por dois átomos, ao invés de apenas um, podendo ser considerado como ligados entre eles. Isto é chamado de ligação de hidrogênio”. Ligações de hidrogênio desempenham um papel fundamental na geometria de uma molécula. Esta importância é evidente nos estudos realizados por Oliveira e
Rittner,14; 15; 16; 17 que mostraram que o confôrmero diaxial em cicloexanos
cis-1,3-dissubstituídos é favorecido em solventes apolares e em fase isolado quando os grupos substituintes podem formar LHI. Esta interação estabilizante supera as interações repulsivas estéricas 1,3-diaxiais entre os grupos substituintes e os hidrogênios axiais.
Uma variedade de diferentes evidencias experimentais e teóricas são consideradas características de uma ligação de hidrogênio. Uma das mais comuns e bem estabelecida técnica para caracterização de ligação de hidrogênio é a espectroscopia de infravermelho, na qual uma ligação de hidrogênio pode ser evidenciada pelo deslocamento para o vermelho da frequência de estiramento XH, onde X = O, N, etc.18 Além disso, a magnitude do deslocamento para o
vermelho pode ser aplicado para mensurar a força da ligação de hidrogênio.18 O conhecimento
sobre a força da ligação de hidrogênio pode ser essencial para aplicações em física, química e biologia.19 A força da LHI depende da eletronegatividade do átomo X e da disponibilidade
eletrônica do átomo Y, o qual atua como um receptor de próton na formação da LHI.
Além da espectroscopia de infravermelho, a ressonância magnética nuclear é uma das mais poderosas técnicas para análise conformacional. O poder da RMN é, em grande parte, devido a estreita relação entre a constante de acoplamento vicinal spin-spin (3J
HH) e o ângulo
diedro entre os átomos acoplados.2 Esta relação pode ser ilustrada através do recente review,2
sobre aplicações de RMN e cálculos mecânico quânticos para análise conformacional de pequenas moléculas. Este review descreve o grande número de estudos bem-sucedidos utilizando constantes de acoplamento entre três ligações 3J
HH para prover informações valiosas
sobre as preferências conformacionais de compostos cíclicos.7; 20; 21 Entretanto, sistemas
acíclicos nos quais os confôrmeros estão em rápida interconversão, é difícil resolver os sinais para confôrmeros individuais.2 Nestes sistemas, as constantes de acoplamento experimentais
(Jobs) são dadas como uma média, entre 6 e 8 Hz. Usualmente, este valor tende a um valor
próximo de 7 Hz, que é a média dos valores de 3J
HH esperados para as três conformações
alternada: 4 Hz (60º), 13 Hz (180º) e 4 Hz (300º).22
Neste trabalho, nós escolhemos investigar como LHI afetam a preferência conformacional de alguns compostos acíclicos 1,3-dissubstituídos e qual o efeito dos diferentes substituintes alquilas na força da ligação de hidrogênio para estes compostos através de cálculos teóricos, espectroscopia de infravermelho e medidas de RMN de 1H. Especificamente,
os compostos 1,3-propanodiol (1), 3-metoxipropanol (2), 3-etoxipropanol (3), 3-isopropoxipropanol (4), 3-tercbutoxipropanol (5), 1,3-butanodiol (6), 3-metoxibutanol (7), 3-metil-1,3-butanodiol (8) e 3-metil-3-metoxibutanol (9) foram estudados, Figura 1.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 ANÁLISE CONFORMACIONAL
“As conformações de uma molécula são arranjos no espaço dos átomos da molécula que não se sobrepõem uns sobre os outros.”23 Este foi o conceito de conformação definido por
Barton23 em sua leitura do Nobel na metade do século XX. Hoje em dia, com técnicas analíticas
mais sofisticadas e com o crescimento da química computacional, as pesquisas no campo de Análise Conformacional cresceram em importância. Em muitos campos de pesquisa na química, a Análise Conformacional tornou-se uma forte ferramenta para interpretação de reações complexas, design de novos catalisadores e nas pesquisas farmacêuticas e farmacológicas.3
As diferentes conformações de uma molécula podem ser obtidas pelas rotações das ligações covalentes simples.24 A rotação em torno de ligações simples geralmente exige pouca
energia. Alcanos saturados exibem barreiras rotacionais sobre ligações C-C de cerca de 3-10 kcal mol-1, sendo que os confôrmeros trans-gauche são mais estáveis.25 Devido à baixas
barreiras rotacionais, estas moléculas apresentam um equilíbrio entre as diferentes conformações possíveis e mudam de conformação de forma extremamente rápida em condições ambientes.25
A importância do entendimento das interações que governam a preferência conformacional pode ser ilustrado utilizando moléculas simples, como etano e butano, as quais são protótipos para livros textos de química orgânica,26; 27 porém ainda apresentam
controvérsias em artigos quanto aos efeitos responsáveis pela estabilização das conformações mais e menos estáveis.8; 28; 29
Segundo Ribeiro e Rittner1, a Análise Conformacional refere-se não somente a
determinação das geometrias estruturais e das suas energias, mas também a determinação de quais as forças responsáveis pela estabilidade relativa destas conformações. A estabilidade está diretamente relacionada a interações estéricas e hiperconjugativas.
2.1.1 Efeito estérico
A estabilidade de determinadas conformações em moléculas simples é muitas vezes atribuída a interações intramoleculares clássicas, como efeitos de repulsão entre grupos volumosos. O efeito estérico resulta da repulsão eletrônica entre orbitais ligantes de grupos próximos espacialmente, este efeito depende do tamanho e da orientação destes grupos.30
Ao efeito estérico são atribuídos a preferência conformacional de determinadas moléculas, bem como a preferência por um mecanismo em detrimento ao outro.31 É uma
interação que pode ser quantificada por diferentes metodologias, como a utilização de análise teóricas, como NBO Steric e NCI.
2.1.2 Efeito Hiperconjugativo
O termo hiperconjugação descreve efeitos estabilizantes oriundos da deslocalização eletrônica de elétron de orbitais ligantes ou não-ligantes para orbitais antiligantes adjacentes (orbitais não- parcialmente preenchidos π* ou para orbitais-σ em posições vicinais ou geminais).32 Estas interações levam a significantes mudanças na geometria, densidade
eletrônica, energia dos orbitais moleculares, espectros de infravermelho, comprimento de ligação, e propriedades magnéticas.33
Um dos fatores que controlam a hiperconjugação é a coplanaridade entre os orbitais que estão interagindo. As geometrias com arranjo antiperiplanar são favorecidas em relação as geometrias synperiplanar.33 Este efeito vem sendo citado como o responsável pela estabilização
da conformação anti do etano.8 A origem desta preferência, para o etano, esta ilustrada na
Figura 2, onde é possível visualizar a sobreposição entre os orbitais σC-H e σ*C-H na
Figura 2. Gráficos de superfícies mostrando a interação entre os orbitais σC-H e σ*C-H para o etano.
A) antiperiplanar e B) synperiplanar. Fonte: Weinhold 9
O efeito hiperconjugativo é também um dos responsáveis pela formação de ligações de hidrogênio, onde há transferência de carga dos pares de elétrons dos orbitais não ligantes de um oxigênio para um outro orbital sigma antiligante da ligação O-H (LP → σ∗ ), no caso de
ligações de hidrogênio OH...O.33 Esta interação é conhecida como interpretação quântica da
ligação de hidrogênio.
2.1.3 Ligações de Hidrogênio
Ligações de hidrogênio são a essência da vida na terra. Elas são responsáveis pelas propriedades únicas da água e por manter as duas fitas de DNA ligadas.34 São encontradas nos
estados sólido, líquido e gasoso e são importantes para diversos processos físicos e biológicos porque governam o arranjo das moléculas.19 A ligação de hidrogênio é um fenômeno muito
amplo e está frequentemente associada a estudos no campo da química4, bioquímica35, e
medicina36.
Ligações de hidrogênio são frequentemente simbolizada por X−H···Y e resultam da interação entre um segmento doador de próton (X-H) e um segmento receptor de próton (Y), onde X e Y são átomos eletronegativos, geralmente O, N e Cl.19; 37 Há dois tipos gerais de
ligações de hidrogênio, as intermoleculares, que são formadas entre duas moléculas diferentes e as intramoleculares, onde a ligação de hidrogênio é formada entre fragmentos de uma mesma molécula.37
Diversos artigos relatam a importância das LHI para a equilíbrio conformacional de anéis de seis membros. Sabe-se que as LHI são responsáveis por mudar o equilíbrio conformacional do confôrmero diequatorial para o confôrmero diaxial.15; 16; 20 Porém, para
sistemas alifáticos, devido ao maior número de ângulos diedros e conformações, a importância das LHI ainda está sendo discutida.
2.2 CÁLCULOS TEÓRICOS
A química quântica baseia-se em princípios da mecânica quântica para descrever propriedades de moléculas. A descrição energética de uma molécula é obtida através de resoluções da Equação de Schrödinger não-dependente do tempo, equação (1).38
Hψ = Eψ (1)
Onde H é o operador Hamiltoniano de energia cinética e potencial, ψ é a função de onda que descreve o sistema e E é a energia associada a função de onda. A resolução desta equação que governa a química quântica é impraticável para a maioria dos sistemas de interesse dos químicos orgânicos, sendo necessário a utilização de modelos de aproximações que permitam que a matemática envolvida na resolução seja simplificada.38; 39
Existem diversos modelos de aproximações, dentre os quais podemos citar os modelos baseados em função de onda (semi-empíricos, ab initio, modelos de correlação eletrônica) e modelos baseados na teoria do funcional de densidade (DFT). Este último tornou-se um importante modelo para o estudo de sistema de tamanho moderado a grande, o que abrange grande parte dos sistemas estudados pelos químicos orgânicos e, portanto, de grande interesse neste trabalho.38; 40
2.2.1 Teoria do Funcional de Densidade (DFT)
A teoria do funcional de densidade (density functional theory) é baseada no teorema de
Hoherberg e Kohn41 que diz que a energia eletrônica do estado fundamental pode ser
determinada completamente pela densidade eletrônica ρ, equação (2).42
E = E[ρ(r)] (2)
Onde E representa a energia do sistema, enquanto ρ representa a densidade eletrônica dependente das coordenadas espaciais.
A DFT exibe vantagens em relação aos métodos baseados na função de onda. A densidade eletrônica total ρ(r) é dependente de somente três variáveis, as posições x, y e z no espaço, enquanto que a função de onda eletrônica é dependente de 4n variáveis, três espaciais e a coordenada de spin de cada elétron.38 Enquanto a complexidade da função de onda aumenta
exponencialmente com o número de elétrons, a densidade eletrônica apresenta o mesmo número de variáveis, independentemente do tamanho do sistema.42
Para obter a energia através de métodos DFT, Kohn e Sham43 propuseram que o
funcional de densidade tem a forma da equação (3).
E ρ(r) = T ρ(r) + V ρ(r) + V ρ(r) +E ρ(r) (3)
Onde Vne e Vee são os termos de atração núcleo-elétron e repulsão elétron-elétron,
respectivamente. O primeiro termo, Te’ é definido como a energia cinética de elétrons
não-interagentes, nos quais a densidade é a densidade real dos elétrons. O último termo, Exc, é
chamado de funcional de troca e correlação, este termo abrange todas os outros aspectos de um sistema.
O método de Kohn-Sham procede de forma a encontrar os orbitais que minimizam a energia, análogo ao método Hartree-Fock. Portanto, com um custo computacional próximo aos métodos HF, os métodos DFT encontrar a energia de uma molécula com a vantagem de incluir a energia de correlação eletrônica do sistema.38
A grande desvantagem dos métodos DFT é que não há maneira sistemática de melhorar a acurácia dos resultados. Este método é diferente dos métodos baseados na função de onda, onde resultados melhores são obtidos sistematicamente, por exemplo, aumentando o número e tipos de configurações nos métodos configuration interaction.38
Cramer39 descreve que o contraste entre métodos baseados na função de onda (WFT)
aproximadas, enquanto que métodos DFT fornecem uma teoria exata com soluções aproximadas.
Infelizmente, não há um único funcional DFT que forneça bons resultados para todos os sistemas químicos.38 A escolha do funcional DFT a ser utilizado em um trabalho passa pela
análise de trabalhos que se proponham a avaliar as vantagens e falhas dos diversos funcionais DFT em diferentes sistemas ou que apresentem compostos similares aos de interesse.
Uma lista anual sobre a popularidade dos funcionais DFT têm sido publicada por Swart et al.44 Esta lista fornece os funcionais mais bem avaliados e os divide em primeira e
segunda divisão (Primera Divisió e Segona Divisió). No ano de 2016 os funcionais pertencentes a primeira divisão, e portanto mais bem avaliados, foram PBE, PBE0, B3LYP, ωB97X-D, B3LYP-D, CAM-B3LYP, BP86, LDA, M06-2X, B97-D, PW91, HSE, B2PLYP, revPBE, LC-ωPBE, TPSSh, RPA, BLYP, OLYP e BHandH.
2.2.2 Teoria Quântica de Átomos em Moléculas (QTAIM)
A teoria quântica de átomos em moléculas (quantum theory of atoms in molecules, QTAIM) é uma teoria voltado para a análise topológica das ligações químicas, sendo muito eficiente na caracterização de interações intra e intermoleculares.45; 46 A variável que descreve
as propriedades de um sistema químico na QTAIM é a densidade eletrônica, onde a partir da análise do vetor gradiente ∇ρ é possível obter a topologia de densidade eletrônica do sistema.47
A topologia obtida a partir da aplicação da QTAIM é expressa em tipos de pontos críticos , os quais são pontos no espaço onde a primeira derivada da densidade eletrônica é nula. A região com maior densidade eletrônica no núcleo constitui o ponto crítico de núcleo. Além deste ponto crítico, temos também os pontos críticos de caminho de ligação , pontos críticos de ligação (bond critical point, BCP) e ponto crítico de anel (ring critical point, RCP), os quais são encontrados na linha de maior densidade eletrônica entre dois átomos ligados, na região de maior densidade eletrônica no caminho de ligação e no interior de átomos de um anel de átomos quimicamente ligados, respectivamente.47
A caracterização de uma ligação de hidrogênio através da QTAIM deve seguir oito critérios estabelecidos. Esses critérios auxiliam na diferenciação de tipos de interações.48
1. É necessário que a topologia da molécula apresente um caminho de ligação (BP) e um ponto crítico de ligação (BCP).
2. Deve haver uma densidade eletrônica no BCP ( ( ) ) entre 0,002 u.a. e 0,035 u.a;
3. O Laplaciano da densidade eletrônica no BCP (∇ ( ) ) deve ser positivo e estar
no intervalo de 0,024 u.a. até 0,139 u.a.;
4. Deve haver uma penetração mutua entre o Hidrogênio (H) e o átomo doador (Y). O raio atômico dos átomos não ligados ( ) deve ser maior que o raio atômico dos átomos ligados ( e ).
5. O átomo de hidrogênio deve ter uma diminuição na densidade eletrônica, ficando assim mais positivo quando ocorrer a ligação de hidrogênio;
6. O átomo de hidrogênio deve ser desestabilizado energeticamente, ocorrendo um aumento na energia total do átomo E(H).
7. O átomo de hidrogênio deve sofrer um decréscimo na magnitude de seu momento dipolo para evidenciar uma ligação de hidrogênio;
8. O átomo de hidrogênio deve sofrer um decréscimo de volume quando está participando de uma ligação de hidrogênio.
Dentre estes critérios os mais amplamente utilizados para descrição de uma LHI são os critérios 1, 2 e 3.48
2.2.3 Orbitais Naturais de Ligação (NBO)
A análise dos orbitais naturais da ligação (natural bond orbital, NBO) é um método de algoritmos matemáticos para analisar as funções de onda eletrônica em termos de ligações localizadas tipo Lewis. Nestes métodos as propriedades moleculares são expressas em termos de uma estrutura de Lewis representando a função de onda, onde cada par de elétrons em uma ligação ou par de elétrons livres são associados a orbitais tipo Lewis, enquanto que efeitos de deslocalização estão associados a orbitais tipo não-Lewis.49
O objetivo principal dos métodos NBO é traduzir cálculos de estrutura eletrônica em conhecimento mais populares para químicos, como carga atômica, tipo de ligação, hibridização, transferência de carga, efeito estérico, entre outros.49
2.2.4 Interações não-covalentes (NCI)
Interações não-covalentes são uma classe de interações que abrangem ligações de hidrogênio, dipolo-dipolo, repulsão estérica e dispersão de London.50 Embora existam diversos
métodos para avaliar as interações covalentes e eletrostáticas, ainda existem poucas alternativas para avaliar interações não-covalentes.50 O método NCI (non-covalent interactions) se propõe
a avaliar interações não-covalentes utilizando densidade eletrônica e seus gradientes de densidade reduzida, o que permite analisar e visualizar este tipo de interação.51
NCI é baseado em gráficos da gradiente de densidade reduzida (s) e densidade eletrônica (ρ), onde gradiente de densidade reduzida (s) é dado pela equação (4).51
= ( ) ⁄ | ⁄| (4)
Quando uma interação inter- ou intramolecular fraca está presente, ocorre uma mudança no gradiente reduzido entre os átomos interagentes, produzindo um ponto crítico entre os átomos. Uma análise destes pontos críticos mostra qual a origem deste ponto (interação estérica, ligação de hidrogênio, etc.).51
Para distinguir entre interações atrativas e repulsivas, é necessário analisar os autovalores (λi) da segunda derivada da densidade eletrônica. Picos com sinal negativo de
densidade (λi) correspondem a interações atrativas, enquanto que sinais positivos de densidade
(λi) correspondem a interações repulsivas. A Figura 3 mostra o gráfico de gradiente de
densidade reduzida versus sign(λi)ρ, mostrando as interações repulsivas e atrativas.5; 51
Figura 3. Análise NCI do ácido fórmico. (a) gráfico do gradiente de densidade reduzida versus sign(λi)ρ,
onde o pico de valor negativo é atribuído a interações atrativas (ligação de hidrogênio) e positivo é atribuído a interação repulsiva (van der Waals). Isosuperfícies mostrando (b) interações atrativas e (c) interações repulsivas. Fonte: Contreras-Garcia et. al.51
2.2.5 Funções de Base
Funções de base são conjuntos de bases acertados através de combinações lineares para criar orbitais moleculares, sendo sua principal função prover uma boa representação de orbitais moleculares desconhecidos.39; 52 A utilização de funções para representar orbitais
moleculares é uma aproximação, sendo que uma completa representação seria com a utilização de infinitas funções de base, o que é impossível do ponto de vista computacional. Quando um conjunto finito de funções de base é utilizado, um erro intrínseco está sendo adicionado a representação do orbital molecular.42
O tipo de função utilizada também influência a acurácia do cálculo. Há dois tipos de funções de bases frequentemente utilizadas, as funções Slater Type Orbitals (STO) e Gaussian Type Orbitals (GTO). As STO apresentam uma dependência exponencial para a distância entre núcleo e elétron e representam com exatidão orbitais para átomo de hidrogênio, porém as integrais de dois elétrons para três ou quatro centros não são analiticamente resolvidas através de STO. Portanto, as STO são utilizadas somente para cálculos atômicos ou diatômicos precisos, além de cálculos com resolução númerica, por exemplo a implementação Amsterdam Density Functional (ADF).42
As GTO apresentam uma dependência r2, isto as torna inferior as STO em dois
aspectos. No núcleo as GTO são nulas e, consequentemente, apresentam problemas para representar o comportamento nesta região. O outro problema é que uma função tipo gaussiana decresce muito rápido a parte mais longe do núcleo, o que faz com que a calda da função de onda seja mal representada. Ambas GTO e STO podem ser combinadas e gerar uma função de base completa, entretanto são necessárias mais GTO quando comparadas com STO. O maior número de GTO, entretanto, é compensado pela maior facilidade em resolver integrais utilizando funções gaussianas. Sendo assim, a grande maioria das funções de bases para cálculos eletrônicos estão associados a utilização de GTO.42
O fator mais importante na descrição dos orbitais moleculares é o número de STO/GTO utilizadas. O menor número de funções possível é a base mínima. A base mínima é a utilização de somente as funções necessárias para descrever todos os elétrons do átomo neutro. Por exemplo, para hidrogênio ou hélio, isto significa descrever uma função s.42 Uma
base mínima é usualmente inadequada, falhando na descrição de regiões próximas e afastadas do núcleo. Uma solução é utilizar o dobro de funções mínimas, chamado de bases Double Zeta (DZ). O termo zeta deriva do fato de que geralmente o expoente de STO/GTO são indicados
pela letra grega zeta (ζ). Uma DZ emprega, portanto, duas funções s para hidrogênio e hélio, por exemplo. Maiores incrementos podem ser feitos utilizando bases Triple Zeta (TZ), Quadruple Zeta (QZ) e assim por diante.38; 42
Outros incrementos podem ser realizados para melhorar a acurácia de um cálculo. A ligação química, por exemplo, ocorre entre orbitais de valência. Sendo assim, esses orbitais carecem de uma maior atenção, o que é feito é dobrar os orbitais de valência. Bases com este incremento para os orbitais de valência são chamadas de split valence e são representadas pelo acrescimento da letra “V” ao nome, por exemplo VTZ. Em alguns casos, altos momentos angulares são importantes, nestes casos funções de polarização são adicionadas, representadas pela letra “p”. As funções de polarização adicionam uma função de um momento angular a mais. Por exemplo, para a função s é adicionada uma função p. Outros casos onde outros incrementos são necessários são em casos onde existem elétrons fracamente ligados, nesse caso é necessário uma melhor descrição em uma região de fronteira do orbital, isto é feito adicionando funções difusas, que são representadas por “aug”, do inglês augmented.38; 42
Existem diversos tipos de funções de bases, as quais são organizadas em famílias, dentre as quais podemos destacar as bases de Pople, Dunning-Huzinaga, ANO, Correlation Consistent (cc) e def2-family.38; 53 Estas diferentes bases podem ser consultadas através do
portal Environmental and Molecular Sciences Laboratory (EMSL)54. A escolha de qual base
utilizar passa, por exemplo, pela leitura de Benchmarks para sistemas de interesse, como o publicado por Kozuch et al,38 relacionado a sistemas com ligações de hidrogênio
intramoleculares fortes.
2.3 ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO
As ligações quando absorvem radiação no infravermelho são excitadas, sendo que cada tipo de ligação absorve frequências selecionadas. A radiação na faixa do infravermelho corresponde à faixa que engloba frequências vibracionais de estiramentos axiais e angulares. No processo de absorção, a molécula absorve energia em frequências que equivalem as frequências vibracionais naturais da molécula, a energia absorvida serve para ampliar os movimentos vibracionais das ligações.55
Apenas as ligações que apresentam uma mudança no momento de dipolo durante a vibração são capazes de absorver radiação no infravermelho. Ligações simétricas, como as do
H2 ou Cl2 não apresentam absorção no infravermelho, já que não variam o momento dipolo
durante a vibração. Para o estudo de ligações de hidrogênio, a absorção, geralmente, mais interessante é o estiramento axial O-H. Este estiramento ocorre pela absorção de frequência infravermelho na região de 3200-3700 cm-1.55
2.3.1 Deslocamento da banda O-H
Uma ligação de hidrogênio O-H···Y é uma interação entre o próton da ligação O-H e um par de elétrons livres de um átomo eletronegativo Y. Esta interação é decorrente da transferência de carga entre o par de elétrons livres e o orbital antiligante da ligação O-H, o que causa alongamento e, consequente, enfraquecimento da ligação O-H.56; 57
O enfraquecimento da ligação O-H leva a um deslocamento da frequência da banda O-H no infravermelho para menores frequências, conhecido como deslocamento para o vermelho (red-shift).56; 57 O espectro de infravermelho, em solução diluídas de tetracloreto de
carbono (CCl4), de um composto que permite a formação de ligação de hidrogênio apresenta
mais que uma banda para o estiramento axial O-H. O primeiro deles e de maior frequência é o estiramento O-Hlivre, onde a ligação O-H não está envolvido na formação de uma ligação de
hidrogênio, o segundo e de menor frequência é o estiramento O-Hligado, onde a ligação O-H está
formando uma ligação de hidrogênio. A diferença entre as bandas O-Hlivre e O-Hligada é
comumente utilizada para avaliar a força da ligação de hidrogênio, já que um maior deslocamento está associado a uma maior interação de transferência de carga entre O-H···Y.4
2.3.2 Efeito da concentração
O tipo de análise e a concentração da amostra são bastante relevantes em estudo de ligação de hidrogênio. É necessário avaliar quais as possíveis ligações que o sistema de estudo irá apresentar, por exemplo, análises gasosas permitem o estudo apenas de ligações intramoleculares,4; 37 enquanto análises de soluções permitem o estudo de ambos os tipos de
A concentração da solução também influência no tipo de ligação de hidrogênio formada, por exemplo, concentrações baixas favorecer LHI, se possível, enquanto concentrações maiores favorecem ligações de hidrogênio intermoleculares.15 Desta forma,
analises de infravermelho com intuito de observar LHI são realizados, na maioria dos casos, através de soluções diluídas em solventes apolares. O aumento da concentração provoca o aparecimento de uma terceira banda de OH alargada em frequência ainda menor, correspondente as ligações de hidrogênio intermoleculares OH...Y.
2.4 RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR
2.4.1 Introdução a Ressonância Magnética Nuclear
A espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) é umas das mais importantes técnicas analíticas existentes para químicos. Desde seu início a RMN têm se envolvido em diversas subáreas, que culminaram com alguns prêmios Nobel, destaque para Richard Ernst58 em 1991 e Kurt Wüthrich59 em 2002.
Na espectroscopia de RMN uma amostra é colocada em um campo magnético constante, irradiada e, então, um sinal magnético é detectado. A irradiação faz com que o núcleo na amostra sofra transições (ressonância) entre estados. O núcleo através de um movimento de precessão gera um sinal magnético que é detectável e processado usando transformada de Fourier. O espectro de RMN fornece informações importantes sobre a amostra.60
A observação de um sinal de RMN requer que as moléculas de uma amostra contenham átomos específicos, por exemplo o isótopo mais leve do hidrogênio (1H). A Tabela
1 apresenta alguns núcleos ativos para RMN em ordem aproximada de importância.
Tabela 1. Núcleos ativos para RMN.a
Núcleo Isótopo Spin Abundância Natural (%) Número de estados de Spin
1H Hidrogênio-1 ½ 99,985 2 13C Carbono-13 ½ 1,108 2 15N Nitrogênio-15 ½ 0,37 2 19F Fluor-19 ½ 100 2 31P Fosfóro-31 ½ 100 2 2H (2D) Deutério-2 1 0,015 3 a Adaptada de Simpson.60
Técnicas espectroscópicas são geralmente baseadas em transições entre níveis de energias. Na espectroscopia de RMN diferentes regras são utilizadas. Em principio, a técnica baseia-se no fato que um núcleo apresenta uma propriedade conhecida como spin. Na falta de um campo magnético externo aplicado, a energia dos estados de spin de um núcleo de spin ½ são degenerados. Na presença de um campo magnético externo, os estados de spin alinhado e contrário ao campo não são mais degenerados, apresentando uma diferença de energia que aumenta linearmente com o aumento do campo magnético aplicado (Figura 4). A um dado campo magnético, cada núcleo ativo em RMN apresenta uma diferença de energia única entre os estados de spin. Por exemplo, a um campo de 11.74 Tesla, a frequência de ressonância de um átomo de hidrogênio é de 500 MHz. Cada spin experimenta um torque devido ao campo magnético aplicado. O torque faz com que cada spin apresente um movimento de rotação em torno do eixo do campo magnético aplicado, chamado de movimento de precessão.60
Figura 4. Diagrama de energia para o efeito Zeeman. Adaptado de Simpson.60
A diferença de energia entre os dois estados é muito pequena, fazendo que apenas uma parte dos spins fiquem alinhados ao campo, eixo z. O que ocorre então é que o vetor resultante (M) dos spins tem orientação alinhada com o campo. Porém, para a detecção de sinal é necessário magnetização no plano xy. Deste modo, utiliza-se de ondas eletromagnéticas no comprimento de radio-frequência para manipular a orientação de M, gerando assim magnetização no plano xy. O movimento de precessão nos eixos xy geram uma mudança no fluxo do campo magnético, induzindo corrente elétrica na bobina do detector. Após a magnetização, a orientação do vetor M volta a sua posição de equilíbrio no eixo z através de um processo chamado de relaxação. O resultado é então a detecção de um sinal de decaimento que depois é matemáticamente covertido no espectro como conhecemos. O que torna a RMN
tão importante para os químicos, é que nem sempre a frequência de precessão de um spin para um mesmo núcleo é igual. Esta divergência é causada pela blindagem eletrônica dos núcleos, a qual é afetado pela densidade eletrônica ao redor deste. Esta informação é dada no espectro através do que chamamos de deslocamento químico. O deslocamento químico é uma medida dada pela diferença em Hz entre as diferenças de frequência de ressonância de um núcleo de interesse e uma referência interna. Para os núcleos de 1H e 13C, essa referência interna é o
tetrametilsilano (CH3)4Si.55; 60
Os sinais de RMN carregam uma outra informação, chamada de constante de acoplamento spin-spin (J). O acoplamento ocorre porque núcleos ativos no RMN são pequenos magnetos. Quando um spin muda seu estado, sua orientação também muda. Esta reorientação do spin é comunicada para outros spins através de uma nuvem de elétrons na forma de um desvio na frequência de ressonância. O desvio causado pelo acoplamento divide a ressonância em dois ou mais picos, porém não afeta o deslocamento químico. É possível obter importantes informações sobre o número de prótons e equivalência de grupos que estão próximos, geralmente a duas ou três ligações, através de padrões de acoplamento. Além disso, a magnitude e o sinal causado por acoplamentos nos fornece importantes informações sobre a orientação espacial dos átomos acoplados.60
2.4.2 Constante de acoplamento (3J HH)
A espectroscopia de RMN pode ser considerada hoje como a mais poderosa técnica espectroscópica para analise estrutural e conformacional de moléculas orgânicas.3 O fator mais
importante para a RMN ser uma forte ferramenta para análise conformacional é a estreita relação entre a magnitude das constantes de acoplamento com o ângulo diedro entre os núcleos acoplados, tornando possível determinar preferencias conformacionais em solução.2
O acoplamento spin-spin entre hidrogênio vicinais, que estão em carbonos vizinhos, é simbolizada como 3J
HH.60 Como o acoplamento é transmitido através de ligações, mais
especificamente através de elétrons em orbitais ligantes, a magnitude da constante de acoplamento depende da sobreposição entre os orbitais. Consequente, a magnitude da constante de acoplamento 3J
HH é, também, diretamente dependente do ângulo diedro (φ) entre os
hidrogênios que estão acoplando. O maior valor de 3J
entre os orbitais ligantes são máximas (φ = 0° ou 180°) e o menor é quando a sobreposição é mínima (φ = 90°), Figura 5A.61
Esta relação entre ângulo diedro e constante de acoplamento foi formalizada em uma relação matemática por Karplus.62; 63 Karplus desenvolveu uma equação empírica que relaciona
o valor da constante de acoplamento com o ângulo diedro (φ), equação (5).
= + φ + Ccos2φ (5)
Onde, A = 7; B = -1 e C = 5. A relação entre constante de acoplamento e o ângulo diedro esta graficamente representada na Figura 5B.
Figura 5. Relação entre constante de acoplamento e o ângulo diedro .
A interconversão entre os confôrmeros estáveis de uma molécula é muito rápida e a visualização de confôrmeros individuais depende da escala de tempo da medida espectroscópica utilizada. Valores de constante de acoplamento (3J) medidos para moléculas
em rápida interconversão entre dois confôrmeros A e B são dados pela média ponderada das constantes de acoplamento (JA, JB) dos confôrmeros individuais, equação (6).
= . + . (6)
Onde e são as frações molares dos confôrmeros A e B. A rápida interconversão entre confôrmeros traz uma dificuldade para a utilização de constante de acoplamento para análise conformacional. Esta dificuldade vem sendo contornada com a utilização de cálculos mecânico quânticos para parâmetros de RMN. Constantes de acoplamento para os confôrmeros mais estáveis de pequenas moléculas podem ser facilmente calculados através de cálculos
mecânico-quânticos, podendo ser combinados com dados experimentais para determinar a preferência conformacional com alta acurácia. Esta combinação de análises experimentais e cálculos teóricos de constantes de acoplamento tem tornado a RMN uma forte ferramenta para análise conformacional de moléculas orgânicas flexíveis.2
3 OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo deste trabalho foi estudar, através de cálculos teóricos, infravermelho e ressonância magnética nuclear de 1H, o equilíbrio conformacional das séries de compostos
3-R-propanol [R = OH (1), OCH3 (2), OCH2CH3 (3), OCH(CH3)2 (4) e OC(CH3)3 (5)],
3-R-butanol [R = OH (6) e OCH3 (7)] e 3-metil-3-R-butanol [R = OH (8) e OCH3 (9)], com a
intensão de avaliar a influência da LHI O−H···O na estabilidade dos diferentes confôrmeros destes compostos e verificar qual a influência dos diferentes grupos alquilas nas interações estéricas, hiperconjugativas e de LHI destes compostos.
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Encontrar os confôrmeros iniciais de todos os compostos através de busca conformacional; Otimizar todos os confôrmeros encontrados;
Determinar quais os confôrmeros são mais estáveis para cada composto;
Realizar as análises de NBO, QTAIM e NCI para os confôrmeros mais estáveis de cada composto;
Determinar quais os efeitos que influenciam na estabilidade dos confôrmeros mais estáveis; Sintetizar os compostos 3-etoxipropanol, 3-isopropoxipropanol, 3-tercbutoxipropanol,
3-metil-1,3-butanodiol e 3-metil-3-metoxibutanol;
Purificar e caracterizar por RMN de 1H e 13C cada um dos compostos sintetizados;
Realizar análises por Infravermelho dos compostos estudados em diferentes concentrações utilizando CCl4 como solvente.
Analisar qual o efeito da concentração nas bandas de O−H livre e O−Hligado;
Realizar análises por RMN de 1H em diferentes solvente;
Analisar o efeito do solvente nos valores de constantes de acoplamento 3J
HH e no equilíbrio
conformacional destes compostos;
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 SÍNTESE DOS COMPOSTOS
Os compostos 1,3-propanodiol (1), 3-metoxipropanol (2), 1,3-butanodiol (6) e 3-metoxibutanol (7) foram adquiridos da Sigma Aldrich e utilizados sem prévia purificação.
4.1.1 3-etoxipropanol (3).17
Em um balão de 3 bocas equipado com condensador de refluxo, tubo secante, agitador magnético e banho de gelo, foram adicionados 5 g do composto 1, 60 mL de THF previamente seco e 1,2 g de NaH. A mistura permaneceu sob agitação e banho de gelo por 1 hora. Após este período, foram adicionados 15 mL de uma mistura de iodeto de etila e THF (43 mmol) gota a gota, sob agitação. Após a adição do iodeto de etila o banho de gelo foi substituído por um banho de silicone, aquecendo-se a mistura até 70°C. A mistura ficou sob refluxo durante 1 hora, após este período o sistema foi resfriado sob agitação e foi adicionado água destilada gota a gota para destruir o excesso de NaH. O conteúdo foi transferido para um funil de separação e a fase aquosa foi lavada com éter dietílico (3 x 25 mL). A fase orgânica de cada extração foi reunida, lavada com solução saturada de NaCl e secada com MgSO4, em seguida foi feita a
filtração para retirar o MgSO4 e a evaporação do excesso de éter dietílico em um
rotaevaporador. O produto então foi seco em uma bomba de vácuo produzindo 3,75 g do composto 3. O produto obtido foi purificado em uma coluna de 50 cm de altura e 30 mm de diâmetro, a qual foi preenchida com 15 cm de sílica (230 - 400 mesh). Foram adicionados 900 mg do produto obtido na síntese e 100 mL de uma mistura hexano/acetato de etila (1:3) como solvente inicial, seguido de 400 mL de uma mistura hexano/acetato de etila (1:1). As frações foram divididas em tubos de ensaio de 20 mL e o acompanhamento foi realizado por placas cromatográficas. Os conteúdos iguais dos tubos de ensaio foram reunidos e concentrados em um rotaevaporador e, em seguida, evaporados com auxílio de uma bomba a vácuo. 500 mg (41% de rendimento) do composto 3 foram obtidos. Este composto foi caracterizado através de RMN (1H e 13C, HSQC e HMBC). Os espectros estão apresentados nos Apêndices A-D.
4.1.2 3-isopropoxipropanol (4).17
O composto foi obtido utilizando o mesmo procedimento descrito para 3, trocando iodeto de etila por iodeto de isopropila, gerando 300 mg (8% de rendimento) de 4, o qual foi caracterizado através de RMN (1H e 13C, HSQC e HMBC). Os espectros estão no Apêndices
E-H.
4.1.3 3-tercbutoxipropanol (5)
Em um balão de 2 bocas equipado com condensador de refluxo, agitador magnético e banho de silicone, foram adicionados 6 g (78,8 mmol) do composto 1, 9 mL (81,4 mmol) do cloreto de tercbutila e 12 mL de piridina. A mistura ficou sob refluxo por 15 horas. Após este período, foram adicionados 50 mL de água e a mistura foi transferida para um funil de separação e a fase aquosa foi lavada com éter dietílico (4 x 20 mL). A fase orgânica de cada extração foi reunida e lavada com solução saturada de NaCl (2 x 20 mL) e secada com MgSO4.
Em seguida foi feita a filtração para retirar o MgSO4. Evaporado o excesso de éter dietílico e
piridina em um rotaevaporador, produzindo 1,3 g do composto 5 bruto. O produto foi então purificado em uma coluna de 13 cm de altura e 30 mm de diâmetro, a qual foi preenchida com 4 cm de sílica (230 - 400 mesh). Foram adicionados 900 mg do produto bruto e 300 mL de uma mistura hexano/acetato de etila (3:1) como solvente. As frações foram divididas em tubos de ensaio e o acompanhamento foi realizado por placas cromatográficas. Os conteúdos iguais dos tubos de ensaio foram reunidos e concentrados em um rotaevaporador produzindo 500 mg (12% de rendimento) de 5. O composto foi caracterizado através de RMN (1H e 13C, HSQC e
HMBC). Os espectros estão no Apêndice I-L.
4.1.4 3-metil-1,3-butanodiol (8)
Em um balão de 2 bocas equipado com condensador de refluxo, agitador magnético e banho de silicone, foram adicionados 5 mL de HCl concentrado, seguido da adição de 5 g
(58,13 mmol) de 3-metil-3-buten-1-ol. A mistura ficou sob refluxo por 2 horas. Após este período, foram adicionados 20 mL de água, o conteúdo foi então transferido para um funil de separação e a fase aquosa foi lavada com éter etílico (3 x 20 mL). A fase orgânica de cada extração foi reunida e secada com MgSO4, em seguida foi feita a filtração e evaporação,
produzindo 3 g do composto 8 bruto. O produto foi então purificado em uma coluna de 13 cm de altura e 30 mm de diâmetro, a qual foi preenchida com 4 cm de sílica (230 - 400 mesh). Foram adicionados 900 mg do produto bruto e 300 mL de uma mistura hexano/acetato de etila (3:1) como solvente inicial, seguido de 200 mL de acetato de etila. As frações foram divididas em tubos de ensaio e o acompanhamento foi realizado por placas cromatográficas. Os conteúdos iguais dos tubos de ensaio foram reunidos e concentrados em um rotaevaporador. 700 mg (47% de rendimento) do composto 8 foram obtidos e caracterizados através de RMN de 1H e 13C. Os espectros estão no Apêndice M-N.
4.1.5 3-metil-3-metoxibutanol (9)
Em um balão de 2 bocas equipado com condensador de refluxo, agitador magnético e banho de silicone, foram adicionados 5 mL de metanol, em seguida foi adicionado gota a gota 3 g de HCl concentrado, seguido da adição de 5 g (58,13 mmol) de 3-metil-3-buten-1-ol. A mistura ficou sob refluxo por 2 horas. Após este período, foram adicionados 20 mL de água, o conteúdo foi então transferido para um funil de separação e a fase aquosa foi lavada com éter etílico (3 x 20 mL). A fase orgânica de cada extração foi reunida e secada com MgSO4, em
seguida foi feita a filtração e evaporação, produzindo 3 g do composto 9 bruto. O produto foi então purificado em uma coluna de 13 cm de altura e 30 mm de diâmetro, a qual foi preenchida com 4 cm de sílica (230 - 400 mesh). Foram adicionados 900 mg do produto bruto e 300 mL de uma mistura hexano/acetato de etila (3:1) como solvente. As frações foram divididas em tubos de ensaio e o acompanhamento foi realizado por placas cromatográficas. Os conteúdos iguais dos tubos de ensaio foram reunidos e concentrados em um rotaevaporador. 600 mg (40% de rendimento) do composto 9 foram obtidos. O composto foi caracterizado através de RMN (1H e 13C). Os espectros estão no Apêndice O-P.
4.2 DETALHES COMPUTACIONAIS
Os confôrmeros iniciais de cada composto foram obtidos através de busca conformacional utilizando mecânica molecular MM3,64 implementado no software Tinker.65
Em seguida, todos os confôrmeros foram otimizados utilizando o nível de teoria LC-ωPBE/6-311+G(d,p),66 implementado no programa Gaussian 09.67 Constantes de acoplamento spin-spin
vicinais (3J
HH) teóricas foram calculadas para cada confôrmero estável utilizando o funcional
hibrido BHandH68 e o conjunto de bases EPR-III.69 Interações hiperconjugativas foram
avaliadas utilizando análise de orbitais naturais de ligação (NBO 6.0)70 em nível de teoria
LC-ωPBE/6-311+G(d,p). Análises topológicas foram realizadas utilizando QTAIM e NCI com os programas AIMALL,25 e NCIPLOT 3.0,26 respectivamente.
4.3 ANÁLISES ESPECTROSCÓPICAS
Os espectros de infravermelho foram obtidos em um equipamento Varian 640-IR usando soluções de 0,01; 0,03 e 0,1 mol L-1 com solvente CCl
4, empregando uma célula de
KBr com espaçamento de 0,5 mm, 128 scans com resolução de 4 cm-1 e região de interesse de
3000 – 3800 cm-1.
Espectros de RMN de 1H e 13C NMR foram obtidos em um espectrômetro Bruker
Avance III com sonda a 25° C, operando em 600.17 ou 499.87 MHz para 1H e 150.92 ou 125.69
MHz para 13C. Espectros foram obtidos em concentrações de 0.05 mol L-1 usando diferentes
solventes deuterados (CCl4/C6D6 9:1, CDCl3, CD2Cl2, CD3CN, Piridina-d5, Acetona-d6 e
DMSO-d6). Em todos os casos, SiMe4 (TMS) foi utilizado como referência interna. Medidas
foram realizadas com uma sonda TBI de 5 mm. Condições típicas para aquisição do espectro de 1H foram 16 transientes, uma largura espectral de 5,1 kHz, e 64 K pontos de dados, dando
