Raman dos Aminoácidos Lmetionina e DLalanina e de Nanotubos de Carbono

(1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ

CENTRO DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE FÍSICA

Tese de Doutorado

Espectroscopia Raman dos Aminoácidos

L-metionina e DL-alanina e de

Nanotubos de Carbono

José Alves de Lima Júnior

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Espectroscopia Raman dos Aminoácidos

L-metionina e DL-alanina e de

Nanotubos de Carbono

Tese submetida à coordenação do curso de Pós-Graduação em Física, da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para a obtenção do título de Doutor em Física.

Orientador: Prof. Dr. Paulo de Tarso C. Freire.

Co-Orientadora: Profa. Dra. Volia Lemos.

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Dedicatória

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Agradecimentos

A Deus pela vida.

À minha família por todo o apoio.

À minha tia Aury Lima por me ajudar em momentos difíceis. Ao meu irmão Sérgio por digitar boa parte desta tese.

Ao professor Dr. Antônio Gomes por ter tido tempo e paciência para esclarecer minhas dúvidas, além de me ajudar em algumas medidas.

Ao professor Dr. Alejandro Ayala por sempre alinhar o equipamento utilizado nas medidas de espalhamento Raman quando foi necessário.

A todos os que foram meus professores desde a graduação.

A todos os funcionários do Departamento de Física por sempre estarem dispostos a ajudar. Aos coordenadores do curso de Pós-Graduação em Física de Universidade Federal do Ceará, Josué Mendes Filho, José Soares Andrade Jr. e mais recentemente Paulo de Tarso Cavalcante por sempre propiciarem ótimas condições de estudo aos alunos.

Aos alunos e professores dos laboratórios de raios-X, filmes finos, carbono 14 e Locem por me permitirem utilizar diversos equipamentos necessários à preparação de soluções.

Ao Erandir, Cristiano, Juliana e Eulivana pela realização de medidas de difração de raios-X e por me ajudarem com os refinamentos dos difratogramas.

Ao professor Nildo Loiola por ter me convidado para ser seu bolsista na Seara de Ciência, no inicio da graduação.

Ao professor Dr. José Maurício Rosolen pelas discussões e por ceder amostras de nanotubos de carbono.

À professora Dra. Paola Cório por ceder o laboratório para a realização de medidas.

Ao professor Dr. Paulo Sérgio Pizani por realizar algumas medidas de pressão hidrostática. Ao Dailto Silva, técnico supervisor do setor de Laboratórios de Espectroscopia e Microscopia do Departamento de Geologia e Recursos Naturais da UNICAMP.

Aos colegas Arian Paulo, Bartolomeu Viana, Clenilton Costa, Francisco Ferreira, Daniel Valim, Daniel Matos, Éder Nascimento, Cleanio, Gardênia, Sérgio e a mais alguém que não tenha lembrado no momento pela ajuda ao longo do curso.

Aos colegas Diniz Maciel, Alexandre Paschoal, Aldilene, Márcia de Windson e ao Dr. Alexandre Magno pelas inúmeras discussões.

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Ao meu amigo Gilberto Dantas Saraiva que desde a graduação tem contribuído muito, seja com comentários e sugestões ou com a valorosa ajuda no laboratório.

Ao Edson Fraga, Daniel Lopes, Geová Maciel, Hiroshi Kimura, Emanuel Henn, Rodrigo Silva, Leandro Ibiapina e Alan Menezes por me ajudarem nas diversas viagens que fiz ao longo do curso.

Aos amigos Carlos Braga, Miguel Petrarca e Roberval Santos pela ajuda em muitos momentos.

Ao meu amigo Luis Rodrigues Cavalcante Júnior pela sua amizade e por toda a ajuda prestada.

À professora Dra. Mildred S. Dresselhaus pelas valorosas sugestões.

Ao professor Rogério Costa (In Memorian) por sempre ajudar a todos os alunos do departamento.

Aos professores que aceitaram participar da banca examinadora e por contribuírem com a melhoria deste trabalho com suas observações.

Não poderia deixar de agradecer a todos os que foram meus professores na Escola Técnica Federal do Ceará e em especial aos professores Nathaniel Carneiro Neto e José Carlos Carneiro, que talvez não saibam, mas a minha escolha por estudar Física se deu, em grande parte, aos dois.

À professora Dra. Vólia Lemos que, apesar de me co-orientar a pouco mais de dois anos, ensinou-me lições importantíssimas que jamais esquecerei. Agradeço ainda por propor o tema da segunda parte da tese, por me contagiar com seu entusiasmo e por sempre me encorajar. Ao meu orientador professor Dr. Paulo de Tarso Cavalcante Freire, por sua orientação precisa, suas correções e sugestões, por todo o seu apoio e confiança, por me motivar, pelas diversas oportunidades que me deu desde a participação em vários congressos e escolas até o estudo de outros materiais diferentes dos analisados na Tese. Espero poder contar com sua ajuda, apoio e amizade nesta nova etapa que se inicia.

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Resumo

No presente trabalho foram realizadas medidas de espalhamento Raman polarizado em cristais de L-metionina e de DL-alanina (dois aminoácidos) e em diversas amostras de nanotubos de carbono de parede simples (SWNT).

As medidas de espalhamento Raman em cristais de L-metionina foram realizadas no intervalo espectral entre 50 cm-1 e 3100 cm-1 desde a temperatura ambiente até a temperatura de 17 K. No intervalo de temperatura estudado a estrutura da L-metionina manteve-se estável. À temperatura ambiente também foram realizadas medidas Raman em altas pressões hidrostáticas. A máxima pressão atingida foi de 4,7 GPa e diversas modificações nos modos associados às unidades CO2, NH3, CC, CS, CH, CH2 e CH3 sugerem

que a L-metionina sofre um transição estrutural de fase em torno de 2,1 GPa com histerese de aproximadamente 0,8 GPa.

No cristal de DL-alanina foram realizadas medidas de espalhamento Raman no intervalo de temperatura de 15 K a 295 K. Embora nenhuma mudança significativa tenha sido observada neste intervalo de temperatura, os resultados são importantes para se entender o comportamento de uma molécula fundamental na constituição das proteínas.

Medidas de espalhamento Raman em SWNT’s foram realizadas em amostras preparadas pela técnica de arco voltáico, utilizando-se vários catalisadores metálicos. As amostras foram divididas em duas séries: A primeira com os catalisadores à base de MnNiCo e a segunda à base de FeNiCo. Em ambas as séries observou-se que a inserção de Cério (Ce) foi responsável por tornar a distribuição de diâmetros do subconjunto ressonante com a energia 2,41 eV mais estreita. Além disso, o máximo da distribuição é deslocado para o azul, provavelmente em conseqüência da seleção de tubos de menor diâmetro dentro do subconjunto estudado. A inserção de Zircônio (Zr) à segunda série não trouxe mudanças significativas.

Foram realizadas medidas de espalhamento Raman em função da pressão hidrostática em uma amostra comercial de SWNT. Como fluido transmissor foram utilizadas soluções de dois surfactantes: o dodecil sulfato de sódio (SDS) e o ácido plurônico F127 (F127).

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Dois conjuntos de amostras contendo diferentes níveis de inserção de lítio também foram estudados por espectroscopia Raman. Cada conjunto era formado por uma amostra sem lítio, uma com lítio e a terceira com inserção parcial de lítio (obtida pela lavagem da amostra que contém lítio). Nos dois conjuntos a inserção foi eficiente, contudo o mecanismo de inserção é diferente de uma série para outra. Na primeira série o catalisador utilizado para a inserção de lítio foi LiNi0,5Co0,5O2. Com este composto o lítio é intercalado

intersticialmente e pode ser removido quase que completamente pela lavagem da amostra. Já na segunda série o composto utilizado foi LiCO3/NiO/CoO o que fez com que o lítio fosse

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Abstract

This work describes polarized Raman scattering measurements in L-methionine and in DL-alanine (two amino acids) crystals and in several samples of single-walled carbon nanotubes (SWNT).

In L-methionine crystal the Raman spectra were obtained from 17 K to 295 K in the spectral range from 50 cm-1 to 3100 cm-1, but no indication of a phase transition was observed. At room temperature, Raman scattering measurements were also performed for pressure up to 5 GPa. Several changes observed in the spectra were interpreted as due to structural phase transition undergone by L-methionine crystal at ~ 2.1 GPa. The results for decompression show that the phase transition is reversible with a hysteresis of ~ 0.8 GPa.

In DL-alanine crystal the Raman spectra were obtained at temperatures from 15 K to 295 K over the spectral range 50 cm-1 - 3100 cm-1. No evidence of structural phase transition was found in this range of temperature, although information about diverse modes of the crystal were furnished.

Samples of SWNT’s studied were prepared with metallic catalysts using the arc voltaic method. MnNiCo was the main compound of the first series and FeNiCo, the main compound of the second. In both sets it was observed that Cerium (Ce) insertion induces in the sub-set, probed with the 2.41 eV excitation energy, a narrowing of the diameter distribution favoring the tubes with smaller diameter.

The Raman scattering measurements in a commercial sample of SWNT’s show a discontinuity at about 2 GPa. The discontinuity was represented by a changing in the slope of the frequency versus pressure for tangential modes. The measurement was performed twice, using two different solutions of surfactants, sodium dodecil sulfate (SDS) and plurocic acid F127 (F127), and the results were similar. The anomaly was interpreted as due to the

deformation of the tubes as predicted theoretically.

Two sets of three samples of SWNT’s containing different levels of lithium insertion were also analyzed by Raman spectroscopy. Each set of sample was formed by a sample with lithium, a sample without lithium and a sample with partial insertion of lithium. The results show that the lithium is efficiently intercalated with both lithium containing compound (LiCO3/NiO/CoO and LiNi0.5Co0.5O2), but the mechanism of intercalation differs

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lithium is intercalated inside the tubes (LiCO3/NiO/CoO) it can not be removed by the same

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Lista de Figuras

PARTE I – Espectroscopia Raman dos aminoácidos L-metionina e DL-alanina

FIGURA 1.1. Forma neutra de um aminoácido em (a) e forma zwitteriônina em (b)...1

FIGURA 2.1. Cristal de L-metionina obtido pelo método da evaporação lenta do solvente...8

FIGURA 2.2. Difratograma de pó da L-metionina. A linha contínua representa a medida, os quadrados representam o ajuste e embaixo a diferença entre as intensidades da medida e do ajuste...9

FIGURA 2.3. Cristal de DL-alanina obtido pelo método da evaporação lenta do solvente...10

FIGURA 2.4. Difratograma do pó da DL-alanina. A linha contínua representa a medida, os quadrados representam o ajuste e embaixo a diferença entre as intensidades da medida e do ajuste...10

FIGURA 2.5. Espectrômetro utilizado nas medidas de micro - Raman à temperatura ambiente...11

FIGURA 2.6 (a) Célula de pressão hidrostática utilizada nas medidas Raman. (b) Vista ampliada dos diamantes e da gaxeta...13

FIGURA 3.1 Conformação zwitteriônica das moléculas de L-metionina: Molécula A em (a) e Molécula B em (b)...15

FIGURA 3.2. Espectros Raman do cristal de L - metionina para três diferentes geometrias de espalhamento à temperatura ambiente entre 50 cm-1 e 600 cm-1...19

FIGURA 3.3. Espectros Raman do cristal de L-metionina para três diferentes geometrias de espalhamento à temperatura ambiente entre 600 cm-1 e 1200 cm-1...21

(11)

FIGURA 4.2. Gráfico da freqüência versus pressão hidrostática na região entre 50 cm-1 e 300 cm-1...29

FIGURA 4.3. Espectros Raman do cristal de L-metionina em várias pressões na região espectral entre 300 cm-1 e 500 cm-1 para a compressão em (a) e para a descom- pressão em (b)...32

FIGURA 4.4. Gráfico da freqüência versus pressão hidrostática na região entre 300 cm-1e 700 cm-1...33

FIGURA 4.5. Espectros Raman do cristal de L-metionina em várias pressões na região espectral entre 500 cm-1 e 700 cm-1 para a compressão em (a) e para a descompressão em (b)...34

FIGURA 4.9. Gráfico da freqüência dos modos da L-metionina versus pressão hidrostática na região entre 1000 cm-1 e 1300 cm-1...40

FIGURA 4.13. Fitting dos espectros do cristal de L-metionina para as pressões 0,2 GPa, 0,1 GPa e 4,7 GPa...45

(12)

FIGURA 5.2. Gráfico da freqüência versus temperatura na região espectral entre 100 cm-1 e 600 cm-1 para as geometrias de espalhamento z(yy)z em (a) e z(yx)z em (b)...52

FIGURA 5.3. Espectros Raman do cristal de L-metionina para diversas temperaturas na região espectral entre 600 cm-1 e 1050 cm-1 nas geometrias de espalhamento z(yy)z em (a) e z(yx)z em (b)...53

FIGURA 5.9. Molécula de L-metionina na forma zwitteriônica com numeração dos vários átomos...59

FIGURA 6.1. Conformação zwitteriônica da molécula de DL-alanina... 61

FIGURA 6.2 (a) Projeções da molécula de DL-alanina. (b) projeção do cristal sobre o plano xy mostrando duas ligações de hidrogênio (linhas pontilhadas)...62

FIGURA 6.3. (a) Projeção da estrutura L-alanina sobre o plano xz. (b) projeção da estrutura da DL-alanina sobre o plano yz...63

FIGURA 6.4. Espectros Raman do cristal de DL-alanina em três diferentes geometrias de espalhamento na região espectral entre 50 cm-1 e 600 cm-1...66

(13)

FIGURA 7.2. Gráfico da freqüência versus temperatura do cristal de DL-alanina na região espectral entre 50 cm-1 e 700 cm-1 para a geometria de espalhamento (ιι,ιι). Todos os ajustes em (a) e o ajuste exponencial em (b)...75

FIGURA 7.3. Espectros Raman do cristal de DL-alanina em diversas temperaturas na geometria de espalhamento (ιι,ιι) para a região espectral entre 800 cm-1 e 1250 cm-1...76 FIGURA 7.4. Gráfico da freqüência versus temperatura dos modos cristal de DL-alanina na região espectral entre 800 cm-1 e 1250 cm-1 para a geometria de espalhamento (ιι,ιι). Todos os ajustes em (a) e o ajuste exponecial em (b)...77

FIGURA 7.5. Espectros Raman do cristal de DL-alanina para diversas temperaturas na região espectral entre 1300 cm-1 e 1600 cm-1 para a geometria de espalhamento (ιι,ιι) em (a) e gráfico da freqüência versus temperatura em (b)...78

FIGURA 7.6. Espectros Raman do cristal de DL-alanina para diversas temperaturas na região espectral entre 2850 cm-1 e 3025 cm-1 para a geometria de espalhamento (ιι,ιι) em (a), gráfico da freqüência versus temperatura em (b)...79

FIGURA 7.7. Espectros Raman do cristal de DL-alanina em diversas temperaturas na geometria de espalhamento (┴,┴) para a região espectral entre 50 cm-1 e 320 cm-1 em (a) e gráfico da freqüência versus temperatura em (b)...81

FIGURA 7.8. Espectros Raman do cristal de DL-alanina em diversas temperaturas na geometria de espalhamento (_┴,_┴) para a região espectral entre 375 cm-1 e 600 cm-1 em (a) e gráfico da freqüência versus temperatura em (b)...83

FIGURA 7.9. Espectros Raman do cristal de DL-alanina em diversas temperaturas na geometria de espalhamento (_┴,_┴) para a região espectral entre 600 cm-1 e 1200 cm-1...84

FIGURA 7.10. Gráfico da freqüência versus temperatura para os modos do cristal de DL-alanina na região espectral entre 600 cm-1 e 1200 cm-1 para a geometria de espalhamento (_┴,_┴). Em (a) todos os ajustes e em (b) os exponenciais...85

FIGURA 7.11. Espectros Raman do cristal de DL-alanina em diversas temperaturas na geometria de espalhamento (_┴,_┴) para a região espectral entre 1200 cm-1 e 1700 cm-1...86

FIGURA 7.12. Gráfico da freqüência versus temperatura para os modos do cristal de DL-alanina na região espectral entre 1200 cm-1 e 1700 cm-1 para a geometria de espalhamento (_┴,_┴)...87

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PARTE II - Espectroscopia Raman de nanotubos de carbono

FIGURA 1.1. Estrutura cristalina do grafite em (a) e do diamante em (b). ...104

FIGURA 1.2. Fulereno C60 em (a) nanotubo de carbono em (b). ...105

FIGURA 1.3. (a) Imagens de trasmissão eletrônica dos nanotubos de múltiplas camadas obtidos pot Iijima. (b) Imagem de transmissão eletrônica dos nanotubos de única camada obtidos por Bethune...105

FIGURA 2.1. Folha de grafeno enrolada para formar um nanotubo...109

FIGURA 2.2. Rede hexagonal do grafeno e vetores que definem a célula unitária do nanotubo de carbono (4,2)...110

FIGURA 2.3. Classificação de tubos devido à quiralidade. (a) Poltrona. (b) Ziguezague. (c) Quiral...111

FIGURA 2.4. Rede do grafeno no espaço real (a) e no espaço recíproco (b) ...113

FIGURA 2.5. Bandas de valência e de condução para o grafeno 2D...114

FIGURA 2.6. Níveis de energia para o nanotubo (4,2)...115

FIGURA 2.7. Perfil da banda G de um SWNT metálico em (a) e de um semicondutor em (b)...117

FIGURA 4.1. Espectro Raman dos modos radiais de respiração das amostras SWNT/ MnNiCo e SWNT/Ce(MnNiCo)5 excitadas com a energia Eex = 2,41 eV. Os quadrados representam os pontos experimentais e as linhas contínuas o ajuste dos picos...124

FIGURA-4.2. Diagrama Kataura para as mostras de SWNT/MnNiCo (a) e SWNT /Ce(MnNiCo)5 (b) excitadas com a energia Eex = 2,41 eV. Os círculos brancos (pretos) representam tubos semicondutores (metálicos) e os triângulos os dados experimentais...124

FIGURA 4.3. (a) Espectros Raman das bandas D e G e (b) ajuste dos picos da banda G para as amostras SWNT/MnNiCo e SWNT/ Ce(MnNiCo)5 excitadas com a energia Eex = 2,41 eV. Os quadrados representam os pontos experimentais e as linhas contínuas o ajuste dos picos... 126

FIGURA 4.4. Espectros Raman da banda G’ das amostras SWNT/MnNiCo e SWNT/ Ce(MnNiCo)5 excitadas com a energia Eex = 2,41 eV. Os quadrados representam os pontos experimentais e as linhas contínuas o ajuste dos picos...127

(15)

FIGURA 4.6. Diagrama Kataura para as mostras SWNT/FeNiCo (a), SWNT/Ce(FeNiCo)5 (b)

e SWNT/Zr(FeNiCo)2 (c) excitadas com a energia Eex = 2,41 eV. Os círculos brancos (pretos)

representam tubos semicondutores (metálicos) e os triângulos os dados experimentais...129

FIGURA 4.7.(a) Espectros Raman das bandas D e G e (b) ajuste dos picos da banda G para as amostras SWNT/FeNiCo, SWNT/Ce(FeNiCo)5 e SWNT/Zr(FeNiCo)2 excitadas com a

energia Eex = 2,41 eV. Os quadrados representam os pontos experimentais e as linhas

contínuas o ajuste dos picos... 131

FIGURA 4.8. Espectros Raman da banda G’ das amostras SWNT/FeNiCo, SWNT/Ce(FeNiCo)5 e SWNT/Zr(FeNiCo)2 excitadas com a energia Eex = 2,41 eV. Os

quadrados representam os pontos experimentais e as linhas contínuas o ajuste dos picos...132

Figura 5.1. (a) Seção transversal de um nanotubo isolado em uma micela de SDS obtida através de simulação computacional. (b) Espectro de absorção de quatro amostras de nanotubos suspensos em solução de SDS...137

FIGURA 5.2.(a) Modos radiais da amostra SWNT’s à pressão ambiente fora da célula. (b) Diagrama Kataura para a amostra SWNT’s. Os círculos brancos (pretos) representam tubos semicondutores (metálicos) e os triângulos os dados experimentais. Energia de excitação Eex =

2,41 Ev...138

FIGURA 5.3. Bandas G em (a) e G’ em (b) da amostra SWNT à pressão ambiente fora da célula. Energia de excitação Eex = 2,41 eV...139

FIGURA 5.4. Modos de vibração do pó dos surfactantes F127 em (a), SDS em (b) e dos dois sulfactantes diluídos em água em (c)...140

FIGURA 5.5. Evolução dos modos radiais da amostra de SWNT’s com F127 em (a) e com SDS em (b) para diversas pressões...142

FIGURA 5.6. Evolução dos modos tangenciais da amostra de SWNT’s solubilizados em F127 em (a) e SDS em (b) para diversos valores de pressão...143

FIGURA 5.7. Gráfico da freqüência versus pressão para os modos da banda G da amostra de SWNT’s solubilizados em F127 em (a) e SDS em (b)...144

FIGURA 5.8. Evolução da banda G’ da amostra de SWNT’s solubilizados em F127 em (a) e SDS em (b) para três valores de pressão...145

FIGURA 6.1.Espectros Raman das três amostras da primeira série de SWNT’s em (a) e da segunda série em (b)...149

FIGURA 6.2. Espectro Raman dos modos de respiração radiais em (a) e ajuste dos picos em (b) para a primeira série de amostras excitadas com a energia Eex = 1,96 eV. Os quadrados

(16)

FIGURA 6.3. Diagrama Kataura para as mostras de SWNT/Ni/Co em (c), SWNT/ LiCo0.5Ni0.5O2 em (b) e SWNT/ LiCo0,5Ni0,5O2_Lav em (a) excitadas com a energia Eex = 1,96

eV. Os círculos brancos (pretos) representam tubos semicondutores (metálicos) e os losangos os dados experimentais...152

FIGURA 6.4. Espectro Raman das bandas D e G em (a) e ajuste dos picos da banda G em (b) para a primeira série de amostras excitadas com a energia Eex = 1,96 eV. Os quadrados

representam os pontos experimentais e as linhas contínuas os ajustes dos picos...153

FIGURA 6.5. Curva de dispersão da freqüência dos modos da banda G em função do diâmetro dos tubos obtida a partir dos dados de Dubay. Os símbolos representam as freqüências obtidas nas referencias anteriores e as curvas representam o ajuste destes

pontos...155

FIGURA 6.6. Espectro Raman da banda G’ das três amostras da primeira serie estudada. Energia de excitação Eex = 1,96 eV...157

FIGURA 6.7. Espectro Raman dos modos de respiração radiais da segunda série de amostras excitadas com a energia Eex = 1,96 eV em (a) e ajuste dos picos em (b) para a segunda série de

amostras. Os quadrados representam os pontos experimentais e as linhas contínuas os ajustes dos picos...159

FIGURA 6.8. Diagrama Kataura para as mostras de SWNT/NiO/CoO em (c), SWNT/Li2CO3

em (b) e SWNT/ Li2CO3_Lav em (a) excitadas com a energia Eex = 1,96 eV. Os círculos

brancos (pretos) representam tubos semicondutores (metálicos) e os losangos os dados experimentais...160

FIGURA 6.9. Espectro Raman das bandas D e G em (a) e ajuste dos picos da banda G em (b) para a segunda série de amostras excitadas com a energia Eex = 1,96 eV. Os quadrados

representam os pontos experimentais e as linhas contínuas os ajustes dos picos...162

FIGURA 6.10. Espectro Raman da banda G’ das três amostras da segunda série estudada. Energia de excitação Eex = 1,96 eV...163

FIGURA 6.11. Variação das freqüências dos modos G+ e G-. A linha tracejada representa a frequência calculada obtida pela aproximação não-adiabática...166

(17)

Lista de Tabelas

PARTE I – Espectroscopia Raman dos aminoácidos L-metionina e DL-alanina

TABELA - 3.1. Comprimento das ligações das duas moléculas de L-metionina... 16

TABELA - 3.2. Ângulos das ligações das duas moléculas de L-metionina...16

TABELA - 3.3. Comprimentos das ligações de hidrogênio da molécula de L-metionina...17

TABELA - 3.4. Tabela de caracteres do grupo C2...18

TABELA - 3.5. Identificação dos modos normais de vibração da L-metionina à temperatura ambiente...25

TABELA - 4.1. Valores experimentais da pressão em 0,1 GPa, 0,2 GPa e 4,7 GPa e coeficientes do ajuste linear ω =ω₀+α⋅P para o cristal de L-metionina na região espectral entre 50 cm-1 e 300 cm-1...30

TABELA - 4.2. Valores experimentais da pressão em 0,1 GPa, 0,2 GPa e 4,7 GPa e coeficientes do ajuste linear ω =ω₀+α⋅P para o cristal de L-metionina na região espectral entre 300 cm-1 e 700 cm-1...32

TABELA - 4.3. Valores experimentais da pressão em 0,1 GPa, 0,2 GPa e 4,7 GPa e coeficientes do ajuste linear ω =ω₀ +α⋅P dos modos da L-metionina na região espectral entre 700 cm-1 e 1000 cm-1...38

TABELA - 5.1. Freqüência experimental dos modos do cristal de L-metionina à temperatura ambiente, ω(295K), freqüência à 17 K, ω(17K) e coeficientes do ajuste linear ω =ω₀ +α⋅T ...58

TABELA - 6.1. Comprimento e ângulo das ligações da molécula de alanina...62

(18)

TABELA - 6.3 Tabela de caracteres do grupo C2V. ...64

TABELA - 6.4. Identificação dos modos normais de vibração da DL-alanina à temperatura ambiente...70

TABELA - 7.1. Freqüência experimental dos modos do cristal de DL-alanina na geometria de espalhamento (ιι,ιι) à temperatura ambiente, ω(295K), freqüência à 15 K, ω(15K) e coeficientes dos ajustes lineares (ω =ω₀+α⋅T) exponenciais

[

] [

]

(

2

)

0 + 1+2/( −1) + 1+3/( −1)+3/( −1)

= x y y

e e

e β

α ω

ω ...80

TABELA - 7.2. Freqüência experimental dos modos do cristal de DL-alanina na geometria de espalhamento (┴,┴) à temperatura ambiente, ω(295K), freqüência à 15 K, ω(15K) e coeficientes dos ajustes lineares (ω =ω₀+α⋅T ) exponenciais

[

] [

]

(

2

)

0 + 1+2/( −1) + 1+3/( −1)+3/( −1)

= x y y

e e

e β

α ω

ω ...89

TABELA - 4.1. Freqüência dos modos radiais (ωexp), identificação da freqüência calculada

(ω) , energia de ressonância (E), quiralidade (n,m), família (2n+m) e diâmetro (d) das amostras SWNT /MnNiCo e SWNT /Ce(MnNiCo)5 excitadas com a energia Eex =

2,41 eV ...125

(ω) , energia de ressonância (E), quiralidade (n,m), família (2n+m) e diâmetro (d) das amostras SWNT/FeNiCo, SWNT/Ce(FeNiCo)5 e SWNT/Zr(FeNiCo)2 excitadas com a

energia Eex = 2,41 eV...130

TABELA - 4.3. Identificação da simetria dos modos da banda G para as das duas séries de amostras excitadas com a energia Eex = 2,41 eV. Os valores de ω são dados em cm -1...134

(ω), energia de ressonância (E), quiralidade (n,m), família (2n+m) e diâmetro (d) da amostra SWNT à pressão ambiente. Energia de excitação Eex = 2,41 eV...139

TABELA - 5.2. Freqüência dos modos de vibração do pó dos sulfactantes F127 e SDS em cm-1...141

TABELA- 5.3. Resultados do ajuste linear ω =ω₀+αP para os modos da banda G das duas amostras nos intervalos antes e depois da descontinuidade...144

(ω), energia de ressonância (E), quiralidade (n,m), família (2n+m) e diâmetro (d) das amostras SWNT/Ni/Co, SWNT/ LiCo0,5Ni0,5O2 e SWNT/ LiCo0,5Ni0,5O2_Lav excitadas com a energia

(19)

TABELA - 6.2. Freqüência experimental (wexp), largura a meia altura (Γ), razão entre as

intensidades I/ IG4 e fator 1/q para a primeira série de amostras excitadas com a energia Eex =

1,96 eV...157

(ω) , energia de ressonância (E), quiralidade (n,m), família (2n+m) e diâmetro (d) das amostras SWNT/NiO/CoO, SWNT/Li2CO3 e SWNT/Li2CO3_Lav excitadas com a energia Eex = 1,96

eV...161

TABELA - 6.4. Freqüência experimental (wexp), largura a meia altura (Γ), razão entre as

intensidades I/ IG4 e fator 1/q para a segunda série de amostras excitadas com a energia Eex =

(20)

Sumário

Dedicatória ...i

Agradecimentos ...ii

Resumo ...iv

Abstract ...vi

Lista de Figuras ...viii

Lista de Tabelas ...xv

Sumário ...xviii

Prefácio ...xxiii

PARTE I – Espectroscopia Raman dos aminoácidos L-metionina e DL-alanina 1 Introdução 1

1.1 Os aminoácidos ...1

1.2 Estudos com pressão e temperatura em aminoácidos ...3

1.3 Ligações de Hidrogênio ...5

2 Procedimento Experimental 8

2.1 As Amostras de L-metionina ...8

2.2 As Amostras de DL-alanina ...9

2.3 Medidas de espectroscopia Raman ...11

2.3.1 Descrição experimental dos equipamentos utilizados nas medidas de espectroscopia Raman à temperatura ambiente ...11

2.3.2 Descrição experimental dos equipamentos utilizados nas medidas de espectroscopia Raman a baixas temperaturas ...12

2.3.3 Medidas de espectroscopia Raman em função da pressão hidrostática...12

2.3.3.1 A Célula de pressão hidrostática ...12

3 Espectroscopia Raman de Cristais de L-metionina à Temperatura Ambiente 15

3.1 Estrutura da L-metionina ...15

3.2 Teoria de grupos para o cristal de L-metionina ...17

(21)

3.3.1 Região entre 50 cm -1 e 200 cm -1 ...19

3.3.2 Região entre 200 cm -1 e 600 cm -1 ...20

3.3.3 Região entre 600 cm-1 e 1200 cm-1 ...20

3.4 Conclusões ...27

4 Propriedades vibracionais da L-metionina em função da Pressão hidrostática 28

4.1 Região espectral entre 50 cm-1 e 300 cm-1 ...28

4.7 Sobre a transição ...48

5 Propriedades vibracionais da L-metionina a Baixas Temperaturas 50

6 Espectroscopia Raman de Cristais de DL-alanina à Temperatura Ambiente 61

6.1 Estrutura da DL-alanina ...61

6.2 Teoria de grupos para o cristal de DL-alanina ...64

6.3 Espectro Raman da DL-alanina à temperatura ambiente ...65

7 Propriedades Vibracionais da DL-alanina em Função da Temperatura 72

7.1 Espectros Raman da DL-alanina a baixas temperaturas para a geometria de espalhamento (ιι,ιι) ...72

(22)

7.1.2 Região espectral entre 850 cm-1 e 1250 cm-1 ...75 7.1.3 Região espectral entre 1300 cm-1 e 1600 cm-1 ...77 7.1.4 Região espectral entre 2850 cm-1 e 3025 cm-1 ...78 7.2 Espectros Raman da DL-alanina a baixas temperaturas para a geometria de

espalhamento (_┴,_┴)...81 7.2.1 Região espectral entre 50 cm-1 e 325 cm-1 ...81 7.2.2 Região espectral entre 600 cm-1 e 1200 cm-1 ...83 7.2.3 Região espectral entre 1200 cm-1 e 1700 cm-1 ...85 7.2.4 Região espectral entre 2850 cm-1 e 3020 cm-1 ...87 7.3 Anarmonicidade ...90 7.4 Conclusões ...90

8 Conclusões e Perspectivas 92

8.1 Conclusões ...92 8.2 Perspectivas ...93

Anexo A - Radical, fórmula molecular e molécula na forma zwitteriônica dos 20 aminoácidos protéicos 94 Anexo B - Vibrações Moleculares 99

1 Introdução 103

2 Nanotubos de Carbono 109

(23)

3 Procedimento Experimental 120

3.1 As amostras de nanotubos de carbono ...120 3.1.1 Amostras de nanotubos de carbono preparadas com catalisadores metálicos ...120 3.1.2 Amostras de nanotubos de carbono utilizadas nas medidas a altas pressões ...121 3.1.3 Amostras de nanotubos de carbono preparadas obtidos com catalisadores com e sem lítio ...121 3.2 Medidas de espectroscopia Raman ...121

3.2.1 Medidas de espectroscopia Raman em SWNT’s obtidos com catalisadores metálicos ...121

3.2.2 Medidas de espectroscopia Raman em função da pressão hidrostática ...122 3.2.3 Medidas de espectroscopia Raman em SWNT’s obtidos com catalisadores com e sem lítio ...122

4 Espectroscopia Raman de SWNT’s Obtidos com Catalisadores Metálicos 123

4.1 Espectroscopia Raman de SWNT’s obtidos com os catalisadores MnNiCo e

Ce(MnNiCo)5 ...123

4.2 Espectroscopia Raman de SWNT’s obtidos com os catalisadores FeNiCo, Ce(FeNiCo)5

e Zr(FeNiCo)2 ...128

4.3 Identificação dos modos da banda G ...133 4.4 Conclusões ...135

5 Efeitos da Pressão Hidrostática em SWNT’s Solubilizados em Diferentes Surfactantes 136

(24)

6 Estudo da inserção de Lítio em SWNT’s por Espectroscopia Raman 147

6.1 Introdução ...147 6.2 Espectroscopia Raman dos SWNT’s preparados com Ni/Co ...150 6.3 Espectroscopia Raman dos SWNT’s preparados com NiO/CoO ...158 6.4 Estabilidade da inserção de lítio no crescimento dos nanotubos ...165 6.5 Conclusões ...168

7 Conclusões e Perspectivas 170

7.1 Conclusões ...170 7.2 Perspectivas ...171

Apêndice A – Efeito Raman não-ressonante e ressonante 172

Anexo A – Publicações Relacionadas à Tese 174

(25)

Prefácio

O carbono é o elemento químico mais fascinante no que diz respeito à quantidade de substâncias que ele pode formar. Quando puro, apresenta diversas formas alotrópicas como o grafite, o diamante, os fulerenos, os nanotubos e as nanoespumas. Quando se junta a outros elementos químicos pode formar, principalmente com o oxigênio e o hidrogênio, uma quantidade impressionante de novas substâncias. As estimativas sugerem um número em torno de dez milhões de substâncias que podem ser formada com o carbono, incluindo-se aí aquelas que são fundamentais para a vida como os ácidos nucléicos (DNA e RNA) e os aminoácidos.

Neste trabalho foi utilizada a técnica de espectroscopia Raman para estudar duas classes de materiais carbonáceos distintos. Na primeira parte estudou-se a L-metionina e a DL-alanina, que são dois aminoácidos. Na segunda parte do trabalho foram estudadas diversas amostras de nanotubos de carbono.

Além de indispensáveis aos seres vivos, os aminoácidos representam um ponto de interdisciplinaridade atraindo interesse não só de químicos e biólogos, mas também de físicos, teóricos e experimentais. Por sua vez os nanotubos de carbono são um dos materiais mais estudados atualmente, principalmente devido ao imenso número de aplicações tecnológicas, mas também por constituírem um sistema unidimensional com propriedades físicas e químicas interessantíssimas.

A espectroscopia Raman é uma das técnicas mais utilizadas na caracterização de materiais por apresentar diversas vantagens: (i) é não invasiva e, em geral, não destrutiva, (ii) dependendo do sinal da amostra pode ser realizada rapidamente, (iii) pode ser realizada tanto em condição de pressão e temperatura ambiente como em condições diversas de pressão e temperatura, (iv) é uma técnica bastante precisa (precisão em torno de 2 cm-1 em número de onda) e (v) não há contato entre nenhuma parte do espectrômetro e a amostra e não há a necessidade de um tratamento especial sobre esta, o que a torna relativamente fácil de ser realizada.

(26)

A primeira parte deste trabalho está dividida da seguinte forma: o capítulo 1 apresenta uma introdução ao estudo dos aminoácidos e suas classificações, apresenta alguns aspectos das ligações de hidrogênio, além de fornecer uma breve retrospectiva dos trabalhos de espectroscopia Raman com temperatura e pressão hidrostática em cristais de aminoácidos.

No capítulo 2 é apresentado o procedimento experimental utilizado nas medidas de espalhamento Raman à temperatura ambiente e a baixas temperaturas. A célula de pressão utilizada nas medidas de altas pressões e o método de obtenção das amostras de L-metionina e DL-alanina são discutidos.

No capítulo 3 discute-se a teoria de grupo para o cristal de L-metionina e apresentam-se os espectros Raman obtidos à temperatura ambiente, bem como classifica-se tentativamente a maior parte dos modos encontrados.

Os resultados de espectroscopia Raman do cristal de L-metionina submetido a altas pressões são apresentados no capítulo 4, e no capítulo 5 são apresentados os resultados a baixas temperaturas neste mesmo cristal.

No capítulo 6 é feita a classificação dos modos Raman do cristal de DL-alanina à temperatura ambiente. As propriedades vibracionais deste cristal em baixas temperaturas são discutidas no capítulo 7.

Por fim, o capítulo 8 traz as conclusões e perspectivas futuras em relação ao estudo da L-metionina e da DL-alanina.

A segunda parte, que trata dos nanotubos de carbono, está organizada da seguinte forma: o capítulo 1 destaca as formas alotrópicas do carbono (grafite, diamante, fulereno e nanotubos) e algumas de suas propriedades. De maneira sucinta as principais técnicas de obtenção dos nanotubos de carbono são descritas e alguns resultados de espectroscopia Raman obtidos em nanotubos de carbono são citados.

O capítulo 2 fornece uma introdução acerca das propriedades estruturais e eletrônicas dos nanotubos, além de algumas características do espectro Raman destes materiais.

No capítulo 3 é descrito o procedimento experimental das medidas de espalhamento Raman à pressão ambiente e a altas pressões nas amostras de nanotubos de carbono. O método de obtenção das amostras de nanotubos de carbono com catalisadores metálicos, das amostras dopadas com lítio e o carregamento da célula de pressão também são abordados.

(27)

(28)

Espectroscopia Raman dos aminoácidos

(29)

1 Introdução

1.1 Os aminoácidos

Os aminoácidos são as unidades básicas formadoras dos peptídeos e proteínas, que são indispensáveis à vida. Uma proteína é composta por uma cadeia com mais de 200 aminoácidos e tem suas propriedades determinadas pelo número, tipo e conformação dos aminoácidos dentro desta cadeia. As proteínas desempenham funções indispensáveis aos seres vivos, como crescimento e regeneração de tecidos, transporte de nutrientes e oxigênio, fornecimento de energia, funções reguladoras e metabólicas, entre outras.

Cada aminoácido é constituído por um grupo amino (NH2) e por um grupo

carboxílico (COOH), ligados a um átomo de carbono (C_α) que está ligado a um átomo de hidrogênio e a um radical (R) que diferencia os aminoácidos e determina o caráter carregado (neutro), polar (apolar), hidrofóbico (hidrofílico) de cada um. A fórmula geral de um aminoácido é mostrada na Figura 1.1.

FIGURA 1.1. Forma neutra de um aminoácido em (a) e forma zwitteriônina em (b).

Quando os aminoácidos estão em solução ou formam uma estrutura cristalina o grupo carboxílico perde o átomo de hidrogênio que se liga ao grupo amino e o composto passa a um estado de íon bipolar (zwitterion).

(30)

Quanto à forma de obtenção pelo organismo, os aminoácidos são classificados como essenciais, que não são produzidos pelo organismo e devem ser obtidos através da alimentação, e os não-essenciais, que podem ser obtidos por meio de transformações metabólicas dos aminoácidos essenciais.

Com relação à polarização da luz espalhada, os aminoácidos podem ser classificados como L ou D. Os aminoácidos L giram o plano de polarização à esquerda, enquanto que os aminoácidos D giram à direita. É importante destacar que apenas a glicina não é oticamente ativa e que apenas os aminoácidos da forma L combinam-se para formar as proteínas enquanto que os da forma D formam açúcares e compõem alguns tipos de bactérias.

Pode-se destacar ainda que dos 20 aminoácidos protéicos três são aromáticos: fenilalanina, tirosina e triptofano e apenas dois possuem enxofre em sua estrutura: metionina e cisteína.

Embora as reações dos aminoácidos e proteínas existentes nos organismos vivos ocorram em solução, estes podem ser cristalizados e assim as propriedades vibracionais e de conformação podem ser investigadas por diversas técnicas. Dentre as técnicas utilizadas para o estudo de aminoácidos, podemos destacar a difração de raios-X, difração de nêutrons, ressonância magnética nuclear (NMR), absorção infravermelho, espectroscopia Brillouin e espectroscopia Raman, que é a principal técnica utilizada nesta Tese.

Mesmo os aminoácidos apresentando um número muito grande de modos vibracionais ativos, o que torna um pouco complicada a análise dos espectros, a técnica Raman é muito eficiente na caracterização destes materiais. De fato, uma vez que eles são formados predominantemente por ligações de hidrogênio, a técnica pode fornecer informações a respeito do comprimento das ligações, além de ser sensível à alterações oriundas de deuteração ou dopagem. Além da caracterização dos modos Raman à temperatura ambiente, a técnica de espectroscopia Raman pode ser implementada com a finalidade de se estudar a estabilidade das amostras como função dos parâmetros temperatura e pressão.

(31)

Nesta primeira parte do trabalho serão investigados os modos normais de vibração dos aminoácidos L-metionina e DL-alanina em condições normais e extremas de pressão e temperatura.

A L-metionina é um dos 20 aminoácidos que formam as proteínas e foi isolada primeiramente por J. H. Mueller [8] em 1923 a partir da caseína, uma proteína do leite. A L-metionina participa da formação da L-cisteína, é antioxidante, se constitui na principal fonte de enxofre do organismo, previne desordens de pele, cabelo, unhas, ajuda a reduzir o nível de colesterol, reduz a gordura do fígado, protege os rins, controla os níveis de histamina (relacionada à esquizofrenia) [9] e pode ser encontrada em carnes, peixes, ovos, cebola e alho, soja e laticínios. A DL-alanina não participa diretamente da formação das proteínas, uma vez que possui moléculas da forma L e da forma D; entretanto a forma L, como todos os aminoácidos L-protéicos, participa na constituição de diversas proteínas e peptídeos.

1.2 Estudos com pressão e temperatura em aminoácidos

Variações na pressão e temperatura são empregadas a fim de se estudar a estabilidade da estrutura cristalina, o que é de fundamental importância no entendimento das ligações que formam um cristal. Nesta linha muitos trabalhos em aminoácidos foram realizados e nos parágrafos seguintes alguns dos resultados obtidos serão comentados.

A glicina é o aminoácido mais simples (seu radical é formado apenas pelo átomo de hidrogênio) e é sem dúvida um dos aminoácidos mais estudados. A glicina é aquiral, mas possui vários polimorfos em condições normais de pressão e temperatura (α, e ). A forma α mostrou-se estável até 23 GPa [10] e estudos com temperatura mostram que o modo de torção do NH3+, (NH3+), sofre um desdobramento no intervalo 83 K e 313 K, indicando que o modo

é não degenerado [11]. A forma sofre uma transição de fase em 0,76 GPa [12, 13] e uma em 252 K [14]. A forma muda para uma nova fase acima de 1,9 GPa [13, 15] e a forma ζ é obtida pela descompressão da fase δ [16-18]. Recentemente o espectro infra-vermelho (IR) das formas α, e foi estudado no intervalo de temperatura entre 93 K e 433 K [19].

(32)

de L-alanina sofra uma transição de fase em 178 K [22]. Esta transição não foi evidenciada por espectroscopia Raman [23, 24], mas a dependência da torção do NH3+, (NH3+) foi

estudada [25]. Estudos de espectroscopia Raman foram realizados no mesmo cristal e apontam para uma transição de fase em 2,2 GPa [26]. Olsen et al. [27] ao realizarem medidas de difração de raios-X confirmaram a transição anterior, determinaram que a nova estrutura da L-alanina é tetragonal, além de observar uma outra transição de fase entre 8,6 GPa e 10 GPa que leva o cristal a uma estrutura monoclínica [27].

Estudos revelam que a taurina (aminoácido não protéico) experimenta uma transição de fase entre 250 K e 260 K, observada por espectroscopia Raman e confirmada por DSC (diferential scanning calorimetric) além de sofrer uma transição em 0,7 GPa e uma possível segunda transição de fase em 5,2 GPa [28].

A L-valina foi estudada por espectroscopia Raman e apresenta uma transição de fase a baixas temperaturas, entre 100 K e 120 K [29] e nenhuma transição desde a temperatura ambiente até a temperatura de fusão do cristal [30] foi verificada. Os espectros Raman deste mesmo aminoácido, quando submetido a altas pressões, apresentam: mudanças significativas nas intensidades dos modos de estiramento do CH, (CH); aparecimento de bandas e a mudança de inclinação no gráfico da freqüência versus pressão de diversos modos. Este conjunto de alterações indica que o material sofra transições de fase em 3 GPa e em 5,3 GPa [30].

Silva et al. [31] relatam que a L-treonina passa por duas transições de fase. A primeira em 2,2 GPa e a segunda por volta de 3 GPa. Medidas de espalhamento Raman foram realizadas entre 22 K e 453K e nenhuma modificação foi observada [32].

A L-leucina foi estudada por espectroscopia Raman tanto a altas temperaturas quanto a altas pressões [33]. Os resultados a altas temperaturas indicam que este aminoácido sofre uma transição de fase em 353K e os resultados de altas pressões revelam que o aminoácido pode sofrer duas transições de fase até 1,46 GPa e uma possível terceira transição acima de 4 GPa.

Moggach et al. observaram por difração de raios-X que o polimorfo ortorrômbico da L-cisteína (L-císteina I) sofre uma transição de fase em 1,8 GPa. A nova fase (L-cisteína III) permanece estável pelo menos até 4,2 GPa [34]. Medidas de capacidade térmica indicam que a L-cisteína I sofra uma transição de fase em 70 K [35].

(33)

II) e uma outra entre 7,3 GPa e 8,1 GPa (L-serina III) [36]. A estrutura do polimorfo L-serina III foi determinada por difração de raios-X e assim como a da L-serina I é ortorrômbica [37].

Moreno et al. relatam que a L-aspargina monohidratada sofre três transições de fase até 2 GPa [38]. Estudos em função da temperatura foram realizados e indicam que este aminoácido sofre transições em altas [39] e em baixas temperaturas [40]. É uma estrutura bastante instável, tendo como uma das possíveis causas a grande quantidade de ligações de hidrogênio, que podem ser modificadas com mais facilidade com a variação destes parâmetros termodinâmicos.

Ao contrário da L-arginina hidroclorida monohidratada [41] e da L-histidina hidroclorida monohidratada [42] que sofrem transições de fase a baixas temperaturas, a L-isoleucina não mostrou evidências de mudanças estruturais quando os seus espectros Raman a baixas temperaturas são analisados [43].

Embora a identificação dos modos de vibração da L-metionina e de seu análogo deuterado seja conhecida [44-46] e também uma transição de fase em 307 K ter sido observada por espectroscopia Raman [44] nenhum trabalho a baixas temperaturas ou a altas pressões hidrostáticas usando esta técnica foi reportado na literatura até o momento. Situação semelhante é a da DL-alanina. Ainda que a L-alanina já tenha sido amplamente estudada, há uma carência de resultados sobre a forma DL deste aminoácido. À temperatura ambiente os espectros Raman e infravermelho foram obtidos [47, 48], mas nenhum estudo com temperatura e pressão foi encontrado na literatura. A ausência de resultados sobre estes dois aminoácidos foi sem dúvida um ponto importante na escolha dos mesmos como tema desta Tese.

1.3 Ligações de Hidrogênio

(34)

aminoácidos, as ligações de hidrogênio são principalmente do tipo N −HLO onde o nitrogênio pertence ao grupo amino, NH3+, e o oxigênio ao grupo carboxílico, CO2-.

As ligações de hidrogênio são mais fortes que as interações de van der Waals e mais fracas que as ligações covalente, iônica e metálica. Elas têm caráter essencialmente eletrostático, embora um estudo das ligações de hidrogênio no gelo revele uma natureza covalente para esta ligação [49].

Fatores como o número de ligações de hidrogênio e propriedades dos grupos doadores e receptores alteram as características das ligações e com isto modificam as propriedades físicas e químicas das substâncias.

Estudos de difração de raios-X realizados em 889 cristais orgânicos [50] revelam diversas características das ligações do tipo N−HLO. A distância entre o hidrogênio e o oxigênio, r(H... O) tende a ser maior nas ligações intramoleculares que nas intermoleculares. Já a distância entre o nitrogênio e o oxigênio, r(N... O) tem comportamento oposto ao da r(H... O). Em geral, as ligações N−HLO buscam uma configuração linear, que é a energeticamente mais favorável, contudo, existem desvios desta configuração principalmente nas ligações intramoleculares.

Modificações nas ligações de hidrogênio podem ser induzidas por mudanças nas condições externas de temperatura e de pressão. Estudos realizados em aminoácidos submetidos a condições extremas de temperatura e pressão são importantes, pois ajudam a elucidar a natureza das ligações de hidrogênio. A quantidade de trabalhos abordando o assunto tem crescido bastante nos últimos anos, contudo, ainda falta muito para o completo entendimento destas ligações.

Um recente estudo comparou o comportamento do modo de torção do NH3+nos

cristais de taurina, L-treonina e L-alanina submetidos a altas pressões [51]. Enquanto a freqüência deste modo aumenta com a pressão para a L-treonina e para a taurina ela diminui na L-alanina. A explicação para esta anormalidade foi dada em termos do tamanho da ligação N... O, que na taurina e na L-treonina são maiores e com o aumento da pressão tem seus valores diminuídos, o que ocasiona um aumento de freqüência. Já na L-alanina o comprimento das ligações N... O são menores e o efeito da pressão é distorcer a ligação ao invés de encurtá-la, o que causa uma diminuição na freqüência do modo.

(35)

pressões? (iii) as ligações de hidrogênio comportam-se da mesma maneira nas formas D e L dos aminoácidos? (iv) a quebra da ligação C_α −H é realmente capaz de induzir uma transição de fase da forma D para a forma L como sugere a hipótese de A. Salam? Enfim, são muitas as questões que ainda carecem de resposta, mas, com o constante interesse de diversos grupos de pesquisa sobre o tema, a cada dia estaremos mais próximos de descobrir, se não todas, mas pelo menos uma grande parte das respostas sobre as intrigantes questões relacionadas direta ou indiretamente às ligações de hidrogênio.

(36)

2 Procedimento Experimental

Neste capítulo o aparato experimental utilizado na primeira parte deste trabalho é apresentado. Os equipamentos utilizados nas medidas de espalhamento Raman à temperatura ambiente, baixas temperaturas e altas pressões hidrostáticas, além do método utilizado para a obtenção dos cristais de L-metionina e DL-alanina são descritos.

2.1 As Amostras de L-metionina

Os cristais de L-metionina foram obtidos pelo método de evaporação lenta do solvente, que consiste em dissolver uma certa quantidade de reagente p. a. (L-metionina) em uma determinada quantidade de água destilada, baseando-se na curva de solubilidade do reagente, para garantir que a solução fique num estado de supersaturação. Em seguida a solução é posta em um becker que é tampado com um plástico PVC onde são feitos pequenos orifícios para que a água evapore com mais facilidade. A solução preparada é posta em um ambiente com temperatura controlada de 275 K e após aproximadamente duas semanas verifica-se a formação dos primeiros cristais. Os cristais obtidos por este método tinham a forma de placas finas alongadas na direção do eixo cristalográfico b e com eixo principal c perpendicular à face da placa. A Figura 2.1 mostra a foto de um dos cristais obtidos por este método.

(37)

Para garantir que o material crescido era realmente a L-metionina, foi realizada uma medida de difração de raios-X de pó em nossas amostras. A Figura 2.2 mostra o difratograma do pó da L-metionina, confirmando que a estrutura das amostras é perfeitamente compatível com a estrutura da L-metionina.

FIGURA 2.2. Difratograma de pó da L-metionina. A linha contínua representa a medida, os quadrados representam o ajuste e embaixo a diferença entre as intensidades da medida e do ajuste.

2.2 As Amostras de DL-alanina

As amostras de DL-alanina também foram obtidas pelo método de evaporação lenta em um ambiente em temperatura controlada de 275 K. Após 10 semanas foram obtidos os primeiros cristais com forma de finas agulhas alongadas ao longo do eixo c em concordância com o hábito de crescimento deste aminoácido reportado na referência [52]. As Figuras 2.3 e 2.4 apresentam a foto de um dos cristais obtidos por este método e o difratograma do pó do cristal, respectivamente.

20 30 40

In

te

n

si

d

a

d

e

2θ(graus)

(38)

FIGURA 2.3. Cristal de DL-alanina obtido pelo método da evaporação lenta do solvente.

FIGURA 2.4. Difratograma do pó da DL-alanina. A linha contínua representa a medida, os quadrados representam o ajuste e embaixo a diferença entre as intensidades da medida e do ajuste.

Tanto o difratograma da L-metionina quanto o da DL-alanina foram refinados através do programa DBWS [53, 54].

10 20 30 40 50

DL-alanina

Fator RW P: 15,96%

In

te

n

s

id

a

d

e

(39)

2.3 Medidas de espectroscopia Raman

2.3.1 Descrição experimental dos equipamentos utilizados nas medidas de espectroscopia Raman à temperatura ambiente

Para a obtenção dos espectros Raman foi utilizado um sistema de micro-Raman usando a geometria de retro-espalhamento. Nas medidas em temperatura ambiente foi utilizado ainda um laser de argônio da marca Coherent modelo 70c emitindo na linha 514,5 nm. Pelo caminho ótico foram posicionados espelhos, prismas, lentes, polarizadores, rodadores de polarização e diafragmas. Foi utilizado ainda um espectrômetro triplo da Jobin-Yvon modelo T 64000, um detetor CCD (Charge-Coupled Device) resfriado a nitrogênio líquido, uma câmara de vídeo acoplada a um monitor e um microscópio da marca Olympus. A lente utilizada nestas medidas tinha um aumento de 50x e as fendas foram ajustadas de modo a se obter uma resolução de aproximadamente 2 cm-1. Para estas medidas a região espectral variou entre 50 e 3500 cm-1. A Figura 2.5 ilustra o espectrômetro utilizado nas medidas de micro-Raman à temperatura ambiente.

(40)

2.3.2 Descrição experimental dos equipamentos utilizados nas medidas de espectroscopia Raman a baixas temperaturas.

Para as medidas a baixas temperaturas, além dos equipamentos descritos anteriormente, foi utilizado ainda um criostato, que consiste de uma câmara de vácuo onde é colocada a amostra. O vácuo foi realizado usando-se uma bomba mecânica acoplada a uma bomba difusora. A refrigeração da câmara era feita por um sistema de ciclo fechado a hélio da Air Products and Chemicals Inc. modelo 0-10000 HR, que bombeia este gás para a ponta do dedo frio onde é colocada a amostra. As medidas nos cristais de L-metionina e DL-alanina foram realizadas baixando a temperatura desde a temperatura ambiente (295 K) até a temperatura de 17 K na L-metionina e 15 K na DL-alanina. O controle da temperatura foi feito por um controlador de temperatura da Lakeshore modelo 330 com precisão de ± 0,1 K.

2.3.3 Medidas de espectroscopia Raman em função da pressão hidrostática

Além do aparato utilizado nas medidas Raman à pressão ambiente, descrito anteriormente, utilizou-se também uma câmara de pressão hidrostática para as medidas a altas pressões e que será abordada na seção seguinte.

2.3.3.1 A Célula de pressão hidrostática

A célula utilizada nas medidas de pressão hidrostática é do tipo Diamond Anvil Cell (DAC) [55] do fabricante DIACELL. Um esquema da célula é mostrado na Figura 2.6.

(41)

FIGURA 2.6 (a) Célula de pressão hidrostática utilizada nas medidas Raman. (b) Vista ampliada dos diamantes e da gaxeta.

Antes de iniciar o carregamento da amostra é conveniente averiguar se os diamantes estão centralizados, pois caso contrário os diamantes poderão quebrar durante o experimento. Com o auxílio de um microscópio obtém-se o paralelismo dos diamantes movimentando-se as mesas que apóiam os diamantes de forma a obter franjas de interferência.

As gaxetas utilizadas no experimento eram lâminas de uma liga metálica especial, aço inox 301, com espessura de 150 m. O furo das gaxetas foi feito a laser e tinha um diâmetro da ordem de 120 m.Depois de furadas as gaxetas foram lixadas a fim de eliminar rebarbas na borda do furo. Para ser carregada a gaxeta é colocada sobre o diamante fixo, em seguida é colocada a amostra e um pequeno pedaço de rubi (Al2O3:Cr3+). O furo é então

preenchido com um fluido transmissor de pressão e a câmara é fechada com o diamante móvel sobre a gaxeta.

A calibração da pressão no interior da câmara foi feita através de técnica de luminescência do rubi [56]. Por esta técnica sabe-se que as duas linhas do rubi (Al2O3:Cr3+),

R1 e R2, deslocam-se linearmente em função da pressão até o limite de 30 GPa. A pressão no

(42)

535 , 7

0

Ri i R

P=ϖ −ϖ , (3.1)

onde i varia de 1 a 2, ϖ_R_ié a posição da linha Ri (dada em cm-1) para uma dada pressão P

(dada em GPa) e ϖ_Ri0 é a posição da linha Ri à pressão ambiente (também dada em GPa).

(43)

3 Espectroscopia Raman de Cristais de L-metionina

à Temperatura Ambiente

Neste capítulo são apresentadas as características estruturais da L-metionina baseados nos dados de difração de raios-X da referência [57]. Descrevemos também os resultados obtidos por medidas de espalhamento Raman à temperatura ambiente e ainda é feita uma “tentativa” de identificação da maior parte dos modos observados pela comparação com outros trabalhos já publicados sobre cristais de aminoácidos e compostos de aminoácidos e ácidos.

3.1 Estrutura da L-metionina

À temperatura ambiente a L-metionina (C5H11NO2S), que tem densidade de 1,316

g / cm3, tem estrutura monoclínica com quatro moléculas por célula unitária. O cristal de L-metionina pertence ao grupo espacial P21 (C22) e as dimensões da célula unitária

são: a = 9,498 Å , b = 5,189 Å , c = 15,318Å e o ângulo β = 97,69° .

Assim como a L-valina [58], a L-leucina [59], a L-isoleucina [60] e a L-cisteína [61], a L-metionina contém duas moléculas cristalograficamente independentes na célula unitária. As moléculas diferem pela disposição dos átomos e pelos valores dos ângulos diedrais. Para as duas moléculas o ângulo Cα- C (χ1) vale 194°. Já o ângulo C - C (χ2) vale

174,2° para a molécula A e 73,6° para a molécula B e o ângulo C - Sδ (χ3) vale 179,7° para a

molécula A e 73,6° para a molécula B. A Figura 3.1 mostra a conformação zwitteriônica das moléculas de L-metionina.

(44)

Na molécula A as conformações dos ângulos diedrais são todas Trans com a cadeia lateral totalmente estendida ao longo do eixo c enquanto que para a molécula B as conformações são Trans (χ1) , Gauche (χ2) e Gauche (χ3) com a cadeia lateral fortemente

distorcida.

As distâncias intramoleculares das duas moléculas e os ângulos das ligações estão listados nas Tabelas 3.1 e 3.2, respectivamente, conforme medidas de difração de raios-X obtidas da referência [57].

TABELA - 3.1. Comprimento das ligações das duas moléculas de L-metionina.

Ligações

Comprimento das Ligações (Å)

Molécula A Molécula B

O(1) - C(1) 1,254 1,268

O(2) - C(1) 1,23 1,246

C(1) - C(2) 1,547 1,528

C(2) - C(3) 1,525 1,531

C(3) - C(4) 1,511 1,511

C(4) - S(1) 1,832 1,792

S(1) - C(5) 1,805 1,718

C(2) - N(1) 1,485 1,467

TABELA - 3.2. Ângulos das ligações das duas moléculas de L-metionina.

Ligações

Ângulo( º)

Molécula A Molécula B

(45)

É importante ressaltar que embora as moléculas tenham conformações distintas os valores dos ângulos correspondentes são bem próximos, com exceção dos ângulos C(2) - C(3) - S(1) e C(2) - C(3) - C(4).

Assim como nos outros aminoácidos as ligações de hidrogênio determinam a conformação das moléculas de metionina para formar um arranjo tridimensional. Na L-metionina este arranjo se dá pela ligação entre planos adjacentes ao longo do eixo c. Na Tabela 3.3 estão listados os comprimentos das ligações N−HLO (N... O).

TABELA - 3.3. Comprimentos das ligações de hidrogênio da molécula de L-metionina.

Molécula A

Ligação N(1)A

. . .

O(2)B[II(0-10)] N(1)A . . .

O(2)A[I(0-10)] N(1)A . . .

O(1)B[I(0-10)] N(1)A . . .

O(2)B[II(0-20)]

Distância(Å) 2,839 ± 0,014 2,854 ± 0,014 2,737 ± 0,011 3,298 ± 0,015

Molécula B

Ligação N(1)B

. ..

O(1)A[III(000)] N(1)B .. .

O(2)B[I(0-10)] N(1)B . . .

O(1)A[I(100)] N(1)B . . .

O(2)A[I(100)]

Distância (Å) 2,782 ± 0,013 2,859 ± 0,016 2,867 ± 0,011 2,981 ± 0,012

Na molécula da L-metionina os nitrogênios do grupo amino são rodeados por três hidrogênios dispostos aproximadamente nas direções tetraedrais, enquanto que na molécula B são rodeados por quatro oxigênios mais próximos.

3.2 Teoria de grupos para o cristal de L-metionina

A L-metionina tem 20 átomos por molécula, quatro moléculas por célula unitária e pertence ao grupo espacial C22. Da tabela 3A da referência [62] é visto que todos os sítios de

simetria têm simetria C1 e são ocupados por dois átomos. Da tabela 3B da mesma referência

observa-se que os dois átomos de cada sítio C1 contribuem com seis modos de vibração entre

as representações irredutíveis do grupo C2 da seguinte forma: 3A+3B. Como os 80 átomos da

célula unitária ocupam 40 sítios C1(2), a representação total, Γ, dos modos de vibração da

L-metionina decomposta em termos das representações irredutíveis do grupo C2 é

(46)

A Tabela 3.4 representa a tabela de caracteres do grupo C2.

Da tabela anterior observa-se que todos os modos são ativos tanto no infravermelho como no Raman. Ainda da tabela anterior obtem-se que a representação dos modos acústicos (translação da célula unitária das direções x, y e z) é

Γ_acústco = A+2B . (3.2) Subtraindo-se (3.2) de (3.1) obtemos a representação dos modos óticos de vibração como sendo

Γ_ótico =119A+118B . (3.3)

3.3 Classificação dos modos Raman à temperatura ambiente

Daqui por diante será feita a seguinte modificação de nomenclatura: o eixo a passa a ser x, o eixo y passa a ser b e o eixo c passa a ser z. Para os espectros Raman apresentados neste capítulo utilizamos a notação de Porto [62] segundo a qual cada geometria de espalhamento é representada por quatro letras da seguinte forma: a(bc)d. A primeira e segunda letras indicam a direção e a polarização da radiação incidente, respectivamente, enquanto que a terceira e quarta letras indicam polarização e direção da radiação espalhada, respectivamente.

Como em nossas medidas utilizamos a geometria de retro-espalhamento (a direção da radiação espalhada é a mesma da radiação espalhada), as letras antes e depois do parêntese são iguais (z neste caso). As três geometrias realizadas foram: z(xx)z, z(yy)z e z(yx)z e correspondem à mesma representação irredutível A, do grupo pontual C2. Não foram

realizadas medidas para observar modos da representação irredutível B, porque devido ao formato planar do cristal de L-metionina (com o eixo z perpendicular a esse plano) e a medida de retro-espalhamento não permitiam uma geometria cruzada do tipo x(zy)x ou y(zx)y, uma vez que não era possível focalizar a luz numa direção perpendicular ao plano do cristal.

TABELA - 3.4. Tabela de caracteres do grupo C2.

C2 E C2 infravermelho Raman

A 1 1 z, Rz x2, y2, z2, xy

B 1 -1 x, y, Rx, Ry yz, xz

(47)

A tentativa de classificação das bandas apresentada a seguir foi feita por comparação com a freqüência de bandas classificadas previamente em outros cristais de aminoácidos e em cristais de L-metionina adicionados de ácidos.

3.3.1 Região entre 50 cm -1 e 200 cm -1

Nesta região, também chamada de região dos modos externos ou modos da rede, são encontradas as bandas provenientes da rede cristalina como um todo. Uma dificuldade encontrada na análise dos modos desta região é a de se estabelecer um limite para a freqüência dos modos. Pelo que já vem sendo reportado na literatura foram classificados, neste trabalho, como modos externos os modos com freqüência inferior a 200 cm -1.

Foram encontrados cinco modos nesta região para cada uma das geometrias de espalhamento. Na geometria z(xx)z as freqüências dos modos são 60 cm -1, 68 cm -1, 126 cm -1, 174 cm -1e 194 cm -1. Na geometria z(xy)z as freqüências são 61 cm -1, 69 cm -1, 122 cm -1, 172 cm -1 e 194 cm -1. Na geometria z(yy)z as freqüências encontradas são 62 cm -1, 74 cm -1, 121 cm -1, 172 cm -1 e 194 cm -1. A Figura 3.2 ilustra os espectros da L-metionina para esta região. Destaca-se que para as duas primeiras geometrias de espalhamento os modos são de muito baixa intensidades principalmente aqueles encontrados na região entre 100 cm -1 e 200 cm-1.

FIGURA 3.2. Espectros Raman do cristal de L-metionina para três diferentes geometrias de espalhamento à temperatura ambiente entre 50 cm-1 e 600 cm-1.

100 200 300 400 500 600

L-metionina

In

te

n

si

d

a

d

e

Número de onda ( cm -1 )

z(xx)z

z(xy)z