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    UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBPROGRAMA DE PS-GRADUAO EM MATERIAIS PARA

    ENGENHARIA

    Carlos Alberto de Albuquerque

    MODELAGEM MOLECULAR APLICADA AODESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS

    NANOSCPICOS BIOATIVOS

    Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Materiais para Engenharia

    como parte dos requisitos para obteno doTitulo de Mestre em Cincias em Materiais paraEngenharia.

    rea Concentrao: Semicondutores eIsolantes

    Orientador: Professora Doutora Mariza Grassi

    Co-orientador: Professor Doutor lvaro Ant-nio deQueiroz .

    Fevereiro de 2008.

    Itajub - MG

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    Aos meus pais, Ligia Maria de Albuquerque (in memoria) e Elvcio Eptcio de

    Albuquerque por serem responsveis pela minha formao intelectual e moral.

    A minha esposa Anglica Helosa da Silva Albuquerque pela pacincia,

    compreenso e cumplicidade.

    As minhas filhas Beatriz de Albuquerque e Patrcia Helosa de Albuquerque pela

    energia e vitalidade que me passaram.

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    Agradecimentos:

    A DEUS por sempre me orientar e proteger nos momentos mais crticos.

    Professora Doutora Mariza Grassi, pela orientao, ensinamentos, por me ensinar ausar o HyperChem, fundamental para esse trabalho, e que mesmo em momentos difceis sempreme atendeu, tirando minhas dvidas.

    Ao Professor Doutor lvaro Antnio Alencar de Queiroz, pela co-orientao,ensinamentos, dedicao e principalmente pela sua pacincia nas orientaes dadas a mim.

    Aos meus amigos que demonstraram solidariedade e incentivo.

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    RESUMO

    Os dendrmeros poli(amido amina) (PAMAM) so nanoestruturas que

    mimetizam as protenas globulares e apresentam um grande potencial de aplicaona rea biomdica. Sua estrutura globular indica que o PAMAM pode ter

    caractersticas biocompatveis adequadas para o desenvolvimento de revestimentos

    hemocompatveis para aplicaes em prteses cardiovasculares. Nesse trabalho, a

    hemocompatibilidade e as propriedades eletrnicas do PAMAM de geraes 0 (G0) e

    1 (G1) foram investigadas por estudos in vitro e mtodos computacionais. A relao

    entre a estrutura e a compatibilidade sangunea do PAMAM foi investigada atravs da

    modelagem molecular utilizando mtodos da qumica quntica. Tcnicas de

    microscopia e ensaios in vitro, foram utilizadas para investigar a compatibilidade entre

    o dendrmero PAMAM e o sangue. A microscopia Eletrnica de Varredura (MEV) e

    epifluorescencia indicaram que o grau de hemocompatibilidade do PAMAM est

    intimamente relacionado com o nmero de sua gerao, uma vez que os ensaios de

    adsoro protica indicaram que o PAMAM de gerao 1 adsorve preferencialmente a

    protena fibrinognio, presente no sangue humano. Os ensaios in vitro demonstraram

    que tanto o PAMAM G0 quanto o PAMAM G1, quando em contato com o sangue

    ativam a adeso de plaquetas, sugerindo assim que o dendrmero em estudo no

    adequado para aplicaes cardiovasculares. Essas propriedades tambm foram

    investigadas teoricamente atravs do mtodo semi-emprico MNDO/d. Tambm foi

    possvel relacionar a hemocompatibilidade do PAMAM com os orbitais de fronteiras

    (HOMO-LUMO). Atravs de clculos das propriedades eletrnicas do PAMAM foi

    possvel indicar as regies do dendrmero que so mais eletronegativas e as regies

    do dendrmero de diferentes afinidades eletrnicas. Os clculos tericos parecem

    estar em boa concordncia com os dados experimentais sobre a compatibilidadesangunea do PAMAM, sugerindo que os efeitos eletrnicos, sobretudo na periferia da

    macromolcula, so propriedades adequadas para caracterizar a

    hemocompatibilidade deste dendrmero.

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    ABSTRACT

    The poly(amido amine) (PAMAM) dendrimers are globular biomimetic

    nanostructures which high potential for biomedical applications. The highly branched

    PAMAM structure suggests interesting properties for the design of cardiovascular

    prosthesis with hemocompatible properties. In this work, the blood compatibility of

    PAMAM with 0 and 1 generation were carried out by in vitro conditions. The

    relationship between the PAMAM structure and the blood compatibility was studied by

    molecular modeling using quantum chemistry methods. The blood compatibility of the

    PAMAM dendrimers was investigated by microscopy and in vitro assays. The

    microscopy techniques such as scanning electron microscopy (SEM) and

    epifluorescence indicated that the blood compatibility of PAMAM dendrimer is

    dependent of their generation. The protein adsorption assays suggests that PAMAM

    with G=1 adsorbs preferentially fibrinogen relatively to human albumin. After blood

    contact with PAMAM it was verified by in vitro assays that both dendrimers, G=0 and

    G=1 activated the platelet adhesion and activation suggesting that PAMAM is not

    adequate for cardiovascular applications. The in vitro blood compatibility properties

    were theoretically analyzed by the semiemprical MNDO/d quantum chemistry

    methods. It was observed a relationship between the frontier orbitals (HOMO-LUMO)and blood compatibility of PAMAM. The local properties of PAMAM were calculated to

    describe the donor/acceptor character regions of the dendrimer. It was demonstrated

    a strong relationship between the blood compatibility experimental results and

    quantum chemistry calculations suggesting that the blood compatibility of PAMAM is

    characterized by electronic effects at dendrimer periphery.

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    NDICE DE ABREVIATURAS

    EUA Estados Unidos da Amrica

    NSF National Science foundation EUA

    QSAR Relao Quantitativa entre Estrutura Qumica e Atividade Biolgica

    MD Dinmica Molecular

    MC Monte Carlo

    MM Mecnica Molecular

    DFT Teoria do Funcional Densidade

    MNDO Modified Neglect of Diatomic Overlap Method

    AM1 Austin Model 1

    PM3 Parametric Method 3

    MOPAC Molecular Orbital PACkage

    SCF Self-Consistent Field

    ZDO Zero Differential Overlap

    MINDO Modified Intermediary Neglect of Diatomic Overlap Method

    INDO Intermediate neglect of differential overlap

    CNDO Complect neglect of differential overlapNDDO Neglect of diatomic differential overlap

    UFF Universal Forcefield,

    OM Orbital molecular

    LCAO Linear Combination of Atomic Orbitals

    HOMO Orbital Molecular Ocupado de Maior Energia (ltimo orbital ocupado)

    LUMO Orbital Molecular de Menor Energia Desocupado (primeiro orbital

    desocupado)VHS Velocidade de sedimentao das hemcias

    PAMAM poliamido amina

    RG Grupo reativo

    TG Grupo terminal

    PG Grupo protegido

    EDA Etileno diamina

    FTIR Espectroscopia Infravermelha utilizando Transformada de FourierH-NMR Ressonncia magntica nuclear de prtons

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    GPC Cromatografia de permeao em gel

    IR Radiao infravermelha

    RMN Ressonncia magntica nuclear

    UV Ultravioleta

    PS Poliestireno

    PEG Poli(etileno glicol)

    UV/vis Ultra Violeta/visvel

    OHS Oscilador Harmnico Simples

    IR Infravermelho

    HSA Albumina do Soro Humano

    RPS Ressonncia Plasmnica de Superfcie

    HFb Fibrinognio Humano

    PRP Plasma Rico em Plaquetas

    PBS Tampo Fosfato

    ACD Citrato de Sdio

    PES - Superfcie do Potencial Eletrnico

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    NDICE DE SMBOLOS

    ZA Nmero atmico do tomoA

    RAB Distncia inter-atmica entre os tomosA e B

    T Operador energia cintica eletrnica

    NeV Operador energia de interao atrativa entre o ncleo e o eltron

    eeV Operador energia de interao repulsiva eletrnica

    el Funo de onda eletrnica

    elE Energia eletrnica

    Enuc Energia nuclear

    Etot Energia total do sistema

    ( )SD Diferencial de Slater

    ( )ii xr

    Funo de onda do eltronxi.

    HFE Energia de Hartree-Fock

    i Spin orbital

    i Autovalores do operador f

    f Operador de Fock

    HFV Operador potencial efetivo de Hartree-Fock

    ( )1 xJjr

    Operador potencial de Coulomb de um eltron na posio 1xr

    gerado

    pela distribuio mdia de carga de outro eltron de orbital de spin j

    K Operador de troca em ( )1 xJjr

    S Matriz de sobreposioijF Elementos da matriz de Fock F

    t Variao do tempo

    k Constante de Boltzmann

    m Massa atmica

    XYZ Coordenadas cartesianas

    ( ) xx dvvg Distribuio gaussiana da velocidade da partculax

    x Velocidade da partculax

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    insT Temperatura instantnea

    T Mdia das temperaturas

    Tempo de relaxamento caracterstico

    Momento de dipolo eltrico( )0C Capacitncias de um capacitor, cujas placas estejam separadas pelo

    vcuo

    ( )SC Capacitncia de um capacitor, cujas placas estejam separadas por uma

    substncia S

    Orbital molecular sigma ligante*1s Orbital molecular sigma anti-ligante

    HOMOC Os coeficientes das n orbitais atmicos da camada de valncia do tomo

    a no HOMO

    LUMOC Os coeficientes das n orbitais atmicos da camada de valncia do tomo a

    no orbital LUMO

    W Trabalho realizado

    H Entalpia

    H - Variao da entalpia0fH Entalpia de formao

    0G Energia de Gibbs

    p Potencial eletrosttico

    Mc Massa Molar Relativa do ncleo

    Mb, Massa Molar Relativa da unidade de repetio

    Mt Massa Molar Relativa dos grupos terminais2

    Densidade de probabilidade

    ( )iN Populao lquida de Mulliken

    VR Volume de reteno ou volume de eluio

    Vo Volume intersticial

    Vi Volume interno total do poro

    KD Coeficiente de partio entre Vi e a poro acessvel para um dado soluto

    [] Viscosidade intrnseca

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    NDICE DE FIGURAS

    Captulo 1

    Figura 1.1 Recursos governamentais para pesquisa e desenvolvimento em

    Nanotecnologia. Fonte: ROCO (2003) NSF 19

    Figura 1.2 Crescimento do investimento governamental em nanotecnologia

    nos (A) Estados Unidos, (B) Japo, (C) Europa, (D) Outros e (E)

    Total. Fonte: Roco, M. M., Conference to feature progress and plans

    from government agencies and nanotechnology research centers

    (2003) NSF 20

    Figura 1.3 Estrutura de um dendrmero PAMAM G2, G4 e G6 26

    Captulo 2

    Figura 2.1 Trs diferentes modelos de representao da estrutura do

    propano. 27

    Figura 2.2 Curva de energia potencial para estiramento de uma ligao

    qumica . 36

    Figura 2.3 Fluxograma geral dos programas computacionais de MecnicaMolecular. 42

    Figura 2.4 Diagrama do Orbital Molecular para o Etileno 48

    Figura 2.5 Orbital de cada tomo de hidrognio (A) e o orbital molecular da

    molcula de H2. (B). 57

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    Figura 2.6 Os tomos de hidrognio e flor isolados (A) e o orbital molecular

    de HF (B) 58

    Figura 2.7 Adio dos vetores momentos de dipolos eltricos para. a) H2O;

    b) CO2; c) SO2. 59

    Figura 2.8 Diagrama ilustrativo da formao dos orbitais moleculares e* , a partir da interao dos orbitais atmicos 1s, da molcula H2

    sobreposio (C) para a molcula BF3 61

    Figura 2.9 Representao esquemtica da natureza dos materiais em funo

    do gap energtico. 62

    Figura 2.10 Gap > 4eV (a), sobreposio das bandas (b) e gap < 4eV (c) 63

    Figura 2.11 Ilustrao dos orbitais moleculares HOMO (A) e LUMO (B) e a

    sobreposio (C) para a molcula BF3. 64

    Figura 2.12 Mapa do potencial eletrosttico do benzeno. O azul indica carga

    negativa e o vermelho carga positiva 68

    Figura 2.13 Potencial eletrosttico para uma molcula com duas variveis 69

    Figura 2.14 Exemplo de uma reao coordenada. 70

    Captulo 3

    Figura 3.1 Esquematizao do crescimento em geraes num dendrmero

    PAMAM 75

    Figura 3.2 Representao esquemtica do crescimento de um dendrmero

    PAMAM atravs da rota de sntese divergente. 76

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    Figura 3.3 Representao esquemtica de uma sntese dendrimrica

    convergente. 77

    Figura 3.4 Rota de sntese divergente do dendrmero PAMAM de Tomalia 80

    Figura 3.5 A incorporao seletiva das unidades na estrutura dendrtica. 81

    Figura 3.6 Ncleos e ramificaes de monmeros 82

    Figura 3.7 Estrutura e correlao matemtica para o dendrmero

    poly(amido amine) 83

    Figura 3.8 Esquema de um dendrmero com trs (3.8a) e quatro (3.8b)

    ramos a partir do ncleo 83

    Figura 3.9 Relao entre a gerao e o nmero de grupos funcionais do

    dendrmero PAMAM 84

    Figura 3.10 Relao entre a gerao e o peso molecular do PAMAM. 85

    Figura 3.11 Relao entre a gerao e o dimetro (em ) do PAMAM 85

    Captulo 4

    Figura 4.1 Sintetizao, via rota divergente, do PAMAM partindo do ncleode EDA (a), formando o PAMAM G0 (b) e finalmente

    o PAMAM G1 (c) 88

    Figura 4.2 Espectros obtidos por Microscopia-FTIR de filmes vazados de

    amostras de poliamida-6 virgem, reciclada no irradiada e

    irradiada a 500kGy. A) Poliamida-6 virgem; B) Poliamida-6

    reciclada no irradiada; C) Poliamida-6 reciclada irradiada a500kGy. 91

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    Figura 4.3 Diagrama representativo do sistema tico de um spectrofotmetro

    de infravermelho com transformada de Fourier. 91

    Figyra 4.4 Sumrio das absores em molculas orgnicas, em nmeros de

    onda (cm-1) 96

    Figura 4.5 Erro mdio nos ngulos de ligaes 96

    Figura 4.6 Erro mdio nos comprimentos de ligaes () 97

    Captulo 5

    Figura 5.1 Espectro UV-vis experimental do PAMAM G0 e do

    PAMAM G1. 107

    Figura 5.2 Espectros FTIR do dendrmero PAMAM G0. As bandas de

    absoro em 3210 cm-1 e 1647 cm-1 caracterizam as

    freqncias caractersticas vibracionais das aminas primriasexistentes na periferia do dendrmero PAMAM. Em (A)

    observado o espectro experimental e em (B1), (B2) E (B3) o

    espectro terico. 108

    Figura 5.3 Espectros vibracionais teriocos do dendrmero PAMAM G1. As

    Bandas de absoro em 3201 cm-1 (C) e 2079cm-1 (B)

    caracterizam as freqncias caractersticas vibracionais dasaminas primrias existentes na periferia do dendrmero

    PAMAM. 109

    Figura 5.4 Distribuio espacial dos orbitais de fronteira do PAMAM G0 :

    HOMO (a) e LUMO (b). 111

    Figura 5.5 Distribuio espacial dos orbitais de fronteira do PAMAM G1:HOMO (a) e LUMO (b). 112

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    Figura 5.6 Potencial eletrosttico para o PAMAM G0. 114

    Figura 5.7 Potencial eletrosttico para o PAMAM G1 114

    Figura 5.8 Distribuio de cargas (MNDO/d) do PAMAM G0 (A) e G1 (B) 115

    Figura 5.9 Identificao de cada tomo nas molculas de PAMAM G0 (a) e

    G1(b) 119

    Figura 5.10 Adsoro de HSA (A) e HFb (B) nas superfcies dos dendrmeros

    PAMAM de gerao 0 e 1. 120

    Figura 5.11 - Micrografia MEV das superfcies do dendrmero PAMAM G0 (A) e

    G1 (B). 121

    Figura 5.12 - Microscopia de epi-fluorescncia dos dendrmeros PAMAM de

    gerao G0 (A) e G1(B) aps exposio ao sangue humano. 121

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    NDICE DE TABELAS

    Captulo 2

    Tabela 2.1 Descrio dos Potenciais de alguns sistemas moleculares 32

    Captulo 3

    Tabela 3.1 Propriedades do PAMAM por geraes. 84

    Captulos 4

    Tabela 4.1 Absores das ligaes em molculas orgnicas. 92

    Captulo 5

    Tabela 5.1 Valores encontrados para o PAMAM G0 e G1 (gap) 110

    Tabela 5.2 Valores encontrados para o PAMAM G0 e G1 116

    Tabela 5.3 Valor da carga de cada tomo para o PAMAM G0 calculado pelo

    HyperChem, atravs do mtodo MNDO/d. 117

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    SUMRIO

    1 INTRODUO .................................................................................. 018

    1.1 Modelagem molecular no projeto de nanomateriais ................... 022

    1.2 Dendrmeros .................................................................................... 025

    2 MODELAGEM MOLECULAR ...................................................... ... 026

    2.1 Introduo ....................................................................................... 026

    2.2 Mtodos Clssicos Mecnica Molecular ................................... 029

    2.2.1 A Funo de Energia Potencial para Clculos de Mecnica

    Molecular ........................................................................................ 034

    2.2.2 Localizao da Energia Potencial Mnima ................................... 039

    2.2.3 Importncia e limitaes da Mecnica Molecular ....................... 042

    2.3 Tratamento Quntico de Molculas .............................................. 043

    2.3.1 Teoria do Orbital Molecular ........................................................... 043

    2.3.2 Mtodo de Hartree-Fock ................................................................ 047

    2.3.3 Mtodos ab initio ........................................................................... 051

    2.3.4 Mtodos Semi-empricos .............................................................. 051

    2.4 Propriedades Moleculares ............................................................ 056

    2.4.1 Momento de dipolo eltrico .......................................................... 056

    2.4.2 Orbitais de Fronteira ..................................................................... 060

    2.4.3 Cargas de Mlliken ........................................................................ 065

    2.4.4 Potencial Eletrosttico .................................................................. 067

    2.4.5 Calor de Formao ........................................................................ 072

    2.4.6 Volume Molecular .......................................................................... 072

    2.4.7 Interaes de van der waaals e pontes de atomos deHidrognio ...................................................................................... 073

    3 O DENDRMERO DE POLI(AMIDO AMINA) (PAMAM) ................ 075

    3.1 Topologia de dendrmeros ........................................................... 075

    3.1.1 Sntese de dendrmeros ............................................................... 078

    4 MATERIAIS E MTODOS ............................................................. 0874.1 Sntese e caracterizao do dendrmero PAMAM ..................... 087

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    4.2 O mtodo MNDO/d no clculo das propriedades moleculares

    de um sistema................................................................................... 095

    4.2.1 Hyperchem ....................................................................................... 098

    4.3 Clculos tericos ............................................................................ 099

    4.4 Fundamentos das tcnicas de caracterizao utilizadas

    neste trabalho ................................................................................. 100

    4.4.1 Caracterizao espectroscpica: UV-Vis, FTIR ............................ 100

    4.5 Estudo das Propriedades Biocompatveis do Dendrmero

    PAMAM ............................................................................................. 101

    4.6 Estudo das propriedades biocamptiveis do dendrmero

    PAMAM ............................................................................................. 104

    4.6.1 Adsoro protica ........................................................................... 104

    4.6.2 Adeso plaquetria ......................................................................... 105

    4.6.3 Adeso de trombos ......................................................................... 106

    5 RESULTADOS E DISCUSSO ........................................................ 107

    5.1 Caracterizao dos Dendrmeros PAMAM G0 e G1 ...................... 107

    5.1.1 Caracterizao por Espectroscopia Eletrnica (UV/Vis) e

    por Espectroscopia Vibracional (FTIR) ....................................... 107

    5.2 Modelagem Molecular ..................................................................... 110

    5.2.1 Orbitais de Fronteira HOMO-LUMO ............................................... 110

    5.2.2 Potencial Eletrosttico .................................................................... 113

    5.2.3 Distribuio das cargas de Mulliken ............................................. 115

    5.3 Estudo das propriedades biocomptiveis do dendmero

    PAMAM ............................................................................................. 120

    6 CONCLUSES E PERSPECTIVAS ................................................. 123

    7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................. 125

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    1

    INTRODUO

    O universo da nanotecnologia se expande em ritmo crescente, com um fluxo

    de investimentos intenso. Pases como os EUA tm destinado a esse ramo de

    pesquisa mais dinheiro do que aplicaram em qualquer outra iniciativa desde o

    programa Apollo, na dcada de 60, que levou o homem Lua [1]. Em 2007 estima-se

    que os Estados Unidos tenham gastos cerca de 1,2 bilhes de dlares em pesquisa

    de desenvolvimento de nanomateriais. O Japo tem investido em proporo quase

    equivalente. Os pesquisadores chineses aderiram de tal forma a essa nova dimenso

    da cincia que, no ano passado, a China assumiu a liderana na publicao de artigos

    cientficos sobre o tema. A Fundao Nacional de Cincia dos Estados Unidos estima

    que em 2015 o mercado mundial de nanotecnologia movimentar 1 trilho de dlares

    [1].

    Todas as naes desenvolvidas ou em desenvolvimento tm programas dedesenvolvimento e pesquisa em nanotecnologia, com oramentos crescentes (Figuras

    1.1 e 1.2) em biotecnologia, tecnologia da informao e meio ambiente [1]. O

    resultado destes investimentos para a sociedade vem em forma de melhoria na

    qualidade de vida, e principalmente na gerao de novos e melhores empregos.

    Embora ainda no haja a prevalncia dos setores tecnologicamente mais avanados

    na gerao de empregos e no dinamismo regional, a sinalizao nos segmentos mais

    dinmicos justamente no sentido de que estes iro adquirir papel cada vez maisrelevante nas prximas dcadas. Os pases mais desenvolvidos esto se preparando

    ativamente para isso [2].

    A nanotecnologia j vem sendo empregada em muitas indstrias [1]. A

    indstria de tecidos, atravs de alteraes na estrutura molecular de fibras, consegue

    produzir tecidos que dificilmente se molham, pois repelem a gua.

    A indstria de eletro-eletrnico (celulares, cmeras, etc.) usa visores mais

    econmicos, e com propriedades mais brilhantes graas nanotecnologia. Umexemplo o nanocristal, um nanodispositivo que funciona como lmpada

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    fluorescente, potencialmente muito eficiente. Este dispositivo desenvolvido por um

    projeto conjunto entre dois laboratrios norte-americanos, o Los Alamos e o Sandia

    [3], se usado em substituio s lmpadas fluorescentes convencionais reduzir

    significativamente o impacto ambiental evitando a contaminao por mercrio quando

    do descarte das lmpadas atuais.

    0500

    10001500

    2000250030003500

    1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003Emm

    ilhe

    sdedlares

    Europa Japo EUA Outros Total

    Figura 1.1: Recursos governamentais para pesquisa e desenvolvimento em Nanotecnologia.

    Fonte: Roco, M. M., Conference to feature progress and plans from government agencies and

    nanotechnology research centers (2003) NSF

    Indstrias automobilsticas como a Mercedes Benz usam a tcnica em

    diversos componentes, quer em espelhos retrovisores que escurecem ao receber a

    luz de outro veculo, quer em pinturas resistentes a pequenos riscos. A lista de

    pesquisas inclui ainda gigantes como HP, Xerox, Kodak, General Electric e 3M.

    Com todos estes exemplos fica claro que o Brasil no pode repetir osmesmos erros do passado, atuando como mero exportador de matria prima e

    importador de manufaturados. funo da universidade atualizar tecnologicamente a

    indstria nacional com a finalidade de gerar mais empregos e bem estar para sua

    populao. Uma rea estratgica a tecnologia de frmacos, no apenas pelo

    montante de recursos envolvidos, como tambm pelo forte impacto na sade pblica

    do pas.

    O custo de desenvolvimento de uma nova droga envolveinvestimento de cerca de U$ 350 milhes e requer de 10 a 15 anos de

  • 8/3/2019 0032876

    20/133

    20

    pesquisa at a sua introduo no mercado [4].

    116190

    255 270

    465

    697

    774

    0100200300400500600700

    800900

    1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

    Emm

    ilhesded

    lares

    120 135 157245

    465

    720800

    0100200300400500600700

    800900

    1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

    Emm

    ilhesded

    lares

    (A) (B)

    126 151179 200

    225

    400

    650

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600700

    1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

    Emm

    ilhesdedlares

    70 83 96 110

    380

    550

    800

    0100200300400500600700800900

    1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

    Emm

    ilhesdedlares

    (B) (D)

    423 559687 825

    1535

    2367

    3024

    0

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    3000

    3500

    1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

    Emm

    ilhesdedlares

    (E)Figura 1.2: Crescimento do investimento governamental em nanotecnologia nos (A) Estados Unidos, (B)

    Japo, (C) Europa, (D) Outros e (E) Total. Fonte: Roco, M. M., Conference to feature progress

    and plans from government agencies and nanotechnology research centers (2003) NSF

    O Brasil vem se firmando, entre os pases emergentes,

    como um dos maiores produtores de pesquisas no ramo da bioqumica.

    A indstria farmacutica brasileira vem investindo cerca de 1,3 bilhes

    de dlares na modernizao, ampliao e implantao de novasunidades de produo de frmacos e medicamentos desde 1997[5].

  • 8/3/2019 0032876

    21/133

    21

    Fatores como o tamanho do mercado interno brasileiro, localizao

    geogrfica privilegiada para a exportao para a Europa, qualificao da mo-de-obra,

    abundncia de matrias primas e a existncia de um parque manufatureiro moderno e

    competitivo para o fornecimento de insumos, fazem com que o Brasil tenha destaque,

    no grupo dos pases emergentes, no desenvolvimento de pesquisas em biotecnologia

    voltada para a rea de frmacos e medicamentos.

    Mas para ser realmente competitivo, necessrio aumentar a eficincia da

    pesquisa e ao mesmo tempo diminuir seus custos. Felizmente, a rpida evoluo dos

    sistemas computacionais permite atualmente o desenvolvimento de tcnicas de

    modelagem capazes de analisar sistemas moleculares com centenas de tomos e

    prever assim suas propriedades, agilizando a criao de novos produtos

    farmacuticos para um mercado cada vez mais exigente e competitivo.

    O estudo de relaes entre a estrutura e a atividade biolgica de grande

    importncia na qumica e na bioqumica modernas. A analise QSAR (Relao

    Quantitativa entre Estrutura Qumica e Atividade Biolgica) permite a busca por

    compostos com determinadas caractersticas bioativas usando a qumica sinttica e a

    qumica quntica para o projeto de compostos bioativos com propriedades

    especficas. Uma vez determinada a relao entre uma estrutura ou propriedade com

    a atividade biolgica desejada, selecionam-se os compostos mais promissores einicia-se a sntese laboratorial, resultando em economia de divisas e tempo.

    Para obter boas correlaes entre uma propriedade ou estrutura e a sua

    atividade biolgica fundamental que se utilizem descritores apropriados,

    indiferentemente se eles tm origem terica, emprica ou derivada de medidas

    experimentais obtidas a partir das estruturas moleculares. Muitos destes descritores

    refletem propriedades moleculares simples, e podem ajudar na compreenso da

    natureza fsico-qumica da relao atividade/propriedade em considerao.A mecnica quntica, considerada uma das maiores realizaes intelectuais

    do sculo XX, tem sido a base conceitual para o entendimento da qumica de maneira

    mais completa com implicaes prticas em ramos diversos como espectroscopia,

    microscopia eletrnica, modelagem molecular, entre outras.

    A modelagem molecular utiliza a mecnica quntica, juntamente com a

    termodinmica estatstica, para integrar e correlacionar as propriedades e conceitos

    macroscpicos em funo das propriedades microscpicas de tomos e molculas [6].O desenvolvimento de algoritmos eficientes, ou seja, que tenham um bom

  • 8/3/2019 0032876

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    22

    nvel de exatido em relao aos experimentos e no utilizem muito tempo e memria

    de computador, tem possibilitado clculos de estruturas moleculares cada vez mais

    complexos e abrangentes. Como resultado, parmetros moleculares, tais como

    estrutura geomtrica molecular, estrutura eletrnica, distribuio de cargas, dentre

    outras, configuram-se como possveis e atrativos descritores na determinao de

    parmetros macroscpicos desejveis a uma finalidade especfica.

    1.1 Modelagem molecular no projeto de nanomateriais

    A manufatura de nanomateriais hoje o grande desafio tecnolgico a ser

    enfrentado. Processos de sntese controlada perfeitamente adequados a projetos

    acadmicos, freqentemente mostram-se dispendiosos e muitas vezes inviabilizam

    sua produo em escala industrial.

    Assim sendo, torna-se imperiosa a prvia anlise de todas as potencialidades

    de um novo material, antes de se iniciar sua efetiva produo.

    neste contexto que se faz importante a modelagem computacional, pelo seu

    baixo custo operacional e grande versatilidade, permitindo explorar uma ampla gama

    de sistemas moleculares passveis de serem implementados, avaliando-os

    rapidamente, eliminando os no funcionais e focando a investigao em sistemas

    promissores.A complexidade das equaes resultantes do tratamento quntico de tomos

    e molculas freqentemente conduz a situaes em que no possvel a

    determinao de uma soluo analtica. Tornou-se, assim, imperioso o

    desenvolvimento de modelos que levassem em conta simetrias, aproximaes ou

    particularizaes adequadas ao sistema em anlise. Muito embora modelos altamente

    confiveis tenham sido desenvolvidos, sua aplicabilidade ainda encontrava grandes

    obstculos dada a necessidade de grande nmero de clculos, freqentementeiterativos, para a resoluo numrica das equaes diferenciais resultantes.

    Este impasse vem sendo superado graas ao crescimento vertiginoso da

    capacidade e velocidade de clculos dos computadores mais recentes, o que permite

    o desenvolvimento de algoritmos eficientes, capazes de modelar sistemas de at

    milhares de tomos [7], dependendo do modelo adotado.

    A simulao computacional nos habilita a compreender as estruturas e o

    movimento das molculas. A anlise do comportamento de molculas em diferentesfases da matria permite uma avaliao muito mais detalhada das propriedades

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    23

    estticas e dinmicas do sistema, do que aquelas que poderiam ser fornecidas por

    medidas experimentais. Conformaes e movimentos moleculares so fundamentais

    para o entendimento de muitos processos fsicos em muitos materiais, como os

    polimricos, por exemplo. A relao entre propriedades macroscpicas da matria e a

    natureza microscpica do movimento atmico-molecular uma questo importante

    para o desenvolvimento de novos materiais e uma melhor compreenso dos j

    existentes.

    Existem vrios mtodos e tcnicas para se fazer a modelagem de um

    sistema. A escolha do mtodo depende do objetivo, das caractersticas desejadas e

    das particularidades do sistema a ser investigado como tambm do tipo de hardware

    disponvel para efetuar os clculos. Por exemplo, para um hardware limitado, com

    baixa capacidade de memria e baixa velocidade na realizao dos clculos a DM

    (Dinmica Molecular, que atravs de representaes extremamente lentas do

    movimento fornece um caminho para a descrio do movimento atmico [8], essencial

    para o entendimento da dinmica de um sistema) um exemplo de um mtodo que

    pode ser utilizado. Apesar de sua simplicidade, pois utiliza as equaes clssicas de

    movimento, e de ser capaz de fornecer informaes diretas sobre a evoluo temporal

    do sistema, a Dinmica Molecular tem sua utilidade limitada, no que diz respeito a

    uma representao realstica do movimento molecular [9]. A mesma depende doconhecimento preciso do potencial de interao entre os tomos, o que s possvel

    com a introduo de efeitos qunticos, ignorados pelo modelo.

    Um primeiro passo na introduo de efeitos qunticos dado pela

    Mecnica Molecular (MM), tambm conhecida como mtodo do campo de fora

    emprico [9] que uma formulao emprica da aproximao de Born-Oppenheimer.

    Dentro da sua aproximao adiabtica, a MM assume que os ncleos movimentam-se

    livremente e que todas as interaes internucleares so aditivas [9]. Isto permiteconsiderar a energia do sistema como uma soma de funes de energia potencial.

    Estas funes podem ser escolhidas arbitrariamente, dependendo em grande parte

    dos sistemas a serem estudados. O conjunto de funes de energia potencial assim

    definidos conhecido como campo de fora emprico, o qual representa a energia

    potencial molecular em um determinado sistema de coordenadas [9].

    Um outro mtodo que vem sendo muito utilizado, principalmente na

    caracterizao e investigao de sistemas, desde tomos a molculas, eprincipalmente em slidos, a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) [10]. Neste

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    24

    mtodo foca-se na densidade total ( )r [11], simplificando a funo de onda e a

    equao de Schrdinger de Neltrons com 3Nvariveis pode ser dada pela equao

    da densidade eletrnica e com isso trabalha-se com apenas 3 variveis [10]. O

    principal motivo do sucesso do DFT deve-se ao fato de que tal mtodo muitoeficiente, seno o mais, nos clculos das propriedades eletrnicas e estruturais do

    estado fundamental [10].

    Em relao exatido dos clculos, o mais eficiente o mtodo ab initio, que

    trabalha resolvendo as equaes da mecnica quntica com quase nenhuma

    simplificao, por isso a exatido dos seus resultados. Os grandes defeitos deste

    mtodo so a lentido e a grande quantidade de memria necessria para realizar os

    clculos. Assim tal mtodo s aplicado a sistemas muito simples, no sendo de uso

    prtico para a grande maioria dos sistemas, que so no mnimo de complexidade

    mdia [12].

    J ao contrrio do mtodo ab initio, os mtodos semi-empricos utilizam vrias

    aproximaes e dados oriundos de experimentos [12]. Por isso apresenta uma

    velocidade muito maior e ocupa bem menos memria do que o mtodo ab initio,

    sendo assim mais vantajosa a utilizao dos mtodos semi-empricos, principalmente

    em sistemas mais complexos [12].

    Alm destes mtodos citados, existem outros, como o MC (Monte Carlo) que

    parte de um conjunto de mtodos denominados estocsticos que se caracterizam

    pelo emprego de uma seqncia randmica de eventos

    para calcular integrais numericamente [13]. Esses mtodos utilizam

    elementos das teorias de probabilidade e estatstica, mas suas

    aplicaes no ficam restritas aos problemas de natureza probabilstica,

    tratando tambm sistemas determinsticos [13].

    Do que se apresentou acima, v-se que existem diversos estudos no qual amodelagem molecular desempenha um importante papel no desenvolvimento de

    materiais na escala nanomtrica, como os dendrmeros. A evoluo das ferramentas

    computacionais tornou mais acessvel a utilizao dos mtodos mecnicos-qunticos

    para o desenvolvimento in silcio de nano materiais. Entretanto a utilizao de tais

    mtodos requer, no somente um conhecimento bsico dos mtodos da qumica

    quntica ao nvel molecular, mas tambm o conhecimento preciso do potencial de

    cada mtodo. Baseados na avaliao dos mtodos que foi decidido pelo uso demtodos semi-empricos na investigao das caractersticas, principalmente na

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    25

    hemocompatibilidade do dendrmero PAMAM, que o objetivo principal deste

    trabalho.

    Uma reviso dos conceitos bsicos abordados na teoria quntica molecular

    ser o enfoque do prximo capitulo e no tpico seguinte ser apresentado o composto

    objeto da caracterizao e investigao deste trabalho.

    1.2 Dendrmeros

    O objetivo principal deste trabalho investigar as caractersticas

    hemocompatveis do dendrmero poli(amido amina) (PAMAM), utilizando mtodos

    semi-empricos.

    O termo dendrmero deriva do grego, onde dendron significa rvore e meros

    significa ramos ou parte. Trata-se de uma macromolcula tridimensional altamente

    ramificada composta por um ncleo ao qual so adicionadas unidades monomricas.

    A cada unidade monomrica adicionada ao ncleo iniciador da

    macromolcula forma-se uma gerao. O ncleo denominado a

    gerao o (zero) do dendrmero.

    Suas caractersticas estruturais os distinguem de outras macromolculas, a

    saber: forma esfrica (para grande nmero de geraes), alta reatividade dos grupos

    terminais e alto grau de ramificaes em sua estrutura. Por uma seleo apropriadados grupos terminais possvel se obter macromolculas dendrticas com diferentes

    propriedades, dentre as quais destaca-se a capacidade de mimetizar protenas,

    particularmente atrativa para a rea de frmacos e prteses [14].

    Dentre os dendrmeros mais conhecidos est o PAMAM, que produzido em

    grande escala industrial e distribudo comercialmente. Na Figura 1.3 temos a estrutura

    de um dendrmero PAMAM que cresce da gerao 2 at a gerao 6. Percebe-se que

    da gerao 2 para a 4 a estrutura fica mais simtrica e esfrica. O esmo aconteceentre as geraes 4 e 6, confirmando o que foi citado que quanto maior a gerao

    mais a sua estrutura se torna simtrica e esfrica.

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    26

    Figura 1.3 [15]: Estrutura de um dendrmero PAMAM G2, G4 e G6

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    27

    2

    MODELAGEM MOLECULAR

    2.1 Introduo

    O significado do termo modelo a simplificao ou idealizao de um sistema

    ou de um processo, que no caso da modelagem molecular pode ser expresso em

    termos matemticos e visa facilitar clculos e modelar sistemas complexos. A

    modelagem molecular est preocupada com a representao do comportamento de

    molculas e sistemas moleculares [16].

    Atualmente, a modelagem molecular est intimamente ligada modelagem

    por computador, no entanto perfeitamente possvel apresentar alguns modelos

    moleculares simples utilizando apenas lpis, papel e calculadora, como os modelos de

    varetas, hastes e bolas ou espaos preenchidos, desenvolvidos entre 1959 e 1965

    (Figura 2.1). Estes modelos permitem que a representao tridimensional das

    estruturas das molculas seja construda.

    Figura 2.1:Trs diferentes modelos de representao da estrutura do propano. Estas formas de representao

    de molculas foram desenvolvidas entre 1959-1965.

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    28

    Um dos aspectos importantes a serem abordados na modelagem molecular

    estabelecer a disposio dos tomos e molculas. Existem duas formas de fazer isso.

    A abordagem mais bvia especificar as coordenadas cartesianas (x, y, z) para todos

    os tomos presentes. Outra forma a utilizao de coordenadas internas, na qual a

    posio de cada tomo descrita em relao aos outros tomos presentes no

    sistema. Ou seja, neste tipo de representao no so armazenadas as coordenadas

    de cada tomo, mas sim sua posio e ngulo em relao a outros tomos j

    definidos no ambiente.

    A apresentao de estruturas como apresentada na Figura 2.1 fornece uma

    descrio qualitativa e, em algumas situaes, semi-quantitativa das propriedades da

    matria. No entanto, algumas anlises no podem ser feitas de forma quantitativa

    utilizando apenas frmulas estruturais. Uma outra limitao destes modelos com

    relao determinao de propriedades eletrnicas como potencial eletrosttico,

    momento de dipolo eltrico, cargas formais e propriedades espectroscpicas [17].

    Ento podemos afirmar que a modelagem molecular compreende um

    conjunto de ferramentas e mtodos, inclusive computacionais e tericos, que tm

    como objetivo entender e prever o comportamento de sistemas reais, usados para

    descrever e prever estruturas moleculares, propriedades do estado de transio e

    equilbrio de reaes, propriedades termodinmicas, entre outras [18].Esses mtodos abrangem estudos de minimizao de energia de molculas,

    anlise conformacional, simulaes de dinmica molecular, etc [16]. Tais mtodos so

    aplicados desde tomos isolados at macromolculas bem como sistemas peridicos

    ou agregados (clusters) e envolve basicamente trs estgios:

    a) Seleo de um modelo que descreva, com a preciso desejvel, interaes

    inter e intramoleculares de um sistema;

    b) Realizao dos clculos ec) anlise dos resultados, validando ou no o modelo sugerido.

    Variveis como o tamanho do sistema, a preciso dos resultados, o custo

    computacional e o hardware disponvel para realizar os clculos, devem ser

    cuidadosamente analisados durante a aplicao da modelagem computacional a um

    sistema particular.

    Alm de fornecer dados estruturais, os clculos tericos so usados na

    determinao de parmetros de interesse qumico e farmacolgico, tais como calorde formao de molculas, distncias interatmicas, energias eletrnicas de HOMO

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    29

    (Orbital Molecular Ocupado de Maior Energia) e LUMO (Orbital Molecular de Menor

    Energia Desocupado), energias de ionizao, densidades eletrnicas, cargas

    atmicas lquidas, ordens de ligao, momentos dipolo, dentre outros [19].

    O desenvolvimento da Modelagem Molecular deveu-se em grande parte ao

    avano dos recursos computacionais em termos de hardware e software. No passado,

    a utilizao da Modelagem Molecular era restrita a um seleto grupo de pessoas que

    desenvolviam seus prprios programas. Atualmente no mais necessrio a um

    modelista, compor seu prprio programa, dada a existncia de pacotes

    comercializados atravs de grandes companhias e at mesmo de laboratrios

    acadmicos.

    O objetivo maior da modelagem molecular consiste em relacionar todas as

    propriedades moleculares importantes, ou seja, estabilidade, reatividade e

    propriedades eletrnicas com a estrutura molecular. Desta forma possvel

    desenvolver modelos tericos capazes de calcular uma estrutura molecular com

    estreo qumica especfica e correlacion-la s propriedades moleculares conhecidas

    ou desejveis da substncia [20].

    2.2 Mtodos Clssicos Mecnica Molecular

    A mecnica molecular engloba um conjunto de mtodos baseados nasequaes clssicas (no qunticas) do movimento de corpos. A metodologia da

    mecnica molecular est baseada na aproximao de Born-Oppenheimer[20]. Dentro

    desta aproximao os movimentos dos ncleos e dos eltrons podem ser tratados

    separadamente, pois a velocidade do ncleo, em relao aos eltrons, muito

    pequena. Neste contexto a mecnica molecular caracterizada por considerar os

    movimentos nucleares e por tratar os eltrons indiretamente, como causa do campo

    potencial agindo sobre os ncleos, diferindo dos mtodos qunticos de orbitaismoleculares, caracterizados por estudar a estrutura eletrnica, para uma posio

    nuclear fixa. Na mecnica molecular supe-se que a densidade eletrnica pode

    ajustar-se instantaneamente a qualquer alterao na configurao geomtrica dos

    ncleos, assumindo que os ncleos possuem movimento livre e que todas as

    interaes nucleares so aditivas. A superfcie de Born-Oppenheimer, conhecida na

    mecnica molecular como superfcie de energia potencial, multidimensional e

    descreve a energia de uma molcula em termos das posies nucleares. Estasuperfcie possui mnimos locais em relao a uma ou algumas conformaes

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    30

    moleculares estveis e, em uma primeira aproximao, a molcula descrita pela

    estrutura correspondente ao mnimo global da superfcie potencial [20].

    Clculos de mecnica molecular utilizam uma srie de equaes

    derivadas empiricamente para a superfcie de Born-Oppenheimer, cujo

    formalismo matemtico est baseado num modelo clssico

    daestrutura molecular.

    Na mecnica molecular considerado que as molculas so um conjunto de

    tomos ligados entre si, por foras elsticas ou harmnicas. Estas foras derivam das

    funes de energia potencial associadas s contribuies estruturais como, por

    exemplo, comprimentos de ligao (r), ngulos de ligao (), ngulos diedros () e

    interaes no-ligantes (d). O conjunto destas funes conhecido como campo de

    fora e representa a energia potencial molecular em relao a uma geometria de

    referncia, em um determinado sistema de coordenadas:

    +++= dr UUUUU (2.1)

    A energia, U, de uma molcula, dentro do campo de fora, a soma de todas

    as contribuies de energia, onde U, conhecida como energia estrica da molcula,

    considerada como a diferena entre a energia da molcula real e a

    energia da molcula hipottica. Nesta ltima todos os parmetros

    estruturais so exatamente os valores ideais ou naturais, definidos para uma

    situao onde no existem quaisquer tenses entre as coordenadas internas do

    sistema molecular. Sendo assim, os termos constantes da Equao 2.1 so

    definidos como: rU a energia da i-zima ligao cujo comprimento rdifere do seu

    valor ideal1

    0r dado por:

    ( ) =i

    ir rr

    kU

    2022

    (2.2)

    U a energia de deformao de ligao e dada pela seguinte equao:

    ( ) =

    2

    2

    0KU (2.3)

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    31

    onde K a constante de fora, o ngulo de ligao e 0 o ngulo de ligao ideal.

    U a energia devido toro em torno de uma ligao e dada por:

    ( )

    =

    2cos1 nV

    U (2.4)

    sendo V a constante de fora, o ngulo torsional e n a periodicidade de nV .

    Finalmente dU a energia da interao entre tomos no ligados, que dada por:

    ( )[ ]

    += 112exp2

    6rd FU (2.5)

    Na Equao 2.5, rF representa a constante de fora, *2

    *1 rr

    r

    += onde *1r e

    *2r so

    constantes de van der Waals e r a distncia interatmica entre os tomos no

    ligados.

    No existem critrios rgidos acerca do nmero ou tipos de funes de

    energia potencial a serem empregados. Esta escolha feita de acordo com aspropriedades moleculares que se deseja reproduzir, sejam elas somente geomtricas,

    ou tambm vibracionais e termodinmicas [20]. Na Tabela 2.1 h alguns exemplos

    destas funes.

    As expresses da energia potencial, desenvolvidas para clculos de

    mecnica molecular, so todas derivadas de trs tipos bsicos de campo de fora:

    a) Campo de Fora Central, em que considera apenas distncias

    interatmicas (inclusive comprimentos de ligao) [20].b) Campo de Fora de Valncia Geral, em que considera comprimentos e

    ngulos de ligao, ngulos diedros, coordenadas de deformao fora do plano e

    adicionam os termos cruzados [20].

    c) Campo de Fora de Urey-Bradley, em que considera comprimentos e

    ngulos de ligao, ngulos diedros, coordenadas de deformao fora do plano e as

    interaes entre tomos ligados por um centro comum [20].

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    32/133

    32

    Tabela 2.1[20]: Descrio dos Potenciais de alguns sistemas moleculares

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    33/133

    33

    Enquanto propriedades como geometrias moleculares de energias

    mnimas, alturas de barreiras de rotao interna, entalpias de formao e funes

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    34/133

    34

    termodinmicas so bem reproduzidas por um campo de fora de valncia simples

    (campo de fora central, incluindo os ngulos de ligao, ngulos diedros e

    coordenadas de deformao fora do plano), o mesmo no acontece com as

    propriedades vibracionais.

    A generalizao de uma funo potencial permite resultados com melhor

    concordncia entre os resultados calculados e os experimentais [20]. No entanto, um

    considervel trabalho matemtico requerido devido a complexidade assumida pela

    funo potencial. A maior dificuldade est em selecionar quais dos termos cruzados

    devem ser considerados, uma vez que, impossvel incluir todas as interaes

    cruzadas presentes em um sistema molecular. A escolha desses termos emprica.

    2.2.1 A Funo de Energia Potencial para Clculos de Mecnica Molecular

    A energia potencial, U, de uma molcula com Ntomos definida em termos

    das coordenadas espaciais de cada ncleo, xi. Dada uma configurao com energia

    0U , quando as coordenadas sofrem pequenas variaes ix , a energia associada a

    esta nova configurao pode ser determinada a partir de 0U , atravs de uma

    expanso em srie de Taylor:

    = = =

    +

    +

    +

    +=N

    i

    N

    ji

    kji

    N

    kji kji

    ji

    ji

    i

    i

    xxxxxx

    Uxx

    xx

    Ux

    x

    UUU

    3

    1

    3

    1, 0

    3

    1,,

    3

    0

    2

    0

    0 21

    L (2.6)

    As primeiras derivadas formam as componentes do vetor gradiente da

    energia potencial no espao 3N. As segundas derivadas so os elementos da

    matriz hessiana de dimenses 3N por 3N, conhecida tambm como matriz das

    constantes de foras.Considerando que os deslocamentos x so infinitesimais, em torno do

    ponto de equilbrio, os termos superiores aos quadrticos podem ser desconsiderados

    (aproximao harmnica) [20].

    Baseado na anlise vibracional de uma molcula com

    geometria molecular correspondente ao mnimo de energia (geometria

    de equilbrio), o termo U0 pode ser adotado como zero e aplicando

    a definio de mnimo de energia nesta geometria, o termoix

    U

    , deve

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    35

    ser, teoricamente, igual a zero. Desta forma a energia potencial molecular depende

    somente do termo correspondente as segundas derivadas:

    = =N

    ji

    ji

    ji

    xxxxUU

    3

    1, 0

    2

    21 (2.7)

    Substituindo na Equao 2.7, as segundas derivadas por seus smbolos fij, a

    relao de um campo de fora harmnico obtida:

    =

    =N

    ji

    jiij xxfU3

    1,21

    (2.8)

    Esta equao descreve um sistema de osciladores harmnicos acoplados,

    onde os subscritos i=jso os termos da diagonal principal e ijso os termos fora da

    diagonal da matriz das constantes de fora. Quando apenas os termos diagonais so

    considerados os osciladores esto desacoplados:

    = =N

    i

    iij xfU

    3

    1

    2

    21

    (2.9)

    e a curva de energia potencial pode ento ser descrita pela Lei de Hooke:

    ( )221

    xkU = (2.10)

    onde k a constante de fora do oscilador harmnico. Este resultado pode serexpresso em termos das coordenadas internas moleculares dando origem aos

    campos de fora correspondentes a potenciais harmnicos.

    Para os deslocamentos, xi fora do limite de validade da aproximao

    harmnica, os termos de maior ordem da Equao 2.6 devem ser considerados. Isto

    significa que efeitos anarmnicos so includos. A aproximao mais utilizada para

    descrever os efeitos anarmnicos, consiste em truncar a expanso em sries de

    Taylor at o termo cbico, para os comprimentos de ligao e para os ngulos deligao. A funo potencial para estas coordenadas assume a forma:

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    36

    ( ) ( )302

    021

    rrkrrkU rr += (2.11)

    ( ) ( )3

    0

    2

    02

    1 += kkU (2.12)

    onde ,, kkk rr e k so os chamados parmetros de energia e representam as

    constantes de fora harmnicas (os ndices subscritos denotam as coordenadas

    internas a que se referem). Este tipo de funo bastante adequado quando os

    comprimentos de ligao que no esto muito afastados do limite demarcado pela lei

    de Hooke (Figura 2.2) [20].

    Caso os comprimentos de ligao sejam suficientemente longos, de modo

    que a funo cbica no descreva a curva de energia potencial corretamente

    (deslocamentos (x) grandes invertem a funo cbica), existe a possibilidade desubstituir o potencial harmnico por um outro tipo de funo de energia

    potencial como a funo de Morse (Figura 2.2):

    ( )[ ] 02

    001 DeDU rr = (2.13)

    onde D0 a energia potencial de interao entre os tomos quando r = r0 e , um

    parmetro adicional que pode ser relacionado freqncia vibracional, , de umamolcula diatmica:

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    37

    k

    21

    = (2.14)

    onde a massa reduzida do oscilador e k a constante de fora, equivalente segunda derivada da funo potencial:

    2

    2

    dr

    Udk= (2.15)

    de forma que

    202 Dk= (2.16)

    ou seja

    02Dk

    = (2.17)

    A utilizao da funo de Morse no muito comum em mecnica molecular.

    A sua maior complexidade requer um tempo de computao superior quando

    comparado a lei de Hooke, de modo que a maioria dos campos de fora disponveis

    no incluem funes do tipo Morse, optando por outros tipos de refinamentos,

    principalmente na funo torsional, onde a funo de energia potencial:

    ( )2

    021

    = kU (2.18)

    substituda por uma funo peridica do tipo:

    ( ) nskU cos121

    += (2.19)

    onde s = +1 ou -1, dependendo se existe ou no conformao clipsada (f = 0)

    (conformao onde os tomos de hidrognio esto mais prximos e, portanto, aconformao mais estvel) em algum ponto da estrutura molecular (f= 0 corresponde

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    38

    ao mximo ou mnimo da energia torsional) e n a periodicidade da energia potencial

    torsional.

    Opcionalmente o termo U substitudo por uma expanso em sries de

    Taylor, normalmente truncada aps o terceiro termo [20]:

    ( ) ( ) ( )

    ++++++= L 3cos121

    2cos121

    cos121

    321 VVVU (2.20)

    onde os parmetros, V1, V2 e V3 , so ajustados de modo que as conformaes

    previstas pela teoria reproduzam os resultados experimentais para algumas molculas

    testes.

    Outro refinamento importante e bastante utilizado, consiste na incluso de um

    termo adicional, UVdW na Equao 2.1, para descrever, em funo da distncia entre

    os ncleos, as interaes entre tomos separados por mais do que duas ligaes. A

    energia potencial total das interaes entre um par de tomos a soma das energias

    das foras atrativas (foras de disperso de London) e das foras repulsivas

    (repulses de van der Waals). As duas funes de energia potencial mais utilizadas

    para descrever estas interaes so o potencial de Lenard-Jones ( LJU ) e o potencial

    de Buckingham ( BuckU ):

    612 r

    B

    r

    AULJ = (2.21)

    6

    exp

    r

    C

    r

    BAUBuck

    = (2.22)

    onde r a distncia entre dois ncleos eA, A,B, Be Cso parmetros determinados

    a partir de constantes atmicas dependentes dos tomos envolvidos e so definidos

    em funo da distncia r. Tais parmetros podem ser calculados em funo de dois

    parmetros atmicos, raios efetivos de van der Waals e (kcal) que representa a

    dureza do tomo, da seguinte forma: 12=A ; 6=B onde a distncia de

    equilbrio. 2000=A ; rB70,12

    = ; 60156,0rC

    = .

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    Alguns autores complementam as Equaes 2.21 e 2.22 com termos

    referentes s interaes eletrostticasij

    ji

    r

    qq[20].

    O objetivo principal, na construo de um campo de fora, est em podertransferi-lo de uma molcula para outra. Os parmetros so selecionados para

    reproduzir os dados experimentais para alguns compostos testes, sendo que, a meta

    final a ser alcanada consiste em aplic-los a um composto adicional cujos detalhes

    estruturais no sejam bem conhecidos experimentalmente, de modo a utiliz-lo como

    auxlio para estudos experimentais.

    2.2.2 Localizao da Energia Potencial Mnima

    Vrios mtodos so aplicados em mecnica molecular, para encontrar o

    mnimo da funo de energia potencial [20]. Estes mtodos podem ser divididos em

    grupos, de acordo com a tcnica empregada para localizar o mnimo de energia

    potencial:

    a) Mtodos de Primeira Ordem: calculam apenas as primeiras derivadas da

    funo de energia potencial.

    b) Mtodos de segunda ordem: calculam as primeiras e segundas

    derivadas da funo de energia potencial.

    As primeiras e segundas derivadas da funo de energia potencial podem ser

    determinadas numericamente ou analiticamente, ou ainda, as primeiras derivadas

    avaliadas analiticamente e as segundas derivadas obtidas numericamente.

    Os algoritmos mais utilizados so os mtodos de Newton-Raphson (mtodo

    de segunda ordem) e o "Steepest Descent" (mtodo de primeira ordem) [20].

    Ocasionalmente o algoritmo Simplex tem sido aplicado [20].

    O objetivo desses mtodos consiste em encontrar a coordenada x, onde aenergia (f (x)) um mnimo, partindo de uma coordenada inicial,x0.

    A energia potencial, U, para uma molcula com Ntomos e 3Ncoordenadas,

    escrita segundo a Equao 2.1, expandida em srie de Taylor, considerando at

    termos quadrticos, em torno do ponto de equilbrio das coordenadas internas (r0,q0,

    f0, d0) [20]:

    ( ) ( )

    +

    += 2

    02

    2

    0

    2

    1r

    r

    rUr

    r

    rUUU (2.23)

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    40

    onde os termos cruzados esto negligenciados.

    Para a localizao do mnimo da funo de energia potencial, o uso de

    coordenadas atmicas cartesianas mais favorvel do que coordenadas internas,

    uma vez que uma molcula com topologia qualquer pode apresentar vrios vnculos

    redundantes entre si [20]. Uma forma eficaz e bastante utilizada para eliminar este

    problema, consiste em transformar os elementos variacionais, r (Equao 2.23), em

    coordenadas cartesianas, as quais, por sua condio de ortogonalidade, eliminam as

    relaes de redundncia existentes nas coordenadas internas.

    A expresso geral para a energia potencial, U, em coordenadas cartesianas

    independentes, assume a seguinte forma:

    ijijii XXCXAUU ++= 21

    0 2.24)

    onde iX ,

    iX o conjunto de coordenadas cartesianas (i, j= 1, ... , N; , =x, y, z),

    iA so formados pelos coeficientes que multiplicam os

    iX e os

    elementos da matriz ijC so todos os fatores que so multiplicados pelos

    iX , jX .

    Aplicando a condio necessria de mnimo, na energia potencial :

    0=

    iX

    U(2.25)

    um conjunto de 3Nequaes algbricas lineares para os elementos, iX obtido:

    = jiji XCA (2.26)

    o qual, devido s aproximaes realizadas, deve ser resolvido iterativamente

    aplicando os mtodos padres (Mtodo de Newton-Raphson, por exemplo) [20], em

    que se procura encontrar uma raiz de uma funo ( )xf atravs de um processo

    iterativo:

    ( )nn xx =+1 (2.27)

  • 8/3/2019 0032876

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    41

    A forma geral para a funo de interao dada por:

    ( ) ( ) ( )xfxAxx += (2.28)

    e quando igual a raiz da funo, tem-se obrigatoriamente ( )xx = .

    Os valores de iX obtidos so usados para calcular o novo conjunto de

    coordenadas:

    ( ) ( ) iii XantigasXnovasX += (2.29)

    Utilizando os valores de iX (novas), o processo sintetizado nas Equaes

    2.23 a 2.29 repetido, at que os valores, iX i, da equao 2.29 sejam

    considerados suficientemente pequenos (prximos de zero). Na iterao final os

    valores iA devem ser zero (ou muito prximo), de modo que as primeiras derivadas

    sejam nulas e somente permaneam os termos ijC .

    A localizao do mnimo de energia potencial pressupe a existncia de 3N-6

    graus de liberdade para a molcula, uma vez que sua energia deve serinvariante quanto rotao e a translao da mesma. Estes seis movimentos devem

    ser separados das vibraes internas, retirando-os da matriz das segundas derivadas.

    Para tratar a separao destes movimentos, existem vrios mtodos, dentre eles:

    "Mtodo da Matriz Inversa Generalizada" [20], onde se define como a matriz

    inversa generalizada ( )1A a matriz que atende as seguintes condies:

    ( ) ( ) XAXAeAXAXXXAXAAXA TT ==== ,, com mnA e mnX , e o

    "Mtodo da Matriz Reduzida [20], onde atravs de operaes algbricas se

    escalona uma matriz.

    A energia potencial assim obtida (Equao 2.4) pode ento ser utilizada

    para calcular os nmeros de onda vibracionais. Os nmeros de onda em conjunto

    com os momentos de inrcia, calculados a partir da geometria final, podem ser usados

    para calcular as contribuies rotacionais, translacionais e vibracionais, as quais so

    utilizadas na avaliao das funes termodinmicas para o estado gasoso.

    A Figura 2.3 apresenta um fluxograma geral dos programas computacionais

  • 8/3/2019 0032876

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    42

    computacionais empregados nos clculos de modelagem molecular, onde o primeiro

    passo escolher o tipo de coordenadas (internas, cartesianas ou cristalogrficas) a

    ser adotado. Em seguida faz as selees da funo potencial e dos parmetros,

    para seguida realizar os clculos de minimizao de energia.Finalmente, calculam-

    se os espectros vibracionais e as funes termodinmicas e obtm-se o resultado

    final.

    Figura 2.3: Fluxograma geral dos programas computacionais para Modelagem Molecular.

    2.2.3 Importncia e limitaes da Mecnica Molecular

    Entre as vrias razes que justificam o emprego a MM a que mais se destaca,

    sem dvida, a velocidade com que a MM realiza os clculos. Para se ter uma idia

    de como a MM mais rpida, na determinao da geometria molecular de um

    composto, por exemplo, se utilizar-se do mtodo ab initio, somente para as integrais

    de repulso intereletrnicas o tempo de computao aumentar em at 4n , sendo n o

    nmero de funes de base para cada tomo. Se comparar com os mtodos semi-

  • 8/3/2019 0032876

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    43

    empricos, embora estes sejam mais rpidos do que os ab initio, tambm a quantidade

    de memria de computador e de tempo demasiadamente grande, com os tempos

    aumentando de 3n ou 2n conforme e escolha do mtodo. J na MM esse aumento de

    tempo fica em2

    m , sendo m o nmero de tomos existentes na molcula.Outra razo importante que justifica a utilizao da MM que a geometria

    optimizada por este mtodo um bom ponto de partida para a realizao dos clculos

    qunticos de orbitais moleculares.

    Apesar destas vantagens descritas acima, a MM apresenta algumas

    desvantagens, ou limitaes, principalmente em relao na determinao de

    propriedades onde os efeitos eletrnicos so predominantes. Tambm reduz sua

    utilidade o fato de que muitas molculas, principalmente as de interesse

    farmacolgico, no foram ainda devidamente parametrizadas [21].

    2.3 Tratamento Quntico de Molculas

    2.3.1 Teoria do Orbital Molecular

    Do ponto de vista quntico, a determinao da estrutura e propriedades da

    molcula se resume resoluo da equao de Schrdinger

    EH = (2.30)

    sendo H o operador Hamiltoniano do sistema e a funo de onda do sistema sob

    anlise, com H dado por [20]:

    2 2

    1 1 1 1 1 1 1

    1 1 1

    2 2

    N M N M N N M MA B

    i A

    i A i A i j A B AiA ij AB

    Z Z ZH

    r r R= = = = = > =

    = + +)

    , (2.31)

    Na Equao (2.31) 1=== heme , ZA a carga do tomoA e RAB a distncia entre

    os ncleos dos tomos A e B. Os primeiros dois termos em (2.31) representam,

    respectivamente, a energia cintica dos eltrons e dos ncleos. O terceiro termo a

    energia da interao (atrativa) entre os ncleos e os eltrons. Os ltimos dois termos

    correspondem a energias repulsivas das interaes entre os ncleos e os eltrons,

    respectivamente [20].

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    44

    A equao de Schrdinger pode ser simplificada, se levarmos em conta a

    grande diferena entre as massas dos eltrons e dos ncleos. Uma vez que as

    velocidades de movimento dos ncleos so muito menores do que as velocidades dos

    eltrons, como conseqncia do teorema da eqipartio de energia [20], podemos

    esperar que a incerteza nas posies dos ncleos seja muito menor e usamos este

    efeito para construir uma aproximao adiabtica. A simplificao alcanada na

    conhecida aproximao de Born-Oppenheimer. Nesta aproximao as posies

    espaciais de todos os ncleos so fixas. Como conseqncia a energia cintica dos

    ncleos considerada desprezvel e a energia potencial de repulso ncleo-ncleo

    constante [20]. Essa aproximao permite desacoplar as equaes de movimentos

    nucleares dos eletrnicos. O hamiltoniano eletrnico , portanto dado por:

    = = = >=

    ++=+=N

    i

    M

    A

    N

    i

    N

    j

    eeNe

    ijiA

    AN

    i

    iel VVTrr

    ZH

    1 1 1 11

    2 121 (2.32)

    sendo T o operador associado energia cintica eletrnica, NeV o operador do

    campo potencial de interao atrativa entre os ncleos e os eltrons e eeV o operador

    do campo potencial de interao repulsiva entre os eltrons. A equao deSchrdinger toma a forma:

    , elelelel EH = (2.33)

    onde as funes de onda el dependem somente das coordenadas dos eltrons e as

    coordenadas dos ncleos entram como parmetros externos equao. A energia

    total do sistema a soma da energia dos estados eletrnicos elE

    ,NucelTOT EEE += (2.34)

    e a energia de interao nuclear, dada por:

    = >=M

    a

    M

    AB AB

    BANuc

    R

    ZZ

    E1 (2.35)

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    45

    Pressupondo que o comportamento de cada eltron em uma molcula

    ditada por uma funo de onda independente, na assim chamada aproximao

    orbital, a funo de onda eletrnica total da molcula el passa a ser escrita como

    um produto dos orbitais eletrnicos spin-moleculares si :

    ( ) ( ) ( )ns

    n

    ss

    EL xxx = K2211 (2.36)

    sendo i as coordenadas espaciais do i-zimo eltron de spin s esu o u-zimo

    estado eletrnico molecular.

    Os spin-orbitais moleculares acomodam 2 eltrons de spins opostos e e

    devem ser ortonormais, ou seja: ( ) ( )u i j i j ux x dx dx = sendo u delta de

    Kroning.

    A Equao (2.32) pode ser escrita na forma de uma Hamiltoniana eletrnica

    do tipo [20]:

    1 1 ,

    2

    el

    i i j ij

    H h

    r

    = + (2.37)

    sendo ih o operador hamiltoniano de uma partcula, para o i-zimo eltron

    movendo-se no campo coulombiano nuclear, expresso por [20]:

    2

    2i A

    iA iA

    Zh

    r

    = . (2.38)

    Num sistema com um nmero par de eltrons, ou de camada fechada, ser

    necessria a determinao de2 u

    N , cada um deles associado a um par ( ou )

    de estados de spin. Para atender ao princpio de excluso de Pauli, a funo de onda

    total deve ser expressa como um produto anti-simtrico das2

    funes de onda de

    um eltron. Esta condio satisfeita exprimindo-se como o determinante de Slater

    dos spin - orbitais moleculares [22]:

  • 8/3/2019 0032876

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    46

    ( ) ( ) ( )

    ( ) ( ) ( )

    ( ) ( ) ( )NNNN

    N

    N

    SD

    xxx

    xxx

    xxx

    Nr

    Lrr

    LLLL

    rL

    rr

    rL

    rr

    21

    22221

    11211

    0!

    1= (2.39)

    A energia do sistema ento determinada pelo valor esperado do operador elH , ou

    seja

    * el el el E H dv = (2.40)

    Utilizando o operador elH , conforme definido na equao (2.38) econsiderando que os eltrons so indistinguveis, a energia do sistema eletrnico

    pode ser escrita como [20]:

    ( )2 2E h J K = + (2.41)

    Neste caso, os termos Jh , e K so descritos por [20]:

    ( ) ( )* s si i ih x h x dv = (2.42)

    ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )** *1 j ji i i is ss s s s

    i j i j i j i i iij

    J x x x x dv dv x J x dvr

    = = (2.43)

    ( ) ( ) ( ) ( )* * *1 ji i i i iss s s s s

    i j i j i j iij

    K x x x x dv dv K dvr

    = = (2.44)

    A Equao (2.42) o operador hamiltoniano de uma partcula, a equao

    (2.43) representa a interao coulombiana repulsiva entre as densidades eletrnicas

    2 e

    2 [20]. J a equao (2.44), tambm repulsiva, no possui anlogo clssico

    sendo conhecido como termo de exchange ou troca [20].

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    47

    2.3.2 Mtodo de Hartree-Fock

    Este mtodo tem por objetivo determinar, de forma aproximada, o estado de

    menor energia de um sistema de eltrons. Para obter a soluo aproximada da

    Equao (2.33) do estado fundamental do sistema eletrnico da molcula podemos

    aplicar o mtodo variacional [20]. Neste caso, buscaremos a funo de onda que

    minimiza o funcional de energia E, dado na equao (2.41). Num sistema de camada

    fechada este funcional determinado considerando-se somente os orbitais ocupados,

    ou seja, ,2

    .

    Quando cada orbital molecular sofre uma variao infinitesimal a

    energia tambm sofre uma variao E . Lembrando que os orbitais moleculares so

    ortogonais, isto limita a variao dos orbitais, que deve satisfazer a condio [20]:

    ( )* * 0i j i jdx dx dx dx + = (2.45)

    Obedecida esta restrio, a determinao das condies para que a energia

    seja mnima faz-se impondo 0E = . Esta energia mnima, tambm conhecida como

    energia de Hartree-Fock HFE , representa um funcional de orbitais moleculares que

    obedecem s condies acima, expressas pela equao { }[ ]iHF EE = .

    , 1, , ,f N = = L (2.46)

    sendo o orbital molecular e autovalores do operador f . f se denomina

    operador de Fock definido por:

    ( ) HFf h V = + . (2.47)

    A Equao 2.46, conhecida como equao de Hartree-Fock, permite determinar os

    melhores orbitais, que correspondem ao menor valor de HFE [20]. Na Figura 2.4,

    ilustrado os orbitais moleculares para o Etileno, onde mostra que o MO de menor

    energia o

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    48

    Figura 2.4 [23]: Diagrama do Orbital Molecular para o Etileno

    Na Equao 2.46, as quantidades podem ser interpretadas

    como energias de orbitais eletrnicos. HFV

    o operador potencial efetivo deHartree-Fock, que representa a interao repulsiva entre o i-simo eltron

    e outros (N 1) eltrons:

    ( ) ( ) 2HF iV x J K = , (2.48)

    Portanto, o operador de Hartree-Fockdescreve o sistema de Neltrons que

    no interagem entre si, mas esto sob influncia do potencial efetivo HFV . Em outras

    palavras, o determinante de Slater uma funo de onda exata de Neltrons no

    acoplados num campo de potencial efetivo HFV . O operador HFH um operador

    hermitiano, com razes reais. Ao resolver a equao (2.48), os2

    menores

    autovalores correspondem aos orbitais moleculares ocupados no estado fundamental

    [20].

    ===N

    i

    N

    i

    SDiSDiSDHFSDHF fEH (2.49)

    importante observar que o operador HFH depende dos orbitais s.

    Portanto, a resoluo da equao (2.49) feita de forma iterativa auto-consistente.

    Na prtica, a aplicao de mtodo de Hartree-Focka sistemas complicados,como por exemplo, s molculas grandes (acima de 20 tomos), encontra dificuldades

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    [20]. Uma das abordagens existentes para simplificar a soluo do problema se

    chama mtodo de Hartree-Fock-Roothaan [24]. Neste mtodo as equaes so

    transformadas num problema matricial, com representao dos orbitais como uma

    combinao linear de orbitais atmicos (LCAO) j conhecidosj

    . Estes orbitais

    formam uma base com a qual podemos escrever a funo de onda de um eltron

    como:

    =

    =N

    j

    jjc1

    . (2.50)

    N representa o nmero de orbitais atmicos da base e os coeficientesjvc formam uma matriz no-degenerada. Desta maneira obtm-se N funes

    linearmente independente e o nico problema que resta calcular os coeficientes jc .

    Como primeiro passo, a Equao 2.46 reescrita para o eltron ocupando o orbital

    molecular :

    ( ) ( )11

    =f . (2.51)

    Substituindo a equao 2.50 pela equao 2.51, obtm-se:

    ( ) = =

    =N

    j

    j

    N

    j

    jjj ccf1 1

    1 . (2.52)

    se multiplicarmos ambos os lados da equao de Hartree-Fock(Equao 2.53) pelasfunes da base ( )1i aps integrao obtm-se:

    ( ) ( ) ( ) = =

    =N

    j

    N

    j

    jjijiju cxdfc1 1

    * 111 r

    . (2.53)

    Para obter os LCAO-MO (Linear Combination of Atomic Orbitals

    Orbital Molecular) que melhor aproximem o estado fundamental,impe-se novamente a condio de extremo para o funcional de energia

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    eletrnica, objetivando a determinao dos coeficientes jc . Este procedimento resulta

    na equao:

    = =

    =N

    j

    N

    j

    jijajij cScF1 1

    , (2.54)

    sendo ijS os elementos da matriz de Fock que so dado por:

    ( ) ( )= 1* 11 xdS jiijr

    (2.55)

    O elementos da matriz S denominada matriz de sobreposio dado por [25]:

    ( ) ( )= 1* 11 xdfF jjijr

    (2.56)

    A Equao 2.54 chamada equao de Roothaan-Hall, pode ser escrita em

    forma matricial [25]:

    ScFc = . (2.57)

    c uma matriz N por N com elementos jc . uma matriz diagonal, onde os

    elementos so energias dos orbitais .

    O autovalores so as razes da equao secular:

    0det = SF . (2.58)

    Os N autovalores de menor energia, correspondem aos auto-estados

    ocupados e descrevem o estado fundamental eletrnico da molcula. O procedimento

    usualmente utilizado para realizao dos clculos numricos de obteno dos

    coeficientes jc o mtodo de campo auto-consistente SCF (Self-Consistent Field) j

    que F depende dos orbitais a serem determinados. O processo iterativo, onde, a

    partir de uma escolha inicial F , resolve-se as equaes (2.57) e (2.58),

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    reconstri-se F e assim sucessivamente at que a energia se estabilize.

    No caso de simulaes numricas de sistemas de muitos corpos, podemos

    afirmar que o mtodo de Hartree-Fockpode ser uma base para diferentes abordagens

    [20]. Sua eficincia depende, principalmente, da complexidade do sistema sobinvestigao e do nvel das aproximaes utilizadas.

    2.3.3 Mtodos ab initio

    Os mtodos ab initio objetivam a determinao das auto-funes associadas

    ao Hamiltoniano fundamental, sem qualquer parametrizao [21], sendo por isso

    considerado teoricamente puro. Os clculos s usam as quantidades bem

    estabelecidas, como, por exemplo, constantes fundamentais e nmeros atmicos dos

    ncleos [21]. A maior vantagem deste mtodo o alto nvel de confiabilidade dos

    resultados obtidos. Infelizmente, apresenta tambm a seguinte desvantagem: os

    clculos numricos baseados neste mtodo quase sempre levam muito tempo, que

    cresce com 4n , onde n o nmero de funes atmicas de base, e consomem muita

    memria dos computadores. Geralmente emprega-se o mtodo ab initio para conferir

    os resultados obtidos dentro de outras abordagens (mtodos semi-empricos) ou para

    estruturas moleculares mais simples, nos casos em que h uma possibilidade

    computacional.

    Na determinao da energia e da funo de onda do estado fundamental de

    um sistema atravs do mtodo ab initio, ou de primeiros princpios envolvido um

    grande nmero de integrais de dois corpos (eltrons de tomos

    diferentes), que trazem um alto custo computacional, para sistemas

    moleculares grandes, ou seja, acima de 20 tomos. Para contornar

    essas dificuldades, foram feitas vrias aproximaes e parametrizaessubseqentes, que na determinao dos elementos da matriz de Fock

    dando origem aos mtodos semi-empricos cuja importncia est relacionada

    capacidade de prever as propriedades fsicas e qumicas de um sistema,

    respondendo satisfatoriamente aos parmetros experimentais a serem avaliados.

    2.3.4 Mtodos Semi-empricos

    Como o prprio nome diz, mtodos semi-empricos so aqueles que se valem

    da parametrizao a partir de dados empricos, portanto, diferentemente dos mtodos

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    ab initio, a exatido de seus resultados dependem dos dados experimentais

    fornecidos. Por utilizar dados de origem experimental h um ganho na velocidade dos

    clculos, o que os tornam mais vantajosos em aplicaes de sistemas mais

    complexos. Um dos mtodos mais populares o MNDO (Modified Neglect of Diatomic

    Overlap), por sua simplicidade computacional e preciso qumica [25]. O potencial

    dos mtodos semi-empricos reside no no rigor terico, mas no fato de que

    parmetros ajustveis so otimizados de forma a reproduzir propriedades qumicas

    importantes.

    O objetivo fundamental dos mtodos semi-empricos o desenvolvimento de

    um tratamento quantitativo de propriedades moleculares com preciso, confiabilidade

    e custo computacional suficiente para ser de valor prtico em qumica, em particular

    em reas onde h falta de dados experimentais ou onde os procedimentos

    experimentais no funcionam satisfatoriamente. A parametrizao criteriosa do

    mtodo quantum-mecnico desenvolvida por Hall [25] e Roothaan [24], tambm

    conhecida por Hartree-Fock Self-Consistent Field Linear Combination of Atomic

    Orbital Molecular Orbital mtodo (HF-SCF-LCAO-MO) contribuiu muito para o

    sucesso de tais mtodos. Porm no foi suficiente para minimizar os custos

    computacionais, sobretudo, para sistemas mais complexos.

    Pode-se, ento dizer, que os mtodos semi-empricos representam umaabordagem soluo das equaes de Schrdinger para o sistema de muitos corpos

    (tomos, molculas ou slidos) usando a simulao numrica e computacional.

    O mtodo de Hckel, um dos primeiros mtodos semi-empricos, ignora

    completamente a repulso entre eltrons. Este mtodo foi desenvolvido na dcada de

    30 com o objetivo de estudar molculas orgnicas, para as quais a informao

    qumica est ligada, particularmente, aos eltrons valncia. No mtodo de Hckel, o

    Hamiltoniano da molcula escrito como [24]:

    HHH caroo += (2.59)

    Na Equao 2.59 o hamiltoniano do sistema a soma dos hamiltonianos dos eltrons

    Hckel e o hamiltoniano do caroo (ncleo e os outros eltrons do sistema). Neste

    mtodo o hamiltoniano dos eltrons se escreve aproximadamente

    como a soma dos hamiltonianos de um eltron num campo efetivo

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    dos ncleos e dos eltrons. Logo:

    ( )ihHi

    eff=

    . (2.60)

    Todos os mtodos semi-empricos negligenciam vrias das integrais de

    repulso inter-eletrnicas e avaliam algumas usando os orbitais atmicos de Slater:

    ( ) ,1 m

    l

    rn eNr = (2..61)

    e parametrizam as demais visando reproduzir clculos ab-initio como o caso dasaproximaes CNDO (Complect neglect of differential overlap), INDO (Complect

    neglect of differential overlap) e NDDO (Neglect of diatomic differential overlap), ou

    dados experimentais, no caso dos mtodos MNDO, AM1 (Austin Model 1) ou PM3

    (Parametric Method 3).

    O ponto de partida de qualquer mtodo a aproximao ZDO (Zero

    Differential Overlap) em que se impe a ortonormalidade dos orbitais atmicos, ou

    seja

    ( ) ( )* i i iS x x dv = =r r

    (2.62)

    e a sobreposio de orbitais fica restrita aos orbitais atmicos referentes a no mximo

    dois centros:

    pr qspq rs pq pq (2.63)

    sendo

    ( ) ( ) ( ) ( )* *1

    p i q j r i s j i jij

    pq rs x x x x dv dvr

    =r r r r

    (2.64)

    Com essas aproximaes a equao de Hartree-Fock-Roothaan (equao

    2.54) escrita como:

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    =

    iii CCF (2.65)

    Os elementos diagonais e no-diagonais da matriz de Fock dado por [24]:

    12

    F h P P

    = + , (2.66)

    12

    F h P = (2.67)

    sendo P o elemento da matriz densidade eletrnica:

    *2 ii

    P C C = (2.68)

    No entanto, a aproximao ZDO no invariante por rotao das

    coordenadas espaciais. A necessidade de se contornar este problema levou ao

    desenvolvimento de vrios mtodos cuja maior diferena reside em que grau a

    aproximao ZDO utilizada.

    No mtodo CNDO (Complete Neglect of Differential Overlap) [24,26], toda

    superposio dos orbitais atmicos desprezada. A determinao dos orbitais

    moleculares feita apenas para os eltrons de valncia, movimentando-se num

    campo potencial gerado pelos caroos, isto , os ncleos dos tomos constituintes

    da molcula mais os eltrons das camadas fechadas internas. A superposio dos

    orbitais atmicos centrados em diferentes tomos limitada a no mximo dois centros

    e a contribuio de exchange desprezada.

    No mtodo INDO (Intermediate Neglect of Differential Overlap) [27,28],

    procura-se igualmente determinar os orbitais para eltrons de valncia. Basicamente

    este mtodo difere do CNDO ao relaxar a condio de ortonormalidade dos orbitais

    atmicos quando estes esto centrados em um mesmo tomo.

    O mtodo NDDO (Neglect of Diatomic Differential Overlap) se assemelha ao

    INDO mas apresenta como caracterstica extra a manuteno de interaes dipolo-

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    dipolo gerando, no clculo dos elementos matriciais, o clculo de integrais

    proporcionais a 3r . Conseqentemente, o clculo torna-se mais complexo e tambm

    mais lentos.

    A avaliao dos elementos na matriz de Fockdepende da determinao dosparmetros que definem as vrias formas de interao inter-eletrnicas e dos eltrons

    com o caroos atmicos. Esta determinao deve ser feita de foram independente,

    com base em valores ab initio.

    Alternativamente a reparametrizao das integrais de repulso eletrnicas do

    mtodo NDDO permite a avaliao dos termos presentes no modelo a partir de dados

    experimentais, dando origem aos mtodos MNDO (Modification Neglect Differential

    Overlap), AM1(Austin Model 1) e PM3 (Parametric Method 3).

    Na aproximao MNDO as contribuies de eltrons do mesmo tomo

    (constituinte de uma molcula) so obtidas atravs de valores experimentais oriundos

    de tomos isolados, enquanto as integrais de dois centros so consideradas como

    parmetros ajustveis do mtodo. O que se espera que a introduo de parmetros

    ajustveis compense as deficincias devidas s simplificaes do esquema NDDO e

    do uso de um nico determinante de Slater. Para determinao destes parmetros

    so usados os valores calculados para as molculas cuja geometria, calor de

    formao, potencial de ionizao e momento dipolar so experimentalmente

    conhecidos.

    Em 1985 foi publicada uma nova verso do mtodo MNDO , o mtodo AM1

    (Austin Model 1). Neste mtodo foram parametrizadas as integrais dos seguintes

    tomos: H, B, C Si, N, O S, F, Cl, Br, I, Hg e Zn. Se comparar com MNDO, o mtodo

    AM1 calcula melhor a repulso entre ncleos e proporciona melhores resultados de

    molculas envolvidas em processos biolgicos, corrigindo a tendncia do mtodo

    MNDO em superestimar as foras de repulso interatmicas a curtasdistncias.

    Em 1989 foi apresentada outra verso do MNDO, o mtodoPM3, onde

    foram parametrizados os seguintes tomos: H, C, Si, Ge, Sn, Pl, N, P , As, Br, O, S,

    Se, Te, F, Cl, Bi, I, Al, Be, Mg, Zn, Cd e Hg. A parametrizao proposta inclui uso da

    expresso de vrios termos do mtodo NDDO em sries, visando reproduzir as

    propriedades desejadas. Isto resulta em grande aumento na velocidade de clculo.

    fcil verificar que a lista dos tomos parametrizados neste caso mais ampla do que

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    no caso do mtodo AM1. Em vrios casos o mtodo PM3 proporciona melhores

    resultados, especialmente para o estudo da geometria molecular e da energia de

    ionizao, do que o mtodo AM1, mas em outros casos a situao oposta (por

    exemplo, para o clculo das pontes de hidrognio).

    Atualmente os mtodos AM1 e PM3 so os mais usados entre todos os

    mtodos semi-empricos. Existe um grande nmero de publicaes onde estes

    mtodos so comparados. O critrio mais utilizado a capacidade de estabelecer as

    geometrias de molculas e o espectro de energia molecular. Os resultados variam

    dependendo do tipo de molculas em investigao.

    Entre os vrios pacotes computacionais que usam os mtodos semi-

    empricos podemos mencionar os HyperChem, Spartan,GAMESS e Cach 5.0.

    2.4 Propriedades Moleculares

    O clculo da estrutura eletrnica de uma molcula, como visto nos

    itens anteriores, leva determinao dos autovalores e autofunes da Equao

    Schrdinger. A partir destes clculos possvel prever vrias propriedades

    moleculares, como ser discutido a seguir.

    2.4.1 Momento de dipolo eltrico

    Para as molculas homonucleares como H2, N2 e O2, no h dvida que o par

    de eltrons no orbital molecular (OM) de ligao est igualmente distribudo entre os

    dois ncleos, j que os dois tomos que constituem a molcula so iguais, atraindo

    igualmente os eltrons de ligao [25]. Mas para tomos heteronucleares, isto no

    verdade. Certos tomos so particularmente vidos por eltrons (tm alta

    eletronegatividade) e, quando envolvidos numa ligao, tendem a tirar o par de

    eltrons envolvido na ligao qumica [25]. Os tomos mais eletronegativos so os dacoluna VII da tabela peridica, seguindo-se os da coluna VI. Em uma primeira

    aproximao, a eletronegatividade diminui ao logo da tabela peridica da direita para

    a esquerda, e descendo, dentro de uma mesma famlia. medida que aumenta a

    diferena entre a eletronegatividade de dois tomos numa ligao heteronuclear, o

    OM se desloca para o tomo mais eletronegativo e o carter da ligao se distancia

    cada vez mais de uma covalncia pura. No caso extremo de um compartilhamento

    pequeno ou de um no-compartilhamento dos eltrons entre os dois tomos, temos

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    uma ligao inica, isto , um sistema formado de um on positivo e um on negativo

    mantidos juntos por foras eletrostticas [25].

    Entre estes extremos o compartilhamento igual e o no-compartilhamento,

    pode-se descrever as ligaes como sendo parcialmente inicas ou parcialmente

    covalentes; um meio particularmente adequado para descrever quantitativamente

    estes sistemas a propriedade molecular mensurvel, chamada momento de dipolo

    eltrico [25].

    O momento de dipolo eltrico pode ser ilustrado considerando inicialmente

    uma molcula que no o possua, como por exemplo o H2. Num to