Universidade de So Paulo

Faculdade de Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto

Departamento de Qumica

Programa de Ps-Graduao em Qumica

As ligaes de hidrognio e o efeito do substituinte - Influncia

na ressonncia e aromaticidade de ctions e cidos orgnicos

Renato Luis Tme Parreira

Tese apresentada Faculdade de

Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto da

USP, como parte das exigncias para a obteno do

ttulo de Doutor em Cincias, rea: Qumica

RIBEIRO PRETO -SP

2006

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UNIVERSIDADE DE SO PAULO

FFCLRP - DEPARTAMENTO DE QUMICA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM QUMICA

As ligaes de hidrognio e o efeito do substituinte - Influncia

na ressonncia e aromaticidade de ctions e cidos orgnicos

Renato Luis Tme Parreira

Tese apresentada Faculdade de

Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto da

USP, como parte das exigncias para a obteno do

ttulo de Doutor em Cincias, rea: Qumica

RIBEIRO PRETO -SP

2006

UNIVERSIDADE DE SO PAULO

FACULDADE DE FILOSOFIA, CINCIAS E LETRAS DE RIBEIR O PRETO

DEPARTAMENTO DE QUMICA

As ligaes de hidrognio e o efeito do substituinte - Influncia

na ressonncia e aromaticidade de ctions e cidos orgnicos

Renato Luis Tme Parreira

Tese de Doutorado

Prof. Dr. Srgio Emanuel Galembeck

Orientador

Patrocnio: FAPESP

RIBEIRO PRETO-SP

-2006-

FICHA CATALOGRFICA

Parreira, Renato Luis Tme As ligaes de hidrognio e o efeito do substituinte -

Influncia na ressonncia e aromaticidade de ctions e cidos orgnicos. Ribeiro Preto, 2006. 241 p. : il. ; 30cm

Tese de Doutorado, apresentada Faculdade de Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto/USP rea de concentrao: Qumica Orientador: Galembeck, Srgio Emanuel.

1. Qumica Terica. 2. Ligaes de hidrognio. 3. Ressonncia. 4. Aromaticidade.

A cincia no pode resolver o mistrio definitivo

da natureza, porque em ltima anlise, ns

mesmos somos parte do mistrio que estamos

tentando resolver.

(Max Planck)

Existe uma coisa que uma longa existncia me

ensinou: toda a nossa cincia, comparada

realidade, primitiva e inocente e, portanto, o

que temos de mais valioso.

(Albert Einstein)

No devemos exigir que a cincia nos revele a

verdade. Num sentido corrente, a palavra

verdade uma concepo muito vasta e

indefinida. Devemos compreender que s

podemos visar a descoberta de realidades

relativas. Alm disso, no pensamento cientfico

existe sempre um elemento potico.

(Albert Einstein)

Sempre me pareceu estranho que todos aqueles

que estudam seriamente esta cincia acabam

tomados de uma espcie de paixo pela mesma.

Em verdade, o que proporciona o mximo de

prazer no o conhecimento e sim a

aprendizagem, no a posse, mas a aquisio,

no a presena, mas o ato de atingir a meta.

(Carl Friedrich Gauss)

Resultados? Mas claro que eu j consegui um

monte de resultados! Hoje, sei de mil coisas que

no funcionam."

(Thomas A. Edison)

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Srgio Emanuel Galembeck, por transmitir seus conhecimentos e

experincias profissionais, por acreditar sempre e valorizar meus esforos e por me

guiar pelos fascinantes caminhos da cincia.

Ao Prof. Dr. Antonio Carlos Borin, pela dedicao e interesse no papel de co-

orientador.

A Deus, por tudo em minha vida.

Aos meus pais, pelo amor incomensurvel que excede os limites do sacrifcio e

me faz prosseguir sempre adiante. s minhas irms (Renata, Fabiana e Andra), meus

avs (Jos Parreira, Sabina, Jos Elias e Nair), minha tia Cida e aos meus doces

sobrinhos Pedro e Jlia pelo zelo e fora.

Alessandra pelo amor, compreenso, carinho e conforto incessantes.

Aos meus amigos e companheiros de laboratrio: Giovanni, Renato Freitas

(Mineiro), Valria, Ali, Paulo, Slvio, Odonrio, Hamilton, Josiana, Augusto Sabbatini,

Ana Glria, Enrico, Laiani, Davi, Vessecchi, Fbio Vinhado, Fbio Doro, Rubens,

Ricardo (Boneco), Anderson (P), Luciano (Cabea), Marcos (Xaveco) e tantos outros

que fazem parte de minha vida, pelo apoio e pelos inesquecveis momentos de alegria.

Faculdade de Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto que promoveu

meu desenvolvimento acadmico.

FAPESP, pelo apoio financeiro e competncia.

Ao LCCA, pelos recursos computacionais.

i

RESUMO

A natureza das ligaes de hidrognio e a influncia destas interaes na

estrutura eletrnica de complexos neutros, catinicos, aninicos e radicalares foi

estudada utilizando-se anlises geomtricas, energticas, eletrnicas e topolgicas.

Inicialmente, verificaram-se alteraes na aromaticidade do ction pirlio aps a

complexao com uma a trs molculas de gua. Tais complexos foram ainda estudados

em meio reacional com constante dieltrica igual a da gua com o emprego do modelo

PCM (Polarizable Continuum Model). Adicionalmente, os efeitos da hidroxilao na

estrutura eletrnica dos ctions benzopirlio e flavlio foram considerados.

Posteriormente, analisaram-se os efeitos das fortes ligaes de hidrognio na

ressonncia do grupo carboxila em complexos formados entre o radical hidroperoxil e

os cidos frmico, actico e trifluoroactico. Como extenso desse trabalho, estudos

envolvendo complexos obtidos com e sem restries na otimizao de geometria

possibilitaram obter informaes a respeito da ressonncia dos grupos carboxila e

carboxilato quando o fluoreto de hidrognio interage linear ou perpendicularmente com

todos os tomos do cido frmico e do nion formiato.

O desenvolvimento das atividades supracitadas compreendeu a anlise da funo

de onda pelos mtodos NBO (Natural Bond Orbital), NSA (Natural Steric Analysis),

NRT (Natural Resonance Theory) e AIM (Atoms in Molecules). As alteraes em

parmetros geomtricos e nas cargas atmicas foram consideradas. Uma anlise

energtica foi realizada com o emprego do mtodo de decomposio de energia

proposto por Xantheas. As freqncias vibracionais e a intensidade das bandas do

estiramento do grupo X-H, doador da ligao de hidrognio, foram analisadas. As

densidades de spin para os complexos radicalares tambm foram obtidas. A influncia

das ligaes de hidrognio e o efeito do substituinte na aromaticidade dos ctions foram

verificados com o emprego dos mtodos e ndices NICS (Nucleus Independent

Chemical Shifts), HOMA (Harmonic Oscillator Model of Aromaticity), HOSE

(Harmonic Oscillator Stabilization Energy) e PDI (para-Delocalization Index). Os

clculos foram efetuados com os modelos B3LYP/6-31+G(d,p), B3LYP/6-

311++G(3df,3pd) e UB3LYP/6-311++G(3df,3pd). Ocasionalmente, outras funes de

base (EPR-III e cc-pVDZ), assim como o mtodo MP2, foram utilizados para testar a

confiabilidade dos resultados obtidos.

ii

As interaes intermoleculares pouco alteraram a estrutura eletrnica e a

aromaticidade do ction pirlio. Analogamente, a substituio de um tomo de

hidrognio por um grupo hidroxila em diversas posies dos ctions benzopirlio e

flavlio tambm no provocou modificaes muito significativas na estrutura eletrnica

desses ctions, embora tenha se verificado uma dependncia da aromaticidade com a

posio da hidroxila. Por outro lado, a distoro geomtrica associada s ligaes de

hidrognio foram responsveis pelo incremento ou diminuio da ressonncia do grupo

carboxila nos cidos frmico, actico, trifluoroactico e do grupo carboxilato no nion

formiato. Os efeitos dos grupos doador e sacador de eltrons na estabilizao dos

complexos radicalares foram evidenciados. Adicionalmente, pode-se atribuir um carter

covalente parcial em algumas ligaes de hidrognio.

iii

ABSTRACT

The nature of hydrogen bonds and their influence on electronic structure of

neutral, cationic, anionic, and radical complexes was studied by using geometric,

energetic, electronic, and topological analysis.

The changes in aromaticity of the pyrylium cation upon complexation with one

up to three water molecules were investigated. The PCM (Polarizable Continuum

Model) model was employed to study the pyrylium-water complexes in a water reaction

medium. In addition, the effects of hydroxylation on electronic structure of the

benzopyrylium and flavilium cations were also considered.

In addition, the effects of strong hydrogen bonds on carboxyl group resonance in

the complexes formed between the hydroperoxyl radical and formic, acetic, and

trifluoroacetic acids were analyzed. In extension of this work, studies including

complexes, obtained with and without geometric restrictions, provided information

about the resonance of the carboxyl and carboxylate groups when the hydrogen fluoride

interacts, linear or perpendicularly, with all atoms of formic acid and formate anion.

The analysis of the wavefunction by using NBO (Natural Bond Orbital), NSA

(Natural Steric Analysis), NRT (Natural Resonance Theory), and AIM (Atoms in

Molecules) methods was necessary to the development of the above mentioned

activities. The changes in geometric parameters and atomic charges were also

considered. An energetic analysis of complexes was done with the energy

decomposition method proposed by Xantheas. The vibrational frequencies and the

intensity of the X-H (hydrogen bond donor group) stretching bands were studied. The

spin densities for the radical complexes were also obtained. The Nucleus Independent

Chemical Shifts (NICS), Harmonic Oscillator Model of Aromaticity (HOMA), HOSE

(Harmonic Oscillator Stabilization Energy), and PDI (para-Delocalization Index)

aromaticity criteria were employed to verify the hydrogen bond influence and the effect

of hydroxylation in the aromaticity of the cations. The calculations were carried out by

using B3LYP/6-31+G(d,p), B3LYP/6-311++G(3df,3pd), and UB3LYP/6-

311++G(3df,3pd) models. Occasionally, other basis set (EPR-III and cc-pVDZ), as well

as the MP2 method, were applied to test the accuracy of the results.

The intermolecular interactions lead to small alterations in the electronic

structure and aromaticity of pyrylium cation. Similarly, the substitution at different

positions of the benzopyrylium and flavilium cations by a hydroxyl group does not

iv

cause significant changes in the electronic structure of these cations. However, a

dependence of the hydroxyl group position on aromaticity was observed. On the other

hand, for formic, acetic, trifluoroacetic acids, as well as for the formate anion, the

resonance of the carboxyl and carboxylate groups is affected not only by the geometric

distortions but also by the hydrogen bonds. The effects of the electron-donating and

electron-withdrawing groups in the stabilization of radical complexes were

characterized. Furthermore, a partial covalent character can be attributed to some

hydrogen bonds.

v

NDICE

1. Introduo......................................................................................................................1

1.1. Um breve histrico sobre as ligaes de hidrognio e sua natureza.......................1

1.2. Apresentao da tese e objetivos............................................................................7

2. Mtodos Computacionais..............................................................................................8

3. Resultados e Discusso................................................................................................11

3.1. Captulo 1: Influncia das ligaes de hidrognio e efeitos de substituinte na

aromaticidade dos ctions pirlio, benzopirlio e flavlio............................................11

3.1.1. Algumas consideraes sobre os ctions pirlio, benzopirlio e flavlio:

sistemas constituintes das antocianinas e antocianidinas.....................................11

3.1.2. Estudo computacional dos complexos ction pirlio-gua: ligaes de

hidrognio, efeitos de ressonncia e aromaticidade.............................................18

A. Geometrias.............................................................................................19

B. Freqncias vibracionais .......................................................................21

C. Cargas atmicas.....................................................................................23

D. Anlise energtica..................................................................................27

E. NBO (Natural Bond Orbital)..................................................................29

F. NSA (Natural Steric Analysis)...............................................................33

G. NRT (Natural Resonance Theory).........................................................38

H. Harmonic Oscillator Stabilization Energy (HOSE)...............................39

I. Harmonic Oscillator Model of Aromaticity (HOMA)............................40

J. Nucleus-Independent Chemical Shifts (NICS).......................................42

K. Deslocamentos qumicos RMN..........................................................43

L. Anlise AIM (Atoms in Molecules).......................................................44

M. Solvatao do pirlio com o modelo discreto/SCRF.............................55

N. Espectros eletrnicos.............................................................................58

O. Concluses.............................................................................................66

3.1.3. Estudo computacional da hidroxilao dos ctions benzopirlio e

flavlio...................................................................................................................68

3.1.4. Hidroxilao do ction benzopirlio...........................................................68

A. Geometrias.............................................................................................68

B. Cargas atmicas.....................................................................................71

C. Anlise energtica..................................................................................74

vi

D. Harmonic Oscillator Stabilization Energy (HOSE)...............................74

E. Harmonic Oscillator Model of Aromaticity (HOMA)...........................76

F. Nucleus-Independent Chemical Shifts (NICS)......................................77

G. Anlise AIM (Atoms in Molecules)......................................................78

H. Espectros eletrnicos.............................................................................86

3.1.5. Hidroxilao do ction flavlio...................................................................97

A. Geometrias.............................................................................................97

B. Cargas atmicas...................................................................................100

C. Anlise energtica................................................................................103

D. Harmonic Oscillator Stabilization Energy (HOSE).............................103

E. Harmonic Oscillator Model of Aromaticity (HOMA).........................106

F. Nucleus-Independent Chemical Shifts (NICS)....................................108

G. Anlise AIM (Atoms in Molecules)....................................................109

H. Espectros eletrnicos...........................................................................127

I. Concluses............................................................................................139

3.2. Captulo 2: Caracterizao e Influncia das Ligaes de Hidrognio na

Ressonncia de cidos Orgnicos e do nion Formiato..........................................142

3.2.1. Consideraes sobre as ligaes de hidrognio envolvendo alguns

compostos carbonlicos, radicais e fluoreto de hidrognio.................................142

3.2.2. Caracterizao das ligaes de hidrognio nas interaes entre o radical

hidroperoxil e cidos orgnicos..........................................................................145

A. Geometrias...........................................................................................146

B. Freqncias vibracionais .....................................................................148

C. Cargas atmicas...................................................................................149

D. Anlise energtica................................................................................150

E. NBO (Natural Bond Orbital)................................................................151

F. NSA (Natural Steric Analysis).............................................................153

G. Densidade de spin................................................................................155

H. NRT (Natural Resonance Theory).......................................................156

I. Anlise AIM (Atoms in Molecules)......................................................159

J. Ligao de hidrognio versus distoro geomtrica.............................164

K. Concluses...........................................................................................166

3.2.3. Complexao do cido frmico e do nion formiato com fluoreto de

hidrognio: efeitos na ressonncia dos grupos carboxila e carboxilato..............166

vii

A. Geometrias...........................................................................................167

B. Freqncias vibracionais .....................................................................172

C. Cargas atmicas...................................................................................174

D. Anlise energtica................................................................................177

E. NBO (Natural Bond Orbital)................................................................179

F. NSA (Natural Steric Analysis).............................................................185

G. NRT (Natural Resonance Theory).......................................................188

H. Anlise AIM (Atoms in Molecules)....................................................191

I. Ligao de hidrognio versus distoro geomtrica.............................203

J. Concluses............................................................................................207

4. Consideraes finais..................................................................................................208

5. Referncias Bibliogrficas.........................................................................................209

viii

NDICE DE FIGURAS E ESQUEMAS

Figura 1. Estruturas: (a) ction 2-fenilbenzopirlio e (b) antocianinas............................14

Esquema 1. Equilbrio prototrpico para o cloreto de 3,4-dimetxi-7-hidroxiflavlio,

onde Ka refere-se transferncia de prton, Kb hidratao do ction flavlio, Kt

tautomerizao e Ki isomerizao.................................................................................16

Figura 2. Geometrias de equilbrio dos monmeros e complexos pirlio-gua (distncias

dadas em e ngulos em graus).....................................................................................19

Figura 3. Complexo pirlio-gua sem ligao de hidrognio: a molcula de gua est

disposta acima do anel do ction. Distncias so dadas em ........................................20

Figura 4. Orbitais naturais localizados: (a) nO(1), (b) nO(gua)........................................29

Figura 5. Estruturas de ressonncia do ction pirlio.......................................................39

Figura 6. Grficos moleculares: (a) complexo (XI); (b) complexo (XII)........................47

Figura 7. Orbitais moleculares envolvidos nas principais transies eletrnicas no ction

pirlio, (I).........................................................................................................................59

Figura 8. Orbitais moleculares envolvidos nas principais transies eletrnicas no

complexo (XI)..................................................................................................................61

Figura 9. Orbitais moleculares envolvidos nas principais transies eletrnicas no

complexo (XII)................................................................................................................63

Figura 10. Espectro eletrnico para o ction pirlio, (I), e complexos com uma molcula

de gua, (II)-(IV).............................................................................................................65

Figura 11. Espectro eletrnico para o ction pirlio, (I), e complexos com duas

molculas de gua, (V)-(X).............................................................................................65

Figura 12. Espectro eletrnico para o ction pirlio, (I), e complexos com trs molculas

de gua, (XI) e (XII)........................................................................................................66

Figura 13. Geometrias de equilbrio do ction benzopirlio e derivados hidroxilados

(distncias dadas em e ngulos em graus)...................................................................70

Figura 14. Estruturas de ressonncia do ction benzopirlio...........................................74

Figura 15. Grfico molecular do derivado hidroxilado no C(3), (XIV)..........................80

Figura 16. Orbitais moleculares envolvidos nas principais transies eletrnicas no

ction benzopirlio, (XIII)................................................................................................87

Figura 17. Orbitais moleculares envolvidos nas principais transies eletrnicas no

ction hidroxilado (XIV).................................................................................................91

ix

Figura 18. Orbitais moleculares envolvidos nas principais transies eletrnicas no

ction hidroxilado (XVII)................................................................................................94

Figura 19. Espectro eletrnico para o ction benzopirlio, (XIII), e derivados

hidroxilados, (XIV)-(XVIII)............................................................................................96

Figura 20. Geometrias de equilbrio do ction flavlio e derivados hidroxilados

(distncias dadas em e ngulos em graus)...................................................................98

Figura 21. Estruturas de ressonncia do ction flavlio.................................................104

Figura 22. Grficos moleculares: (a) ction flavlio, (XIX); (b) derivado hidroxilado no

C(3), (XX).....................................................................................................................114

Figura 23. Orbitais moleculares envolvidos nas principais transies eletrnicas no

ction flavlio, (XIX).....................................................................................................128

Figura 24. Orbitais moleculares envolvidos nas principais transies eletrnicas no

ction hidroxilado (XX).................................................................................................130

Figura 25. Orbitais moleculares envolvidos nas principais transies eletrnicas no

ction hidroxilado (XXII)..............................................................................................133

Figura 26. Orbitais moleculares envolvidos nas principais transies eletrnicas no

ction hidroxilado (XXIV)............................................................................................136

Figura 27. Espectro eletrnico para o ction flavlio, (XIX), e derivados hidroxilados,

(XX)-(XXV)..................................................................................................................139

Figura 28. Geometrias (distncias dadas em e ngulos em graus): (1) radical

hidroperoxil; (2) cido frmico; (3) cido actico; (4) cido trifluoroactico; (5)

complexo cido frmico-radical hidroperoxil; (6) complexo cido actico-radical

hidroperoxil e (7) complexo cido trifluoroactico-radical hidroperoxil......................147

Figura 29. NBOs (a) 2nO(3); (b) 1nO(4)..........................................................................152

Figura 30. Principais estruturas de ressonncia do radical hidroperoxil.......................155

Figura 31. Grfico molecular do complexo (7).............................................................159

Figura 32. Geometrias de equilbrio (distncias dadas em e ngulos em graus): (1)

cido frmico; (2) nion formiato; (3) fluoreto de hidrognio; (4)-(8) complexos

resultantes da associao de (1) e (2) com (3)...............................................................169

Figura 33. Complexos obtidos com restries de geometria: (9l)-(13p) cido frmico-

fluoreto de hidrognio; (14l) e (14p) nion formiato-fluoreto de hidrognio. Distncias

dadas em e ngulos em graus.....................................................................................170

Figura 34. Grficos moleculares para alguns complexos: (a) (4); (b) (5); (c) (6); (d) (7);

(e) (8); (f) (9p); (g) (11p) e (h) (12p)............................................................................192

x

NDICE DE TABELAS

Tabela A. Padro de substituio para as antocianinas mais comuns na

natureza............................................................................................................................14

Tabela 1. Freqncias vibracionais (em cm-1) dos estiramentos das ligaes C-H.........22

Tabela 2. Cargas NPA, GAPT e MK para a gua, o ction pirlio (I) e complexos ction

pirlio-gua ((II)-(XII))....................................................................................................25

Tabela 3. Energias relativas corrigidas pela ZPE, (E+ZPE), (kcal/mol)......................27

Tabela 4. Energias (kcal/mol) de relaxao (ER) de cada um dos monmeros e total,

energias de interao (nE) e de ligao (BEn) corrigidas pelo BSSE............................28

Tabela 5. Energias de estabilizao de segunda ordem (E(2)) para (I)-(IV)..................30

Tabela 6. Energias de estabilizao de segunda ordem (E(2)) para (V)-(X)..................31

Tabela 7. Energias de estabilizao de segunda ordem (E(2)) para (XI) e (XII)...........32

Tabela 8. Energias de repulso estrica (dE(i,j)) para (I)-(IV)........................................34

Tabela 9. Energias de repulso estrica (dE(i,j)) para (V)-(VIII)....................................35

Tabela 10. Energias de repulso estrica (dE(i,j)) para (IX) e (X)..................................36

Tabela 11. Energias de repulso estrica (dE(i,j)) para (XI) e (XII)...............................37

Tabela 12. Principais estruturas de ressonncia obtidas pela anlise NRT

para (I)-(XII)....................................................................................................................38

Tabela 13. Contribuies das estruturas de ressonncia para (I)-(XII) calculadas pelo

mtodo HOSE (kJ/mol)...................................................................................................40

Tabela 14. HOMA, EN e GEO para (I)-(XII).................................................................41

Tabela 15. Contribuio das diferentes ligaes para HOMA, EN e GEO para

(I)-(XII)............................................................................................................................41

Tabela 16. NICS (0) e NICS (1), em ppm, para (I)-(XII)................................................42

Tabela 17. Deslocamentos qumicos (, ppm).................................................................43

Tabela 18. Anlise dos pontos crticos para (I) e gua....................................................45

Tabela 19. Anlise dos pontos crticos para (II)..............................................................45

Tabela 20. Anlise dos pontos crticos para (III).............................................................45

Tabela 21. Anlise dos pontos crticos para (IV)............................................................45

Tabela 22. Anlise dos pontos crticos para (V)..............................................................45

Tabela 23. Anlise dos pontos crticos para (VI)............................................................45

Tabela 24. Anlise dos pontos crticos para (VII)...........................................................46

xi

Tabela 25. Anlise dos pontos crticos para (VIII)..........................................................46

Tabela 26. Anlise dos pontos crticos para (IX)............................................................46

Tabela 27. Anlise dos pontos crticos para (X)..............................................................46

Tabela 28. Anlise dos pontos crticos para (XI)............................................................47

Tabela 29. Anlise dos pontos crticos para (XII)...........................................................47

Tabela 30. Densidades de energia locais (em u.a.) para as ligaes de hidrognio nos

complexos (II)-(XII)........................................................................................................50

Tabela 31. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (I) e gua.....................51

Tabela 32. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (II)...............................51

Tabela 33. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (III).............................51

Tabela 34. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (IV).............................51

Tabela 35. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (V)...............................51

Tabela 36. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (VI).............................51

Tabela 37. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (VII)............................52

Tabela 38. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (VIII)...........................52

Tabela 39. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (IX).............................52

Tabela 40. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (X)...............................52

Tabela 41. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XI).............................53

Tabela 42. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XII)............................53

Tabela 43. ndices de deslocalizao para (PDI, eltrons) do anel C para os ctions

(I)-(XII)............................................................................................................................54

Tabela 44. Energias de ligao na fase gasosa, fgE (kcal/mol)....................................55

Tabela 45. Energia livre de solvatao (solG ), contribuies eletrosttica ( eleG ) e

no-eletrosttica ( vdWcav GG + ) e energia livre de solvatao relativa ( solG ),

(valores em kcal/mol)......................................................................................................56

Tabela 46. Energia livre de solvatao para solutos com molculas explcitas de gua na

primeira camada de hidratao (AEsolG , em kcal/mol) e energia livre de solvatao do

sistema molecular calculada na aproximao do contnuo ( CTsolG , em kcal/mol)..........58

Tabela 47. Principais transies eletrnicas para (I): a fora do oscilador; (em nm)

o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio eletrnica..................60

Tabela 48. Principais transies eletrnicas para (XI): a fora do oscilador; (em

nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio eletrnica...........60

xii

Tabela 49. Principais transies eletrnicas para (XII): a fora do oscilador; (em

nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio eletrnica...........63

Tabela 50. Cargas NPA, MK e GAPT para o ction benzopirlio ((XIII)) e derivados

hidroxilados ((XIV)-(XVIII))..........................................................................................72

Tabela 51. Energias relativas corrigidas pela ZPE, (E+ZPE), (kcal/mol)....................74

Tabela 52. Contribuies das estruturas cannicas para (XIII)-(XVIII) calculadas pelo

mtodo HOSE (kJ/mol)...................................................................................................75

Tabela 53. HOMA, EN e GEO para o anel C dos ctions (XIII)-(XVIII)......................76

Tabela 54. Contribuio das diferentes ligaes para HOMA, EN e GEO para o anel C

dos ctions (XIII)-(XVIII)...............................................................................................77

Tabela 55. HOMA, EN e GEO para o anel A de (XIII)-(XVIII)....................................77

Tabela 56. NICS (0) e NICS (1), em ppm, para (XIII)-(XVIII)......................................78

Tabela 57. Anlise dos pontos crticos para (XIII)..........................................................79

Tabela 58. Anlise dos pontos crticos para (XIV).........................................................79

Tabela 59. Anlise dos pontos crticos para (XV)...........................................................79

Tabela 60. Anlise dos pontos crticos para (XVI).........................................................79

Tabela 61. Anlise dos pontos crticos para (XVII)........................................................80

Tabela 62. Anlise dos pontos crticos para (XVIII).......................................................80

Tabela 63. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XIII)...........................82

Tabela 64. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XIV)..........................82

Tabela 65. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XV)............................82

Tabela 66. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XVI)..........................82

Tabela 67. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XVII).........................83

Tabela 68. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XVIII)........................83

Tabela 69. ndices de deslocalizao para (PDI, eltrons) dos anis A e C para os

ctions (XIII)-(XVIII)......................................................................................................85

Tabela 70. Principais transies eletrnicas para (XIII): a fora do oscilador; (em

nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio eletrnica...........89

Tabela 71. Principais transies eletrnicas para (XIV): a fora do oscilador; (em

nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio eletrnica...........90

Tabela 72. Principais transies eletrnicas para (XVII): a fora do oscilador; (em

nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio eletrnica...........93

xiii

Tabela 73. Cargas NPA, MK e GAPT para o ction flavlio ((XIX)) e derivados

hidroxilados ((XX)-(XXV))..........................................................................................101

Tabela 74. Energias relativas corrigidas pela ZPE, (E+ZPE), (kcal/mol)..................103

Tabela 75. Contribuies das estruturas cannicas para (XIX)-(XXV) calculadas pelo

mtodo HOSE (kJ/mol).................................................................................................105

Tabela 76. HOMA, EN e GEO para o anel C dos ctions (XIX)-(XXV).....................107

Tabela 77. Contribuio das diferentes ligaes para HOMA, EN e GEO para o anel C

de (XIX)-(XXV)............................................................................................................107

Tabela 78. HOMA, EN e GEO para os anis A e B de (XIX)-(XXV)..........................108

Tabela 79. NICS (0) e NICS (1), em ppm, para (XIX)-(XXV).....................................108

Tabela 80. Anlise dos pontos crticos para (XIX).......................................................110

Tabela 81. Anlise dos pontos crticos para (XX).........................................................110

Tabela 82. Anlise dos pontos crticos para (XXI).......................................................111

Tabela 83. Anlise dos pontos crticos para (XXII)......................................................111

Tabela 84. Anlise dos pontos crticos para (XXIII).....................................................112

Tabela 85. Anlise dos pontos crticos para (XXIV).....................................................112

Tabela 86. Anlise dos pontos crticos para (XXV)......................................................113

Tabela 87. Anlise do ponto crtico da interao H-H (em u.a.) e energias de

estabilizao (kcal/mol).................................................................................................115

Tabela 88. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XIX)........................119

Tabela 89. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XX)..........................119

Tabela 90. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XXI)........................120

Tabela 91. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XXII).......................120

Tabela 92. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XXIII)......................121

Tabela 93. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XXIV).....................121

Tabela 94. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (XXV).......................122

Tabela 95. ndices de deslocalizao para (PDI, eltrons) dos anis A, B e C para os

ctions (XIX)-(XXV)....................................................................................................126

Tabela 96. Principais transies eletrnicas para (XIX): a fora do oscilador; (em

nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio eletrnica.........129

Tabela 97. Principais transies eletrnicas para (XX): a fora do oscilador; (em

nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio eletrnica.........132

xiv

Tabela 98. Principais transies eletrnicas para (XXII): a fora do oscilador; (em

nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio eletrnica.........135

Tabela 99. Principais transies eletrnicas para (XXIV): a fora do oscilador;

(em nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio

eletrnica.......................................................................................................................138

Tabela 100. Freqncias vibracionais (cm-1) dos estiramentos das ligaes C=O, O-H e

O-O................................................................................................................................148

Tabela 101. Cargas NPA e GAPT para (1)-(7).............................................................149

Tabela 102. Energias de relaxao dos monmeros (ER cido, ER radical) e total (ER total),

energias de interao (2E) e energias de ligao (BE2), (kcal/mol)............................150

Tabela 103. Energias de estabilizao de segunda ordem (E(2)) para (1)-(7)..............152

Tabela 104. Energias de repulso estrica (dE(i,j)) para (1)-(7)...................................154

Tabela 105. Densidades de spin para (1), (5)-(7)..........................................................156

Tabela 106. Principais estruturas de ressonncia obtidas pela anlise NRT para

(2)-(7).............................................................................................................................157

Tabela 107. Principais estruturas de ressonncia obtidas pela anlise NRT para (1)....158

Tabela 108. Anlise dos pontos crticos (em u.a.) para (1)-(7).....................................160

Tabela 109. Densidades de energia locais (em u.a.) para as ligaes de hidrognio nos

complexos (5)-(7)..........................................................................................................161

Tabela 110. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (1)-(7).....................162

Tabela 111. Cargas NPA...............................................................................................164

Tabela 112. Energias de estabilizao de segunda ordem, E(2)...................................164

Tabela 113. Energias de repulso estrica, dE(i,j).........................................................164

Tabela 114. Principais estruturas de ressonncia e ordens de ligao...........................164

Tabela 115. Densidades de spin....................................................................................165

Tabela 116. Anlise dos pontos crticos (em u.a.).........................................................165

Tabela 117. Propriedades atmicas (em u.a.)................................................................165

Tabela 118. Freqncias vibracionais (cm-1) dos estiramentos das ligaes H-C, C=O,

O-H e H-F para (1)-(14p)..............................................................................................173

Tabela 119. Cargas GAPT, MK e NPA para (1)-(8).....................................................174

Tabela 120. Cargas GAPT, MK e NPA para (9l)-(14p)................................................176

Tabela 121. Erro de superposio de base, BSSE (kcal/mol), e energias de ligao

corrigidas pelo BSSE, BEcorr (kcal/mol), para os complexos (4)-(14p)........................178

xv

Tabela 122. Energias de estabilizao de segunda ordem, E(2), para (1), (4)-(6)........180

Tabela 123. Energias de estabilizao de segunda ordem, E(2), para (2), (7) e (8).....181

Tabela 124. Energias de estabilizao de segunda ordem, E(2), para (9l)-(13p).........182

Tabela 125. Energias de estabilizao de segunda ordem, E(2), para (14l) e (14p).....183

Tabela 126. Transferncia de carga (CT) obtida pela anlise NBO para

(4)-(14p)........................................................................................................................184

Tabela 127. Energias de repulso estrica (dE(i,j), kcal/mol) para (1), (4)-(6).............185

Tabela 128. Energias de repulso estrica (dE(i,j), kcal/mol) para (2), (7) e (8)..........186

Tabela 129. Energias de repulso estrica (dE(i,j), kcal/mol) para (9l)-(13p)..............187

Tabela 130. Energias de repulso estrica (dE(i,j), kcal/mol) para (14l) e (14p)..........187

Tabela 131. Principais estruturas de ressonncia obtidas pela anlise NRT para

(1)-(8).............................................................................................................................188

Tabela 132. Principais estruturas de ressonncia obtidas pela anlise NRT para

(9l)-(14p).......................................................................................................................190

Tabela 133. Anlise dos pontos crticos (em u.a.) para (1)-(8).....................................194

Tabela 134. Anlise dos pontos crticos (em u.a.) para (9l)-(14p)................................195

Tabela 135. Densidades de energia locais (em u.a.) para as interaes nos complexos

(4)-(14p)........................................................................................................................198

Tabela 136. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (1)-(8).....................199

Tabela 137. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (9l)-(14p)................200

Tabela 138. ndices de deslocalizao (DI) para (1), (2), (3), (4), (6) e (8)..................203

Tabela 139. Cargas atmicas (MK e NPA) para (1) e (2) nas geometrias dos complexos

(4), (5) e (8)...................................................................................................................204

Tabela 140. Energias de estabilizao de segunda ordem, E(2), para (1) e (2) nas

geometrias dos complexos (4), (5) e (8)........................................................................204

Tabela 141. Energias de repulso estrica (dE(i,j), kcal/mol) para (1) e (2) nas

geometrias dos complexos (4), (5) e (8)........................................................................205

Tabela 142. Principais estruturas de ressonncia e ordens de ligao para (1) e (2) nas

geometrias dos complexos (4), (5) e (8)........................................................................206

Tabela 143. Anlise dos pontos crticos (CP, em u.a.) para (1) e (2) nas geometrias dos

complexos (4), (5) e (8).................................................................................................207

xvi

LISTA DE ABREVIATURAS

AIM Atoms in Molecules.

AIL - Atomic Interaction Line.

BCP Bond Critical Point.

B3LYP Becke three-parameter hybrid functional combined with LeeYangParr

correlation functional.

BP Bond Path.

BPL Bond Path Lenght.

BSSE Basis Set Superposition Error.

CCP Cage Critical Point.

CP Counterpoise.

CPs Critical Points.

DFT Density Functional Theory.

DI Delocalization Index.

GAPT Generalized Atomic Polar Tensor.

GIAO Gauge-Independent Atomic Orbital.

HOMO Highest Occupied Molecular Orbital.

IAS Interatomic Surface.

LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital.

MK Merz-Kollman.

MO Molecular Orbitals.

MP2 Mller-Plesset second-order perturbation theory.

NAOs Natural Atomic Orbitals.

NBO Natural Bond Orbital.

NHO Natural Hybrid Orbitals.

NLMOs Natural Localized Molecular Orbitals.

(N)NA: Non-Nuclear Attractors.

NOs Natural Orbitals.

NPA Natural Population Analysis.

NRT Natural Resonance Theory.

NSA Natural Steric Analysis.

PCM Polarized Continuum Model.

RCP Ring Critical Point.

xvii

RMN Ressonncia Magntica Nuclear.

SCF Self-Consistent Field.

SCRF Self-Consistent Reaction Field.

TMS Tetrametilsilano.

ZINDO Zerner's Intermediate Neglect of Differential Overlap.

ZPE Zero Point Energy.

1

1 INTRODUO

1.1 Um breve histrico sobre as ligaes de hidrognio e sua natureza

O interesse no entendimento das ligaes qumicas no recente. A maior parte

dos princpios gerais da estrutura molecular e da natureza da ligao qumica foi

formulada atravs dos tempos por qumicos movidos pelo grande conjunto de

observaes experimentais. Ao longo das dcadas, estes princpios tm sido

aprimorados e novos conceitos tm surgido graas aos avanos dos mtodos

experimentais e tericos.1 O estudo da estrutura das molculas foi originalmente

abordada por qumicos usando mtodos de investigao que so essencialmente de

natureza qumica, relacionados composio qumica das substncias, existncia de

ismeros, natureza das reaes qumicas nas quais as substncias fazem parte, etc.

Todas as observaes e teorias marcaram o incio do entendimento das ligaes

qumicas e propiciaram o desenvolvimento de estudos focados no interesse particular de

se entender o processo das interaes entre tomos de uma mesma molcula (interaes

intramoleculares) e tomos de molculas diferentes (interaes intermoleculares).1

Foi com os interesses voltados para o prisma das ligaes qumicas que, a

dcadas atrs, reconheceu-se que sob certas condies um tomo de hidrognio pode ser

fortemente atrado por outros dois tomos, ao invs de somente um, de modo que se

possa considerar que estivesse ligado a esses dois tomos. ligao adicional

denominou-se ligao de hidrognio. Por algum tempo pensou-se que essa ligao

originava-se da formao de duas ligaes covalentes pelo tomo de hidrognio.

Posteriormente, com o desenvolvimento da teoria mecnico-quntica de valncia, foi

reconhecido que o tomo de hidrognio, com somente o orbital (1s) semi-ocupado, no

poderia formar mais do que uma ligao covalente pura e que a atrao entre dois

tomos observada na formao da ligao de hidrognio deveria ter ampla participao

de foras inicas, possibilitando a explicao de propriedades importantes sobre as

ligaes de hidrognio.1 Primeiramente, a ligao de hidrognio a ligao entre dois

tomos por intermdio de um hidrognio; o nmero de coordenao do hidrognio no

excede a dois. O on hidrognio positivo um simples prton, sem eltrons em suas

camadas eletrnicas. Esse pequeno ction deve atrair um nion para uma distncia do

equilbrio internuclear igual ao raio do nion e poder atrair similarmente um segundo

nion, formando assim um complexo estvel. Um terceiro nion, entretanto, deve ser

2

impedido por contatos nion-nion de se aproximar do prton. Do ponto de vista inico,

o nmero de coordenao do hidrognio ento restrito ao valor dois.1

Em segundo lugar, apenas os tomos mais eletronegativos devem formar

ligaes de hidrognio, sendo que a intensidade dessas ligaes deve aumentar com o

aumento da eletronegatividade dos dois tomos ligados. Seguindo a escala de

eletronegatividade, espera-se que flor, oxignio, nitrognio e cloro apresentem, em

ordem decrescente, ligaes de hidrognio mais intensas. Essa observao foi

demonstrada experimentalmente. Embora cloro e nitrognio tenham eletronegatividades

prximas, o cloro possui uma menor capacidade de formao de ligao de hidrognio,

o que pode ser atribudo ao seu grande tamanho (relativo ao nitrognio), o que faz com

que as interaes eletrostticas sejam mais fracas do que as observadas para o

nitrognio.1

Assim sendo, em 1887, o cientista sovitico Illinski reconhecia que o hidrognio

poderia ser atrado por dois tomos de oxignio. Werner, em 1902, observou que o

amonaco um produto da adio da amnia e gua (HOHNH3 HOHNH3).2

Porm, a primeira meno da ligao de hidrognio foi feita por Moore e Winmill, em

1912,3 quando explicaram atravs da estrutura do hidrxido de trimetilamnio, o baixo

carter bsico dessa substncia frente ao apresentado pelo hidrxido de

tetrametilamnio. O reconhecimento da importncia da ligao de hidrognio e sua

extensiva ocorrncia foi feito por Latimer e Rodebush no ano de 1920,4 quando

utilizaram esse conceito na discusso da elevada associao entre lquidos (como gua e

fluoreto de hidrognio) com seus altos valores de constantes dieltricas; da pequena

ionizao do hidrxido de amnio e da formao de dmeros de cido actico. O

nmero de molculas que apresentam ligaes de hidrognio foi amplamente

aumentado por estudos espectroscpicos e de estruturas cristalinas e por anlises fsico-

qumicas.5

Embora a ligao de hidrognio no seja uma ligao rigorosamente forte (sua

energia de ligao na maioria dos casos encontra-se entre 2-10 kcal/mol), ela

altamente significativa na determinao das propriedades de uma srie de materiais,6

como os polmeros sintticos, alm de ser responsvel pelas estruturas tercirias em

macro e biomolculas (protenas, cidos nuclicos, etc), pelas propriedades de vrios

fludos e slidos moleculares, pelas preferncias conformacionais de um grande grupo

de molculas,7,8 e tambm podem produzir grandes modificaes na cintica e no

mecanismo de reaes enzimticas.9 Devido pequena energia de ligao e baixa

3

energia de ativao envolvida na sua formao e ruptura, a ligao de hidrognio

especialmente observada em uma srie de reaes que ocorrem na temperatura

ambiente. Sua vasta ocorrncia e sua importncia nas interaes intermoleculares10,11

fazem com que sejam objeto de interesse em diversas reas como a fsica, a qumica, a

cristalografia, a engenharia de cristais e a biologia molecular, dentre outras.

Vrios estudos tericos e experimentais envolvendo sua caracterizao e

natureza12-16 foram realizados. Entretanto, uma definio precisa da ligao de

hidrognio ainda no foi obtida.13,16 Num extremo, atribudo s ligaes de hidrognio

um carter puramente eletrosttico, mas tem se verificado que estas interaes podem

apresentar um carter covalente aprecivel, como demonstrado por estudos

experimentais12 ou computacionais.13

A diferena de planaridade nos dmeros H2O/HF17 e H2O/HCN

18 pode ser

atribuda a diferenas na natureza das ligaes de hidrognio. Enquanto que a interao

eletrosttica entre os dipolos da gua e do cido leva a formao de um dmero planar

para H2O/HCN, o oposto observado para H2O/HF.16 Fowler e Legon observaram a

evidncia de uma transferncia parcial do hidrognio do cloreto de hidrognio para a

trimetilamina no dmero (CH3)3N/HCl, atravs de comparaes das constantes de

acoplamento nucleares quadrupolares do 35Cl e 14N.19

Utilizando as anlises de Morokuma,20 Singh e Kollman separaram a energia de

interao do dmero da gua nos componentes eletrosttico, de polarizao, de

transferncia de carga e de disperso e determinaram que a contribuio desses

componentes varia com a distncia intermolecular.21

Em estudos com dmeros que apresentam ligaes de hidrognio, Reed, Curtiss e

Weinhold fizeram uso da anlise dos Orbitais Naturais de Ligao (NBO) para eliminar

o componente de transferncia de carga do hamiltoniano. Foi observado que esse

componente constitui a maior parte da contribuio energtica, ao passo que as atraes

eletrostticas so amplamente canceladas pelas repulses de troca. Dessa forma, o

componente eletrosttico pode ser considerado como uma conseqncia das interaes

de transferncia de carga.22

A proposta de que certas ligaes de hidrognio podem ser estabilizadas pela

ressonncia foi sugerida por Gilli et al.23-31 Essas ligaes so caracterizadas por

interaes com distncias muito curtas do tipo XHX, nas quais X um tomo

eletronegativo. As RAHB (Resonance Assisted Hydrogen Bonds) devem, obviamente,

apresentar um aprecivel carter covalente.

4

Efeitos de cooperatividade foram observados em vrias cadeias unidas por

ligaes de hidrognio, tais como no cianeto de hidrognio (HCN),32 nos clusters de

gua,33-36 no cido actico,37 na formamida,38,39 N-metilformamida e

N-metilacetamida,40,41 em peptdeos42,43 e modelos de poliglicinas,44 em estruturas

cristalinas de cadeias finitas de ligaes de hidrognio no estudo de carboxihidratos e

peptdeos,45 entre outras. Estudos de estabilizao de energia e de parmetros

geomtricos realizados com cadeias de ligaes de hidrognio na uria e no enol da

1,3-ciclohexenodiona, submetidas a um campo eltrico, demonstraram que apenas no

caso da uria pode-se realizar uma descrio razovel atravs de efeitos eletrostticos e

de polarizao.13

Constantes de acoplamentos (NH

J 1511

, NNJ 15152

e NCJ 15133

), obtidas por

espectros de ressonncia magntica nuclear de muitos sistemas com ligaes de

hidrognio que so suficientemente rgidos, foram consideradas como evidncias

experimentais de interaes covalentes nas ligaes de hidrognio.46-48 Por outro lado,

num estudo sobre a natureza dessas ligaes em protenas,49 Arnold e Oldfield

observaram que o acoplamento NCJ3 entre grupos de peptdeos (com ligaes de

hidrognio NHOC) em protenas mediado por interaes de camada fechada, no

covalentes, entre os tomos doador (hidrognio) e receptor (oxignio) das ligaes de

hidrognio. Dessa forma, os autores sugerem que o acoplamento decorrente de uma

penetrao mtua das densidades de carga no-ligadas (penetrao de van der Waals).

Ainda nesse mesmo estudo, Arnold e Oldfield constataram que os deslocamentos

qumicos (obtido no espectro de ressonncia magntica nuclear: 1H RMN) do tomo de

hidrognio que participa da ligao de hidrognio descrevem uma grande variedade de

interaes qumicas, a qual compreende desde o limite das interaes de camada

fechada nas ligaes de hidrognio NHOC em protenas, passando pelas parcialmente

covalentes SSHBs (Short, Strong, Hydrogen Bonds) em enzimas, e culminando no

limite do compartilhamento de eltrons (interaes covalentes) nas LBHBs (Low-

Barrier Hydrogen Bonds). Embora os termos SSHB e LBHB sejam usados

aproximadamente como sinnimos, eles no tm o mesmo significado.50 Del Bene

utilizou de clculos tericos para comparar as constantes de acoplamento (XYJ2 ) entre

complexos com e sem ligao de hidrognio (XHY), mas que apresentam a mesma

distncia entre os tomos X e Y. Os resultados demonstraram que o acoplamento ocorre

mesmo na ausncia da ligao de hidrognio, sem uma relao direta entre a magnitude

5

desta grandeza e a existncia da ligao de hidrognio. Portanto, a constante de

acoplamento no deve ser utilizada como prova do carter covalente das ligaes de

hidrognio.51

Onoda et al. estudaram a estabilizao do nion carboxilato decorrente da

ligao de hidrognio com o grupo amida e a influncia desse grupo na desprotonao

de cidos carboxlicos.52 Para isso, foram utilizadas anlises cristalogrficas, espectros

de infravermelho e de ressonncia magntica nuclear (1H RMN), alm de clculos de

orbitais moleculares em fase gasosa e em meio contnuo parametrizado para reproduzir

as propriedades da gua. Os autores observaram uma grande ordem de ligao entre os

tomos doador e receptor da ligao de hidrognio (NHOC), a qual atribuda

transferncia de carga do oxignio do nion carboxilato para o grupo amida. O carter

covalente parcial dessa forte ligao de hidrognio intramolecular foi atribudo ao

aumento do recobrimento entre os orbitais do hidrognio da amida e do oxignio do

carboxilato.

Na determinao da escala de basicidade (pKHB) de uma srie de complexos com

fluoreto de hidrognio (HF), Lamarche e Platts utilizaram a teoria AIM (Atoms in

Molecules) e verificaram que as ligaes de hidrognio compreendem efeitos

eletrostticos e covalentes.53

Tambm utilizando a teoria AIM, sobretudo os ndices de deslocalizao (DIs),

Poater et al. analisaram as ligaes de hidrognio e a aromaticidade do par de bases

guanina-citosina complexado com ctions de metais.54 Concluram que a variao da

fora das ligaes de hidrognio aps a complexao com metais atribuda,

principalmente, s modificaes nas interaes entre doador-receptor das ligaes de

hidrognio (interaes covalentes que ocorrem entre um par de eltrons isolado do

tomo receptor de prton e o orbital * do grupo doador de prton). Nesse caso, as

alteraes nas interaes eletrostticas assumiram um papel menos significativo. Essas

observaes corroboram estudos anteriores de que as ligaes de hidrognio nos pares

de bases do DNA seriam intensificadas por efeitos de polarizao do sistema de eltrons

(RAHB),55,23-31 e que as interaes entre os orbitais doador-receptor nestas bases

apresentam intensidades comparveis s das interaes eletrostticas.56-58 Este quadro

est em concordncia com as evidncias experimentais mencionadas46-48 que levam a

um carter covalente parcial das ligaes de hidrognio, resultado de estudos de

6

difrao de raios-X monocromticos no gelo12 e de espectros de ressonncia magntica

nuclear (RMN) de ligaes de hidrognio no RNA46 e em protenas.47,48

De acordo com Scheiner et al.,59 na formao da ligao covalente ocorre um

grande rearranjo da densidade eletrnica. No outro extremo, nas interaes de van der

Waals ou puramente coulombicas, a redistribuio de carga na formao do complexo

mnima. As ligaes de hidrognio devem ocupar o espao intermedirio entre as

ligaes covalentes e as inicas.

Recentemente, vrios estudos abordaram a influncia das ligaes de hidrognio

na aromaticidade e ressonncia de determinados sistemas. Krygowski et al. analisaram

uma srie fenis substitudos complexados com bases e verificaram, atravs do ndice

HOMA (Harmonic Oscillator Model of Aromaticity), a dependncia da aromaticidade

com a fora das ligaes de hidrognio.60 Manojkumar et al. observaram, com o uso do

ndice NICS (Nucleus-Independent Chemical Shift), o aumento da aromaticidade da

p-benzoquinona aps a formao da ligao de hidrognio com molculas de gua.61

Por outro lado, o uso destes ndices (HOMA e NICS), juntamente com anlises NBO

(Natural Bond Orbital) e AIM (Atoms in Molecules), indicaram que a aromaticidade do

ction pirlio no influenciada pela ligao de hidrognio nos complexos com uma a

trs molculas de gua.62 Poater et al. constataram que a interao com ctions

metlicos estabiliza o par de bases guanina-citosina pela intensificao das ligaes de

hidrognio, as quais favorecem a separao de cargas na estrutura de ressonncia e o

aumento da aromaticidade do anel de seis membros da guanina.54 Trabalhos realizados

neste grupo de pesquisa demonstraram que as ligaes de hidrognio podem ser

responsveis pelo aumento da ressonncia da formamida e do grupo carboxila de cidos

orgnicos, complexados, respectivamente, com gua e com o radical hidroperoxil.63,64

Enfim, apesar dos esforos despendidos nos estudos das ligaes de hidrognio,

conclui-se que ainda restam muitas dvidas sobre a natureza destas ligaes. A

distino entre as contribuies covalentes e eletrostticas difcil de ser mensurada e

pode variar dentre os incontveis sistemas qumicos, no permitindo um consenso

generalizado sobre o assunto e criando polmica no meio cientfico. A influncia das

ligaes de hidrognio na estrutura eletrnica de compostos e complexos e,

conseqentemente, na ressonncia e na aromaticidade destes, tambm necessita de uma

cuidadosa anlise uma vez que a compreenso deste fenmeno deve permitir a

sobreposio com os fatores geomtricos.

7

1.2 Apresentao da tese e objetivos

Embora os resultados sejam apresentados em dois captulos, o objetivo central

de todas as atividades desenvolvidas o de se verificar a influncia da ligao de

hidrognio e o efeito de substituintes nos sistemas estudados, utilizando-se para isso, de

critrios geomtricos, energticos e eletrnicos.

No captulo inicial, observou-se a influncia da ligao de hidrognio na

aromaticidade do ction pirlio com uma a trs molculas de gua. Os complexos

tambm foram estudados em meio reacional com constante dieltrica igual a da gua

com o emprego do modelo PCM (Polarizable Continuum Model). Como extenso dos

estudos com o ction pirlio, apresentam-se os resultados referentes hidroxilao dos

ctions benzopirlio e flavlio, objetivando a anlise do efeito do substituinte na

aromaticidade destes ctions.

No captulo seguinte, foram abordadas as discusses referentes complexao

de cidos orgnicos, mais especificamente os cidos frmico, actico e trifluoroactico,

com o radical hidroperoxil. Em extenso a esse trabalho, analisaram-se os efeitos da

complexao do cido frmico e do nion formiato com o fluoreto de hidrognio em

complexos obtidos com e sem restries na otimizao de geometria. A influncia da

ligao de hidrognio na ressonncia dos cidos e do nion constitui-se o principal

objetivo dessa etapa do trabalho.

Para o desenvolvimento das atividades supracitadas foram analisadas

modificaes na geometria de equilbrio dos monmeros que constituem os complexos,

nas freqncias vibracionais e intensidades das bandas, cargas atmicas e espectros

eletrnicos. As ligaes de hidrognio e as alteraes eletrnicas sofridas pelos

monmeros foram ainda observadas por diversas teorias, tais como, NBO (Natural

Bond Orbital), NRT (Natural Resonance Theory), NSA (Natural Steric Analysis) e AIM

(Atoms in Molecules). Uma anlise energtica foi realizada com o emprego de um

mtodo de decomposio de energia proposto por Xantheas. A influncia das ligaes

de hidrognio e o efeito do substituinte na aromaticidade dos ctions foram verificados

com o emprego dos mtodos e ndices NICS (Nucleus Independent Chemical Shifts),

HOMA (Harmonic Oscillator Model of Aromaticity), HOSE (Harmonic Oscillator

Stabilization Energy) e PDI (para-Delocalization Index).

8

2 MTODOS COMPUTACIONAIS

As otimizaes das geometrias de todos subsistemas e complexos foram

realizadas no programa GAUSSIAN 9865 utilizando a teoria do funcional de densidade

com o funcional hbrido B3LYP.66-68 Para os radicais empregou-se o mtodo DFT

irrestrito, com o mesmo funcional (UB3LYP). No estudo dos cidos orgnicos, do nion

formiato e dos complexos com radical hidroperoxil e fluoreto de hidrognio foram

utilizados os conjuntos de funes de base 6-311++G(3df,3pd)69-72 e EPR-III,73 sendo o

ltimo apenas aplicado para o estudo com o radical hidroperoxil. J para os estudos

envolvendo a complexao do ction pirlio com uma a trs molculas de gua e a

hidroxilao dos ctions benzopirlio e flavlio, utilizaram-se o conjunto de funes de

base 6-31+G(d,p).74 Gu, Kar e Scheiner utilizaram essas bases no estudo de interaes

CH O entre doadores de prtons do tipo FnH3-nCH e receptores de prtons como gua

(H2O), metanol (CH3OH) e metanal (H2CO).75 A opo Tight foi utilizada na

otimizao de todas as geometrias, para se obter estruturas dos complexos que fossem

realmente mnimos na superfcie de energia potencial, j que essa opo diminui de cem

vezes os critrios de convergncia das foras e deslocamentos mximos e dos desvios

quadrticos mdios dessas grandezas. Os efeitos das foras de disperso e testes para

confirmao de algumas geometrias obtidas na complexao do ction pirlio foram

considerados com o emprego do mtodo MP2.76 A natureza do ponto estacionrio foi

determinada com base nas freqncias vibracionais harmnicas.

As energias foram corrigidas pela energia do ponto zero (ZPE: Zero Point

Energy) e os efeitos do erro de superposio de bases (BSSE: Basis Set Superposition

Error) foram considerados com o uso do mtodo de counterpoise (CP).77

As cargas atmicas foram calculadas pelos mtodos: (i) NPA (Natural

Population Analysis),78,79 as quais so obtidas pela anlise da funo de onda; (ii) MK

(esquema Merz-Kollman-Singh),80,81 determinadas pelo ajuste do potencial eletrosttico

molecular aos pontos selecionados num conjunto de esferas concntricas ao redor de

cada tomo; (iii) GAPT (Generalized Atomic Polar Tensor),82 obtidas pelos tensores

atmicos polares os quais se relacionam com as intensidades das bandas no espectro

infravermelho; (iv) AIM (Atoms in Molecules),84-86 propriedade derivada da integrao

sobre a bacia atmica, denotada por , segundo a anlise da topologia da densidade

eletrnica pela teoria de tomos em Molculas, proposta por Bader.

9

O mtodo desenvolvido por Xantheas para interaes de n-corpos foi utilizado

nas anlises energticas dos complexos.87,88

As funes de onda foram analisadas pelos mtodos NPA (Natural Population

Analysis)89 e NBO (Natural Bond Orbital) no programa NBO 5.0,90 que se encontra

interfaciado com o pacote de programas GAUSSIAN 98. O mtodo NBO realiza a

anlise de uma funo de onda molecular de vrios eltrons em termos de pares de

eltrons ligantes localizados.22 A anlise dos orbitais naturais de ligao compreende

uma seqncia de transformaes do conjunto orbitais moleculares cannicos {Xi} para

vrios conjuntos de orbitais localizados como NAOs (Natural Atomic Orbitals), NHOs

(Natural Hybrid Orbitals), NBOs (Natural Bond Orbitals) e NLMOs (Natural Localized

Molecular Orbitals): {Xi} NAOsNHOsNBOsNLMOs. As intensidades das

interaes entre orbitais ocupados i com orbitais antiligantes desocupados j podem

ser determinadas atravs da energia de perturbao de segunda ordem, E(2), em

mtodos SCF (Self- Consistent Field).22

As estruturas de ressonncia foram obtidas atravs de clculos NRT (Natural

Resonance Theory),91-94 tambm com o uso do programa NBO 5.0. A teoria de

ressonncia natural realiza uma anlise da densidade eletrnica molecular em termos de

estruturas de ressonncia e pesos, alm de determinar as ordens de ligao e valncias

que esto relacionadas com os conceitos da teoria clssica de ressonncia.95,96

O mtodo NSA (Natural Steric Analysis)97,98 expressa as repulses de troca

estricas como a diferena de energia devido ortogonalizao de orbitais, em

concordncia com uma viso fsica bem estabelecida de contato estrico. Ocorre uma

substituio sistemtica de NBOs (Natural Bond Orbitals) por NLMOs (Natural

Localized Molecular Orbitals), incorporando o acoplamento de repulses estricas com

efeitos de deslocalizao descritos por pequenas caudas dos NLMOs (os NLMOs no

esto totalmente localizados). Assim, esta tcnica permite identificar interaes entre

orbitais ocupados e parcialmente ocupados responsveis por desestabilizaes nos

sistemas a serem estudados.

Para se considerar o efeito de um campo de reao autoconsistente (SCRF: Self-

Consistent Reaction Field) na solvatao explcita, utilizou-se o modelo PCM

(Polarized Continuum Model).99-102 Os mtodos SCRF permitem fcil e diretamente

incorporar os efeitos do solvente na qumica quntica, mas negligenciam a estrutura de

solvatao microscpica na vizinhana do soluto. Nos mtodos SCRF, o soluto tratado

quanticamente enquanto que o solvente representado por um dieltrico contnuo. A

10

energia livre de hidratao determinada como uma adio das contribuies

eletrostticas e estricas (soma dos termos das contribuies da cavitao e de van der

Waals, que considera os efeitos de disperso-repulso e de volume).103

A anlise topolgica da densidade eletrnica, (r), foi realizada com a utilizao

da teoria AIM (Atoms in Molecules).84-86,104,105 A idia central desta teoria que a

topologia da densidade eletrnica contm informaes sobre a situao das ligaes

qumicas, a qual pode ser elucidada atravs da anlise matemtica de (r). A anlise de

qualquer funo escalar, como (r), consiste na determinao de pontos em que as

primeiras derivadas da funo, (r), so nulas. No caso da densidade eletrnica, estes

pontos so denominados pontos crticos (CPs: Critical Points). De acordo com a teoria

de Bader, a condio necessria e suficiente para dois tomos estarem ligados a

presena de um ponto crtico de ligao, BCP (Bond Critical Point), entre os mesmos.

Alm disso, os valores da densidade (r), do laplaciano 2(r) e da elipticidade () em

um BCP so utilizados para avaliar as variaes da densidade eletrnica e a natureza da

ligao qumica. Os clculos foram efetuados utilizando-se os programas PROAIM,106

MORPHY98107-112 e AIM2000.113

As modificaes na aromaticidade foram avaliadas atravs critrios magnticos,

geomtricos e energticos. Historicamente, propriedades magnticas tm sido utilizadas

para a caracterizao da aromaticidade de um dado composto.114-116 Introduzido por

Schleyer et al.,117 o NICS (Nucleus Independent Chemical Shift) foi proposto como um

parmetro na caracterizao de propriedades magnticas relacionadas aromaticidade

de sistemas cclicos. Trata-se de um critrio magntico, pelo qual so medidos os

valores da blindagem magntica isotrpica nas coordenadas de tomos que no possuem

funes de bases, ghost atoms. Similarmente a outros ndices magnticos, o NICS

sofre dependncia do tamanho.117 Alm disso, o NICS no demonstra uma diferena

marcante entre o benzeno e suas estruturas de Kekul e alguns autores sugerem a

utilizao do NICS apenas para estimar aromaticidade local.118 O clculo das blindagens

qumicas no espectro de ressonncia magntica nuclear (RMN) foram realizados com o

mtodo GIAO (Gauge-Independent Atomic Orbital),119 o qual fornece resultados em

boa concordncia com os valores experimentais,120 dependendo do modelo empregado

para clculo da funo de onda.

O HOMA (Harmonic Oscillator Model of Aromaticity)121,122 um ndice para

medida de aromaticidade que utiliza os comprimentos de ligao entre tomos situados

11

em um anel como critrio para avaliao da variao da aromaticidade. Esse ndice

apresenta como diferencial o fato de que utiliza os conceitos de comprimento de ligao

timo, Ropt, ao invs de valores mdios de comprimentos ou ordens de ligao. O

HOMA permite separar dois termos que descrevem diferentes contribuies para o

decrscimo da aromaticidade: (i) devido ao aumento do comprimento de ligao (o

termo denominado EN) e (ii) devido alternao do comprimento de ligao (o termo

denominado GEO). Para sistemas heterocclicos aromticos deve ser introduzido um

ajuste adicional ao ndice HOMA.121,122

O HOSE (Harmonic Oscillator Stabilization Energy) um modelo emprico que

utiliza comprimentos de ligao para estimar os pesos (contribuies) das estruturas

cannicas e a estabilizao de energia.121,123 O HOSE definido como o negativo da

energia necessria para deformar a geometria de uma molcula real para uma de suas

estruturas de Kekul (ou de ressonncia) com ligaes simples e duplas localizadas.

Essa energia de deformao derivada do potencial do oscilador harmnico.

Um outro critrio de avaliao de aromaticidade, o PDI (para-Delocalization

Index),124-126 uma mdia de todos os DIs (Delocalization Index) dos tomos de

carbonos relacionados em para num dado anel de seis membros.124 O valor de DI entre

dois tomos A e B, (A,B), obtido com o uso da teoria AIM (Atoms in Molecules) e

fornece uma idia quantitativa do nmero de eltrons deslocalizados ou compartilhados

entre esses dois tomos. Ento, o PDI est claramente relacionado com a idia de

deslocalizao eletrnica.124

3 RESULTADOS E DISCUSSO

3.1 CAPTULO 1: INFLUNCIA DAS LIGAES DE HIDROG NIO E

EFEITOS DE SUBSTITUINTE NA AROMATICIDADE DOS CTION S

PIRLIO, BENZOPIRLIO E FLAVLIO

3.1.1 Algumas consideraes sobre os ctions pirlio, benzopirlio e flavlio:

sistemas constituintes das antocianinas e antocianidinas

O estudo do ction pirlio motivado pelo seu uso em snteses qumicas, bem

como em decorrncia do seu amplo potencial de aplicaes.127 Estudos sistemticos

considerando uma grande srie de sais de pirlio e suas reaes podem ser encontradas

12

na literatura.128,129 Sais de pirlio tm sido aplicados como intermedirios sintticos

versteis e so empregados na preparao de muitos compostos orgnicos como

derivados de aril furanos, piridinas, nitrobenzenos, fosfobenzenos, tiopirlios,

2,4-pentadienonas e estruturas heterocclicas complexas.130-132 Apesar do grande

nmero de compostos de pirlio conhecidos, poucos complexos organometlicos

envolvendo o ction foram preparados e investigados.130,133-135

Compostos de pirlio so vastamente usados como sensores em materiais

fotogrficos e fotosemicondutores, como pigmentos e mode lockers em lasers,

Q-switchers, laser disc media e tambm como material para gravao

ptica.128,130,133,135-139 Tais compostos ainda so teis como luminforos orgnicos,

eletrlitos secundrios no-aquosos em baterias,135,136 aditivos inibidores de corroso

em tintas,130,133 provas fluorescentes para deteco de ons, pigmentos auxiliares em

coletores solares,137,140,141 iniciadores em reaes de polimerizao,127,142 e como

fotocatalisadores homogneos no combate a poluentes fenlicos.143-145 Em adio, o

pirlio e seus derivados tm apresentado papel importante no processo de

fotobranqueamento e na terapia fotodinmica.146-150

Alm do mais, o ction pirlio constitui o anel C de antocianinas, as quais so

um grupo de pigmentos naturais catinicos que pertencem a uma classe de compostos

fenlicos de baixo peso molecular, os flavonides. Esses compostos, amplamente

distribudos no reino vegetal, apresentam diversas funes biolgicas, alm de exercer

um papel primordial na interao entre plantas e o meio ambiente. A principal funo

das antocianinas na fisiologia vegetal sua participao nos processos de reproduo

sexual e na indicao visual de flores e frutos, atravs da atrao de agentes

polinizadores e de disperso de sementes.151,152 Assim, so as principais responsveis

pela colorao rosa, laranja, vermelha, violeta e azul das flores, frutos (como por

exemplo nas cascas de uvas rosadas e de maas e na couve roxa), folhas e rgos de

armazenamento.153,154 Em contraste com a pigmentao das flores e frutos, a presena

transiente de antocianinas em certas cascas de sementes, folhas, caules e razes no

totalmente compreendida. Algumas evidncias indicam que estes compostos seriam

sintetizados para proteger a planta contra alguns fatores de estresse, como o excesso de

radiao ultravioleta, infeces microbianas e ataques de insetos.155 Nicholson et al.

verificaram que ocorre a produo de algumas antocianinas em resposta infeco

microbiana.156 A cianidina-3-glicosdeo protege as folhas do algodoeiro contra ataques

de larvas.157 Recentemente, observou-se que ocorre um aumento de antocianinas em

13

plantas de trigo e ervilha quando submetidas radiao UV-B, mas no ao estresse

hdrico.158 A proteo contra radiao UV-B dessas substncias explicaria a mudana de

cor das folhas no outono, em pases de clima temperado.159,160

Vrias evidncias epidemiolgicas e estudos in vitro indicam que as

antocianinas possuem grande ao antioxidante, contribuindo para a destruio de

radicais livres.161 Estas espcies so metablitos altamente reativos que oxidam os

constituintes das clulas e, em particular, a membrana celular acelerando seu

envelhecimento e destruio. Logo, um excesso de radicais livres pode causar uma srie

de distrbios, como doenas cardiovasculares, inflamaes e problemas dermatolgicos.

Estudos demonstraram que vinho tinto tem grande potencial antioxidante, devido

presena de compostos fenlicos (taninos e antocianinas), os quais esto presentes em

quantidades suficientes para assegurar uma tima atividade antioxidante. Um dos

provveis mecanismos de ao antioxidante das antocianinas deve envolver o ataque de

radicais livres, como o on superxido, pelo anel C (Figura 1) desses flavonides.

Alm do carter antioxidante, vrios outros efeitos benficos ao ser humano ou

teraputicos das antocianinas foram propostos.162 Estes compostos, juntamente com

outros flavonides, podem ser aplicados no tratamento de distrbios relacionados

reteno de fludos por danos em vasos capilares.163 As antocianinas encontradas no

vinho possuem potencial aplicao na teraputica de melanomas humanos.164 Uma

antocianina natural, a purple corn color, reduz a carcinognese coloretal induzida por

um derivado da piridina em ratos machos.165 Algumas antocianinas naturais inibem o

crescimento de clulas tumorais humanas.166 Contudo, vrios aspectos da ao biolgica

de antocianinas precisam ser mais bem explorados, como a absoro destes compostos e

sua farmacocintica.167

As antocianinas so derivadas do ction flavlio, 2-fenilbenzopirlio (Figura 1).

Os compostos mais comuns desta classe tm um padro de substituio bem definido:

dois grupos hidroxilas nas posies 4 e 7 e quatro grupos substituintes R1 a R4, dos

quais R3 obrigatoriamente um acar. Os grupos R1 e R2 nas posies 3 e 5, podem

ser, alm de hidrognio, grupos hidroxila e metxi (OCH3). As antocianinas mais

comuns na natureza correspondem s seis combinaes possveis destes trs grupos

(Tabela A). O grupo R4 pode ser hidroxila ou glicosila, geralmente a glicose. As

antocianinas naturais ocorrem geralmente como monoglicosdeos (glicose ligada na

posio 3) ou diglicosdeos (glicoses nas posies 3 e 5). As agliconas das antocianinas,

14

as antocianidinas, so muito menos comuns na natureza.168 Em todos os derivados do

ction flavlio esse grupo o cromforo.

O

OR3OR4

HO

R1OH

R2C

O

A

B2

3

45

6

7

2

3

4

5

6

8 19

10

(a) (b)

Figura 1. Estruturas: (a) ction 2-fenilbenzopirlio e (b) antocianinas.

Tabela A. Padro de substituio para as antocianinas mais comuns na natureza.

Aglicona R1 R2 Perlagonidina H H

Cianidina H OH Peonina H OCH3

Delfinidina OH OH Petunidina OH OCH3 Malvidina OCH3 OCH3

Devido ausncia de toxicidade, as antocianinas tm sido propostas como

corantes e aditivos alimentares, porm seu uso industrial no tem se ampliado pela

grande instabilidade destes compostos frente a vrios parmetros como o pH e a luz.169

Em contraste com o comportamento das antocianinas isoladas, os antocianoplastos,

encontrados nos vacolos da epiderme vegetal, so estveis.170 Isso se deve

principalmente a efeitos de copigmentao do cromforo flavlio, os quais estabilizam

as antocianinas in vivo.158,171 A copigmentao pode ser devida interao entre os

glicosdeos e o ction flavlio de uma mesma antocianina, a auto-associao, ou entre

flavonas ou cidos aromticos com os cidos cafico e ferlico e antocianinas,

impedindo ou diminuindo a hidrlise das antocianinas.170

Hoshino, Matsumoto e Goto verificaram por meio de dicrosmo circular (CD:

Circular Dichroism) e medidas de deslocamentos qumicos de prtons no espectro de

RMN a auto-associao das antocianinas em soluo neutra.172-175 O processo de

copigmentao da malvidina 3,5-diglicolisada com os cidos cafico e ferlico tambm

foi estudado, com a utilizao da espectroscopia eletrnica, por Markovic et al.152

A copigmentao tem sido usada como estratgia para a estabilizao da cor

vermelha, ou seja, do ction flavlio. Ela se baseia na adio de outras espcies qumicas

15

(que geralmente no absorvem no visvel) que se associam s antocianinas conduzindo

formao de complexos ou agregados.176-181 Se esses agregados tiverem constantes de

equilbrio de acidez e hidratao menores do que as da antocianina livre, o ction

flavlio ser estvel numa gama maior de valores de pH.168

Como as antocianinas so compostos poliidroxilados, estes pigmentos podem ser

complexados por metais. A complexao se d normalmente no anel B.154 Algumas

metalocianinas foram isoladas e caracterizadas. O pigmento azul, protodelfina,

composto de uma antocianina, uma flavona e magnsio.182 A sntese in vitro

demonstrou que o pigmento estvel no se formava na ausncia do metal. O complexo

pode ser formado com alguns outros metais.183 A composio de outro pigmento azul, a

comelinina, foi estabelecida como [M6F6Mg2]6-, onde M e F so a flavocomelina e

malonato-antocianina, respectivamente.184 A estrutura de raios-X deste complexo

permitiu verificar o stio de complexao e determinar que a interao entre as cadeias

se d por empilhamento, principalmente pelo anel A. As mesmas concluses foram

obtidas pelo isolamento e sntese da protocianina.182 Este complexo difere da

comelinina pelos flavonides constituintes, e tambm por apresentar um Fe2+

substituindo o Mg2+. A complexao com metais pode ser til na determinao e

quantificao de antocianidinas. O ction Al3+ foi proposto como reagente analtico de

flavonides por cromatografia lquida de alto desempenho,185 ou por anlise

espectrofotomtrica.186

Tem-se proposto que as antocianinas seriam estabilizadas pela formao de

pares inicos com sais (NaCl, NaBr, NaClO4 e NaBr). Isso ocorre pelo deslocamento do

equilbrio prototrpico em direo forma flavlio, com uma conseqente diminuio

da formao da chalcona. Alm disso, o nion preferencialmente hidratado,

diminuindo assim a hidrlise do grupo cromforo (Esquema 1).187 Entretanto, a

formao de pares inicos no previne a degradao trmica e fotoqumica dos

pigmentos, embora reduza a eficincia das reaes de decomposio.

Embora apresente grande complexidade, o equilbrio cido-bsico de

antocianidinas foi extensamente estudado e encontra-se bem esclarecido (Esquema

1).188 Entre pH 1 e 5 as antocianidinas existem sob a forma de pelo menos cinco

espcies (o cido, a base, a pseudobase e as chalconas cis e trans), que se

interconvertem por equilbrios cido-base, de hidratao, de tautomerizao e de

isomerizao. O equilbrio cido-base em geral o mais rpido e o de isomerizao o

mais lento.168

16

O O

OCH3

OCH3

O

OCH3

OCH3

HO OH

OCH3

OHHO

O

OCH3

O

OCH3

OCH3

HOHO

O

OCH3

OCH3

HO

base quinonoidal ction flavlio

hemiacetal

cis-(E)-chalcona

trans-(Z)-chalcona

A7

B

AH+

CE

CZ

H+

Ka

KbH2O

Kt

K i

Esquema 1. Equilbrio prototrpico para o cloreto de 3,4-dimetxi-7-hidroxiflavlio, onde Ka refere-se transferncia de prton, Kb hidratao do ction flavlio, Kt taut