UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

INSTITUTO DE QUÍMICAPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

Química computacional aplicada ao estudo de estrutura e reatividade dequinoxalinas biologicamente relevantes

Gutto Raffyson Silva de FreitasTese de Doutorado

Natal/RN, agosto de 2017

I

Gutto Raffyson Silva de Freitas

QUÍMICA COMPUTACIONAL APLICADA AO ESTUDO DE ESTRUTURA E REATIVIDADE DE

QUINOXALINAS BIOLOGICAMENTE RELEVANTES

NATAL,RN

2017

Tese de doutorado apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Química, Instituto de Química da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte-UFRN como parte dos

requisitos necessários à obtenção do título de doutor em

Química Teórica.

Orientador: Prof. Dr. Fabrício Gava Menezes

Co-orientador: Prof. Dr. Miguel Angelo Fonseca de Souza

Orientador: Caio Lima Firme

Co-orientador: Tereza Neuma de Castro Dantas

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN

Sistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede

Freitas, Gutto Raffyson Silva de.

Química computacional aplicada ao estudo de estrutura e

reatividade de quinoxalinas biologicamente relevantes / Gutto

Raffyson Silva de Freitas. - 2017.

97f.: il.

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Rio Grande do

Norte, Centro de Ciências Exatas e da Terra, Programa de Pós-

Graduação em Química. Natal, RN, 2017.

Orientador: Prof. Dr. Fabrício Gava Menezes.

Coorientador: Prof. Dr. Miguel Angelo Fonseca de Souza.

1. Quinoxalinas - Tese. 2. DFT - Tese. 3. Parâmetros

estruturais - Tese. I. Menezes, Fabrício Gava. II. Souza, Miguel

Angelo Fonseca de. III. Título.

RN/UF/BCZM CDU 547.863

II

Gutto Raffyson Silva de Freitas

Química computacional aplicada ao estudo de estrutura e reatividade de quinoxalinas

biologicamente relevantes

Aprovado em:18/08/2017

Tese de doutorado apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Química, Instituto de Química da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte-UFRN como parte dos

requisitos necessários à obtenção do título de doutor em

Química Teórica.

Orientador: Prof. Dr. Fabrício Gava Menezes

Co-orientador: Prof. Dr. Miguel Ângelo Fonseca de Souza

Orientador: Caio Lima Firme

Co-orientador: Tereza Neuma de Castro Dantas

III

DEDICATÓRIA

Aos meus pais Gabriel e Luzinete, por todo carinho e apoio. Obrigado por me

ensinar a ter força e determinação para atingir meus objetivos. Aos meus irmãos

Rodrigo e Lillyan, por sempre estarem presentes me dando apoio. Ao meu tio

Abimael que sempre ajudou nos meus estudos, do ensino médio ao superior,

fornecendo ótimos livros. À minha tia, Ir. Ana Maria Dionice da Silva (in memorian)

pelo exemplo de amor a sua missão e por ter contribuído no meu despertar para

ciência.

Família, toda vitória que conquistei, dedico a vocês!

IV

AGRADECIMENTOS

À Deus, pelas pessoas que colocou em minha vida e por todas as oportunidades.

Aos meus orientadores, Fabrício Menezes e Miguel Ângelo, pelos ensinamentos, apoio,

paciência e por estarem sempre dispostos a ajudar.

À minha tia Ir. Ana Maria José e Cônego José Mário por todo apoio.

Aos membros da banca avaliadora.

À CAPES pelo apoio financeiro

À Universidade Federal do Rio Grande do Norte e ao Instituto de Química, pela

oportunidade de realização deste trabalho.

V

"Let's move forward With no regrets in mind

If I only had a dime It's a situation and not a vibe

It's something you never deal

With and only brings sense to life! I hope you realize

Moving forward

Gonna stand, stand and defy Moving forward

Bringing sense to life A brand new start"

(Garage Fuzz - Shadows are moving)

VI

RESUMO

As quinoxalinas compõem uma classe de compostos heterocíclicos de nitrogênio com

um amplo espectro de aplicações, em diversas áreas. Neste contexto, destacam-se as

atividades biológicas para diversos fins. Atualmente, os métodos de química

computacional tem se mostrado uma ferramenta de grande relevância para realizar

investigações de propriedades estruturais, eletrônicas e termodinâmicas de diversos

compostos heterocíclicos, incluindo derivados quinoxalínicos. No presente trabalho,

estas propriedades foram investigadas em três abordagens distintas, tendo como base

Teoria do Funcional de Densidade (DFT). Na primeira parte, foi realizada uma

investigação acerca dos aspectos estruturais, eletrônicos e energéticos do composto

6,7-dinitroquinoxalina-2,3-diona (DNQX), um importante antagonista do

neuroreceptor glutamato iGluR2, o qual possui papel importante em processos

relacionados ao aprendizado e memória. Mais especificamente, foram avaliados os

possíveis tautômeros do DNQX, constatando que a forma dicarbonilada é a de menor

energia. Foi realizado um estudo dos valores de pKa associados às formações das

espécies mono e dianiônicas, em fase gasosa e aquosa, a partir de diferentes

metodologias. No capítulo seguinte, foram estudadas reações de substituição

nucleofílica aromática envolvendo 6,7-dicloroquinoxalina-2,3-diona (DCQX) e os

aminoálcoois: etanolamina e dietanolamina, em DMF. Foram calculadas as variações

de energia livre associadas à formação dos possíveis produtos de mono e

dissubstituição, assim como os estados de transição para formação dos mesmos. Os

resultados foram discutidos em termos de aspectos estruturais, como base em

trabalhos previamente relatados na literatura, de onde foi possível sugerir que estas

reações ocorrem via mecanismos concertados para dupla substituição do cloro tanto

por etanolamina, ambas por ataque nucleofílico do nitrogênio, quanto por

dietanolamina, por ataque nucleofílico do nitrogênio e do oxigênio. Ademais, as

análises dos valores de ∆G de reação e de ativação sugerem que a formação dos

produtos ciclizados é mais favorecida, para ambos os casos. Por fim, foram avaliadas as

propriedades estruturais e termodinâmicas de diversos complexos de cobre (II) com o

quimiossensor N-(2-aminofenil)-3-[(1S,2S)-1,2,3-trihidroxi-propil]quinoxalina-2-

carboxamida (AAQX), no intuito de entender a interação desta quinoxalina com o

VII

referido metal, via formação de um complexo metal-ligante 2:1. Devido ao tamanho

dos complexos, os cálculos foram realizados com a combinação de métodos DFT e

semi-empírico, a fim de reduzir o custo computacional. Os resultados sugerem que

complexos com estrutura tetraédrica são mais favoráveis e a substituição do ligante

cloreto por água não forma complexos estáveis. Com o desenvolvimento do trabalho,

foram obtidos resultados satisfatórios associados ao uso da DFT para o estudo de

diferentes propriedades destes derivados quinoxalínicos.

Palavras-chave: Quinoxalinas; DFT parâmetros estruturais; pKa; substituição

nucleofílica aromática; quimiossensor; DFT.

VIII

ABSTRACT

Quinoxaline are part of a family of heterocyclic compounds with a wide spectra of

applications in many subjects, for instance biological activities. Nowadays, quantum

chemistry methods has been proving of particular importance, in order to shed light on

the electronic structure and the thermodynamics of many of such heterocyclic

molecules, among them quinoxaline. In this work, we shall investigate such properties

using three Density Functional Theory (DFT) based approaches. First, we have studied

the geometries, electronic structure and energies of 6,7-dinitroquinoxaline-2,3-dione

(DNQX), an important antagonist for the glutamate receptor iGluR2, deeply related

with processes of learning and memory. In particular, from those possible DNQX

investigated, the minima is found as being the diamide form. We have also carried out

a study concerning the pKa of formation for both mono and dianionics, in gas phase

and solution, by means of a few different methodologies. In the following chapter, we

have investigated the nucleophilic substitution reaction between 6,7-

Dinitroquinoxaline-2,3-dione (DNQX) and amino alcohols, namely: ethanolamine and

diethanolamine, in DMF. We have calculated the free energy change associated to

formation of all relevant products. The results are presented in terms of geometries,

based on previous works, from which was possible to find enough evidences

suggesting that such processes happen by means of concerted reactions for double

substitution of chlorine atoms either by ethanolamine and diethanolamine. Moreover,

the values of ∆G of formation and activation tends to demonstrate that cyclic products

are preferable. Finally, we have evaluated the structure and thermodynamics of

several complex of Cu (II) with N-(2-aminophenyl)-3-[(1S,2S)-1,2,3-trihydroxy-

propyl]quinoxaline-2-carboxamide (AAQX), in order to proper understand the metal-

quinoxalinedione interaction via formation of a complex metal-ligand 2:1. Due the size

of the complex, all calculations were performed using a hybrid DFT/semi-empirical

approach, to reduce the computational effort. The results show tetrahedral

geometries being more favorable and substitution of a ligand by water giving rise to

unstable complexes. All along this work DFT has been heavily used in order to

investigate the properties of quinoxalinedione-like derivatives.

IX

Keywords: Quinoxalines; DFT structural parameters; pKa; Aromatic nucleophilic

substitution; chemosensor; DFT.

X

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Estrutura molecular de alguns N-heterociclos presentes em drogas e produtos naturais

19

Figura 2 Estrutura molecular de alguns N-heterociclos 20

Figura 3 Citações com Quinoxalinas realizadas nos últimos anos 21

Figura 4 Exemplo de uma reação empregada para realizar a síntese de quinoxalinas

21

Figura 5 Derivados quinoxalínicos de interesse tecnológico e farmacológico

22

Figura 6 Quimiossensores derivados de quinoxalinas 29

Figura 7 Cargas atômicas no complexo de Meisenheimer 30

Figura 8 Exemplo de mecanismo de uma reação de substituição nucleofílica aromática

30

Figura 9 Reação de 2-cloropiridina com metóxido 31

Figura 10 Funcionais mais citados no período de 1990-2006 37

Figura 11 Ciclo termodinâmico que considera a dissociação de uma espécie ácida em sua base conjugada e o próton

41

Figura 12 Modelo de ligação do DNQX com o receptor de glutamato 48

Figura 13 Estruturas do DNQX em diferentes faixas de pH 49

Figura 14 Estrutura molecular da 2,3-dihidroquinoxalina 51

Figura 15 Tautômeros propostos para o DNQX 51

Figura 16 Estruturas otimizadas e energia (relativa) livre de Gibbs de cada tautômero do DNQX

52

Figura 17 Estruturas otimizadas do DNQX, DNQX A1 e DNQX A2 53

Figura 18 Estruturas de ressonância para o DNQX e seus ânions 57

Figura 19 Reagentes e possíveis produtos das reações entre DCQX, etanolamina e dietanolamina

65

Figura 20 Estruturas otimizadas das espécies químicas envolvidas nas reações entre DCQX e aminoálcoois

66

Figura 21 Estruturas otimizadas da etanolamina e dietanolamina 66

Figura 22 Posições dos grupos substituintes no complexos de Meisenheimer

67

Figura 23 Geometrias otimizadas dos estados de transição obtidos 68

Figura 24 A) Vista lateral do DCQX durante a aproximação do nucleófilo, B) DCQX durante o ataque nucleofílico

71

Figura 25 Valores de ∆G de reação e ∆G de ativação das reações de SNAr entre DCQX e aminoálcoois

71

XI

Figura 26 Síntese do AAQX 75

Figura 27 Soluções do AAQX (1.0×10-4

mol L-1

) na presença de Cu2+ , Sr2+, Fe2+, Pb2+, Mn2+, Mg2+, N2+, Zn2+, Sn2+, Hg2+, Ca2+, Ba2+, Co2+, de Cr3+, Al3+ e Fe3+ (5.0×10

-4 mol L

-1 ) em metanol (a), Espectro UV-

vis resultante destas soluções (b)

76

Figura 28 (A) Ângulo diedro que foi rotacionado durante o estudo dos confômeros do ligante; (B) Estrutura de menor energia do ligante obtida a partir de SCAN.

79

Figura 29 Sítios de ligação investigados no AAQX 79

Figura 30 Complexos AAQX-Cu(II) propostos com estequiometria metal-ligante 1:1.

81

Figura 31 Complexos AAQX-Cu(II) propostos com estequiometria metal-ligante 2:1

82

Figura 32 Melhores estruturas obtidas para os complexos com estequiometria metal-ligante 1:1 e valores e valores de ∆G de formação (em kcal/mol) para cada complexo

83

Figura 33 Melhores estruturas obtidas para os complexos com estequiometria metal-ligante 2:1 e valores e valores de ∆G de formação (em kcal/mol) para cada complexo

86

Figura 34 Espectro infravermelho (1750 a 500 cm-1) do ligante (linha vermelha) e seu Complexo de coordenação (linha preta)

87

XII

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Energia livre calculada para os tautômeros do DNQX

50

Tabela 2 Parâmetros estruturais do DNQX e seus ânions obtidos por métodos teóricos e experimentais

52

Tabela 3 Cargas atômicas do DNQX e seus ânions

53

Tabela 4 Valores de pKa experimentais e teóricos em fase aquosa de algumas moléculas orgânicas

56

Tabela 5 Valores de pKa calculados em fase gasosa e aquosa

57

Tabela 6 Parâmetros estruturais dos complexos de Meisenheimer,

calculados e de referência.

67

XIII

LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

AAQX - N-(2-aminofenil)-3-[(1S,2S)-1,2,3-trihidroxi-propil]quinoxalina-2-carboxamida

AM1 - Austin Model 1

AMPA - alfa-amino-3-hidroxi-metil-5-4-isoxazolpropionico

CC- coupled cluster

CHELPG -CHarges from Electrostatic Potentials using a Grid-based

CI - Configuration interaction

CPCM - Conductor-like Polarizable Continuum Model

DCQX - 2,3-dicloroquinoxalina

DFT- Density Functional Theory

DNQX - 6,7-dinitroquinoxalina-2,3-diona

GABA - ácido gama-aminobutirico

GGA - Generalized Gradient Approximation

IUPAC - International Union of Pure and Applied Chemistry

LDA - Local Density Approximation

MCSCF - Multi-configurational self-consistent field

OLED - organic light-emitting diode

PM3 - Parametric Method Number 3

PM6 - Parametric Method Number 6

SET- Single Electron Transfer

SNC- Sistema Nervoso Central

Ψ - Função de onda

𝛒 - Densidade eletrônica

XIV

SUMÁRIO

1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 16

1.1 COMPOSTOS HETEROCÍCLICOS DE NITROGÊNIO 16

1.1.1 Aspectos químicos de compostos heterocíclicos de nitrogênio 16

1.2 QUINOXALINAS 20

1.2.1 Complexos metálicos com Quinoxalinas 26

1.2.2 Quimiossensores derivados de quinoxalinas 27

1.3 SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA AROMÁTICA 29

1.3.1 Fatores que influenciam reações de substituição nucleofílica aromática 30

1.4 QUÍMICA COMPUTACIONAL 32

1.4.1 Aproximação de Born-Oppenheimer 33

1.4.2 Método de Hartree-Fock 34

1.4.3 Teoria do Funcional da Densidade 35

1.4.4 Métodos Semi-empíricos 38

1.4.5 Calculando propriedades como densidade eletrônica e cargas atômicas 39

1.4.6 Determinação teórica do pKa 40

1.4.7 Acidez de amidas 45

2 OBJETIVOS 46

3 METODOLOGIA COMPUTACIONAL 46

4 ESTUDO DE PROPRIEDADES ESTRUTURAIS E ELETRÔNICAS DO DNQX 47

4.1 INTRODUÇÃO 47

4.2 OBJETIVOS 50

4.3 METODOLOGIA COMPUTACIONAL 50

4.4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 50

4.4.1 Análise dos tautômeros 50

4.4.2 Estudo de propriedades estruturais e eletrônicas do DNQX 53

4.4.3 Análise das cargas atômicas 55

4.4.4 Cálculo do pKa do DNQX 56

4.5 CONCLUSÕES 60

5 ESTUDO DAS REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA AROMÁTICA 62

XV

ENTRE 2,3-DICLOROQUINOXALINA E AMINOÁLCOOIS

5.1 INTRODUÇÃO 62

5.2 OBJETIVOS 64

5.3 METODOLOGIA COMPUTACIONAL 64

5.4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 64

5.4.1 Estudo dos reagentes e produtos envolvidos na reação entre DCQX,

etanolamina e dietanolamina

64

5.4.2 Estudo dos complexos de Meisenheimer 66

5.4.3 Estudo dos estados de transição 68

5.4.4 Estudo das variações de energia livre das reações de substituição

nucleofílica aromática entre DCQX e aminoálcoois

71

5.4.5 Reações com etanolamina 71

5.4.6 Reações com dietanolamina 72

5.5 CONCLUSÕES 73

6 ESTUDO DOS COMPLEXOS METÁLICOS DO AAQX COM ÍONS COBRE (II) 74

6.1 INTRODUÇÃO 74

6.2 OBJETIVOS 76

6.3 METODOLOGIA COMPUTACIONAL 77

6.4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 78

6.4.1 Complexos com estequiometria metal-ligante 1:1 80

6.4.2 Complexos com estequiometria metal-ligante 2:1 84

6.5 CONCLUSÕES 87

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

89

16

1- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

1.1 - COMPOSTOS HETEROCÍCLICOS DE NITROGÊNIO

1.1.1- Aspectos químicos de compostos heterocíclicos de nitrogênio

Os compostos heterocíclicos constituem uma das maiores e mais variadas

famílias de compostos orgânicos. Mesmo se considerarmos apenas os elementos mais

comuns presentes em estruturas heterocíclicas, como oxigênio, nitrogênio e enxofre,

as possíveis combinações dos átomos em estruturas moleculares são muito elevadas.

Ademais, outros átomos como Se, P, Si, e B também podem estar presentes em

compostos orgânicos cíclicos como parte do ciclo. Os compostos heterocíclicos

possuem normalmente uma estrutura de anel estável, podendo compreender anéis

aromáticos e não aromáticos1.

O Livro de Ouro da IUPAC descreve compostos heterocíclicos como:

“Compostos cíclicos que possuem átomos de pelo menos dois elementos diferentes

como membros do anel“2. A nomenclatura de sistemas heterociclos é um desafio que

ainda não foi concluído. Muitos heterociclos, principalmente aminas, receberam

nomes triviais que continuam sendo utilizados até hoje.3

Não seria exagero propor que a história da química medicinal tem boa parte de

seu desenvolvimento associado aos compostos heterocíclicos. Durante o século XVI, o

quinino foi utilizado no tratamento e prevenção da malária. Em 1887, foi produzido o

primeiro medicamento sintético a antipirina, que foi empregada como analgésico. A

morfina foi muito utilizada como analgésico no início do século XIX, durante a Guerra

Civil Americana, deixando muitos soldados com síndrome de dependência devido ao

seu uso impróprio. A penicilina que possui uma poderosa atividade antibiótica, foi

descoberta por acaso em 1928 por Alexander Fleming em culturas de fungos do gênero

Peniciliumnotatum4. Entre os 20 milhões de compostos químicos identificados até ao

final do segundo milênio, aproximadamente metade deles são heterocíclicos5.

Compostos heterocíclicos participam de importantes processos biológicos,

como fornecimento de energia, metabolismo, transmissão de impulsos nervosos e

transferência de informação hereditária5.

17

Os heterociclos presentes na natureza participam de uma ampla faixa de

reações químicas, as quais são dependentes de fatores como pH. Neste contexto, os

heterociclos podem se comportar como ácidos ou bases, ou ainda atuar com

eletrófilos, nucleófilos ou ainda, como ambos. Alguns heterociclos também são

facilmente oxidados enquanto outros podem ser reduzidos. Muitos compostos

heterocíclicos são capazes de formar complexos estáveis com íons metálicos,

resultando em grande importância para processos bioquímicos tais como aqueles

envolvendo metaloenzimas.

A Figura 1 apresenta alguns exemplos de heterociclos relevantes, tais como o

neurotransmissor Serotonina1, a Hemoglobina presente no sangue, cuja principal

função é o transporte de oxigênio para os tecidos, bases purínicas e pirimidínicas, parte

da composição dos ácidos nucléicos (ADN e ARN), os aminoácidos triptofano, histidina

e prolina, além das vitaminas como ácido fólico, B1 (tiamina), B2 (riboflavina) e B6

(piridoxina). A Xantina e o ácido úrico são produtos do metabolismo das purinas e são

excretados na urina4, 6, 7. O grupo heme presente na Hemoglobina e mioglobina possui

uma porfirina ligada a um átomo de Ferro em suas estruturas, a clorofila, substância

que da a cor verde aos vegetais, possui uma porfirina ligada a um átomo de Magnésio

em sua estrutura. A vitamina B12 também possui um anel similar a uma porfirina

ligada a um átomo de Cobalto em sua estrutura1.

Diversos compostos heterocíclicos possuem aplicações na indústria, tais como

farmacêutica e de corantes, incluindo uso como catalisadores 8, 9, todavia, apesar das

importantes aplicações, alguns compostos aromáticos heterocíclicos são conhecidos

por apresentar uma grande variedade de efeitos tóxicos ao meio ambiente, como por

exemplo, efeitos carcinogênicos e mutagênicos. Eles podem ser de origem natural (por

exemplo, alcalóides), mas altas concentrações encontradas no meio ambiente são

resultado principalmente de atividades humanas7. Muitos N-heterociclos também

possuem atividade direta no sistema nervoso central, sendo assim encontrados na

composição de drogas, como cocaína, heroína, atropina e LSD6.

18

Figura 1. Exemplos de alguns N-heterociclos presentes em drogas e produtos naturais.

Heterociclos nitrogenados saturados são aminas, possuindo, em geral,

propriedades físicas e químicas similares aos compostos acíclicos que contêm o

mesmo heteroátomo1. Em geral, reações de abertura de anel de aminas cíclicas

ocorrem pela conversão do heteroátomo em um bom grupo de saída. Aminas cíclicas

saturadas de 3 ou 4 átomos sofrem reações de abertura de anel após ataque

nucleofílico mais facilmente do que heterociclos com 5 ou 6 membros, devido tensão

que há em anéis de menor estrutura1, 10. Heterocíclicos nitrogenados também

podem ser compostos aromáticos, os quais exibem comportamentos mais complexos,

e, inclusive, compreendem alguns dos compostos mais importantes para os seres

humanos. Isso explica porque a maioria dos livros de química de heterociclos são

principalmente dedicados a reatividade destes compostos7. A aromaticidade

representa também grandes efeitos sobre a estabilidade e geometria da molécula. São

diversas as unidades heterocíclicas aromáticas conhecidas, dentre as quais alguns

exemplos de destaque estão apresentadas na Figura 2.

Figura 2. Estrutura molecular de alguns N-heterociclos

19

1.2 - QUINOXALINAS

Quinoxalinas representam uma classe de moléculas formadas pela fusão de um

anel benzênico com um anel pirazínico, e por isso são também conhecidas como

benzopirazinas8. O anel quinoxalínico, propriamente dito, é raramente encontrado na

natureza, fazendo com que a maior parte dos derivados desta molécula são de origem

sintética 11,12. Para se ter uma idéia da importância desta classe de composto, uma

pesquisa na base de dados Scopus utilizando a palavra-chave “quinoxaline”, indicou

mais de 11.600 citações em títulos de artigos e resumos entre 1922 até 2016. Na

Figura 3, pode ser observada a quantidade crescente de estudos realizados com

quinoxalinas, onde um refinamento nos resultados revelou que o avanço nas pesquisas

em torno da referida unidade heterocíclica se deu por volta da década de 90, com

grande parte dos trabalhos publicados em revistas da área médica, e tal fato pode ser

justificado pelas diversas atividades farmacológicas apresentadas por seus derivados.

Figura 3. Citações com Quinoxalinas realizadas nos últimos anos.

Classicamente, o núcleo quinoxalina, assim como vários dos seus derivados

são sintetizados a partir de reações de o-diaminas aromáticas e α-dialdeídos/α-

dicetonas, na presença de um catalisador13 (Figura 4). Outras vias sintéticas para

obtenção de quinoxalinas estão disponíveis na literatura, tais como adição de 1,2-

diaminas a 1,2-diazo-1,3-butadienos14, pela reação com 1,2-dicetonas com 1,2-

dinitrobenzeno em presença de SnCL2.2H2O, que atua como agente redutor e

catalisador nesta reação15 e através do acoplamento oxidativo de epóxidos simples

20

com 1,2-fenilenodiamina16. A fim de propor uma metodologia verde para a síntese de

quinoxalinas, Madhav et al apresentaram uma metodologia simples que emprega Aril

1,2-diamina e brometo de fenacil na presença de β-ciclodextrina em água17.

Destacadamente, um bloco de construção que permite a geração de um

elevado número quinoxalinas é o 2,3-dicloroquinoxalina (DCQX). As características

estruturais deste substrato permitem a geração de um elevado número quinoxalinas 2

e/ou 2,3-substituídas18, incluindo compostos biologicamente relevantes, tais como os

relatados na literatura apresentando atividade anti-cancer19, 20. O substrato DCQX tem

sido reportado como precursor sintético em diversas reações.

Figura 4. Exemplo de uma reação empregada para realizar a síntese de quinoxalinas

O núcleo quinoxalina é o bloco de construção de compostos que apresentam

diversas aplicações de interesse tecnológico e farmacológico. Na Figura 5 são

apresentadas as estruturas de algumas destas quinoxalinas.

A capacidade de métodos teóricos fornecer informações sobre propriedades

estruturais21, eletrônicas22 e espectroscópicas21 de moléculas, faz da química

computacional um importante aliado no estudo de estrutura e reatividade de

quinoxalinas23-27. Isto pode ser evidenciado pela quantidade de trabalhos reportados

na literatura. Diez e colaboradores28 empregaram o método B3LYP para realizar o

estudo teórico de 21 derivados quinoxalínicos de interesse biológico. Foram

investigadas frequências vibracionais e as conformações mais estáveis de cada

composto. Estes resultados foram utilizados para fornecer a preferência

conformacional das moléculas, uma vez que esta informação é essencial para

compreender como o fármaco interage com o substrato.

21

Figura 5. Derivados quinoxalínicos de interesse tecnológico e farmacológico

Foi reportado por Gul e colaboradores29 um estudo teórico pioneiro dos

mecanismos de reações envolvidos na síntese de derivados quinoxalínicos-N-óxido.

Através deste estudo foram obtidas energias dos intermediários, estados de transição

e valores de barreira de ativação. Eles observaram que o método B3LYP forneceu

resultados de propriedades termodinâmicas similares ao método MP2. O estudo

teórico das propriedades ópticas de derivado quinoxalínico com difenilfluoreno foi

realizado por Ran e colaboradores30. Os resultados obtidos revelaram que este

composto possui propriedades interessantes que podem ser utilizadas no

desenvolvimento de OLEDs.

Muitos derivados quinoxalínicos tem se mostrado inibidores de corrosão

bastante eficientes31,32. Em geral, os compostos que atuam como inibidores de

corrosão possuem heteroátomos com pares de elétrons livres e/ou orbitais π,

características estruturais que podem ser encontradas em quinoxalinas33. Zarrok e

colaboradores33 realizaram investigações experimentais e teóricas de vários derivados

quinoxalínicos como inibidores de corrosão para aço e cobre em meio ácido. Neste

estudo, a DFT foi empregada para auxiliar na compreensão do mecanismo de interação

com a superfície do metal. Obot e Egbedi35 sintetizaram uma quinoxalina substituída,

Indeno-1-ona[2,3-b] quinoxalina (Figura 5A), que se mostrou bastante promissora

como inibidor de corrosão em aço, apresentando eficiência de 81%. Através de

cálculos teóricos eles investigaram o processo de adsorção deste composto na

22

superfície do aço e observaram que os nitrogênios da quinoxalina são responsáveis

pela forte interação com a superfície metálica.

O desenvolvimento de agentes antimicrobianos é essencial para o tratamento

de doenças provocadas por bactérias e fungos. Entre as várias classes de compostos

destinados para esta finalidade, quinoxalinas são frequentemente utilizadas como

componentes de vários antibióticos36. Kotharkar e Shinde37 investigaram quinoxalinas

substituídas e constataram que o composto 9,10-dimetil-2-methoxi-6-oxo-7,12-

dihidro-cromo-[3,4-b]quinoxalina (Figura 5B) se mostrou bastante promissor por

apresentar tanto atividade antibacteriana como antifúngica. Foi reportado por El-

Sabbagh et al38 o desenvolvimento de uma quinoxalina (hexahidro-2(1H)-quinoxalina)

que mostrou elevada atividade antibacteriana in vitro. Ishikawa e colaboradores39

sintetizaram alguns derivados do 2,3-bis(bromometil)quinoxalina e avaliaram o efeito

provocado por diferentes substituintes na atividade antibacteriana e antifúngica. Eles

mostraram que os compostos sintetizados possuem atividade contra um grande

espectro de bactérias. Também foi reportado que os compostos com grupos

substituintes doadores de elétrons apresentaram a maior atividade antimicrobiana,

quando comparados com os compostos com grupos retiradores de elétrons.

Drogas anti-inflamatórias não-esteróides são amplamente utilizadas para o

tratamento de dor e inflamações. No entanto, o uso prolongado destes compostos

pode provocar lesões gastrointestinais e nefrotoxicidade. Nesse contexto, é

importante o desenvolvimento de novas drogas anti-inflamatórias com menos efeitos

colaterais40. Derivados quinoxalinicos do tipo 1,4-di-N-óxido mostraram atividade anti-

inflamatória in vivo maior do que o fármaco de referência a Indometacina. Os testes in

vitro indicaram que estes compostos atuam diminuindo a ação de mediadores

responsáveis pelos processos inflamatórios41. El-Sabbagh e colaboradores38 estudaram

derivados da 2(1H)-quinoxalinona e constataram que o composto E (Figura 5)

apresentou elevada atividade anti-inflamatória sem provocar a formação de úlceras.

Existe um grande número de drogas utilizadas como anti-virais, entretanto

muitos vírus estão criando resistência contra as drogas mais utilizadas. Nesse aspecto,

se faz necessária a busca por novas drogas antivirais42. Na literatura, podem ser

encontrados estudos mostrando a capacidade das quinoxalinas em inibir a replicação

dos vírus42-44 HSV 1, citomegalovírus, varicela Zoster e influenza A. Lei you e

23

colaboradores45 prepararam derivados quinoxalínicos como potenciais drogas anti-

influenza. Eles avaliaram a presença de diferentes substituintes na quinoxalina e

constataram que compostos que apresentaram maior atividade antiviral foram os

substituídos com grupos metoxifenil.

Quinoxalinas 2,3-disubstituidas tem demonstrado atividade como inibidores de

proteinas quinases. Entre elas a fosfatidilinositol 3-quinase (PI3K), que são enzimas

envolvidas em funções celulares como crescimento e proliferação celular. Por

desempenhar um importante papel no crescimento de células, o desenvolvimento de

inibidores destas enzimas tem sido estudado com o objetivo de produzir novos

quimioterápicos contra o câncer46. Derivados do Imidazo[1,5-a]quinoxalina foram

sintetizados a fim de avaliar sua capacidade como inibidor de proteínas quinases. O

composto F (Figura 5) foi o que apresentou melhores resultados nos testes in vivo.47

A leishmaniose é uma doênça causada por protozoários em áreas tropicais do

planeta. Muitas das drogas utilizadas contra leishmaniose são caras e necessitam de

longos tratamentos. Outra doença de regiões tropicais provocada por parasitas é a

malária, que provoca a morte de milhões de pessoas por ano48. Recentemente, foram

sintetizados derivados da 3-amino-1,4-di-N-óxido quinoxalina-2-carbonitrila e estes

compostos tiveram sua atividade contra malária e leishmaniose investigada por meio

de testes in vitro49. Os compostos que apresentaram melhor atividade contra malária e

leishmaniose possuiam halogênios nas posições 6 e 7.

A diabetes é uma séria desordem metabólica que provoca alterações nos níveis

de glicose no sangue. Algumas drogas utilizadas para o tratamento da diabetes são

sulfonilureia e biguanidina que tem limitada eficácia e podem causar sérios efeitos

colaterais. Alguns complexos metálicos de quinoxalinas foram estudados para o

tratamento da diabetes. Complexos de zinco e cobre com quinoxalina-

tiosemicarbazona se mostraram capazes de baixar o nível de glicose no sangue sem

apresentar muitos efeitos tóxicos.50

Glaucoma é uma doença que afeta o nervo óptico podendo ocasionar a perda

da visão. Uma quinoxalina que atua como agente anti-glaucoma é a brimonidina

(composto C, Figura 5), devido a sua capacidade de reduzir a pressão intra-ocular e

consequentemente impedindo o comprometimento do nervo óptico.51

24

O núcleo quinoxalínico exibe potencial atividade anti-câncer que o torna uma

importante classe de compostos para o tratamento desta doença 51 . Um dos principais

problemas encontrados no tratamento é a capacidade de algumas células adquirirem

resistência aos compostos utilizados52. Uma série de derivados 2-alquilcarbonil e 2-

benzoil-3-triflurometilquinoxalina-1,4-di-N-óxido foram sintetizados e avaliados em

testes in vitro contra vários tipos de células cancerígenas. Foi observado que a

atividade anti-câncer depende dos substituintes no grupo carbonila, aumentando a

atividade na seguinte ordem: etil < isopropil < ter-butil. O composto D (Figura 5) exibiu

atividade anti-câncer, apresentando elevada capacidade de inibir o crescimento

celular51,53. Corona e colaboradores54 mostraram que a 5,7-diamino-3-fenil-2-[(3,5-

dimetoxi)fenoxi]quinoxalina (composto G, Figura 5) possui atividade anti-câncer para

vários tipos de tumores. Também observaram que 3-(4-bromofenil)-2-(etilsulfonil)-

6metilquinoxalina-1,4-dioxido (Figura 5H) tem atividade anti-câncer em tumores que

estão em estágio de hipoxia, que é uma fase em que o tumor está com baixa

concentração de oxigênio e apresenta resistência a quimioterapia e radioterapia.

Todas estas atividades biológicas citadas nos parágrafos acima tornam

encorajadoras novas pesquisas associadas à síntese e estudos de propriedades

estruturais, eletrônicas e de atividades biológicas de compostos quinoxalínicos já

conhecidos ou mesmo nunca reportados na literatura.

1.2.1 - Complexos metálicos com Quinoxalinas

Uma vez que compostos quinoxalínicos são, em sua essência, bases de Lewis, a

exploração de diversos derivados desta unidade heterocíclica é documentada na

literatura. Neste contexto, os trabalhos variam desde estudos estruturais e outras

propriedades básicas até aplicações dos complexos metálicos em dispositivos

eletrônicos55, polímeros56, fotossensibilizadores57 e aplicações biológicas58.

Ayres et al59 investigaram por métodos espectrofotométricos complexos de

Co(II) e Ni(II) com 2,3-quinoxalinaditiol. O estudou revelou que os complexos possuem

uma estrutura polimérica, onde os íons metálicos e a quinoxalina se encontram de

forma alternada na cadeia polimérica. Complexos de quinoxalina-1-óxido com íons

Cr(II), Mn(II), Fe(III), Co(II), Ni(II), Cu(II) e Zn(II) foram sintetizados e caracterizados por

25

medidas espectroscópicas. Os resultados indicam que os complexos formados são bi

ou polinucleares e apenas o complexo de Mn(II) é pentacoordenado os outros são

hexacoordenados60. Propriedades óticas de complexos mono e binuclear de Ru(II) com

derivados de piridilquinoxalina, foram reportadas por Rillema e Mark61. Allan e Paton62

estudaram complexos derivados de piridilquinoxalina com Co(II), Ni(II), Cu(II) e Zn(II)

através da termogravimetria e análise térmica diferencial. Foi observado que os

complexos de Co(II) e Zn(II) possuem estruturas tetraédricas enquanto os de Ni(II) e

Cu(II) estruturas octaédricas. Todos estes complexos apresentaram elevada

estabilidade. Mitsopoulou et al63 reportaram a síntese do complexo de Pt(II) com

derivado de piridilquinoxalina, sua caracterização foi realizada por RMN e

espectrometria de massa. Eles também utilizaram a DFT para investigar propriedades

estruturais e eletrônicas do complexo.

Complexos de Cu(II) com quinoxalinas N1,N4-dióxido foram sintetizados e

caracterizados por diferentes medidas espectroscópicas. Estes complexos se

mostraram seletivos no combate de algumas células cancerígenas64. Foi estudado por

Roy et al65 a capacidade de alguns complexos entre quinoxalinas e metais de

transição, causarem danos ao DNA através de reações fotoquímicas. Uma série de

complexos luminescentes de Ir(III) com derivados de dipiridoquinoxalina foi estudada

por Zhang e colaboradores66. Neste estudo, foi realizada uma investigação da atividade

anti-tumoral destes complexos e também foi relatado o estudo da interação destes

complexos com DNA e RNA. Benítez et al67 sintetizaram complexos de 3-

aminoquinoxalina-2-carbonitrila 1,4-dióxido com Pd(II) e Cu(II) e investigaram suas

atividades anti-Trypanosoma cruzi. Attia et al68, reportaram a síntese e caracterização

de um novo complexo de Molibdênio com DCQX. A partir da investigação da atividade

biológica do complexo, foi constatada atividade anti-bactéria e anti-fungo. Além disso,

o método semi-empírico PM3 foi utilizado para estudar os aspectos vibracionais do

complexo e para avaliar as estruturas de menor energia.

1.2.2 – Quimiossensores derivados de quinoxalinas

Dispositivos capazes de interagir com a matéria ou energia, gerando um sinal

que pode ser medido são denominados sensores. Desse modo, quimiossensor é

26

definido como uma espécie química que possui a capacidade de sinalizar a presença de

matéria ou energia69. Pesquisas com quimiossensores têm recebido uma forte

influência da química supramolecular, que é a área de estudo dos arranjos moleculares

que são unidos por ligações intermoleculares70. Através da química supramolecular,

podem ser obtidas informações de grande valia para o estudo dos quimiossensores,

como por exemplo, o reconhecimento molecular. Pode ser encontrada na literatura

uma vasta quantidade de trabalhos sobre quimiossensores para espécies catiônicas71,

72, aniônicas73, 74 e neutras75, 76.

Para atuar como quimossensor, a molécula deve conter um sítio receptor, onde

o analito deve se ligar, e uma unidade que sinalize a formação da ligação com o

analito, como um cromóforo ou fluoróforo. A associação com o analito deve modificar

as propriedades espectrais do quimiossensor, indicando de forma qualitativa e

quantitativamente, a sua presença. A interação entre o analito e o sítio receptor pode

ser de natureza intermolecular77, como ligação de hidrogênio, interações

eletrostáticas, ligações coordenadas e efeito hidrofóbico. O desenvolvimento de

quimiossensores tem despertado interesse em várias áreas de pesquisa,

principalmente para diagnóstico médico, análise ambiental e controle de qualidade de

produtos78, 79.

Uma vez que a unidade quinoxalina é bem estabelecida como capaz de

coordenar cátions metálicos, é consequente que seus derivados sejam explorados

como quimiossensores para espécies catiônicas. A literatura vem apontado uma

quantidade crescente de derivados quinoxalinicos como quimiossensores para cátions.

Zapata et al80 reportaram a síntese de um quimiossensor cromogênico, (Figura

6I), que se mostrou sensível e seletivo na detecção de íon Hg(II). Através de titulação

UV-vis, eles determinaram a estequiometria do complexo formado como sendo 1:1.

Além de permitir a detecção a olho nu de Hg(II), este quimiossensor se mostrou capaz

de monitorar íons mercúrio (II) através medidas eletroquímicas.

Um quimiossensor quinoxalinico (Figura 6J) altamente seletivo para Ni2+ foi

relatado por Goswami e colaboradores81. O ligante se mostrou capaz de identificar

íons níquel (II) a olho nu, em ambiente com os mais comuns metais alcalinos, alcalinos

terrosos, transição e terras raras. Propriedades estruturais e eletrônicas do complexo

formado foram estudadas por espectroscopia UV-vis e métodos DFT. Eles reportaram

27

que o complexo formado possui estequiometria metal-ligante 1:2 e que a coordenação

com o íon níquel (II) ocorre através dos grupos amina da hidrazona e dos nitrogênios

do anel quinoxalinico, formando um arranjo tetraédrico distorcido.

O grupo de Kumar e colaboradores82 desenvolveram um quimiossensor

colorimétrico derivado de quinoxalina (Figura 6K) que exibe elevada seletividade e

sensibilidade para Cu2+ com um limite de detecção para este cátion sendo 3,43x10-7 M.

A partir de cálculos DFT e medidas espectroscópicas Uv-vis, eles reportaram que o

complexo apresenta estequiometria 1:1. A investigação dos aspectos vibracionais do

complexo fornece evidências que o íon cobre (II) interage com o ligante através do

nitrogênio do anel quinoxalínico, do nitrogênio da imina e do oxigênio da hidroxila.

Estes modos de ligação também foram observados através de cálculos DFT.

Figura 6. Quimiossensores derivados de quinoxalinas

1.3 - SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA AROMÁTICA

Reações de substituição nucleofílica aromática não ocorrem com facilidade em

substratos aromáticos, em virtude da natureza rica em elétrons do anel aromático o

tornar pouco reativo para interagir com nucleófilos83. Em anéis aromáticos não ocorre

reação SN2, pois o ataque do nucleófilo teria que ocorrer dentro do anel benzenico. Já

reações SN1, são bastante desfavoráveis devido a instabilidade do cátion fenila. O

mecanismo SN1 pode ocorrer apenas quando há um ótimo grupo de saída, como o N2.

O mecanismo de substituição nucleófilica aromática mais importante é

chamado de adição-eliminação, conhecido como SNAr. Ocorre a adição do nucleófilo

seguido da eliminação do grupo de saída, este mecanismo envolve a formação de um

28

carbânion com elétrons deslocalizados, chamado complexo de Meisenheimer ou

complexo-ς. O complexo de Meisenheimer é estabilizado por ressonância pela

presença de bons grupos retiradores de elétrons (por exemplo, NO2)

preferencialmente nas posições orto e/ou para. Após a eliminação do grupo de saída a

aromaticidade é restaurada6. A carga negativa que deve ser estabilizada pelo grupo

retirador de elétrons é deslocalizada sobre os cinco carbonos sp2 (Figura 7). As cargas

parciais da Figura 7, indicam que o complexo de Meisenheimer é melhor estabilizado

quando o grupo retirador de elétrons está na posição para em vez da posição orto.

Mas estas posições ainda estabilizam melhor o complexo de Meisenheimer do que o

grupo retirador na posição meta. Um mecanismo geral de uma reação de substituição

nucleofílica aromática é representada na Figura 884.

Figura 7. Cargas atômicas no complexo de Meisenheimer84

Figura 8. Exemplo de mecanismo de uma reação de SNAr

No complexo de Meisenheimer, o carbono que liga o nucleófilo e o grupo de

saída adquire hibridização sp3. Com a expulsão do grupo de saída o carbono voltar a

ter hibridização sp2 84.

29

1.3.1 - Fatores que influenciam reações de substituição nucleofílica aromática

Vários fatores podem influenciar tanto a reatividade como a natureza do

mecanismo da reação, tais como: tipo de nucleófilo, substrato, grupo de saída e

solvente. Em haletos de arila a ordem de reatividade para os grupos de saída é: F

>NO2 > Cl >Br> I. O flúor é o átomo mais eletronegativo o que torna o carbono mais

deficiente em elétrons o deixando mais suceptível ao ataque nucleófilico. Por ser um

átomo pequeno, o impedimento estérico provocado por ele também é pequeno, desse

modo facilitando o ataque nucleofílico ao carbono85.

Nas reações de SNAr os solventes polares apróticos como DMF e DMSO

provocam aumento da velocidade, pois eles solvatam os cátions, mas não os

nucleófilos aniônicos. Já solventes próticos tendem a deixar o nucleófilo menos reativo

devido a possibilidade de formar ligações de hidrogênio.86, 87

No que diz respeito a nucleofilicidade, estabelecer a ordem de qual espécie

química é melhor nucleófilo em reações de substituição nucleofílica aromática não é

simples, pois as condições experimentais de cada reação podem acarretar em ordens

de reatividade distintas86. A reatividade de compostos nitrogenados heteroaromáticos

para substituição nucleofílica aromática, pode ser evidenciada na família das piridinas.

Onde o átomo de nitrogênio ativa o anel através da estabilização da espécie aniônica

formada após a adição nucleofílica. O efeito ativador do átomo de nitrogênio em anéis

aromático é demonstrado na Figura 910.

Figura 9 . Reação de 2-cloropiridina com metóxido.

Em estudos recentes, vários autores88, 89 reportaram a dificuldade em encontrar

complexos-ς em reações de substituição nucleófilica aromática com nucleófilos

neutros, mesmo quando foram empregados métodos ab initio de alto nível. Estes

estudos reportaram a possibilidade de ocorrência dessas reações via mecanismo

concertado.

30

Liljenberg et al161 avaliaram a estabilidade relativa de vários complexos-ς

através de cálculos DFT. Eles mostraram que a abordagem do complexo-ς pode ser

aplicada com sucesso em SNAr com nucleófilos aniônicos com F- como grupo de saída e

nucleófilos neutros com grupo de saída HF. No entanto, a abordagem do complexo-ς

falha para nucleófilos aniônicos ou neutros com grupos de saída Cl/HCl ou Br/HBr.

Nesses casos, as substituições são consideradas como ocorrendo via mecanismo

concertado. A natureza do complexo-ς em reações substituição nucleofílica aromática

tem sido investigada através de métodos computacionais por vários autores90,91. Os

resultados indicam que em alguns casos o complexo-ς é estável e em outros casos é

uma estrutura de estado de transição.

Os resultados obtidos por Fernandez et al 91 sugerem que, se o grupo de saída

está ligado ao anel através de um elemento da segunda linha da tabela periódica, por

exemplo, F, OH e NH2, é formado um complexo-ς estável. Quando o grupo de saída

está ligado por meio de um elemento da terceira ou quarta linha, como Cl e Br, a

reação é concertada. Neste trabalho, uma interessante tendência foi observada em

relação aos ângulos do grupo de saida e nucleófilo X---C---X no complexo de

Meisenheimer. O ângulo da ligação X---C---X aumenta com o aumento da estabilização

relativa do complexo de Meisenheimer, sugerindo que complexos mais estáveis

permitem um maior caráter sp3, formando ângulos X---C---X mais obtusos, que estão

mais próximos de um arranjo tetraédrico.

1.4 - QUÍMICA COMPUTACIONAL

O constante desenvolvimento de hardwares, algoritmos mais eficientes e

métodos quânticos de estrutura eletrônica com exatidão crescente, tornaram a

química computacional uma área bastante promissora. As colaborações entre os

experimentalistas e os químicos teóricos/computacional têm proporcionado uma

melhor compreensão de como correlacionar as propriedades eletrônicas, estruturais e

entrópicas dos sistemas químicos21,22. Cada vez mais técnicas computacionais vêm

sendo aplicadas na pesquisa como, por exemplo, no planejamento racional de

fármacos, no estudo de propriedades termodinâmicas, a interpretação de espectros e,

principalmente, na obtenção de informações que são difíceis de serem extraídas por

31

experimentos22,92. A importância da química computacional pode ser observada em

publicações de destaque na literatura. Seis dos dez artigos mais citados na revista

Journal Of The American Chemical Society93 em 2005 são de (ou envolvem) química

computacional.

O ponto de partida da química teórico/computacional relacionada a calcular

propriedades a partir de métodos quânticos de estrutura eletrônica é resolver a

equação Schrödinger independente do tempo (eq. 1).

𝐻 𝜓 = 𝐸𝜓 Eq. 1

em que, em que 𝐻 é a parte eletrônica do operador Hamiltoniano molecular, 𝜓 é a

função de onda eletrônica e E é a energia eletrônica.

1.4.1 - Aproximação de Born-Oppenheimer

Em 1927, Born e Oppenheimer propuseram uma aproximação para representar

a função de onda molecular total. Esta aproximação tornou-se um arcabouço

conceitual de relevância fundamental para a química quântica94. Nesta, o

Hamiltoniano total para uma molécula pode ser escrito como a soma dos operadores

da energia cinética (T) e potencial (V) dos núcleos e dos elétrons (Eq. 2).

𝐻 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑇 𝑁 + 𝑇 𝑒 + 𝑉 𝑁𝑒 + 𝑉 𝑁𝑁 + 𝑉 𝑒𝑒 Eq. 2

em que os núcleos são denotados pelo subíndice N e os elétrons por e. O termo 𝑉 𝑁𝑒

considera a energia potencial de atração núcleo-elétron, 𝑉 𝑁𝑁 a repulsão nuclear e 𝑉 𝑒𝑒 a

interação elétron-elétron

A ideia central da aproximação de Born‐Oppenheimer é separar o movimento

nuclear do movimento eletrônico para simplificar a equação de Schrödinger. Assim, os

núcleos são assumidos em determinadas posições fixas do espaço (𝑅 ) e a equação de

Schrödinger pode ser resolvida apenas por uma função de onda puramente eletrônica,

na presença do potencial produzido pelos núcleos fixos80, 95. Neste caso, a função de

onda da Eq 1 pode ser descrita pelo produto de duas funções: a função de onda

eletrônica (𝜓𝑒 ) e a nuclear (𝜓𝑁), conforme mostrado na Eq. 3:

32

𝜓 𝑟 ,𝑅 = 𝜓𝑒 𝑟 ;𝑅 𝜓𝑁 𝑅 Eq. 3

Com a aproximação de Born‐Oppenheimer pode-se resolver a equação de

Schrödinger eletrônica para cada configuração nuclear (Eq. 4).

𝐸𝑒𝜓𝑒 𝑟 ,𝑅 = 𝑇 𝑒 + 𝑉 𝑁𝑒 + 𝑉 𝑒𝑒 𝜓𝑒 𝑟 ;𝑅 Eq. 4

em que a energia 𝐸𝑒 corresponde à função de onda eletrônica, que depende

parametricamente das coordenadas nucleares. Em 𝑟 ;𝑅 , a pontuação “;” denota a

dependência paramétrica. Assim, a energia total (Et) pode ser calculada, como mostra

a seguinte expressão:

𝐸𝑡 = 𝑇𝑁 + 𝐸𝑒 Eq. 5

Um aspecto fundamental da aproximação Born‐Oppenheimer é que esta dá

origem ao conceito de superfície de energia potencial.

Geralmente, a resolução da Eq. 1 é factível por métodos aproximados, uma vez

que esta equação só pode ser resolvida analiticamente para sistemas com um elétron.

Nas próximas subseções descreveremos sucintamente as principais aproximações e

metodologias usadas para resolver a Eq. 1 para sistemas polieletrônicos, as quais se

tornaram ubíquas para, praticamente, todos os atuais e mais robustos métodos

quânticos de estrutura eletrônica.

1.4.2 - Método de Hartree-Fock

Uma vez que a solução da equação eletrônica de Schrödinger (Eq. 4) não é

factível analiticamente para sistemas polieletrônicos, seja para átomos e/ou

moléculas, métodos aproximados foram desenvolvidos com tal intuíto. Ao longo da

História da química teórico/computacional, o método de Hartree-Fock (HF) tornou-se

o mais popular para tentar solucionar a Eq. 4. Este método também é conhecido como

aproximação do campo médio auto-consistente, termo este que identifica a

33

aproximação principal (campo médio) e o procedimento computacional (auto-

consistente) utilizados na resolução da Eq. 421,22.

A inclusão da correlação eletrônica (que é obtida por outros métodos

quânticos) geralmente melhora a exatidão, principalmente, das energias relativas, o

que pode refletir em outras propriedades moleculares como geométricas,

espectroscópicas entre outras21,92. A diferença entre a energia exata não-relativística

(Eexata) e a energia HF (EHF) é chamada de energia de correlação eletrônica (Ecorr).

𝐸𝑐𝑜𝑟𝑟 = 𝐸𝑒𝑥𝑎𝑡𝑎 − 𝐸𝐻𝐹 Eq. 6

Além de ser capaz de fornecer uma boa solução aproximada (com fins mais

qualitativos que quantitativos) para os problemas de muitos elétrons, o método HF

tem a vantagem de servir como um ponto de partida adequado para outros métodos

mais acurados, como, os chamados métodos pós-HF. Do ponto de vista prático, esta

última característica é a utilidade principal do método HF hoje em dia: seja nos

métodos semi-empíricos – em que são incluídas aproximações adicionais com o

propósito de diminuir demanda computacional; ou nos métodos ab initio – os quais

acrescem correções à solução HF, com o intuito de se aproximar da solução exata (Eexata

na Eq. 6); ou ainda em alguns métodos baseados no funcional da densidade (os

chamados métodos híbridos) – que podem incluir parte da solução HF na descrição da

energia total21.

1.4.3 - Teoria do Funcional da Densidade

A teoria do funcional da densidade (Density Functional Theory, DFT), utiliza a

densidade eletrônica como variável fundamental, ao invés de uma função de onda. A

DFT tem seu marco inicial nos trabalhos de Hohenberg e Kohn, que demonstraram que

é possível determinar a energia de uma molécula a partir da sua densidade

eletrônica92. Os métodos baseados na teoria do funcional da densidade (sendo

comumente conhecidos como métodos DFT) se tornaram muito populares nos últimos

anos. Isso por que estes métodos possuem um adequado custo/benefício se

comparado aos métodos pós-HF, além de uma grande potencialidade de aplicações96.

34

Os métodos ab initio e semi-empírico calculam uma função de onda molecular

e, portanto, representam métodos de função de onda. No entanto, uma função de

onda não é uma propriedade mensurável de uma molécula ou átomo, isto é, não é

uma observável92. Além de ser uma observável experimental, a densidade eletrônica

tem outra vantagem em relação à função de onda, a densidade eletrônica é função

apenas da posição, isto é, de três variáveis (x, y, z), enquanto que a função de onda de

uma molécula de N-elétrons é uma função de 4N coordenadas, três coordenadas

espaciais e uma coordenada de spin para cada elétron. A densidade eletrônica

permanece uma função de três variáveis independente do tamanho da molécula,

enquanto o número de coordenadas e variáveis nos métodos na função de onda

aumenta com o número de elétrons92. Contudo, o funcional universal da densidade

(E*ρ+) é desconhecido e, modelos aproximados para E*ρ+ são utilizados. Kohn e Sham

propuseram que o funcional de um sistema de elétrons pode ser descrito como:

𝐸 𝜌 = 𝑇𝑠 𝜌 + 𝐸𝑒𝑒 𝜌 + 𝐸𝑋𝐶 𝜌 Eq. 7

em que Ts*ρ+ é o funcional da energia cinética de elétrons não interagentes com a

mesma densidade ρ do sistema real, Eee*ρ+ é o funcional da energia eletrostática e

EXC*ρ+ é o funcional da energia de correlação e troca. Na prática, o último termo da Eq.

7 pode incluir ainda correções da energia cinética para elétrons interagentes.

Aproximações como a densidade local, o gradiente generalizado e as

parametrizações a partir de dados experimentais podem ser combinadas para tratar o

termo EXC*ρ+. Assim, as diversas formas usadas para descrever o termo EXC*ρ+ podem

servir de base para diferenciar os diversos tipos de métodos DFT que existem

atualmente disponíveis nos softwares de química quântica, culminando em dois

grandes blocos de métodos: funcionais “puros”, como: B88, BLYP, PW91, PBE, entre

outros, e funcionais “híbridos”, como: B3LYP, PBE1PBE, M06-2X, B2PLYP, etc. Estes

últimos podem utilizar a energia de troca HF como parte do funcional (como B3LYP) e

também parte da energia de correlação do método MP2 (exemplo, B2PLYP). Cabe

notar que muitos métodos DFT utilizam parâmetros ajustáveis, universais ou

específicos, a conjuntos de dados selecionados22.

Historicamente, o método B3LYP (funcional híbrido) foi responsável pela

ascensão meteórica dos métodos DFT na década de 9097. Isso se deve principalmente a

sua exatidão adequada (quando comparados a outros métodos DFT desenvolvidos na

35

época) e a possibilidade de tratar quanticamente sistemas que por questões de

demanda computacional era proibitiva por métodos ab initio. Sousa e colaboradores98

avaliaram a porcentagem de ocorrência dos nomes de diferentes funcionais em títulos

e Abstract de revistas, sendo representada na Figura 10.

Figura 10. Funcionais mais citados no período de 1990-2006

Estes números indicam uma medida do uso e popularidade destes funcionais

no período de 1990-2006. É fato que o B3LYP é o mais popular, representando 80% das

citações. Mas o B3LYP não é sinônimo de método DFT, embora possa produzir bons

resultados para uma ampla faixa de compostos, atualmente é bem conhecido que seu

desempenho pode não ser satisfatório para descrever as propriedades de alguns tipos

de sistemas, como, por exemplo, sistemas97 contendo metais de transição e com

interações não covalentes.

Recentemente, o desenvolvimento de funcionais da densidade tornou-se uma

área bastante ativa e, de fato, a lista atual de funcionais disponíveis é grande nos

vários softwares de química quântica, podendo tornar a escolha do funcional

adequado ao estudo de interesse uma tarefa um pouco complicada. Na literatura há

vários Benchmarks que auxiliam na escolha do funcional mais adequado para o

problema em questão. Por exemplo, Thrular e colaboradores têm desenvolvido uma

série de funcionais chamados de Minnesota Functionals99 que apresentam ampla

aplicabilidade em química. Entre eles, a classe de funcionais M06 vem recebendo

destaque pelos bons resultados para propriedades termodinâmicas dos elementos do

grupo principal, interações não covalentes e sistemas com metais de transição100.

36

1.4.4 – Métodos Semi-empíricos

Os métodos semi-empiricos foram desenvolvidos com o objetivo de reduzir o

tempo computacional de cálculos que não podem ser realizados por métodos ab initio

ou DFT, como é caso de sistemas com grande quantidade de átomos e/ou quando se

deseja obter algumas propriedades que exigem um maior custo computacional.

Os métodos semi-empíricos podem fornecer resultados adequados, em

particular para moléculas orgânicas com custo computacional suficientemente baixo.

Nesta abordagem, algumas informações são aproximadas ou completamente omitidas.

Geralmente, os elétrons de caroço não são incluídos no cálculo de forma explícita. É

assumido que eles contribuem pouco para o comportamento químico das moléculas.

Apenas os elétrons de valência são considerados de forma explícita nestes cálculos.

Um conjunto de base mínima (mínimo de funções necessárias para representar os

elétrons no átomo) é utilizado nos cálculos dos elétrons de valência92. Os métodos

semi-empírico são parametrizados. Esses parâmetros são utilizados para estimar os

dados que foram omitidos durante os cálculos. Dessa forma, são realizados ajustes

com dados experimentais ou obtidos por cálculos ab initio. Na maioria das vezes, a

geometria e a energia (normalmente o calor de formação) são usadas.

A vantagem de cálculos semi-empíricos é que eles são muito mais rápidos do

que os cálculos ab initio. A desvantagem é que a confiabilidade dos resultados

depende da base de dados das parametrizações. Geralmente, se a molécula a ser

calculada é semelhante às moléculas da base de dados utilizada para parametrizar o

método, os resultados obtidos podem ser muito bons. Entretanto, se a molécula a ser

calculado é diferente dos conjuntos de parametrizações, os resultados podem ser não

confiáveis92.

Um método semi empírico que vem recebendo bastante atenção devido seus

bons resultados é o PM6101. Várias falhas dos métodos anteriores como AM1 e PM3,

foram corrigidos e melhorias significativas foram feitas na previsão de geometrias.

Além disso, a média de erros para calores de formação do método PM6 são menores

que os métodos AM1 e PM3. Para complexos envolvendo metais de transição ainda há

muita falta de dados termoquímicos, nestes casos foram utilizados os dados obtidos

por métodos ab initio para compor o banco de dados do PM6.

37

O desenvolvimento de cada novo método tem sido guiada pelo

conhecimento das falhas apresentadas nos métodos anteriores. Nesse contexto, o

método PM6 é considerado o mais exato. No entanto, nem todos os erros podem ser

eliminados por dados melhores e melhores otimizações. Apesar dos esforços, algumas

propriedades ainda não estão de acordo com os valores de referência. Algumas

possíveis fontes de erros dos semi empíricos são devido a dados de referência

imprecisos e quando as aproximações consideram hipóteses não realísticas ou pouco

flexíveis. Para geometrias moleculares, dados de referência em fase gasosa são

preferidas, mas em muitos casos, esses dados não estão disponíveis e são empregados

os dados de fase condensada101.

1.4.5 – Calculando propriedades como densidade eletrônica e cargas atômicas

A densidade eletrônica p(r) é uma função que fornece informação sobre a

probabilidade de distribuição eletrônica em uma função de onda. Esta propriedade

possui uma interpretação física clara e ela é calculada para cada ponto no espaço dado

pelo vetor posição r102, ao contrário da função de onda fornecida em cálculos ab initio

ou semi-empíricos que não possui uma interpretação física. A densidade eletrônica

pode ser medida experimentalmente pela de difração de raios-x103. Entretanto, a

limitação desta técnica restringe a determinação desta propriedade apenas a cristais.

Daí surge a necessidade de uma forma mais simples de determinar a densidade

eletrônica em moléculas104. A importância da densidade de carga está na sua

influência em propriedades químicas e físicas, entre elas a reatividade e interações

intermoleculares22, 92.

As cargas atômicas fornecem uma representação simples da densidade

eletrônica da molécula, entretanto, não podem ser determinadas por meio de

experimentos ou calculadas teoricamente, pois elas não são observáveis102. Dessa

forma, todos os métodos teóricos de cálculo de cargas atômicas são invariavelmente

arbitrários. Por isso há uma grande divergência entre valores de cargas atômicas

calculados por métodos diferentes104. Atualmente, os métodos mais empregados para

o cálculo de cargas atômicas são baseados no calculo de cargas atômicas derivadas do

potencial eletrostático. Entre eles o método CHELPG (CHarges from Electrostatic

38

Potentials using a Grid-based method)105 desenvolvido pela Breneman e Wiberg, tem

recebido bastante atenção. Não é possível estabelecer o melhor método para o

cálculo de cargas atômicas, pois o sistema em questão deverá ser levado em conta.

Contudo, a literatura indica alguns métodos que fornecem resultados mais

consistentes, entre eles AIM, CHELPG e NBO104.

1.4.6 - Determinação teórica do pKa

Constantes de dissociação ácida (Ka) e sua forma logarítima negativa (pKa)

revelam o estado de desprotonação de uma molécula em um determinado solvente e

são essenciais para a compreensão da estrutura e reatividade. Para algumas moléculas

os valores de pKa podem ser medidos experimentalmente com bastante facilidade por

exemplo por meio de titulações potenciométricas ou medidas espectrofotométrias106.

O conhecimento do pKa de um composto é essencial para desenvolvimento de

pesquisas nas áreas de química, biologia, alimentos e no desenvolvimento de

fármacos107. Em sistemas biológicos reações de transferência de prótons

desempenham um papel importante na comunicação entre o meio intracelular e

extracelular108.

O interesse na utilização de métodos teóricos para calcular pKa surgiu com o

objetivo de determinar pKa de moléculas que ainda não foram sintetizadas ou para

moléculas complexas cuja determinação experimental não é simples, por exemplo,

aminoácidos que fazem parte de um polipeptídeo109. Além disso, métodos de química

computacional também fornecem informações estruturais e eletrônicas que auxliam

no entendimento dos fatores que inlfuenciam os valores de pKa110.

Como valores de pKa são proporcionais aos valores de G de desprotonação,

a determinação teórica exata de pKa é um desafio, considerando que os erros

experimentais estão na faixa de 0,01-0,10 unidades de pKa para muitas espécies111.

Para espécies que são ácidos muito fortes ou muito fracos, isto é, espécies que o pKa

está fora da faixa de 0-14, os valores experimentais podem conter erros de várias

unidades de pKa112. A capacidade de calcular teoricamente valores de pKa é um

importante avanço para a compreensão de fenômenos de interesse químico e a

biologico. No entanto, valores exatos de pKa são difíceis de alcançar teoricamente,

39

porque um erro de 1,36 kcal/mol na ∆G de uma reação de dissociação ácida resulta em

um erro de 1 unidade de pKa113, 114. Na tentativa de obter valores exatos de pKa, vários

estudos teóricos empregando diferentes metodologias115-118 vem sendo realizados nos

últimos anos, mas ainda existem muitas discrepâncias. Em geral, os cálculos teóricos

de pKa usam ciclos termodinâmicos que combinam reações de desprotonação em fase

gasosa e reações de solvatação em fase aquosa dos reagentes e produtos envolvidos.

Vários ciclos termodinâmicos113,114 podem ser usados para calcular os valores de pKa,

um dos métodos mais comuns é representado na Figura 11.

Figura 11. Ciclo termodinâmico que considera a dissociação de uma espécie ácida em

sua base conjugada e o próton.

Neste ciclo, o ácido (HA) é desprotonado em fase gasosa e na última etapa

ocorre a solvatação das espécies envolvidas na dissociação.

Na Figura 11, ∆Gaq representa a variação total na energia livre dessa reação em

solução, ∆Ggas é a variação da energia livre da reação em fase gasosa, e ∆Gsol é a

variação na energia livre de solvatação. Dessa forma, o pKa pode ser calculado através

da seguinte equação:

Todos estes valores de energia livre podem ser calculados por meio de métodos

de química quântica, exceto ∆Gsol(H+) e Ggas(H

+), que devem ser determinados

experimentalmente.

Ciclos termodinâmicos que possuem muitas espécies químicas aumentam o

número de cálculos e, consequentemente, o erro computacional. Uma das principais

fontes de erro nos cálculos de pKa é o valor livre energia de solvatação usado para o

próton. Como o próton não contém elétrons, sua energia livre não pode ser calculada

40

por meio de métodos de química quântica. Ao longo dos últimos anos, o valor de

∆Gsol(H+) tem mudado consideravelmente, variando de -254 até -261 kcal/mol116. O

valor atualmente aceito é -265,9 Kcal/mol119.

Em um estudo teórico realizado por Zhan e Dixon120, foi calculada a energia livre

de solvatação do próton utilizando um modelo cluster-contínuo. Onde o solvente é

considerado como um meio contínuo dielétrico e moléculas de água são adicionadas

explicitamente ao próton até o valor de energia convergir. Através desta abordagem

eles obtiveram o valor de ∆GsolH+= -264,3 kcal/mol. Após serem feitas correções para a

concentração da água no estado padrão foi obtido o ∆GsolH+= -265,63 kcal/mol.121 Este

resultado mostra a exatidão que pode ser obtida por meio de métodos de química

quântica, onde a diferença entre o resultado experimental atualmente aceito (∆GsolH+=

-265,9 Kcal/mol) e o resultado teórico (∆GsolH+= -265,63 kcal/mol) é menor que

0,3kcal/mol.

A dificuldade presente em qualquer determinação de energia livre de

solvatação de um ion é devido estas espécies químicas nunca estarem isoladas109. Os

modelos teóricos são desenvolvidos para reproduzir os resultados experimentais, no

entanto, valores experimentais de energia livre de solvatação de íons apresentam erro

na faixa de 2-5 kcal/mol. Dessa forma, modelos desenvolvidos para reproduzir valores

experimentais têm a mesma incerteza inerente.A menor fonte de erro em cálculos de

pKa são os cálculo de energia livre em fase gasosa, pois métodos que empregam altos

níveis de teoria, como CBS-QB3122, G3123 e W1124 podem ser utilizados para obter

valores confiáveis de ∆Ggas.

A fim de obter valores muito exatos de pKa, vários autores 110,112,113,125,126

sugerem o uso de cálculos ab initio de alto nível para calcular a energia livre de

desprotonação em fase gasosa, com erros próximos da chamada acurácia química em

química computacional (1,0 kcal/mol). A combinação de diferentes métodos com

diferentes conjuntos de base vem sendo utilizada na tentativa de alcançar resultados

precisos com baixo custo computacional. A DFT é uma abordagem que oferece a

melhor relação custo-eficiência125. A maior fonte de erro nos cálculos de pKa é o

cálculo da variação de energia livre de solvatação da reação, devido a dependência do

método utilizado e do modelo de solvatação113. Um modelo de solvatação não pode

ser melhorado apenas aumentando o conjunto de base, como ocorre em cálculos ab

41

initio em fase gasosa125.

Existem algumas abordagens utilizadas para considerar o efeito do solvente em

um estudo teórico, os modelos de solvatação implícito e explícito. Estes modelos

também podem ser combinados, dando origem ao modelo cluster-contínuo.

No modelo de solvatação explícita, as moléculas do solvente são adicionadas

próximas a molécula do soluto e fazem parte do ciclo termodiâmico. Este método

permite considerar as interações entre o soluto e o solvente. No entanto, estas

interações tornam mais difícil encontrar um mínimo global para o complexo21, 118. O

equilíbrio entre custo computacional e precisão depende de dois fatores: o número de

moléculas de solvente que devem ser incluídos no sistema e as possíveis conformações

do complexo soluto-solvente. É difícil saber quantas configurações soluto-solvente são

necessárias para obter a conformação de menor energia. Devido a quantidade de

configurações possíveis para um grande número de moléculas de solvente, cálculos de

química quântica com modelos de solvatação explícita não são usados com frequência.

No modelo de solvatação implícita (também conhecido como modelo de

solvatação contínuo), as moléculas do solvente não são incluídas no ciclo

termodinâmico. Este modelo permite o cálculo de propriedades físico-químicas de

uma ampla variedade de espécies químicas em diferentes solventes, ele é

computacionalmente menos exigente que o modelo de solvatação explícita, mas não é

bastante preciso para espécies iônicas. Espécies iônicas podem apresentam interações

fortes entre soluto e solvente, que não são bem descritas pelo modelo de solvatação

implícita117. Por outro lado, este modelo apresenta bons resultados para moléculas

neutras, são capazes de calcular a energia livre de solvatação de moléculas neutras

com erros de 1 kcal/mol21. O erro médio nas energias livres de solvatação de espécies

iônicas é de 5 kcal/mol para os melhores modelos contínuos118.

Além da dificuldade de solvatação de espécies iônicas, outra limitação da

solvatação implícita é que a exatidão do tipo de modelo de cavidade de solvatação118.

Wang e colaboradores estudaram com o método B3LYP o efeito de vários modelos de

cavidade na exatidão dos cálculos de pKa, os resultados mais acurados foram obtidos

com o modelo CPCM e modelo de cavidade UAHF127.

Em um estudo realizado por Kelly e colaboradores117 foi evidenciado que para

alguns anions, a adição de uma molécula de água explícita aumenta a exatidão do

42

cálculo do pKa, eles também observaram que apenas o modelo implícito não é capaz

produzir resultados precisos devido a não consideração das fortes interações soluto–

solvente. Wang et al estudaram com os métodos B3LYP e HF, o pKa de alguns ácidos

orgânicos empregando o modelo cluster-contínuo, e concluíram que a exatidão do

cálculo aumenta quando o número de moléculas explícitas aumenta de 0 a 3127.

No entanto, resultados obtidos por Topol e colaboradores sugerem que a

inclusão de moléculas de água explícitas em ácidos orgânicos com pKa acima de 40

pode fornecer resultados de pKa duvidosos, devido a descrição inadequada da

solvatação de ânions106.

Uma abordagem que também pode ser usada para calcular pKa teórico pode

ser feita através de reações isodésmicas (reações que o número e o tipo de ligações são

conservadas entre os reagentes e produtos).22 O ciclo termodinâmico é baseado na

reação em que o ácido de interesse doa um próton para um ácido de referência que

possui pKa conhecido. A acurácia dos resultados tem se mostrado menos sensível a

presença de moléculas explícitas de água. Além disso, é possível fazer determinações

de pKa mais fáceis para moléculas que sofrem grandes mudanças conformacionais

durante a solvatação, ou seja, moléculas que possuem geometrias muito diferentes em

fase gasosa e fase condensada111. Outras vantagens das reações isodésmicas sobre os

ciclos termodiâmicos são: permitir o cálculo de espécies que não estão parametrizadas

no modelo de cavidade, e prever pKa de ácidos polipróticos, onde geralmente, ciclos

termodinâmicos falham, provavelmente devido a erros na energia livre solvatação das

espécies formadas111. Entretanto, foi relatado por Poliak110 que reações isodésmicas

são muito sensíveis ao pKa do ácido de referência e esta escolha deve ser feita com

cautela, uma escolha mal sucedida pode gerar resultados sem sentido.

É difícil indicar qual é o modelo mais exato para o cálculo de energia livre de

solvatação. No que diz respeito aos modelos de solvatação implícita, ainda não está

estabelecido qual o modelo mais preciso, no entanto o modelo CPCM parece ser o

mais robusto para uma ampla gama de circunstâncias21. Uma vez que a maior fonte de

erro nos cálculos de pKa é o cálculo da variação da energia livre de solvatação, não é

tarefa fácil determinar qual é o método que produz valores de pKa mais precisos, pois

vários fatores devem ser levados em consideração: modelo de solvatação, modelo de

cavidade, ciclo termodinâmico, nível de teoria e tipo de molécula em estudo.

43

Apesar de ser energeticamente desfavorável a existência de espécies iônicas

isoladas em fase gasosa6, a investigação da acidez em fase gasosa pode ser utilizada

para compreender reações em que o meio apresenta baixa constante dielétrica, por

exemplo, estudo da interação entre aminoácidos e enzimas, onde o sítio ativo pode ser

considerado como uma região com baixa constante dielétrica128.

Informações sobre o pKa de moléculas em fase aquosa são muito empregadas

em aplicações farmacológicas, pois a solubilidade e taxa de absorção de fármacos

estão relacionadas com os valores de pKa129. A acidez de uma molécula depende

fortemente do meio. Mudanças na acidez devido à mudança do solvente são

fortemente influenciadas pela solvatação da molécula neutra e dos íons formados130.

A compreensão da acidez de moléculas em fase gasosa fornece informações

importantes sobre a reatividade. A comparação entre estudos de acidez em fase

condensada e fase gasosa permite compreender também como o solvente afeta a

reatividade intrínseca da molécula131.

1.4.7 - Acidez de amidas

Na literatura existem várias publicações181-184 interessantes sobre determinação

experimental e teórica de valores de pKa para moléculas orgânicas. Contudo, existem

poucos estudos relacionados a determinação de pKa de amidas. Esta lacuna pode ser

justificada pelo fato de que a maioria das amidas não se dissociam em um próton e

uma base conjugada em meio aquoso neutro a levemente básico. Algumas exceções

são: ftalimida185 (pKa 8,32), que é um reagente altamente versátil para a obtenção de

amidas elaboradas através da síntese de Gabriel; e quinoxalina-2-ona186 (pKa 9,08),

que é um bloco de construção para compostos heterocíclicos que apresentam

importantes aplicações farmacológicas.

Amidas são muito importantes devido ao seu amplo espectro de aplicações,

que incluem polímeros sintéticos (por exemplo, nylon) e drogas (por exemplo,

paracetamol). Os compostos orgânicos que contêm unidades de amida também são

aplicados em pesquisas nas áreas ambientais e biológicas, como os

quimiossensores187,188. Além disso, a relevância das amidas para o área bioquímica é

enorme devido aos seus papéis como componentes essenciais das proteínas e da

44

maioria das enzimas, bem como outras espécies químicas biologicamente relevantes.

Significativamente, muitas dessas funções e aplicações de amidas dependem de suas

acidez, especialmente devido às interações envolvendo tanto oxigênio carbonilo

quanto hidrogênio amídico.

45

3 - OBJETIVO GERAL

O presente trabalho tem como objetivo Investigar propriedades estruturais,

eletrônicas e termodinâmicas de derivados quinoxalínicos por meio de métodos

baseados na DFT e semi-empíricos.

4 - METODOLOGIA COMPUTACIONAL

Os cálculos realizados neste trabalho foram feitos com o programa Gaussian

09W e o programa GaussView 5.0 foi empregado para construir todas as estruturas.

Duas máquinas quad-core com 8GB de memória foram utilizadas para realizar os

cálculos.

46

4 - ESTUDO DE PROPRIEDADES ESTRUTURAIS E ELETRÔNICAS DO DNQX

4.1 – INTRODUÇÃO

Receptores de glutamato são potenciais alvos de fármacos, e como o nome

sugere, o glutamato é o neurotransmissor que se liga a estes receptores

desencadeando uma resposta fisiológica. O glutamato atua em duas classes de

receptores: os ionotrópicos (canais iônicos que são ativados diretamente pelo ligante)

e os metabotrópicos (receptores que após serem ativados, desencadeiam reações

bioquímicas que ativam os canais iônicos). Receptores de glutamato têm recebido

bastante atenção devido as suas implicações no tratamento de doenças

neurológicas132.

Canais iônicos são proteínas que controlam entrada e saída de íons nas células.

Os receptores ionotrópicos de glutamato (iGluR) são um importante grupo de canais

iônicos do SNC, pois estão relacionadas com aprendizado, memória e distúrbios

neurodegenerativos132. A Liberação de altas concentrações de glutamato pode causar

excitação excessiva dos receptores, provocando a morte dos neurônios133.

Substâncias que se ligam a receptores e imitam os efeitos de compostos

endógenos responsáveis por uma resposta fisiológica são denominados agonistas. Por

outro lado, antagonistas são substâncias que se ligam a receptores, porem não produz

uma resposta fisiológica e, inclusive, bloqueiam a ligação do agonista134.

Muitos esforços vêm sendo realizados para estudar antagonistas de glutamato

como agentes terapêuticos135 no tratamento de distúrbios neurodegenerativos136,

epilepsia137 e esquizofrenia132. Nesse contexto, uma molécula que vem recebendo

bastante atenção é o 6,7-dinitroquinoxalina-2,3-diona (DNQX). O DNQX atua como

antagonista de receptor AMPA, dificultando o acoplamento do glutamato ao

receptor134.

Compreender o mecanismo pelo qual a ligação entre o receptor e o glutamato

promove a abertura do canal iônico é um processo importante para a neurociência e

pode ser observado pela grande quantidade de estudos realizados sobre o assunto134,

135, 138. Alguns estudos experimentais vêm sendo realizados a fim de compreender o

47

mecanismo de interação do DNQX com o sítio de ligação do receptor139-141. O modelo

obtido a partir de dados de cristalografia do complexo iGluR-DNQX (Figura 12) sugere

que a estabilização da estrutura é resultante das ligações de hidrogênio formadas135.

Figura 12. Modelo de ligação do receptor de glutamato com o DNQX.

Há também estudos teóricos que foram realizados a fim de compreender como

ocorre a interação entre o DNQX e os receptores de glutamato. Alguns trabalhos de

dinâmica molecular podem ser encontrados142, 143. No entanto, até o momento da

escrita deste trabalho, foi encontrado na literatura, apenas um estudo ab initio sobre o

mecanismo de interação DNQX-iGluR144.

Métodos de química quântica podem fornecer informações importantes no

estudo da interação ligante-receptor, como conformações de menor energia,

distribuição da densidade eletrônica no complexo, propriedades termodinâmicas,

efeito do solvente, espectros de IV e UV-vis21. Martins et al144 investigaram por meio

de um estudo teórico a energia de ligação entre um receptor de glutamato com quatro

tipos de ligantes, e observaram por meio de cálculos DFT a seguinte ordem de energia

de ligação receptor-ligante: AMPA > glutamato > cainato > DNQX, que está de acordo

com os dados experimentais.

Madden e colaboradores135 realizaram uma investigação da interação entre o

DNQX e um receptor de glutamato, utilizando espectroscopia de infravermelho. Os

48

espectros de infravermelho que sugerem que em pH 7,4 as carbonilas adotam

configuração de ligação dupla (Figura 13, estrutura 1). Aumentando o pH de 7,4 para

10, as estruturas formadas (Figura 13, estruturas 2 e 3) apresentam carbonilas que

possuem pouca ou nenhuma característica de ligação dupla.

Figura 13. Estruturas do DNQX em diferentes faixas de pH

Embora aspectos estruturais da DNQX em meio biológico sejam ricamente

apresentados na literatura, aspectos estruturais e propriedades básicas, tais como a

capacidade de doar hidrogênio desse relevante antagonista são pouco documentadas.

Na verdade, de acordo com nosso conhecimento, apenas Madden e colegas relataram

um trabalho em que o DNQX foi investigado em termos de propriedades básicas, mais

especificamente, usando espectroscopia de infravermelho para obter informações de

sua dissociação em meio aquoso para melhorar o entendimento do mecanismo de

interação do referido antagonista no receptor de glutamato135. No entanto, uma

lacuna ainda permanece na caracterização de DNQX e aqui relatamos estudos

experimentais e teóricos com foco nas propriedades estruturais deste composto

biologicamente relevante.

Neste trabalho foram estudados os equilíbrios entre as possíveis formas

tautoméricas do DNQX. Além disso, foram obtidos valores de pKa a partir de

abordagens teóricas, que foram, então, relacionadas com a estabilização das bases

conjugadas. Uma vez que os aspectos estruturais do DNQX e comportamento ácido-

base desempenham um papel primordial nas suas interacções e funções no ambiente

biológico, estes resultados se mostram relevantes e também devem contribuir para a

compreensão do mecanismo de antagonismo DNQX.

49

4.2 – OBJETIVOS

Avaliar a estabilidade dos tautômeros do DNQX;

Investigar propriedades estruturais e eletrônicas do DNQX e seus ânions;

Determinar valores de pKa do DNQX em fase gasosa e aquosa;

Comparar os resultados teóricos com dados experimentais.

4.3 - METODOLOGIA COMPUTACIONAL

Para investigação das propriedades estruturais e eletrônicas do DNQX e seus

ânions, foram realizados cálculos de otimização da geometria e frequências

vibracionais com o método B3LYP/6-311++G(d,p). Para realizar o estudo das

constantes de dissociação do DNQX nas suas formas mono e diânion, cinco

metodologias diferentes foram aplicados: B3LYP/6-311++G(d,p), B3LYP/6-

311++G(3df,3pd), M062X/6-311++G(d,p), Wb97xd/6-311++G(d,p) e CBS-QB3. Em

todos os cálculos realizados nesta etapa do trabalho, o efeito da água como solvente

foi considerado de forma implícita por meio do método CPCM. Nenhuma espécie

química investigada apresentou frequência vibracional imaginária.

4.4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.4.1 - Análise dos tautômeros

Um aspecto interessante do DNQX é a possibilidade de ocorrência de

tautomerismo amido-iminol, através de transferência de próton entre os átomos de

nitrogênio do anel dihidroquinoxalínico e oxigênio da carbonila. Foi reportado por

Soliman et al145, que em solução a 2,3-dihidroquinoxalina (Figura 14), uma quinoxalina

com estrutura parecida com DNQX, está em equilíbrio com seis tautômeros que

podem possuir uma ou duas hidroxilas.

50

Figura 14. Estrutura molecular da 2,3-dihidroquinoxalina

O equilíbrio entre os tautômeros depende de fatores como temperatura,

solvente e pH. O tautomerismo é um caso especial de isomerismo estrutural e

desempenha importante papel para sistemas químicos e biológicos.

Com o objetivo de investigar a estabilidade relativa dos tautômeros do DNQX

em fase aquosa, foram estudadas as estruturas de seis possíveis tautômeros. Dessa

forma, o tautômero que apresentar a menor energia será selecionado para os

próximos cálculos deste trabalho.

Foram realizados cálculos de otimização da geometria e frequências

vibracionais com o método B3LYP/6-311++G(d,p). A escolha do método B3LYP146,147

para realizar este estudo, se deve a capacidade desse método em fornecer com

sucesso propriedades estruturais e eletrônicas de quinoxalinas148, 149.

O modelo de solvatação CPCM foi utilizado para considerar efeito do solvente

na estabilidade dos isômeros. Nenhum dos tautômeros investigados apresentou

frequências vibracionais negativas. Os tautômeros propostos para o DNQX estão

representados na Figura 15. A geometria otimizada de cada tautômero e sua e energia

livre relativa estão exibidas na Figura 16.

Figura 15. Tautômeros propostos para o DNQX

51

Figura 16. Estruturas otimizadas e energia (relativa) livre de Gibbs de cada tautômero

do DNQX

A análise da energia livre de Gibbs (Figura 16) revelou que entre os

tautômeros estudados a forma diamida (DNQX T1) foi a mais estável. Este resultado

está de acordo com resultados experimentais140, que sugerem que a forma diamida é a

mais estável para o DNQX em pH próximo de 7. Esta preferência pela forma diamida

ao invés da iminol, é observada em sistemas semelhantes, tais como 2-piridona. A

partir dos valores de energia livre calculados, pode ser proposta a seguinte ordem de

estabilidade entre os tautômeros:

T1 > T5 > T4 > T3 > T2 > T6

Esta ordem de estabilidade também foi observada por Soliman et al145, no

estudo da estabilidade de 2,3-dihidroquinoxalina em fase aquosa pela DFT com

modelo de solvatação implícita PCM. Diante destes resultados, os próximos cálculos

com o DNQX serão realizados com o tautômero que apresentou menor energia, DNQX

T1. A menor estabilidade do tautômero DNQX T6 pode ser atribuída a repulsão

eletrônica entre os átomos de hidrogênio das hidroxilas. A maior estabilidade relativa

do DNQX T5 em relação ao DNQX T4 pode ser atribuída a capacidade de formar ligação

52

hidrogênio intramolecular entre o átomo de hidrogênio da hidroxila com o oxigênio da

amida150. A contribuição dos tautômeros diminol (T2, T3 e T6) pode ser considerada

negligenciável para o equilíbrio. A maior estabilidade do tautômetro T3 sobre o T2,

aproximadamente 0,51 kcal/mol, pode ser originada da distribuição de carga mais

simétrica na molécula.

4.4.2 - Estudo de propriedades estruturais e eletrônicas do DNQX

Nesta etapa do trabalho, foi realizada a investigação de propriedades

estruturais (comprimentos e ângulos de ligação) e a estrutura eletrônica desta

molécula foi estudada por meio das cargas atômicas. Os cálculos foram realizados com

o método B3LYP/6-311++G(d,p) e o solvente (água) foi representado pelo modelo de

solvatação implícita CPCM. A ausência de frequências imaginárias nas espécies que

foram calculadas indica que as estruturas representam pontos de mínimo na superfície

de energia potencial. As cargas atômicas foram calculadas pelo o método CHELPG.

A partir de cálculos de otimização da geometria em fase gasosa foram obtidos

os parâmetros estruturais (comprimentos e ângulos de ligação) para o DNQX. Os

resultados obtidos estão apresentados na Tabela 2 e as geometrias otimizadas estão

apresentadas na Figura 17.

Figura 17. Estruturas otimizadas do DNQX, DNQX A1 e DNQX A2.

53

Tabela 2. Parâmetros estruturais do DNQX, teórico e experimental.

Ligação

Comprimento (Å) Ligação

Ângulo (°)

Experimental Teórico Experimental Teórico

C1-O1 1,21 1,2038 N1-C1-O1 123,4 122,549

C1-C2 1,52 1,5391 N2-C2-O2 123,3 122,549

C2-O2 1,21 1,2038 C3-N1-C1 124,4 126,155

C1-N1 1,36 1,3871 C4-N2-C2 123,8 126,155

N1-H1 0,89 1,0135 C7-C5-C3 118,8 120,070

C3-N1 1,39 1,3872 C8-C6-C4 118,6 120,070

C3-C4 1,4 1,4072 N3-C7-C5 119,1 116,878

C4-N2 1,39 1,3872 N4-C8-C6 116,6 116,878

N2-H2 0,85 1,0135 O4-N3-O3 124,7 126,176

C2-N2 1,36 1,3871 O5-N4-O6 125,3 126,176

C4-C6 1,39 1,3941

C6-H4 0,95 1,0827

C6-C8 1,38 1,3850

C8-C7 1,39 1,3956

C5-C3 1,39 1,3941

C7-C5 1,38 1,3850

C5-H3 0,93 1,0827

C7-N3 1,46 1,4785

N3-O3 1,22 1,2218

N3-O4 1,22 1,2187

C8-N4 1,47 1,4785

N4-O6 1,22 1,2218

N4-O5 1,21 1,2187

Nossos resultados teóricos foram comparados com parâmetros estruturais

elucidados por cristalografia de raios-X151. Analisando os resultados do DNQX, pode ser

observado que as maiores diferenças encontradas no comprimentos de ligação

calculado e o experimental foram de 0,16 Å na ligação N2-H2 e 0,15 Å na ligação C5-

H3. Também foram encontradas pequenas alterações entre os ângulos de ligação

teóricos e experimentais. As maiores diferenças foram de 2,35° na ligação C4-N2-C2 e

na 2,22° na ligação N3-C7-C5. Em geral, os resultados da Tabela 2 mostram que o nível

de teoria empregado foi capaz de fornecer parâmetros estruturais que estão em boa

concordância com dados experimentais do DNQX. Para as espécies DNQX A1 e DNQX

54

A2 não foram encontrados na literatura parâmetros estruturais experimentais ou

teóricos para comparar os resultados obtidos neste estudo.

4.4.3 - Análise das cargas atômicas

Na Tabela 3, são apresentadas as cargas atômicas calculadas para o DNQX e seus

ânions.

Tabela 3. Cargas atômicas do DNQX e seus ânions

Átomo DNQX DNQX A1 DNQX A2

C1 0,628 0,502 0,747 C2 0,628 0,831 0,746 C3 0,262 0,051 0,344 C4 0,257 0,506 0,344 C5 -0,197 -0,152 -0,200 C6 -0,192 -0,232 -0,200 C7 -0,042 -0,065 -0,124 C8 -0,046 -0,105 -0,124 O1 -0,607 -0,656 -0,840 O2 -0,607 -0,771 -0,840 O3 -0,466 -0,514 -0,542 O4 -0,449 -0,494 -0,525 O5 -0,449 -0,497 -0,525 O6 -0,446 -0,501 -0,542 H1 0,408 0,376 - H2 0,408 - - H3 0,206 0,182 0,147 H4 0,205 0,169 0,147 N1 -0,538 -0,436 -0,861 N2 -0,537 -0,869 -0,861 N3 0,797 0,774 0,856 N4 0,798 0,895 0,856

As cargas atômicas dos hidrogênios do DNQX indicam que os hidrogênios da

amida (H1 e H2) são mais ácidos que os do anel aromático (H3 e H4), pois possuem

carga atômica mais positiva.

Analisando as cargas atômicas do DNQX A1 em relação ao DNQX, pode ser

observada que após a desprotonação, houve um aumento substancial da carga no

átomo N2. Também houve aumento da carga no átomo O2, que pode ser explicada

pela remoção de parte da densidade eletrônica do átomo N2, em virtude da maior

eletronegatividade do átomo de oxigênio.

55

No DNQX A2, os valores das cargas atômicas dos átomos N1 e O1, assim como

N2 e O2 ficaram relativamente próximos, sugerindo que a densidade eletrônica está

sendo deslocalizada entre os átomos de nitrogênio da quinoxalina e oxigênio da

carbonila. Os resultados da Tabela 3 revelam que as desprotonações promovem

alterações de carga em toda a molécula em virtude de deslocalização da densidade

eletrônica. Todos os hidrogênios se tornaram menos ácidos, pois suas cargas ficaram

menos positivas. Após a primeira desprotonação, a carga do átomo H1 cai de 0,408

para 0,376, enquanto que as cargas dos átomos H3 e H4 diminuem de 0,206 para

0,182 e 0,169, respectivamente, e após a segunda desprotonação as cargas dos

átomos H3 e H4 diminuem para 0,147. Os resultados dos cálculos de cargas atômicas

revelam que, no DNQX, a região que apresenta maior densidade eletrônica está

localizada nos oxigênios das carbonilas, e a região com maior carga positiva está

localizada nos átomos de hidrogênio do grupo amida. Após a primeira desprotonação,

o hidrogênio da amida do DNQX A1 representa a região com maior carga positiva na

molécula. Observando as cargas do DNQX A1 e DNQX A2, pode ser vislumbrado que a

medida que ocorre desprotonação, densidade eletrônica é concentrada próxima do

nitrogênio da amida e oxigênio da carbonila.

4.4.4 - Cálculo do pKa do DNQX

A interação de DNQX com iGluR em meio biológico ocorre por ligações de

hidrogênio que envolvem participação efetiva de grupos amida e nitro. Uma vez que a

densidade eletrônica de uma moléculas desempenha um papel crucial no mecanismo

de ligação, torna-se interessante compreender a propriedade doadora de próton do

DNQX. Em geral, amidas são ácidos fracos, no entanto, algumas espécies aniônicas

podem ser formadas na presença de bases, tal como o próprio DNQX, especialmente

devido à presença dos grupos nitro fortes retiradores de elétrons e a possibilidade de

gerar dois íons heteroaromáticos: monoânion e diânion. Na teoria, quando DNQX

perde um próton amídico para o meio, o monoânion DNQX A1a (Figura 18) pode ser

estabilizado pela deslocalização da densidade eletrônica excessiva por ressonância

para a carbonila ou para grupo nitro na posição para, gerando as formas canônicas

DNQX A1b, DNQX A1c e DNQX A1d, respectivamente (Figura 18). De modo

56

semelhante, após a segunda desprotonação, a densidade eletrônica adicional do

diânion pode ser dispersa por ressonância em ambas as carbonilas e grupos nitro,

originando várias formas canônicas. A espécie formada após a primeira desprotonação

chamamos de DNQX A1 e a espécie formada após a segunda desprotonação

chamamos de DNQX A2. Ka1 corresponde constante de equilíbrio da primeira

ionização e Ka2 a constante de equilíbrio da segunda ionização.

Figura 18. Estruturas de ressonância para o DNQX e seus ânions.

Inicialmente, foi realizada uma validação do método teórico de determinação

do pKa empregado neste trabalho. Foram feitos cálculos para algumas moléculas

orgânicas que possuem valores de pKa reportados na literatura. A comparação entre

os resultados teóricos e experimentais, está apresentada na Tabela 4. Os cálculos

foram realizados com o método B3LYP/6-311++G(d,p) e o solvente, água, foi

considerado de forma implícita com o método CPCM. Devido os cálculos teóricos de

pKa demandarem muito tempo, e o custo computacional se tornar maior quanto

maior a molécula, foram selecionadas apenas algumas moléculas orgânicas pequenas

para realizar a validação do método.

57

Tabela 4. Valores de pKa experimentais e teóricos em fase aquosa de algumas

moléculas orgânicas.

Molécula pKa em fase aquosa - teórico

pKa em fase aquosa - experimental

Metano 50,5 48,0 152 Etano 49,5 50,0 152 Metanol 17,8 15,5 152 Etanol 19,7 15,9 152 Ciclopropano 47,7 46,0 152 Ácido metanóico 2,23 3,75 153 Ácido acético 3,39 4,76 153 Eteno 46,8 44,0 152 Etino 25,3 25,0 152

Pode ser observado na Tabela 4, que o método teórico é capaz de produzir

valores de pKa que são próximos dos experimentais. No entanto, como foi

apresentado anteriormente, cada tipo de molécula pode ter o pKa melhor descrito por

um método específico. Uma investigação mais detalhada foi realizada para os cálculos

de pKa do DNQX, onde serão empregadas diferentes metodologias. A determinação

do pKa de alguns compostos orgânicos N-heterociclos em água pode ser um desafio,

por exemplo, os benzimidazóis, que apresentam baixa solubilidade em água, o que

dificulta a sua determinação experimental. Por outro lado, alguns benzimidazóis estão

em equilíbrio tautomérico, o que aumenta a complexidade de realizar um estudo

teórico154.

O presente estudo visa calcular os valores de pKa para o DNQX e avaliar o

método que é capaz de fornecer melhores resultados para estes derivados

quinoxalínicos. Este é o primeiro estudo teórico realizado com o objetivo de

determinar os valores de pKa do DNQX em fase aquosa e gasosa. A fim de avaliar qual

metodologia produz valores mais precisos de pKa, foram selecionados métodos

baseados na DFT (B3LYP, M06-2X100 e WB97XD155) e o método composto CBS-QB3, que

é capaz de calcular propriedades termodinâmicas com elevada precisão. O CBS-QB3

pode prever valores extremamente precisos de desprotonação em fase gasosa, com

erro menor que 1 kcal/mol113, 114.

Um estudo previamente reportado por Shields et al113, mostrou que o CBS-QB3

combinado com o modelo de solvatação CPCM foram extremamente acurados para

58

calcular energia livre de solvatação e desprotonação em fase gasosa, resultando em

erros dentro de 0,4 unidades de pKa. A fim de avaliar o efeito provocado pelo conjunto

de base, os cálculos com o funcional B3LYP foram realizados com dois conjuntos de

base: 6-311++G(d,p) e 6-311++G(3df,3pd). Para determinar os valores de energia livre

do DNQX e seus ânions DNQX A1 e DNQX A2, foram realizados cálculos de otimização

da geometria e frequências vibracionais. Inicialmente, os cálculos de ∆G todas as

espécies foram realizados em fase gasosa. Posteriormente, os cálculos de ∆G de

solvatação foram realizados com o modelo de solvatação implícita CPCM na presença

do solvente (água). Todas as espécies investigadas em fase gasosa e aquosa foram

confirmadas como mínimos na superfície de energia potencial, pois não apresentaram

frequências vibracionais imaginárias. Como já descrito anteriormente neste trabalho,

vários são os fatores que podem afetar o cálculo teórico do pKa. Dessa forma, vamos

investigar cinco metodologias diferentes e avaliar a que produz os valores de pKa que

estão em maior aceitação com os valores experimentais. Como pode ser visto na

Tabela 5 os resultados de pKa calculados apresentaram diferenças consideráveis

dependo do método utilizado. Como esperado, os valores de pKa obtidos em fase

gasosa foram muito mais altos do que aqueles obtidos com solvatação implicita,

variando de 220,97 para 224,10 e de 286,58 para 291,20 para formação do DNQX A1 e

DNQX A2, respectivamente, como consequência da pobre estabilização de estruturas

iônicas em meio não polar (vácuo).

Tabela 5. Valores de pKa calculados em fase gasosa e aquosa

Método Fase gasosa Fase aquosa

pKa1 pKa2 pKa1 pKa2 B3LYP/6-311++G(d,p) 221,51 286,58 5,39 10,43

B3LYP/6-311++G(3df,3pd) 222,60 288,30 6,40 12,04 M06-2X/6-311++G(d,p) 220,97 287,25 4,54 10,61

wB97xD/6-311++G(d,p) 225,09 291,20 8,72 14,57 CBS-QB3 224,17 288,80 8,04 12,80

Experimental (UV-vis) - - 6,99 ± 0,02 10,57 ± 0,01

Conforme a tabela 5, em fase aquosa, foram obtidos os valores de pKa de

4,54 para 8,72 e de 10,43 para 14,57 para pKa1 e pKa2, respectivamente. Em geral,

todos os métodos computacionais apresentaram resultados razoáveis para determinar

59

as constantes de acidez da DNQX. Essas variações são esperadas, especialmente

devido a complexidade envolvida na determinação teórica das constantes de acidez.

O B3LYP foi a primeira escolha para estimar os valores teóricos de pKa do

DNQX, uma vez que este é o funcional híbrido mais usado em química computacional e

capaz de descrever com sucesso várias propriedades de um amplo espectro de

moléculas orgânicas neutras156 e iônicas157. Os cálculos com B3LYP foram realizados

com duas funções de base, 6-31++G(d,p) e 6-31++G(3df,3pd), que forneceram

resultados próximos do experimental. Com a função de base 6-31++G(3df,3pd) foi

obtido o melhor valor de pKa1 (6,40), enquanto que a função 6-31++G(d,p) apresentou

valor próximo do pKa2. O método M06-2X foi selecionado para este estudo, devido

sua capacidade fornecer bons resultados para propriedades termoquímicas100 de

elementos do grupo principal. Este método apresentou resultados interessantes para

constantes de ionização do DNQX, especialmente para o pKa2 (10,61). O funcional

híbrido, wB97xD, capaz de fornecer resultados satisfatórios para propriedades

termoquímicas158, também foi investigado no estudo dos valores de pKa do DNQX. Por

último, foi empregado o método composto, CBS-QB3, conhecido por fornecer dados

termoquímicos com elevada exatidão. Ambos, wB97xD e CBS-QB3, apresentaram os

maiores valores de pKa para primeira e segunda dissociação do DNQX.

4.4 - CONCLUSÕES

Os resultados teóricos obtidos para o estudo dos tautômeros, revelaram que a

forma diamida (DNQX T1) é a mais estável do DNQX em meio aquoso, e que a perda de

um próton origina DNQX A1a como principal espécie aniônica. As propriedades

estruturais e eletrônicas indicam que esta espécie aniônica tem a densidade eletrônica

deslocalizada entre o oxigênio da carbonila e o nitrogênio da quinoxalina e em menor

extensão no grupo nitro na posição para. A secunda desprotonação produz a forma

simétrica DNQX A2a. Os comprimentos e ângulos de ligação calculados para DNQX

estão em boa aceitação com os resultados experimentais

Os cálculos do pKa do DNQX realizados com 5 metodologias diferentes,

forneceram uma plausível estimativa destes valores em solução aquosa. No entanto,

os resultados de pKa calculados apresentaram diferenças consideráveis dependendo

60

do método utilizado. Devido a pobre estabilização de estruturas iônicas em meio não

polar, os cálculos em fase gasosa apresentaram valores de pKa mais elevados do que

aqueles obtidos com solvatação implícita, variando de 220,97 para 224,10 e de 286,58

para 291,20 para formação do DNQX A1 e DNQX A2, respectivamente. Em fase aquosa,

foram obtidos os valores de pKa de 4,54 para 8,72 e de 10,43 para 14,57 para

formação do DNQX A1 e DNQX A2, respectivamente. Uma vez que o DNQX possui o

primeiro pKa 6,99 ± 0,02, é muito plausível sugerir que ambas espécies: neutra e

monoânion, podem ser responsáveis pelo antagonismo da DNQX. A partir do

levantamento bibliográfico realizado, verificamos que este é primeiro trabalho a

relatar a existência de ambas espécies, neutra e aniônica do DNQX em pH fisiológico,

bem como a possível implicação no mecanismo de antagônico destas espécies nos

recepetores de glutamato.

61

5 - ESTUDO DAS REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA AROMÁTICA ENTRE 2,3-

DICLOROQUINOXALINA E AMINOÁLCOOIS

5.1 –INTRODUÇÃO

Substituição nucleofílica em carbonos aromáticos/heteroaromáticos é o

principal objetivo de várias publicações. Embora os mecanismos gerais para estas

reações serem completamente descritos nos livros de química orgânica10,86,

observações adicionais são frequentemente relatadas na literatura, levando a novas

idéias e perspectivas. O mecanismo mais comum observado quando substratos

aromáticos reagem com espécies nucleófilas é o SNAr. Reações em que os principais

substratos são derivados de halonitrobezeno e, um intermediário não aromático

(usualmente chamado complexo-ς ou de Meisenheimer10, 84) tem lugar após a etapa

inicial, que perde seu grupo de saída para gerar um produto aromático. Outros

mecanismos bem estabelecidos evidenciados em substituições nucleófilicas

aromáticas, quando em condições adequadas, incluem : i) eliminação-adição; ii ) SN1 ;

e iii) SET10, 86. Embora menos comum, existem indicativos de que algumas espécies de

nucleófilos e substratos aromáticos reagem em uma única etapa, e neste ponto, existe

um conflito entre a existência de uma espécie intermediária ou apenas um estado de

transição 90, 91.

Vários compostos heteroaromáticos são naturalmente ativados para reações

de substituição nucleofílica. Neste contexto, 2-cloropiridina é, provavelmente, o

substrato mais comum, especialmente devido à sua disponibilidade comercial159.

Halopiridinas são muito mais reativas do que clorobenzenos devido a maior

eletronegatividade do nitrogênio para carbono, levando, consequentemente, a um

carbono mais eletrofílico na posição ipso84.

Nesta etapa do trabalho, foram estudadas propriedades estruturais e

termodinâmicas das espécies participantes da reação de SNAr entre 2,3-

dicloroquinoxalina e aminoálcoois. A compreensão de reações de SNAr com derivados

de quinoxalinas são de grande importância para síntese orgânica. Nosso grupo vem

desenvolvendo metodologias para síntese de derivados de quinoxalinas via

substituições nucleofílicas aromáticas a partir do DCQX (composto 1, Figura 19). A

62

importância da síntese destes derivados quinoxalínicos se deve ao amplo espectro de

aplicações que eles possuem, como quimiossensores para cátions e ânions, e novos

materiais de interesse tecnológico, como cristais líquidos e OLED além de aplicações

biológicas160.

A presença dos dois átomos de cloro nas posições 2 e 3, reduzem a densidade

eletrônica dos átomos de carbono ao qual estão ligados, tornando o DCQX susceptível

a substituições nucleofílicas aromáticas. Outro fator que favorece reações de SNAr no

DCQX, se deve a presença dos átomos de nitrogênio no anel quinoxalínico, que tornam

o carbono ipso mais elétron deficiente além de estabilizar a carga negativa oriunda do

ataque nucleofílico.

A fim de investigar as propriedades biológicas dos derivados quinoxalínicos

sintetizadas pelo nosso grupo, foi feita uma colaboração com pesquisadores do Centro

de Biociências da UFRN para realizar este estudo. Os resultados obtidos até agora

indicam que dois produto da adição de aminoálcoois ao DCQX, compostos 3 e 6 (Figura

19), demonstraram atividade frente às células de câncer colorretal (HT29). Outras

atividades biológicas observadas para os compostos 3 e 6 foram ações anti-

inflamatória e analgésica. Nosso grupo também realizou um estudo teórico da

interação dos compostos 3 e 6 no sítio de ligação da enzima PI3Kα. Os resultados

obtidos pode meio de docking molecular sugerem que estes derivados quinoxalínicos

interagem com a PI3Kα através de ligações de hidrogênio.

Wu e colaboradores19,20 reportaram algumas quinoxalinas 2,3-funcionalizadas

que possuem atividade biológica contra células tumorais. Os derivados quinoxalínicos

estudados por eles se mostraram bastantes promissores como inibidores da enzima

PI3Kα. Enzima que possui um importante papel na reprodução celular. Estes resultados

nos encorajam a investigar outros compostos provenientes da adição de aminoálcoois

ao DCQX, visando avaliar as propriedades biológicas e aplicações tecnológicas destes

compostos.

Podem ser encontrados na literatura estudos sobre substituições nucleofílicas

aromáticas envolvendo DCQX, mas ainda há lacunas sobre algumas etapas e espécies

envolvidas nestas reações18. Nesse contexto, a justificativa para realização desse

trabalho é estudar a nível teórico as espécies químicas e os mecanismos destas

reações de SNAr entre 2,3-dicloroquinoxalina e aminoálcoois.

63

5.2 - OBJETIVOS

Avaliar os valores de ∆G das reações de SNAr;

Estudar propriedades estruturais das espécies participantes destas reações de SNAr;

Investigar a natureza dos estados de transição.

5.3 - METODOLOGIA COMPUTACIONAL

O estudo computacional foi realizado na presença do solvente DMF e as

propriedades estruturais e eletrônicas de todos os compostos foram investigadas pela

Teoria do Funcional da Densidade. Inicialmente, todos os reagentes, produtos e

estados de transição participantes destas reações foram otimizados em fase gasosa

com o método B3LYP/6-311++G(d,p). Este procedimento foi realizado com o objetivo

de reduzir o custo computacional dos cálculos a serem realizados posteriormente. As

estruturas previamente otimizadas em fase gasosa, foram utilizadas como estrutura

inicial dos cálculos na presença do solvente DMF. A partir daí, foram realizados

cálculos de otimização da geometria e frequências vibracionais com B3LYP/6-

311++G(d,p) para todas as espécies investigadas. Para considerar os efeitos

provocados pelo solvente, DMF, foi empregado o modelo de solvatação implícita

CPCM.

5.4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.4.1 - Estudo dos reagentes e produtos envolvidos na reação entre DCQX,

etanolamina e dietanolamina

As reações que foram avaliadas neste estudo estão indicadas na Figura 23.

Como pode ser observado nesta figura, após a primeira substituição com etanolamina

e diteanolamina, avaliamos a duas possibilidades: I) ocorrer uma reação de ciclização

com o produto monosubstituido (reações 1a e 2a), II) ocorrer uma segunda

substituição com o aminoálcool ao produto monosubstituido (reações 1b e 2b).

64

Figura 19. Reagentes e possíveis produtos das reações entre DCQX, etanolamina e

dietanolamina.

Para obter a estrutura de menor energia para cada espécie química envolvida

nestas reações, foram investigados vários possíveis confômeros. Em virtude do

elevado número de estruturas possíveis, será apresentada apenas estrutura otimizada

do confômero de menor energia de cada composto. A estrutura otimizada de cada

compostos está apresentada na Figura 20. Observando estas as estruturas, pode-se

evidenciar que, nos compostos 2, 3, 4 e 6 a orientação dos átomos de hidrogênio da

hidroxila em direção ao nitrogênio da quinoxalina, sugere a formação de ligações de

hidrogênio intramolecular do tipo O-H---N. A distância da ligação de hidrogênio

evidenciada nestes compostos ficou entre 1,85 e 1,95 Å. Em geral, a distância de uma

ligação de hidrogênio varia de 1,2 a 2,5 Å150. Também foram observadas ligações de

hidrogênio do tipo O-H---O, entre os hidrogênios e oxigênios das hidroxilas do

composto 5, neste composto a distância da ligação de hidrogênio foi de 1,86 Å.

65

Figura 20. Estruturas otimizadas das espécies químicas envolvidas nas reações entre

DCQX e aminoálcoois

Na figura 21 estão as estruturas otimizadas da etanolamina e dietanolamina. A

estrutura de menor energia destes dois compostos indica que a conformação adotada

é favorecida pela formação de ligação de hidrogênio intramolecular.

Figura 21. Estruturas otimizadas da etanolamina e dietanolamina

5.4.2 - Estudo dos complexos de Meisenheimer

A fim de avaliar se o método proposto neste trabalho consegue representar a

estrutura dos complexos de Meisenheimer, foram investigados 8 complexos já

reportados na literatura. Os cálculos foram realizados com B3LYP/6-311++G(d,p) em

fase gasosa. Para cada estrutura foram analisados os seguintes parâmetros estruturais:

comprimento de ligação r(C-X) e ângulo de ligação X---C---X, conforme indicado na

66

Figura 22. Na tabela 6, estão apresentados os resultados obtidos com o método

proposto e resultados já reportados.

Figura 22. Posições dos grupos substituintes dos complexos de Meisenheimer

estudados.

Tabela 6. Parâmetros estruturais dos complexos de Meisenheimer, calculados e de

referência.

X

R'

R''

R'''

r(C-X)/Ângstrons X---C---X/Graus

Referência

B3LYP/6-

311++G(d,p)

Referência B3LYP/6-

311++G(d,p)

F NH2 H H 1,480 1,488 96,1 95,29

F OH H H 1,478 1,471 95,8 95,06

F H H H 1,479 1,487 96,1 95,43

OH H H H 1,473 1,463 97,8 97,67

SH NO2 H H 1,959 1,945 111,2 105,22

SH NO2 NO2 NO2 1,893 1,894 106,5 106,37

NH2 NO2 NO2 NO2 1,474 1,472 107,5 106,07

F NO2 H H 1,440 1,441 99,3 98,94

A partir da Tabela 6, pode ser observado que os resultados obtidos com o

método proposto estão próximos dos resultados já reportados para complexos de

Meisenheimer. Estes resultados encorajam a aplicação do funcional B3LYP para

realizar a busca destes intermediários na reações de substituição nucleofílica

aromática entre DCQX e aminoálcoois.

67

5.4.3 - Estudo dos estados de transição

Inicialmente, os estados de transição propostos foram identificados pela

presença de uma frequência imaginária. Em seguida o cálculo de IRC (intrinsic reaction

coordinate) foi realizado para confirmar se cada estado de transição obtido é de fato

um ponto de máximo na superfície de energia potencial entre o reagente e o produto

(pontos de mínimo).

Na Figura 23, são apresentados os estados de transição obtidos. As linhas

tracejadas em vermelho representam o comprimento das ligações amina-C/C-Cl. As

linhas tracejadas em azul representam o comprimento das ligações de hidrogênio

formadas. Para alguns estados de transição, foi criada outra figura (Figura B) para

melhor representar as ligações de hidrogênio.

Figura 23. Estruturas otimizadas dos estados de transição obtidos

68

Figura 23. Estruturas otimizadas dos estados de transição obtidos (continuação)

Avaliando os comprimentos de ligação C-Cl nos estados de transição calculados,

pode-se observar que esta ligação apresentou uma variação de 1,95 a 2,44 Å. Estes

valores estão em boa aceitação com os comprimentos de ligação C-Cl de estado de

transição de SNAr encontrados na literatura91.

69

Em relação aos ângulos de ligação indicados em todos os estados de transição

(Figura 23),nas reações de substituição nucleofílica aromática intermolecular com

etanolamina e dietanolamina os resultados indicam que, o ângulo formado entre o

átomo de nitrogênio do aminoálcool, o carbono e o átomo de cloro Cl do DCQX varia

aproximadamente de 91° a 98° nos estados de transição. Estes resultados estão em

boa aceitação com os ângulos de ligação de estado de transição de SNAr reportados na

literatura91. Nas reações de substituição nucleofílica aromática intramolecular

(Reações 1a e 2a), o ângulo N-C-Cl varia aproximadamente de 82° a 84° no estado de

transição. Estes ângulos de ligação sugerem que nas reações de SNAr aqui estudadas, o

carbono que liga o nucleófilo e o grupo de saída, adquire um arranjo próximo de

tetraédrico no estado de transição e, só após a expulsão do grupo de saída este

carbono voltar a ter hibridização sp2. Este caráter sp3 do carbono ipso no estado de

transição é característico de SNAr por mecanismo concertado161. A análise dos

comprimentos e ângulos de ligação dos estados de transição obtidos indica que todas

as reações de substituições nucleófilicas aromáticas apresentadas neste estudo

ocorrem via mecanismo concertado, onde a ligação com o nucleófilo (aminoálcool) é

formada concomitante a saída do cloro. Resultados previamente reportados na

literatura dão suporte a esta conclusão. Liljenberg e colaboradores161 determinaram

partir de cálculos com a DFT, que substituições nucleófilicas aromáticas com

nucleófilos neutros e grupo de saída Cl, ocorrem via mecanismo concertado.

A partir dos estados de transição obtidos, pode ser observado que as hidroxilas

dos aminoálcoois desempenham duas funções importantes na formação dos estados

de transição: I) orientando o ataque do nucleófilo, II) auxiliando a expulsão do grupo

de saída. Pode ser visto que nos estados de transição das reações 2 e 2a, os prótons

das hidroxilas formam ligação de hidrogênio com o nitrogênio da quinoxalina ajudando

dessa forma na orientação da etanolamina para o ataque nucleofílico ao DCQX. Com

exceção do estado de transição da reação 2, em todas as outras estruturas pode ser

evidenciado a formação de ligações de hidrogênio do tipo O-H---Cl ou N-H---Cl. Pode-

se concluir a partir destes resultados que a formação destas ligações de hidrogênio

ajuda na estabilização da carga do íon cloreto durante a sua saída.

Durante a análise dos estados de transição, foi observado um fato interessante.

Evidenciamos uma pequena torção do anel quinoxalínico durante o ataque

70

nucleófilico, tanto para reação SNAr intermolecular como intramolecular. Nossos

resultados indicam que ocorre uma aproximação mútua entre o carbono ipso e o

nucleófilo. Essa aproximação do carbono ipso favorece a interação com o nucleófilo e

ao mesmo tempo resulta no alongamento da ligação C-Cl. Estes resultados podem ser

evidenciados na Figura 24. Durante a aproximação do nucleófilo, o carbono ipso

começa a perder a geometria característica de hibridização sp2, e passa a assumir uma

geometria característica de hibridização sp3 em certa extensão.

Figura 24. (A) Vista lateral do DCQX durante a aproximação do nucleófilo; (B) DCQX

durante o ataque nucleofílico.

5.4.4 - Estudo das ∆G das reações de SNAr entre DCQX e aminoálcoois

Na Figura 25, são exibidos os valores de ∆G (em kcal/mol) de reação e ∆G de

ativação calculados. Os cálculos da ∆G de cada reação foram feitos com base na

equação:

∆G = ∆G(produtos) - ∆G(reagentes)

5.4.5 - Reações com etanolamina

A substituição por duas moléculas de etanolamina no DCQX (Reações 1 e 1b) é

uma reação favorável, visto pela variação de energia livre de -24,138 kcal/mol. Onde, a

primeira substituição promove uma variação na energia livre da reação no valor de -

14,8203 kcal/mol, e a segunda substituição com etanolamina é acompanhada por uma

queda de -9,3177 kcal/mol na energia livre da reação.

71

Figura 25. Valores de ∆G de reação e ∆G de ativação das reações de SNAr entre DCQX e

aminoálcoois.

Após a primeira substituição com etanolamina, investigamos a possibilidade de

ocorrer uma reação (Reação 1a) de substituição intramolecular no DCQX. Os dados de

∆G desta reação revelam que a formação do composto 7 é bastante favorável. O

composto 7 possui menor ∆G de ativação e também menor ∆G de reação em relação

ao composto 3. Estes resultados sugerem que após a primeira substituição com

etanolamina, é mais favorável termodinamicamente a formação do produto ciclizado

do que ocorrer a segunda substituição com etanolamina.

5.4.6 - Reações com dietanolamina

Analisando as substituições com dietanolamina, a Figura 25 mostra que a

primeira substituição (Reação 2) ocorre com uma variação na energia livre no valor de

-5,2967 kcal/mol, no entanto após a segunda substituição (Reação 2b) a queda na ∆G

da reação é de apenas -3,3445 kcal/mol. Esta diminuição da espontaneidade da reação

72

pode ser atribuída diminuição da estabilidade do produto, em virtude da repulsão

estérica entre as cadeias alquílicas da dietanolamina. Como pode ser visto na estrutura

otimizada do composto 5 (Figura 20). A possibilidade de ocorrer uma reação de

substituição intramolecular (Reação 2a) com dietanolamina também foi investigada.

Analisando a Figura 25, pode ser constatado que a formação do composto 6 é bastante

favorecida em relação ao composto 5. Pois a reação de formação do composto 6 além

de ser mais exergônica apresentou também menor ∆G de ativação.

A partir destes resultados, pode ser evidenciado que nas reações de SNAr entre

DCQX e aminoálcoois, os produtos ciclizados são bastante favorecidos

termodinamicamente. Em geral, substituições nucleofílicas intramoleculares são

favorecidas em duas condições: quando se formam anéis de cinco ou seis membros ou

quando há baixa concentração dos reagentes1.

5.5 - CONCLUSÕES

Através deste estudo foi observado que nas reações de substituição nucleofílica

aromática com DCQX, tanto para etanolamina quanto dietanolamina, após a primeira

substituição é mais favorável a formação de um produto ciclizado ao invés de ocorrer

uma segunda substituição pela respectivo aminoálcool. A partir da metodologia

empregada, não foram encontrados intermediários (complexos de Meisenheimer) nas

reações de substituição nucleófilica aromática entre DCQX, etananolamina e

dietanolamina. Os estados de transição obtidos, sugerem que estas reações ocorrem

via mecanismo concertado. Foi observada uma pequena torção do anel quinoxalínico

durante o ataque nucleófilico, que favorece a interação com o nucleófilo e ao mesmo

tempo resulta no alongamento da ligação com o grupo de saída. As hidroxilas dos

aminoálcoois além de orientar o ataque nucleófílico auxiliam a expulsão do grupo de

saída no estado de transição.

73

6 - ESTUDO DOS COMPLEXOS METÁLICOS DO AAQX COM ÍONS COBRE (II)

6.1 – INTRODUÇÃO

O desenvolvimento de estratégias moleculares e supramoleculares para o

reconhecimento e detecção de espécies catiônicas representa um campo de

importância crescente nos últimos anos162. Neste contexto, o estudo de

quimiosensores cromogênicos para estes analitos desperta o interesse para pesquisas

devido ao fato de que os processos de análise são simples e apresentam baixo custo,

sendo também possível a detecção a olho nu163-165.

O íon cobre (II) é um dos principais analitos de interesse para detecção, uma

vez que o referido metal é altamente abundante na natureza e essencial para muitos

processos biológicos, e, por outro lado, os níveis anormais podem levar a várias

patologias166-168.

Uma ampla gama de derivados de quinoxalina foi reportado na literatura,

devido as suas relevantes atividades biológicas e aplicações em áreas tecnológicas.

Além disso, são encontradas quinoxalinas como ligantes nitrogenados de interesse

para a química de coordenação169, 170. Tradicionalmente, a síntese de quinoxalinas 2,3-

dissubstituídas ocorre através de condensação de o-diaminas aromáticas e α-

dicetonas171. Com base nesta estratégia sintética, existem várias investigações

relatadas na literatura no que diz respeito a reações do ácido dehidro-L-ascórbico e o-

fenilenodiamina, e um aspecto interessante nestes processos está relacionado com a

possibilidade de formação de produtos diferentes, dependendo principalmente da

proporção do reagente e das condições experimentais172-176. Por exemplo, um

procedimento envolvendo a mistura de quantidade equimolecular de ácido dehidro-L-

ascórbico e 1,4-benzoquinona, seguida da adição de dois equivalentes o-

fenilenodiamina, produz o N-(2-aminofenil)-3-[(1S,2S)-1,2,3-trihidroxi-

propil]quinoxalina-2-carboxamida172,173, como apresentado na Figura 26. Neste

trabalho, esta quinoxalina derivada do ácido ascórbico será chamada de AAQX.

74

Figura 26. Síntese do AAQX

Embora o AAQX seja conhecido desde 1964174, este composto é muito pouco

reportado na literatura. Analisando a estrutura molecular do AAQX (Figura 26) pode

ser observada a presença de sítios básicos de Lewis na anilina primária, amida,

quinoxalina e grupos hidroxila, sugerindo um design atraente para ser aplicado em

química de coordenação. Nesse contexto, este trabalho reporta o uso do AAQX como

um quimiossensor cromogênico para cátions. Foi observado que o AAQX em metanol é

muito seletivo a olho nu na detecção quantitativa de Cu2+ entre vários cátions

investigados.

O AAQX foi adicionado a soluções contendo várias espécies catiónicas (Cu2+ ,

Sr2+, Fe2+, Pb2+, Mn2+, Mg2+, Ni2+, Zn2+, Sn2+, Hg2+, Ca2+, Ba2+, Co2+, de Cr3+, Al3+ e Fe3+)

em metanol. Apenas a solução contendo Cu2+ mudou a sua cor imediatamente após a

adição da quinoxalina (Figura 27a) e este comportamento é consistente com os

resultados obtidos pela análise de UV-vis (Figura 27b). Todos os dados da Figura 27

foram adquiridos cinco minutos após a mistura dos reagentes. Uma nova banda surge

na região do visível, com o máximo de absorbância em 416 nm, o que sugere a

formação de um complexo de coordenação entre AAQX e Cu2+ (Figura 27b) .

Foi constatado que não há estudos sobre o potencial do AAQX atuar como

quimiossensor para cátions. Muitos complexos metálicos com derivados quinoxalinicos

já foram previamente estudados, mas nenhum estudo teórico foi desenvolvido com

intuito de investigar o complexo formado entre AAQX e o íon Cu (II).

75

Figura 27. Soluções do AAQX (1.0×10-4

mol L-1

) na presença de Cu2+ , Sr2+, Fe2+, Pb2+,

Mn2+, Mg2+, Ni2+, Zn2+, Sn2+, Hg2+, Ca2+, Ba2+, Co2+, de Cr3+, Al3+ e Fe3+ (5.0×10-4

mol L-1

)

em metanol (a), Espectro UV-vis resultante destas soluções (b).

Diante dos resultados experimentais obtidos pelo nosso grupo, o presente

estudo tem como objetivo obter informações a nível teórico, do complexo formado

entre o AAQX e íon Cu(II). Através da química computacional podem ser examinados

possíveis sítios de ligação, avaliar estruturas de menor energia do ligante de dos

complexos e calcular ∆G de formação destes compostos21. Estas informações irão

ajudar na interpretação dos resultados experimentais e compreender como ocorre a

interação entre o AAQX e o íon Cu (II).

6.2 - OBJETIVOS

Avaliar os valores de ∆G de formação dos complexos propostos;

Investigar propriedades estruturais e eletrônicas destes complexos.

76

6.3 - METODOLOGIA COMPUTACIONAL

O estudo computacional foi realizado em metanol e as propriedades estruturais

e eletrônicas de todos os compostos foram investigadas pelo método semi-empírico

PM6101. Foram realizados cálculos de otimização da geometria e frequências

vibracionais para todas as espécies investigadas. Para considerar o efeito provocado

pelo solvente, metanol, o modelo de solvatação implícita CPCM foi empregado em

todos os cálculos. As estruturas otimizadas de todas as moléculas estudadas foram

caracterizadas como mínimos na superfície de energia potencial, uma vez que a análise

das frequencias vibracionais não revelou frequencias imaginárias.

Devido o tamanho das moléculas estudadas e a elevada quantidade de

configurações metal-ligante que podem ser investigadas, o método semi-empírico se

mostrou o mais adequado, pois apresenta o menor custo computacional em relação

aos métodos ab initio. A escolha do método semi-empírico PM6 para realização dos

cálculos é baseada em trabalhos que apresentaram bons resultados para sistemas

envolvendo complexos metálicos177, 178.

Neste trabalho, o método PM6 foi empregado para otimizar a estrutura das

moléculas e o DFT utilizado para obter a energia eletrônica. Esta abordagem semi-

empírico com DFT permite o estudo de sistemas que seriam pouco viáveis de calcular

utilizando apenas métodos ab initio. Como a contribuição da energia eletrônica

compreende a maior parte da energia de uma espécie química21, os cálculos da energia

eletrônica foram realizados utilizando um método mais robusto o M06L e a

contribuição da entalpia e entropia foram obtidos pelos cálculos com PM6. O funcional

M06L tem se mostrado um método eficiente para o estudo de complexos de

metálicos179.

Os cálculos de energia eletrônica foram efetuados com o funcional M06L,

empregando o conjunto de base 6-31+G(d,p) para descrever os átomos de C, N, O e H

e LAN2DZ para o átomo de Cobre. O conjunto de base LANL2DZ180 é utilizado para

representar átomos que possuem grande quantidade de elétrons. Os cálculos de

energia eletrônica foram realizados utilizando como estrutura inicial a estrutura

previamente otimizada com o método PM6. Então, o cálculo de energia livre cada

espécie química estudada nesta etapa do trabalho foi realizado da seguinte forma:

77

G = (EeletrônicaM06L + HPM6) -TSPM6

Sendo T= 298 K, HPM6 a correção entalpica calculada com PM6 e S entropia calculada

com PM6.

Esta combinação de método semi empírico e DFT, já foi relatada por

Chruscinska et al177 no estudo de complexos com cobre. Bertoli e colaboradores178

realizaram investigação de alguns complexos de cobre utilizando os métodos B3LYP e

PM6. Neste estudo foi observado que os dados estruturais e termodinâmicos obtidos

para complexos de cobre pela DFT não foram melhores que os estudados com PM6.

6.4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO

Inicialmente, foram realizados os cálculos de otimização da geometria com

PM6 para todas as espécies participantes da formação dos complexos: o ligante,

CuCl2.2H2O e a molécula de água. Posteriormente, foram realizados os cálculos de

otimização da geometria dos complexos.

A fim de determinar a estrutura de menor energia do ligante, foi realizada uma

análise conformacional para determinar o confômero mais estável. Um total de 37

conformações foram avaliadas, variando ângulo diedro entre os átomos N-C-C-O,

(indicado na Figura 28 A) de 0° para 360° com um intervalo de 10° entre cada

confômero (coordenada de Scan, Figura 28 B). Após estes cálculos foi obtida a

estrutura de menor energia do ligante (Figura 28 B). Vale salientar que podem existir

outras estruturas de menor energia que não foram consideradas pelos nossos cálculos.

No entanto, esta foi a estrutura de menor energia encontrada durante a nossa

investigação. Não é tarefa fácil realizar uma investigação conformacional para esta

molécula, devido a grande quantidade de grupos que podem ser rotacionados para

cada confômero. A quantidade de confômeros possíveis para o AAQX torna o custo

computacional dessa análise elevado até mesmo para um método semi-empírico.

78

Figura 28. (A) Ângulo diedro que foi rotacionado durante o estudo dos confômeros do

ligante; (B) Estrutura de menor energia do ligante obtida a partir de SCAN.

O estudo dos complexos metálicos com AAQX não é simples devido a

quantidade de configurações Metal-Ligante que podem ser investigadas e pela

quantidade de sítios de ligação que podem ser avaliados.

Foram estudados um total de 31 complexos, com números de coordenação

variando de 4 a 6. A partir destes números de coordenação, foram propostos

complexos com estrutura tetraédricas, quadrado planares, octaédricas e bipirâmide

trigonal. Foram investigados complexos com estequiometria metal-ligante 1:1 e 2:1.

Selecionamos três sítios de ligação (indicados na Figura 29) do AAQX para

estudar a interação com íons Cu2+. Para cada um destes sítios, foram propostos

complexos com diferentes estruturas.

Figura 29. Sítios de ligação investigados no AAQX.

79

Para os complexos com estrutura octaédrica e bipirâmide trigonal, moléculas

de água foram adicionadas em torno do íon metálico para completar o número de

coordenação necessário para cada uma das referidas estruturas. Sendo assim, nos

complexos octaédricos foram adicionadas duas moléculas de água ao redor do átomo

de cobre e nos complexos com estrutura bipirâmide trigonal foi adicionada apenas

uma molécula de água. Para complexos com estruturas octaédricas e bipiramide

trigonal, vários estereoisômeros podem ser considerados devido as posições axial e

equatorial que as moléculas de água podem ser adicionadas em torno do átomo de

cobre. Sendo assim, para obter os complexos de menor energia, foram investigados

alguns possíveis estereoisômeros para estes complexos. Avaliamos também o efeito

da substituição dos cloretos por moléculas de água nos complexos. Todos os

complexos propostos estão exibidos nas Figura 30 e 31.

Após os cálculos de otimização da geometria, apenas 22 complexos ficaram

com estruturas próximas do ideal. Os demais complexos apresentaram estruturas

bastante distorcidas da inicialmente proposta e, em alguns casos o cálculo não

convergiu. Dessa forma, serão analisados apenas os complexos que apresentaram as

melhores estruturas após a otimização.

6.4.1 - Complexos com estequiometria metal-ligante 1:1

Na Figura 32 são apresentadas as estruturas otimizadas dos complexos

estudados com estequiometria metal-ligante 1:1. Observando as estruturas otimizadas

dos complexos metálicos com quatro ligantes (Qp1, Td1, Td3,Td4, Td5 e Qp6), pode

ser evidenciado que as estruturas ficaram um pouco distorcidas da inicial e que alguns

complexos com estrutura inicial quadrado planar (Qp1 e Qp6) apresentaram tendência

a assumir estrutura tetraédrica.

80

Figura 30. Complexos AAQX-Cu(II) propostos com estequiometria metal-ligante 1:1.

Sendo: Qp=quadrado planar; Td=tetraédrico; Bp=bipiramidal e Oh=octaédrico

81

Figura 31. Complexos AAQX-Cu(II) propostos com estequiometria metal-ligante 2:1.

Sendo: Qp=quadrado planar; Td=tetraédrico; Bp=bipiramidal e Oh=octaédrico.

82

Figura 32. Melhores estruturas obtidas para os complexos com estequiometria metal-

ligante 1:1 e valores e valores de ∆G de formação (em kcal/mol) para cada complexo.

Legenda das cores dos átomos: oxigênio:vermelho, carbono:cinza, hidrogênio:branco,

nitrogênio: azul, cloro:verde e cobre:laranja

Na Figura 32, são apresentados os valores de ∆G de formação calculados para

cada complexo com estequiometria metal ligante 1:1. A partir dos dados de ∆G pode

ser constatado que, os complexos com geometria tetraédrica foram os que mostraram

∆G de formação mais favoráveis. O complexo Td5 foi o que apresentou ∆G de

formação mais favorável. Vale salientar que sua estrutura inicial era quadrado planar,

mas após a otimização, se tornou tetraédrica distorcida.

83

Os dados de ∆G também sugerem que a substituição do ligante cloreto por

água não é favorável. Devido os complexos com ligante água (Td4 e Qp6)

apresentaram valores mais positivos de ∆G de formação.

Após os cálculos de otimização da estrutura dos complexos com geometria

octaédrica, apenas o complexo Oh1 apresentou geometria próxima do ideal. No

entanto, este complexo apresentou ∆G de formação bastante desfavorável. As demais

estruturas que foram calculadas ficaram bastante distorcidas e, em alguns casos o

cálculo não convergiu. Estes resultados sugerem que, por limitações estéricas, não é

favorável a formação de complexos com geometria octaédrica nos sítios de ligação

investigados. Nos complexos com geometria bipirâmide trigonal, os resultados indicam

que a interação com o oxigênio da carbonila e o nitrogênio do anel quinoxalínico forma

complexos (Bp3 e Bp4) com valores de ∆G bastante desfavoráveis. Os complexos

menos desfavoráveis foram Bp1 e Bp2, em virtude da formação de anéis de seis

membros com o átomo metálico, o nitrogênio da quinoxalina e o oxigênio da hidroxila

do ligante. Estes resultados sugerem que a formação de um anel com menor tensão

torna o complexo menos instável.

6.4.2 - Complexos com estequiometria metal-ligante 2:1

Durante a escrita deste trabalho, foram obtidos resultados experimentais que

indicaram que o complexo Cu(II)-AAQX possui estequiometria 2:1 e não 1:1 como

havia sido proposto inicialmente. Então, foram propostas 11 estruturas para investigar

os complexos apresentam ∆G de formação mais favorável. Apesar das evidências

experimentais não suportarem o estudo teórico dos complexos 1:1, os resultados

obtidos sugerem quais são as melhores possibilidades a serem investigadas para

complexos com estequiometria 2:1. Dessa forma, para complexos 2:1 não serão

estudas estruturas em que os átomos de cloro foram substituídos por moléculas e

água, pois foi constatado anteriormente que esta substituição é termodinamicamente

desfavorável. Uma vez que um número de coordenação maior que quatro não

favorece a formação de complexos estáveis nos sítios de ligação investigados. Uma

maior atenção será dada aos complexos tetracoordenados. Todos os complexos 2:1

foram construídos com o sítio de ligação 1 ocupado pelo íon metálico, pois os

84

espectros de infravermelho sugerem a participação da carbonila e do nitrogênio

quinoxalínico na interação com o íon Cu(II). Na Figura 33 são apresentadas as melhores

estruturas obtidas para estes complexos.

Nos complexos tetracoordenados (Qp8, Td8, Qp7, Td7 e Td9) foi observado

que no sítio de interação que envolve o átomo de nitrogênio da quinoxalina e oxigênio

da hidroxila, os complexos tendem a assumir geometria tetraédrica distorcida. Isto

também foi observado nos complexos cuja geometria inicial foi quadrado planar (Qp8

e Qp7).

A partir dos dados contidos na Figura 32, pode ser observado que, complexos

com ∆G favorável são formados quando o metal interage com o átomo de nitrogênio

da quinoxalina e oxigênio da hidroxila (sítio de ligação 3) formando um anel de seis

membros (Qp7 e Td7). Analisando os valores de ∆G dos complexos Qp8 e Td8 pode ser

evidenciado que, no sítio de ligação 2, a formação de complexos com anéis de 5

membros não é favorecida. O que pode ser explicado pelo gasto energético necessário

para torcionar a molécula do ligante para formar este complexo e também pela maior

tensão em um anel formado por poucos átomos.

Os cálculos com estequiometria 2:1, sugerem que no sítio de ligação 1, é mais

favorável a formação de complexos com estrutura tetraédrica. O que pode ser

atribuído a menor repulsão estérica do CuCl2 com a estrutura do ligante e também

pelo fato de não necessitar de torção na molécula do ligante para haver a

coordenação com o metal.

A fim de investigar complexos octaédricos, foram adicionadas duas moléculas

de água em torno do íon metálico, formando complexos hexacoordenados (Oh5 -

Oh9). Analisando os valores de ∆G da Figura 33, pode ser observado que não é

favorável a formação de complexos com estrutura octaédrica nos sítios de ligação

investigados. As reações de formação desses complexos foram as mais desfavoráveis

entre todas que foram estudadas.

85

Figura 33. Melhores estruturas obtidas para os complexos com estequiometria metal-

ligante 2:1 e valores de ∆G de formação (em kcal/mol) para cada complexo. Legenda

das cores dos átomos: oxigênio:vermelho, carbono:cinza, hidrogênio:branco,

nitrogênio: azul, cloro:verde e cobre:laranja

O motivo destes resultados fica mais claro observando a Figura 33, onde pode

ser evidenciado o impedimento estérico que há nos sítios de ligação propostos para

estes complexos. Estes dados de ∆G sugerem que complexos com número de

coordenação maior que quatro, são bastante desfavoráveis.

No complexo Td9 foi estudada a possibilidade de complexação por meio de

duas hidroxilas do ligante, formando um anel de 5 membros. Mas a formação deste

complexo se mostrou muito desfavorável (∆G= 8,1910 kcal/mol).

86

Um resultado interessante foi obtido para o complexo Td10, onde foi

investigada a possibilidade de haver complexação do átomo de cobre com as três

hidroxilas do ligante. Sendo este o complexo que apresentou ∆G de formação mais

favorável. A sua estabilidade pode ser atribuida ao efeito macrocíclico, proveniente da

natureza preorganizada das hidroxilas do ligante. Dessa forma, não é desperdiçada

energia para promover alterações na conformação do ligante de modo a realizar a

coordenação com o átomo de cobre68.

Na tentativa de compreender a natureza da interação entre o derivado

quinoxalínico e o íon Cu2+ os espectros de infravermelhos do ligante e o seu complexo

foram comparados (Figura 34). Os dados sugerem a coordenação através do oxigênio

da carbonila, uma vez que a banda atribuída ao estiramento da ligação C=O mudou de

1650 cm-1 no ligante para 1627 cm-1 no complexo de coordenação. Além disso, uma

alteração na posição da banda referente a ligação C=N, de 1532 cm-1 a 1485 cm-1,

sugere a participação do nitrogênio quinoxalínico na coordenação com o íon metálico.

Figura 34. Espectro infravermelho (1750 a 500 cm-1) do ligante (linha vermelha) e seu

Complexo de coordenação (linha preta).

6.5 - CONCLUSÕES

A partir das evidências experimentais foi observado que os complexos Cu(II)-

AAQX possuem estequiometria 2:1 e os resultados teóricos estão em concordância

com os experimentais. Apesar dos complexos não apresentarem estequiometria 1:1,

os resultados obtidos a partir destes cálculos forneceram informações sobre as

87

melhores possibilidades a serem investigadas para os complexos 2:1. O resultado mais

promissor como proposta de estrutura para o complexo binuclear foi obtido com um

átomo de cobre se coordenando ao nitrogênio da quinoxalina e oxigênio da carbonila e

o segundo átomo de cobre interagindo com as três hidroxilas da cadeia do ligante.

Vale salientar que, para um ligante de cadeia relativamente grande como esse, a

quantidade de conformações possíveis a serem investigadas para cada complexo

binuclear é muito elevada. Pequenas rotações na cadeia do ligante podem provocar

alterações significativas na energia final do complexo, o que dificultou ainda mais

encontrar um complexos com ∆G favorável. Acreditamos que o efeito do solvente

também desempenhe um papel importante na obtenção de estruturas de complexos

mais estáveis. A possibilidade do metanol interagir de forma explícita com o complexo

binuclear de modo a diminuir sua energia não foi descartada, porém investigar

estruturas com o solvente atuando de forma explícita elevou o custo computacional de

modo a não poder ser realizado com o hardware disponível. No entanto, mesmo

empregando o modelo de solvatação implícita algumas estruturas com ∆G favorável

foram obtidas. A partir da metodologia proposta, foi observado que a formação de

complexos com estrutura octaédricas e bipiramidal são bastante desfavoráveis, sendo

as estruturas tetraédricas mais favoráveis. Foi observado que a substituição de átomos

de cloro por moléculas de água nos complexos não é favorável. Um número de

coordenação maior que quatro não favorece a formação de complexos estáveis nos

sítios de ligação que foram investigados.

88

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