Universidade de So Paulo
Faculdade de Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto
Departamento de Qumica
Programa de Ps-Graduao em Qumica
As ligaes de hidrognio e o efeito do substituinte -
Influncia
na ressonncia e aromaticidade de ctions e cidos orgnicos
Renato Luis Tme Parreira
Tese apresentada Faculdade de
Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto da
USP, como parte das exigncias para a obteno do
ttulo de Doutor em Cincias, rea: Qumica
RIBEIRO PRETO -SP
2006
Livros Grtis
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UNIVERSIDADE DE SO PAULO
FFCLRP - DEPARTAMENTO DE QUMICA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM QUMICA
As ligaes de hidrognio e o efeito do substituinte -
Influncia
na ressonncia e aromaticidade de ctions e cidos orgnicos
Renato Luis Tme Parreira
Tese apresentada Faculdade de
Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto da
USP, como parte das exigncias para a obteno do
ttulo de Doutor em Cincias, rea: Qumica
RIBEIRO PRETO -SP
2006
UNIVERSIDADE DE SO PAULO
FACULDADE DE FILOSOFIA, CINCIAS E LETRAS DE RIBEIR O PRETO
DEPARTAMENTO DE QUMICA
As ligaes de hidrognio e o efeito do substituinte -
Influncia
na ressonncia e aromaticidade de ctions e cidos orgnicos
Renato Luis Tme Parreira
Tese de Doutorado
Prof. Dr. Srgio Emanuel Galembeck
Orientador
Patrocnio: FAPESP
RIBEIRO PRETO-SP
-2006-
FICHA CATALOGRFICA
Parreira, Renato Luis Tme As ligaes de hidrognio e o efeito do
substituinte -
Influncia na ressonncia e aromaticidade de ctions e cidos
orgnicos. Ribeiro Preto, 2006. 241 p. : il. ; 30cm
Tese de Doutorado, apresentada Faculdade de Filosofia, Cincias e
Letras de Ribeiro Preto/USP rea de concentrao: Qumica Orientador:
Galembeck, Srgio Emanuel.
1. Qumica Terica. 2. Ligaes de hidrognio. 3. Ressonncia. 4.
Aromaticidade.
A cincia no pode resolver o mistrio definitivo
da natureza, porque em ltima anlise, ns
mesmos somos parte do mistrio que estamos
tentando resolver.
(Max Planck)
Existe uma coisa que uma longa existncia me
ensinou: toda a nossa cincia, comparada
realidade, primitiva e inocente e, portanto, o
que temos de mais valioso.
(Albert Einstein)
No devemos exigir que a cincia nos revele a
verdade. Num sentido corrente, a palavra
verdade uma concepo muito vasta e
indefinida. Devemos compreender que s
podemos visar a descoberta de realidades
relativas. Alm disso, no pensamento cientfico
existe sempre um elemento potico.
(Albert Einstein)
Sempre me pareceu estranho que todos aqueles
que estudam seriamente esta cincia acabam
tomados de uma espcie de paixo pela mesma.
Em verdade, o que proporciona o mximo de
prazer no o conhecimento e sim a
aprendizagem, no a posse, mas a aquisio,
no a presena, mas o ato de atingir a meta.
(Carl Friedrich Gauss)
Resultados? Mas claro que eu j consegui um
monte de resultados! Hoje, sei de mil coisas que
no funcionam."
(Thomas A. Edison)
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Srgio Emanuel Galembeck, por transmitir seus
conhecimentos e
experincias profissionais, por acreditar sempre e valorizar meus
esforos e por me
guiar pelos fascinantes caminhos da cincia.
Ao Prof. Dr. Antonio Carlos Borin, pela dedicao e interesse no
papel de co-
orientador.
A Deus, por tudo em minha vida.
Aos meus pais, pelo amor incomensurvel que excede os limites do
sacrifcio e
me faz prosseguir sempre adiante. s minhas irms (Renata, Fabiana
e Andra), meus
avs (Jos Parreira, Sabina, Jos Elias e Nair), minha tia Cida e
aos meus doces
sobrinhos Pedro e Jlia pelo zelo e fora.
Alessandra pelo amor, compreenso, carinho e conforto
incessantes.
Aos meus amigos e companheiros de laboratrio: Giovanni, Renato
Freitas
(Mineiro), Valria, Ali, Paulo, Slvio, Odonrio, Hamilton,
Josiana, Augusto Sabbatini,
Ana Glria, Enrico, Laiani, Davi, Vessecchi, Fbio Vinhado, Fbio
Doro, Rubens,
Ricardo (Boneco), Anderson (P), Luciano (Cabea), Marcos (Xaveco)
e tantos outros
que fazem parte de minha vida, pelo apoio e pelos inesquecveis
momentos de alegria.
Faculdade de Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto que
promoveu
meu desenvolvimento acadmico.
FAPESP, pelo apoio financeiro e competncia.
Ao LCCA, pelos recursos computacionais.
i
RESUMO
A natureza das ligaes de hidrognio e a influncia destas interaes
na
estrutura eletrnica de complexos neutros, catinicos, aninicos e
radicalares foi
estudada utilizando-se anlises geomtricas, energticas,
eletrnicas e topolgicas.
Inicialmente, verificaram-se alteraes na aromaticidade do ction
pirlio aps a
complexao com uma a trs molculas de gua. Tais complexos foram
ainda estudados
em meio reacional com constante dieltrica igual a da gua com o
emprego do modelo
PCM (Polarizable Continuum Model). Adicionalmente, os efeitos da
hidroxilao na
estrutura eletrnica dos ctions benzopirlio e flavlio foram
considerados.
Posteriormente, analisaram-se os efeitos das fortes ligaes de
hidrognio na
ressonncia do grupo carboxila em complexos formados entre o
radical hidroperoxil e
os cidos frmico, actico e trifluoroactico. Como extenso desse
trabalho, estudos
envolvendo complexos obtidos com e sem restries na otimizao de
geometria
possibilitaram obter informaes a respeito da ressonncia dos
grupos carboxila e
carboxilato quando o fluoreto de hidrognio interage linear ou
perpendicularmente com
todos os tomos do cido frmico e do nion formiato.
O desenvolvimento das atividades supracitadas compreendeu a
anlise da funo
de onda pelos mtodos NBO (Natural Bond Orbital), NSA (Natural
Steric Analysis),
NRT (Natural Resonance Theory) e AIM (Atoms in Molecules). As
alteraes em
parmetros geomtricos e nas cargas atmicas foram consideradas.
Uma anlise
energtica foi realizada com o emprego do mtodo de decomposio de
energia
proposto por Xantheas. As freqncias vibracionais e a intensidade
das bandas do
estiramento do grupo X-H, doador da ligao de hidrognio, foram
analisadas. As
densidades de spin para os complexos radicalares tambm foram
obtidas. A influncia
das ligaes de hidrognio e o efeito do substituinte na
aromaticidade dos ctions foram
verificados com o emprego dos mtodos e ndices NICS (Nucleus
Independent
Chemical Shifts), HOMA (Harmonic Oscillator Model of
Aromaticity), HOSE
(Harmonic Oscillator Stabilization Energy) e PDI
(para-Delocalization Index). Os
clculos foram efetuados com os modelos B3LYP/6-31+G(d,p),
B3LYP/6-
311++G(3df,3pd) e UB3LYP/6-311++G(3df,3pd). Ocasionalmente,
outras funes de
base (EPR-III e cc-pVDZ), assim como o mtodo MP2, foram
utilizados para testar a
confiabilidade dos resultados obtidos.
ii
As interaes intermoleculares pouco alteraram a estrutura
eletrnica e a
aromaticidade do ction pirlio. Analogamente, a substituio de um
tomo de
hidrognio por um grupo hidroxila em diversas posies dos ctions
benzopirlio e
flavlio tambm no provocou modificaes muito significativas na
estrutura eletrnica
desses ctions, embora tenha se verificado uma dependncia da
aromaticidade com a
posio da hidroxila. Por outro lado, a distoro geomtrica
associada s ligaes de
hidrognio foram responsveis pelo incremento ou diminuio da
ressonncia do grupo
carboxila nos cidos frmico, actico, trifluoroactico e do grupo
carboxilato no nion
formiato. Os efeitos dos grupos doador e sacador de eltrons na
estabilizao dos
complexos radicalares foram evidenciados. Adicionalmente,
pode-se atribuir um carter
covalente parcial em algumas ligaes de hidrognio.
iii
ABSTRACT
The nature of hydrogen bonds and their influence on electronic
structure of
neutral, cationic, anionic, and radical complexes was studied by
using geometric,
energetic, electronic, and topological analysis.
The changes in aromaticity of the pyrylium cation upon
complexation with one
up to three water molecules were investigated. The PCM
(Polarizable Continuum
Model) model was employed to study the pyrylium-water complexes
in a water reaction
medium. In addition, the effects of hydroxylation on electronic
structure of the
benzopyrylium and flavilium cations were also considered.
In addition, the effects of strong hydrogen bonds on carboxyl
group resonance in
the complexes formed between the hydroperoxyl radical and
formic, acetic, and
trifluoroacetic acids were analyzed. In extension of this work,
studies including
complexes, obtained with and without geometric restrictions,
provided information
about the resonance of the carboxyl and carboxylate groups when
the hydrogen fluoride
interacts, linear or perpendicularly, with all atoms of formic
acid and formate anion.
The analysis of the wavefunction by using NBO (Natural Bond
Orbital), NSA
(Natural Steric Analysis), NRT (Natural Resonance Theory), and
AIM (Atoms in
Molecules) methods was necessary to the development of the above
mentioned
activities. The changes in geometric parameters and atomic
charges were also
considered. An energetic analysis of complexes was done with the
energy
decomposition method proposed by Xantheas. The vibrational
frequencies and the
intensity of the X-H (hydrogen bond donor group) stretching
bands were studied. The
spin densities for the radical complexes were also obtained. The
Nucleus Independent
Chemical Shifts (NICS), Harmonic Oscillator Model of Aromaticity
(HOMA), HOSE
(Harmonic Oscillator Stabilization Energy), and PDI
(para-Delocalization Index)
aromaticity criteria were employed to verify the hydrogen bond
influence and the effect
of hydroxylation in the aromaticity of the cations. The
calculations were carried out by
using B3LYP/6-31+G(d,p), B3LYP/6-311++G(3df,3pd), and
UB3LYP/6-
311++G(3df,3pd) models. Occasionally, other basis set (EPR-III
and cc-pVDZ), as well
as the MP2 method, were applied to test the accuracy of the
results.
The intermolecular interactions lead to small alterations in the
electronic
structure and aromaticity of pyrylium cation. Similarly, the
substitution at different
positions of the benzopyrylium and flavilium cations by a
hydroxyl group does not
iv
cause significant changes in the electronic structure of these
cations. However, a
dependence of the hydroxyl group position on aromaticity was
observed. On the other
hand, for formic, acetic, trifluoroacetic acids, as well as for
the formate anion, the
resonance of the carboxyl and carboxylate groups is affected not
only by the geometric
distortions but also by the hydrogen bonds. The effects of the
electron-donating and
electron-withdrawing groups in the stabilization of radical
complexes were
characterized. Furthermore, a partial covalent character can be
attributed to some
hydrogen bonds.
v
NDICE
1.
Introduo......................................................................................................................1
1.1. Um breve histrico sobre as ligaes de hidrognio e sua
natureza.......................1
1.2. Apresentao da tese e
objetivos............................................................................7
2. Mtodos
Computacionais..............................................................................................8
3. Resultados e
Discusso................................................................................................11
3.1. Captulo 1: Influncia das ligaes de hidrognio e efeitos de
substituinte na
aromaticidade dos ctions pirlio, benzopirlio e
flavlio............................................11
3.1.1. Algumas consideraes sobre os ctions pirlio, benzopirlio e
flavlio:
sistemas constituintes das antocianinas e
antocianidinas.....................................11
3.1.2. Estudo computacional dos complexos ction pirlio-gua:
ligaes de
hidrognio, efeitos de ressonncia e
aromaticidade.............................................18
A.
Geometrias.............................................................................................19
B. Freqncias vibracionais
.......................................................................21
C. Cargas
atmicas.....................................................................................23
D. Anlise
energtica..................................................................................27
E. NBO (Natural Bond
Orbital)..................................................................29
F. NSA (Natural Steric
Analysis)...............................................................33
G. NRT (Natural Resonance
Theory).........................................................38
H. Harmonic Oscillator Stabilization Energy
(HOSE)...............................39
I. Harmonic Oscillator Model of Aromaticity
(HOMA)............................40
J. Nucleus-Independent Chemical Shifts
(NICS).......................................42
K. Deslocamentos qumicos
RMN..........................................................43
L. Anlise AIM (Atoms in
Molecules).......................................................44
M. Solvatao do pirlio com o modelo
discreto/SCRF.............................55
N. Espectros
eletrnicos.............................................................................58
O.
Concluses.............................................................................................66
3.1.3. Estudo computacional da hidroxilao dos ctions benzopirlio
e
flavlio...................................................................................................................68
3.1.4. Hidroxilao do ction
benzopirlio...........................................................68
A.
Geometrias.............................................................................................68
B. Cargas
atmicas.....................................................................................71
C. Anlise
energtica..................................................................................74
vi
D. Harmonic Oscillator Stabilization Energy
(HOSE)...............................74
E. Harmonic Oscillator Model of Aromaticity
(HOMA)...........................76
F. Nucleus-Independent Chemical Shifts
(NICS)......................................77
G. Anlise AIM (Atoms in
Molecules)......................................................78
H. Espectros
eletrnicos.............................................................................86
3.1.5. Hidroxilao do ction
flavlio...................................................................97
A.
Geometrias.............................................................................................97
B. Cargas
atmicas...................................................................................100
C. Anlise
energtica................................................................................103
D. Harmonic Oscillator Stabilization Energy
(HOSE).............................103
E. Harmonic Oscillator Model of Aromaticity
(HOMA).........................106
F. Nucleus-Independent Chemical Shifts
(NICS)....................................108
G. Anlise AIM (Atoms in
Molecules)....................................................109
H. Espectros
eletrnicos...........................................................................127
I.
Concluses............................................................................................139
3.2. Captulo 2: Caracterizao e Influncia das Ligaes de Hidrognio
na
Ressonncia de cidos Orgnicos e do nion
Formiato..........................................142
3.2.1. Consideraes sobre as ligaes de hidrognio envolvendo
alguns
compostos carbonlicos, radicais e fluoreto de
hidrognio.................................142
3.2.2. Caracterizao das ligaes de hidrognio nas interaes entre o
radical
hidroperoxil e cidos
orgnicos..........................................................................145
A.
Geometrias...........................................................................................146
B. Freqncias vibracionais
.....................................................................148
C. Cargas
atmicas...................................................................................149
D. Anlise
energtica................................................................................150
E. NBO (Natural Bond
Orbital)................................................................151
F. NSA (Natural Steric
Analysis).............................................................153
G. Densidade de
spin................................................................................155
H. NRT (Natural Resonance
Theory).......................................................156
I. Anlise AIM (Atoms in
Molecules)......................................................159
J. Ligao de hidrognio versus distoro
geomtrica.............................164
K.
Concluses...........................................................................................166
3.2.3. Complexao do cido frmico e do nion formiato com fluoreto
de
hidrognio: efeitos na ressonncia dos grupos carboxila e
carboxilato..............166
vii
A.
Geometrias...........................................................................................167
B. Freqncias vibracionais
.....................................................................172
C. Cargas
atmicas...................................................................................174
D. Anlise
energtica................................................................................177
E. NBO (Natural Bond
Orbital)................................................................179
F. NSA (Natural Steric
Analysis).............................................................185
G. NRT (Natural Resonance
Theory).......................................................188
H. Anlise AIM (Atoms in
Molecules)....................................................191
I. Ligao de hidrognio versus distoro
geomtrica.............................203
J.
Concluses............................................................................................207
4. Consideraes
finais..................................................................................................208
5. Referncias
Bibliogrficas.........................................................................................209
viii
NDICE DE FIGURAS E ESQUEMAS
Figura 1. Estruturas: (a) ction 2-fenilbenzopirlio e (b)
antocianinas............................14
Esquema 1. Equilbrio prototrpico para o cloreto de
3,4-dimetxi-7-hidroxiflavlio,
onde Ka refere-se transferncia de prton, Kb hidratao do ction
flavlio, Kt
tautomerizao e Ki
isomerizao.................................................................................16
Figura 2. Geometrias de equilbrio dos monmeros e complexos
pirlio-gua (distncias
dadas em e ngulos em
graus).....................................................................................19
Figura 3. Complexo pirlio-gua sem ligao de hidrognio: a molcula
de gua est
disposta acima do anel do ction. Distncias so dadas em
........................................20
Figura 4. Orbitais naturais localizados: (a) nO(1), (b)
nO(gua)........................................29
Figura 5. Estruturas de ressonncia do ction
pirlio.......................................................39
Figura 6. Grficos moleculares: (a) complexo (XI); (b) complexo
(XII)........................47
Figura 7. Orbitais moleculares envolvidos nas principais
transies eletrnicas no ction
pirlio,
(I).........................................................................................................................59
Figura 8. Orbitais moleculares envolvidos nas principais
transies eletrnicas no
complexo
(XI)..................................................................................................................61
Figura 9. Orbitais moleculares envolvidos nas principais
transies eletrnicas no
complexo
(XII)................................................................................................................63
Figura 10. Espectro eletrnico para o ction pirlio, (I), e
complexos com uma molcula
de gua,
(II)-(IV).............................................................................................................65
Figura 11. Espectro eletrnico para o ction pirlio, (I), e
complexos com duas
molculas de gua,
(V)-(X).............................................................................................65
Figura 12. Espectro eletrnico para o ction pirlio, (I), e
complexos com trs molculas
de gua, (XI) e
(XII)........................................................................................................66
Figura 13. Geometrias de equilbrio do ction benzopirlio e
derivados hidroxilados
(distncias dadas em e ngulos em
graus)...................................................................70
Figura 14. Estruturas de ressonncia do ction
benzopirlio...........................................74
Figura 15. Grfico molecular do derivado hidroxilado no C(3),
(XIV)..........................80
Figura 16. Orbitais moleculares envolvidos nas principais
transies eletrnicas no
ction benzopirlio,
(XIII)................................................................................................87
Figura 17. Orbitais moleculares envolvidos nas principais
transies eletrnicas no
ction hidroxilado
(XIV).................................................................................................91
ix
Figura 18. Orbitais moleculares envolvidos nas principais
transies eletrnicas no
ction hidroxilado
(XVII)................................................................................................94
Figura 19. Espectro eletrnico para o ction benzopirlio, (XIII),
e derivados
hidroxilados,
(XIV)-(XVIII)............................................................................................96
Figura 20. Geometrias de equilbrio do ction flavlio e derivados
hidroxilados
(distncias dadas em e ngulos em
graus)...................................................................98
Figura 21. Estruturas de ressonncia do ction
flavlio.................................................104
Figura 22. Grficos moleculares: (a) ction flavlio, (XIX); (b)
derivado hidroxilado no
C(3),
(XX).....................................................................................................................114
Figura 23. Orbitais moleculares envolvidos nas principais
transies eletrnicas no
ction flavlio,
(XIX).....................................................................................................128
Figura 24. Orbitais moleculares envolvidos nas principais
transies eletrnicas no
ction hidroxilado
(XX).................................................................................................130
Figura 25. Orbitais moleculares envolvidos nas principais
transies eletrnicas no
ction hidroxilado
(XXII)..............................................................................................133
Figura 26. Orbitais moleculares envolvidos nas principais
transies eletrnicas no
ction hidroxilado
(XXIV)............................................................................................136
Figura 27. Espectro eletrnico para o ction flavlio, (XIX), e
derivados hidroxilados,
(XX)-(XXV)..................................................................................................................139
Figura 28. Geometrias (distncias dadas em e ngulos em graus):
(1) radical
hidroperoxil; (2) cido frmico; (3) cido actico; (4) cido
trifluoroactico; (5)
complexo cido frmico-radical hidroperoxil; (6) complexo cido
actico-radical
hidroperoxil e (7) complexo cido trifluoroactico-radical
hidroperoxil......................147
Figura 29. NBOs (a) 2nO(3); (b)
1nO(4)..........................................................................152
Figura 30. Principais estruturas de ressonncia do radical
hidroperoxil.......................155
Figura 31. Grfico molecular do complexo
(7).............................................................159
Figura 32. Geometrias de equilbrio (distncias dadas em e ngulos
em graus): (1)
cido frmico; (2) nion formiato; (3) fluoreto de hidrognio;
(4)-(8) complexos
resultantes da associao de (1) e (2) com
(3)...............................................................169
Figura 33. Complexos obtidos com restries de geometria:
(9l)-(13p) cido frmico-
fluoreto de hidrognio; (14l) e (14p) nion formiato-fluoreto de
hidrognio. Distncias
dadas em e ngulos em
graus.....................................................................................170
Figura 34. Grficos moleculares para alguns complexos: (a) (4);
(b) (5); (c) (6); (d) (7);
(e) (8); (f) (9p); (g) (11p) e (h)
(12p)............................................................................192
x
NDICE DE TABELAS
Tabela A. Padro de substituio para as antocianinas mais comuns
na
natureza............................................................................................................................14
Tabela 1. Freqncias vibracionais (em cm-1) dos estiramentos das
ligaes C-H.........22
Tabela 2. Cargas NPA, GAPT e MK para a gua, o ction pirlio (I) e
complexos ction
pirlio-gua
((II)-(XII))....................................................................................................25
Tabela 3. Energias relativas corrigidas pela ZPE, (E+ZPE),
(kcal/mol)......................27
Tabela 4. Energias (kcal/mol) de relaxao (ER) de cada um dos
monmeros e total,
energias de interao (nE) e de ligao (BEn) corrigidas pelo
BSSE............................28
Tabela 5. Energias de estabilizao de segunda ordem (E(2)) para
(I)-(IV)..................30
Tabela 6. Energias de estabilizao de segunda ordem (E(2)) para
(V)-(X)..................31
Tabela 7. Energias de estabilizao de segunda ordem (E(2)) para
(XI) e (XII)...........32
Tabela 8. Energias de repulso estrica (dE(i,j)) para
(I)-(IV)........................................34
Tabela 9. Energias de repulso estrica (dE(i,j)) para
(V)-(VIII)....................................35
Tabela 10. Energias de repulso estrica (dE(i,j)) para (IX) e
(X)..................................36
Tabela 11. Energias de repulso estrica (dE(i,j)) para (XI) e
(XII)...............................37
Tabela 12. Principais estruturas de ressonncia obtidas pela
anlise NRT
para
(I)-(XII)....................................................................................................................38
Tabela 13. Contribuies das estruturas de ressonncia para
(I)-(XII) calculadas pelo
mtodo HOSE
(kJ/mol)...................................................................................................40
Tabela 14. HOMA, EN e GEO para
(I)-(XII).................................................................41
Tabela 15. Contribuio das diferentes ligaes para HOMA, EN e GEO
para
(I)-(XII)............................................................................................................................41
Tabela 16. NICS (0) e NICS (1), em ppm, para
(I)-(XII)................................................42
Tabela 17. Deslocamentos qumicos (,
ppm).................................................................43
Tabela 18. Anlise dos pontos crticos para (I) e
gua....................................................45
Tabela 19. Anlise dos pontos crticos para
(II)..............................................................45
Tabela 20. Anlise dos pontos crticos para
(III).............................................................45
Tabela 21. Anlise dos pontos crticos para
(IV)............................................................45
Tabela 22. Anlise dos pontos crticos para
(V)..............................................................45
Tabela 23. Anlise dos pontos crticos para
(VI)............................................................45
Tabela 24. Anlise dos pontos crticos para
(VII)...........................................................46
xi
Tabela 25. Anlise dos pontos crticos para
(VIII)..........................................................46
Tabela 26. Anlise dos pontos crticos para
(IX)............................................................46
Tabela 27. Anlise dos pontos crticos para
(X)..............................................................46
Tabela 28. Anlise dos pontos crticos para
(XI)............................................................47
Tabela 29. Anlise dos pontos crticos para
(XII)...........................................................47
Tabela 30. Densidades de energia locais (em u.a.) para as ligaes
de hidrognio nos
complexos
(II)-(XII)........................................................................................................50
Tabela 31. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em (I) e
gua.....................51
Tabela 32. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(II)...............................51
Tabela 33. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(III).............................51
Tabela 34. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(IV).............................51
Tabela 35. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(V)...............................51
Tabela 36. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(VI).............................51
Tabela 37. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(VII)............................52
Tabela 38. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(VIII)...........................52
Tabela 39. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(IX).............................52
Tabela 40. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(X)...............................52
Tabela 41. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XI).............................53
Tabela 42. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XII)............................53
Tabela 43. ndices de deslocalizao para (PDI, eltrons) do anel C
para os ctions
(I)-(XII)............................................................................................................................54
Tabela 44. Energias de ligao na fase gasosa, fgE
(kcal/mol)....................................55
Tabela 45. Energia livre de solvatao (solG ), contribuies
eletrosttica ( eleG ) e
no-eletrosttica ( vdWcav GG + ) e energia livre de solvatao
relativa ( solG ),
(valores em
kcal/mol)......................................................................................................56
Tabela 46. Energia livre de solvatao para solutos com molculas
explcitas de gua na
primeira camada de hidratao (AEsolG , em kcal/mol) e energia
livre de solvatao do
sistema molecular calculada na aproximao do contnuo ( CTsolG ,
em kcal/mol)..........58
Tabela 47. Principais transies eletrnicas para (I): a fora do
oscilador; (em nm)
o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio
eletrnica..................60
Tabela 48. Principais transies eletrnicas para (XI): a fora do
oscilador; (em
nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio
eletrnica...........60
xii
Tabela 49. Principais transies eletrnicas para (XII): a fora do
oscilador; (em
nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio
eletrnica...........63
Tabela 50. Cargas NPA, MK e GAPT para o ction benzopirlio
((XIII)) e derivados
hidroxilados
((XIV)-(XVIII))..........................................................................................72
Tabela 51. Energias relativas corrigidas pela ZPE, (E+ZPE),
(kcal/mol)....................74
Tabela 52. Contribuies das estruturas cannicas para
(XIII)-(XVIII) calculadas pelo
mtodo HOSE
(kJ/mol)...................................................................................................75
Tabela 53. HOMA, EN e GEO para o anel C dos ctions
(XIII)-(XVIII)......................76
Tabela 54. Contribuio das diferentes ligaes para HOMA, EN e GEO
para o anel C
dos ctions
(XIII)-(XVIII)...............................................................................................77
Tabela 55. HOMA, EN e GEO para o anel A de
(XIII)-(XVIII)....................................77
Tabela 56. NICS (0) e NICS (1), em ppm, para
(XIII)-(XVIII)......................................78
Tabela 57. Anlise dos pontos crticos para
(XIII)..........................................................79
Tabela 58. Anlise dos pontos crticos para
(XIV).........................................................79
Tabela 59. Anlise dos pontos crticos para
(XV)...........................................................79
Tabela 60. Anlise dos pontos crticos para
(XVI).........................................................79
Tabela 61. Anlise dos pontos crticos para
(XVII)........................................................80
Tabela 62. Anlise dos pontos crticos para
(XVIII).......................................................80
Tabela 63. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XIII)...........................82
Tabela 64. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XIV)..........................82
Tabela 65. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XV)............................82
Tabela 66. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XVI)..........................82
Tabela 67. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XVII).........................83
Tabela 68. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XVIII)........................83
Tabela 69. ndices de deslocalizao para (PDI, eltrons) dos anis A
e C para os
ctions
(XIII)-(XVIII)......................................................................................................85
Tabela 70. Principais transies eletrnicas para (XIII): a fora do
oscilador; (em
nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio
eletrnica...........89
Tabela 71. Principais transies eletrnicas para (XIV): a fora do
oscilador; (em
nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio
eletrnica...........90
Tabela 72. Principais transies eletrnicas para (XVII): a fora do
oscilador; (em
nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio
eletrnica...........93
xiii
Tabela 73. Cargas NPA, MK e GAPT para o ction flavlio ((XIX)) e
derivados
hidroxilados
((XX)-(XXV))..........................................................................................101
Tabela 74. Energias relativas corrigidas pela ZPE, (E+ZPE),
(kcal/mol)..................103
Tabela 75. Contribuies das estruturas cannicas para (XIX)-(XXV)
calculadas pelo
mtodo HOSE
(kJ/mol).................................................................................................105
Tabela 76. HOMA, EN e GEO para o anel C dos ctions
(XIX)-(XXV).....................107
Tabela 77. Contribuio das diferentes ligaes para HOMA, EN e GEO
para o anel C
de
(XIX)-(XXV)............................................................................................................107
Tabela 78. HOMA, EN e GEO para os anis A e B de
(XIX)-(XXV)..........................108
Tabela 79. NICS (0) e NICS (1), em ppm, para
(XIX)-(XXV).....................................108
Tabela 80. Anlise dos pontos crticos para
(XIX).......................................................110
Tabela 81. Anlise dos pontos crticos para
(XX).........................................................110
Tabela 82. Anlise dos pontos crticos para
(XXI).......................................................111
Tabela 83. Anlise dos pontos crticos para
(XXII)......................................................111
Tabela 84. Anlise dos pontos crticos para
(XXIII).....................................................112
Tabela 85. Anlise dos pontos crticos para
(XXIV).....................................................112
Tabela 86. Anlise dos pontos crticos para
(XXV)......................................................113
Tabela 87. Anlise do ponto crtico da interao H-H (em u.a.) e
energias de
estabilizao
(kcal/mol).................................................................................................115
Tabela 88. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XIX)........................119
Tabela 89. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XX)..........................119
Tabela 90. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XXI)........................120
Tabela 91. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XXII).......................120
Tabela 92. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XXIII)......................121
Tabela 93. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XXIV).....................121
Tabela 94. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(XXV).......................122
Tabela 95. ndices de deslocalizao para (PDI, eltrons) dos anis
A, B e C para os
ctions
(XIX)-(XXV)....................................................................................................126
Tabela 96. Principais transies eletrnicas para (XIX): a fora do
oscilador; (em
nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio
eletrnica.........129
Tabela 97. Principais transies eletrnicas para (XX): a fora do
oscilador; (em
nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio
eletrnica.........132
xiv
Tabela 98. Principais transies eletrnicas para (XXII): a fora do
oscilador; (em
nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da transio
eletrnica.........135
Tabela 99. Principais transies eletrnicas para (XXIV): a fora do
oscilador;
(em nm) o comprimento de onda e E (em eV) a energia da
transio
eletrnica.......................................................................................................................138
Tabela 100. Freqncias vibracionais (cm-1) dos estiramentos das
ligaes C=O, O-H e
O-O................................................................................................................................148
Tabela 101. Cargas NPA e GAPT para
(1)-(7).............................................................149
Tabela 102. Energias de relaxao dos monmeros (ER cido, ER
radical) e total (ER total),
energias de interao (2E) e energias de ligao (BE2),
(kcal/mol)............................150
Tabela 103. Energias de estabilizao de segunda ordem (E(2)) para
(1)-(7)..............152
Tabela 104. Energias de repulso estrica (dE(i,j)) para
(1)-(7)...................................154
Tabela 105. Densidades de spin para (1),
(5)-(7)..........................................................156
Tabela 106. Principais estruturas de ressonncia obtidas pela
anlise NRT para
(2)-(7).............................................................................................................................157
Tabela 107. Principais estruturas de ressonncia obtidas pela
anlise NRT para (1)....158
Tabela 108. Anlise dos pontos crticos (em u.a.) para
(1)-(7).....................................160
Tabela 109. Densidades de energia locais (em u.a.) para as
ligaes de hidrognio nos
complexos
(5)-(7)..........................................................................................................161
Tabela 110. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(1)-(7).....................162
Tabela 111. Cargas
NPA...............................................................................................164
Tabela 112. Energias de estabilizao de segunda ordem,
E(2)...................................164
Tabela 113. Energias de repulso estrica,
dE(i,j).........................................................164
Tabela 114. Principais estruturas de ressonncia e ordens de
ligao...........................164
Tabela 115. Densidades de
spin....................................................................................165
Tabela 116. Anlise dos pontos crticos (em
u.a.).........................................................165
Tabela 117. Propriedades atmicas (em
u.a.)................................................................165
Tabela 118. Freqncias vibracionais (cm-1) dos estiramentos das
ligaes H-C, C=O,
O-H e H-F para
(1)-(14p)..............................................................................................173
Tabela 119. Cargas GAPT, MK e NPA para
(1)-(8).....................................................174
Tabela 120. Cargas GAPT, MK e NPA para
(9l)-(14p)................................................176
Tabela 121. Erro de superposio de base, BSSE (kcal/mol), e
energias de ligao
corrigidas pelo BSSE, BEcorr (kcal/mol), para os complexos
(4)-(14p)........................178
xv
Tabela 122. Energias de estabilizao de segunda ordem, E(2), para
(1), (4)-(6)........180
Tabela 123. Energias de estabilizao de segunda ordem, E(2), para
(2), (7) e (8).....181
Tabela 124. Energias de estabilizao de segunda ordem, E(2), para
(9l)-(13p).........182
Tabela 125. Energias de estabilizao de segunda ordem, E(2), para
(14l) e (14p).....183
Tabela 126. Transferncia de carga (CT) obtida pela anlise NBO
para
(4)-(14p)........................................................................................................................184
Tabela 127. Energias de repulso estrica (dE(i,j), kcal/mol) para
(1), (4)-(6).............185
Tabela 128. Energias de repulso estrica (dE(i,j), kcal/mol) para
(2), (7) e (8)..........186
Tabela 129. Energias de repulso estrica (dE(i,j), kcal/mol) para
(9l)-(13p)..............187
Tabela 130. Energias de repulso estrica (dE(i,j), kcal/mol) para
(14l) e (14p)..........187
Tabela 131. Principais estruturas de ressonncia obtidas pela
anlise NRT para
(1)-(8).............................................................................................................................188
Tabela 132. Principais estruturas de ressonncia obtidas pela
anlise NRT para
(9l)-(14p).......................................................................................................................190
Tabela 133. Anlise dos pontos crticos (em u.a.) para
(1)-(8).....................................194
Tabela 134. Anlise dos pontos crticos (em u.a.) para
(9l)-(14p)................................195
Tabela 135. Densidades de energia locais (em u.a.) para as
interaes nos complexos
(4)-(14p)........................................................................................................................198
Tabela 136. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(1)-(8).....................199
Tabela 137. Propriedades atmicas (em u.a.) para os tomos em
(9l)-(14p)................200
Tabela 138. ndices de deslocalizao (DI) para (1), (2), (3), (4),
(6) e (8)..................203
Tabela 139. Cargas atmicas (MK e NPA) para (1) e (2) nas
geometrias dos complexos
(4), (5) e
(8)...................................................................................................................204
Tabela 140. Energias de estabilizao de segunda ordem, E(2), para
(1) e (2) nas
geometrias dos complexos (4), (5) e
(8)........................................................................204
Tabela 141. Energias de repulso estrica (dE(i,j), kcal/mol) para
(1) e (2) nas
geometrias dos complexos (4), (5) e
(8)........................................................................205
Tabela 142. Principais estruturas de ressonncia e ordens de
ligao para (1) e (2) nas
geometrias dos complexos (4), (5) e
(8)........................................................................206
Tabela 143. Anlise dos pontos crticos (CP, em u.a.) para (1) e
(2) nas geometrias dos
complexos (4), (5) e
(8).................................................................................................207
xvi
LISTA DE ABREVIATURAS
AIM Atoms in Molecules.
AIL - Atomic Interaction Line.
BCP Bond Critical Point.
B3LYP Becke three-parameter hybrid functional combined with
LeeYangParr
correlation functional.
BP Bond Path.
BPL Bond Path Lenght.
BSSE Basis Set Superposition Error.
CCP Cage Critical Point.
CP Counterpoise.
CPs Critical Points.
DFT Density Functional Theory.
DI Delocalization Index.
GAPT Generalized Atomic Polar Tensor.
GIAO Gauge-Independent Atomic Orbital.
HOMO Highest Occupied Molecular Orbital.
IAS Interatomic Surface.
LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital.
MK Merz-Kollman.
MO Molecular Orbitals.
MP2 Mller-Plesset second-order perturbation theory.
NAOs Natural Atomic Orbitals.
NBO Natural Bond Orbital.
NHO Natural Hybrid Orbitals.
NLMOs Natural Localized Molecular Orbitals.
(N)NA: Non-Nuclear Attractors.
NOs Natural Orbitals.
NPA Natural Population Analysis.
NRT Natural Resonance Theory.
NSA Natural Steric Analysis.
PCM Polarized Continuum Model.
RCP Ring Critical Point.
xvii
RMN Ressonncia Magntica Nuclear.
SCF Self-Consistent Field.
SCRF Self-Consistent Reaction Field.
TMS Tetrametilsilano.
ZINDO Zerner's Intermediate Neglect of Differential Overlap.
ZPE Zero Point Energy.
1
1 INTRODUO
1.1 Um breve histrico sobre as ligaes de hidrognio e sua
natureza
O interesse no entendimento das ligaes qumicas no recente. A
maior parte
dos princpios gerais da estrutura molecular e da natureza da
ligao qumica foi
formulada atravs dos tempos por qumicos movidos pelo grande
conjunto de
observaes experimentais. Ao longo das dcadas, estes princpios tm
sido
aprimorados e novos conceitos tm surgido graas aos avanos dos
mtodos
experimentais e tericos.1 O estudo da estrutura das molculas foi
originalmente
abordada por qumicos usando mtodos de investigao que so
essencialmente de
natureza qumica, relacionados composio qumica das substncias,
existncia de
ismeros, natureza das reaes qumicas nas quais as substncias
fazem parte, etc.
Todas as observaes e teorias marcaram o incio do entendimento
das ligaes
qumicas e propiciaram o desenvolvimento de estudos focados no
interesse particular de
se entender o processo das interaes entre tomos de uma mesma
molcula (interaes
intramoleculares) e tomos de molculas diferentes (interaes
intermoleculares).1
Foi com os interesses voltados para o prisma das ligaes qumicas
que, a
dcadas atrs, reconheceu-se que sob certas condies um tomo de
hidrognio pode ser
fortemente atrado por outros dois tomos, ao invs de somente um,
de modo que se
possa considerar que estivesse ligado a esses dois tomos. ligao
adicional
denominou-se ligao de hidrognio. Por algum tempo pensou-se que
essa ligao
originava-se da formao de duas ligaes covalentes pelo tomo de
hidrognio.
Posteriormente, com o desenvolvimento da teoria mecnico-quntica
de valncia, foi
reconhecido que o tomo de hidrognio, com somente o orbital (1s)
semi-ocupado, no
poderia formar mais do que uma ligao covalente pura e que a
atrao entre dois
tomos observada na formao da ligao de hidrognio deveria ter
ampla participao
de foras inicas, possibilitando a explicao de propriedades
importantes sobre as
ligaes de hidrognio.1 Primeiramente, a ligao de hidrognio a
ligao entre dois
tomos por intermdio de um hidrognio; o nmero de coordenao do
hidrognio no
excede a dois. O on hidrognio positivo um simples prton, sem
eltrons em suas
camadas eletrnicas. Esse pequeno ction deve atrair um nion para
uma distncia do
equilbrio internuclear igual ao raio do nion e poder atrair
similarmente um segundo
nion, formando assim um complexo estvel. Um terceiro nion,
entretanto, deve ser
2
impedido por contatos nion-nion de se aproximar do prton. Do
ponto de vista inico,
o nmero de coordenao do hidrognio ento restrito ao valor
dois.1
Em segundo lugar, apenas os tomos mais eletronegativos devem
formar
ligaes de hidrognio, sendo que a intensidade dessas ligaes deve
aumentar com o
aumento da eletronegatividade dos dois tomos ligados. Seguindo a
escala de
eletronegatividade, espera-se que flor, oxignio, nitrognio e
cloro apresentem, em
ordem decrescente, ligaes de hidrognio mais intensas. Essa
observao foi
demonstrada experimentalmente. Embora cloro e nitrognio tenham
eletronegatividades
prximas, o cloro possui uma menor capacidade de formao de ligao
de hidrognio,
o que pode ser atribudo ao seu grande tamanho (relativo ao
nitrognio), o que faz com
que as interaes eletrostticas sejam mais fracas do que as
observadas para o
nitrognio.1
Assim sendo, em 1887, o cientista sovitico Illinski reconhecia
que o hidrognio
poderia ser atrado por dois tomos de oxignio. Werner, em 1902,
observou que o
amonaco um produto da adio da amnia e gua (HOHNH3 HOHNH3).2
Porm, a primeira meno da ligao de hidrognio foi feita por Moore
e Winmill, em
1912,3 quando explicaram atravs da estrutura do hidrxido de
trimetilamnio, o baixo
carter bsico dessa substncia frente ao apresentado pelo hidrxido
de
tetrametilamnio. O reconhecimento da importncia da ligao de
hidrognio e sua
extensiva ocorrncia foi feito por Latimer e Rodebush no ano de
1920,4 quando
utilizaram esse conceito na discusso da elevada associao entre
lquidos (como gua e
fluoreto de hidrognio) com seus altos valores de constantes
dieltricas; da pequena
ionizao do hidrxido de amnio e da formao de dmeros de cido
actico. O
nmero de molculas que apresentam ligaes de hidrognio foi
amplamente
aumentado por estudos espectroscpicos e de estruturas
cristalinas e por anlises fsico-
qumicas.5
Embora a ligao de hidrognio no seja uma ligao rigorosamente
forte (sua
energia de ligao na maioria dos casos encontra-se entre 2-10
kcal/mol), ela
altamente significativa na determinao das propriedades de uma
srie de materiais,6
como os polmeros sintticos, alm de ser responsvel pelas
estruturas tercirias em
macro e biomolculas (protenas, cidos nuclicos, etc), pelas
propriedades de vrios
fludos e slidos moleculares, pelas preferncias conformacionais
de um grande grupo
de molculas,7,8 e tambm podem produzir grandes modificaes na
cintica e no
mecanismo de reaes enzimticas.9 Devido pequena energia de ligao
e baixa
3
energia de ativao envolvida na sua formao e ruptura, a ligao de
hidrognio
especialmente observada em uma srie de reaes que ocorrem na
temperatura
ambiente. Sua vasta ocorrncia e sua importncia nas interaes
intermoleculares10,11
fazem com que sejam objeto de interesse em diversas reas como a
fsica, a qumica, a
cristalografia, a engenharia de cristais e a biologia molecular,
dentre outras.
Vrios estudos tericos e experimentais envolvendo sua
caracterizao e
natureza12-16 foram realizados. Entretanto, uma definio precisa
da ligao de
hidrognio ainda no foi obtida.13,16 Num extremo, atribudo s
ligaes de hidrognio
um carter puramente eletrosttico, mas tem se verificado que
estas interaes podem
apresentar um carter covalente aprecivel, como demonstrado por
estudos
experimentais12 ou computacionais.13
A diferena de planaridade nos dmeros H2O/HF17 e H2O/HCN
18 pode ser
atribuda a diferenas na natureza das ligaes de hidrognio.
Enquanto que a interao
eletrosttica entre os dipolos da gua e do cido leva a formao de
um dmero planar
para H2O/HCN, o oposto observado para H2O/HF.16 Fowler e Legon
observaram a
evidncia de uma transferncia parcial do hidrognio do cloreto de
hidrognio para a
trimetilamina no dmero (CH3)3N/HCl, atravs de comparaes das
constantes de
acoplamento nucleares quadrupolares do 35Cl e 14N.19
Utilizando as anlises de Morokuma,20 Singh e Kollman separaram a
energia de
interao do dmero da gua nos componentes eletrosttico, de
polarizao, de
transferncia de carga e de disperso e determinaram que a
contribuio desses
componentes varia com a distncia intermolecular.21
Em estudos com dmeros que apresentam ligaes de hidrognio, Reed,
Curtiss e
Weinhold fizeram uso da anlise dos Orbitais Naturais de Ligao
(NBO) para eliminar
o componente de transferncia de carga do hamiltoniano. Foi
observado que esse
componente constitui a maior parte da contribuio energtica, ao
passo que as atraes
eletrostticas so amplamente canceladas pelas repulses de troca.
Dessa forma, o
componente eletrosttico pode ser considerado como uma conseqncia
das interaes
de transferncia de carga.22
A proposta de que certas ligaes de hidrognio podem ser
estabilizadas pela
ressonncia foi sugerida por Gilli et al.23-31 Essas ligaes so
caracterizadas por
interaes com distncias muito curtas do tipo XHX, nas quais X um
tomo
eletronegativo. As RAHB (Resonance Assisted Hydrogen Bonds)
devem, obviamente,
apresentar um aprecivel carter covalente.
4
Efeitos de cooperatividade foram observados em vrias cadeias
unidas por
ligaes de hidrognio, tais como no cianeto de hidrognio (HCN),32
nos clusters de
gua,33-36 no cido actico,37 na formamida,38,39 N-metilformamida
e
N-metilacetamida,40,41 em peptdeos42,43 e modelos de
poliglicinas,44 em estruturas
cristalinas de cadeias finitas de ligaes de hidrognio no estudo
de carboxihidratos e
peptdeos,45 entre outras. Estudos de estabilizao de energia e de
parmetros
geomtricos realizados com cadeias de ligaes de hidrognio na uria
e no enol da
1,3-ciclohexenodiona, submetidas a um campo eltrico,
demonstraram que apenas no
caso da uria pode-se realizar uma descrio razovel atravs de
efeitos eletrostticos e
de polarizao.13
Constantes de acoplamentos (NH
J 1511
, NNJ 15152
e NCJ 15133
), obtidas por
espectros de ressonncia magntica nuclear de muitos sistemas com
ligaes de
hidrognio que so suficientemente rgidos, foram consideradas como
evidncias
experimentais de interaes covalentes nas ligaes de
hidrognio.46-48 Por outro lado,
num estudo sobre a natureza dessas ligaes em protenas,49 Arnold
e Oldfield
observaram que o acoplamento NCJ3 entre grupos de peptdeos (com
ligaes de
hidrognio NHOC) em protenas mediado por interaes de camada
fechada, no
covalentes, entre os tomos doador (hidrognio) e receptor
(oxignio) das ligaes de
hidrognio. Dessa forma, os autores sugerem que o acoplamento
decorrente de uma
penetrao mtua das densidades de carga no-ligadas (penetrao de
van der Waals).
Ainda nesse mesmo estudo, Arnold e Oldfield constataram que os
deslocamentos
qumicos (obtido no espectro de ressonncia magntica nuclear: 1H
RMN) do tomo de
hidrognio que participa da ligao de hidrognio descrevem uma
grande variedade de
interaes qumicas, a qual compreende desde o limite das interaes
de camada
fechada nas ligaes de hidrognio NHOC em protenas, passando pelas
parcialmente
covalentes SSHBs (Short, Strong, Hydrogen Bonds) em enzimas, e
culminando no
limite do compartilhamento de eltrons (interaes covalentes) nas
LBHBs (Low-
Barrier Hydrogen Bonds). Embora os termos SSHB e LBHB sejam
usados
aproximadamente como sinnimos, eles no tm o mesmo significado.50
Del Bene
utilizou de clculos tericos para comparar as constantes de
acoplamento (XYJ2 ) entre
complexos com e sem ligao de hidrognio (XHY), mas que apresentam
a mesma
distncia entre os tomos X e Y. Os resultados demonstraram que o
acoplamento ocorre
mesmo na ausncia da ligao de hidrognio, sem uma relao direta
entre a magnitude
5
desta grandeza e a existncia da ligao de hidrognio. Portanto, a
constante de
acoplamento no deve ser utilizada como prova do carter covalente
das ligaes de
hidrognio.51
Onoda et al. estudaram a estabilizao do nion carboxilato
decorrente da
ligao de hidrognio com o grupo amida e a influncia desse grupo
na desprotonao
de cidos carboxlicos.52 Para isso, foram utilizadas anlises
cristalogrficas, espectros
de infravermelho e de ressonncia magntica nuclear (1H RMN), alm
de clculos de
orbitais moleculares em fase gasosa e em meio contnuo
parametrizado para reproduzir
as propriedades da gua. Os autores observaram uma grande ordem
de ligao entre os
tomos doador e receptor da ligao de hidrognio (NHOC), a qual
atribuda
transferncia de carga do oxignio do nion carboxilato para o
grupo amida. O carter
covalente parcial dessa forte ligao de hidrognio intramolecular
foi atribudo ao
aumento do recobrimento entre os orbitais do hidrognio da amida
e do oxignio do
carboxilato.
Na determinao da escala de basicidade (pKHB) de uma srie de
complexos com
fluoreto de hidrognio (HF), Lamarche e Platts utilizaram a
teoria AIM (Atoms in
Molecules) e verificaram que as ligaes de hidrognio compreendem
efeitos
eletrostticos e covalentes.53
Tambm utilizando a teoria AIM, sobretudo os ndices de
deslocalizao (DIs),
Poater et al. analisaram as ligaes de hidrognio e a
aromaticidade do par de bases
guanina-citosina complexado com ctions de metais.54 Concluram
que a variao da
fora das ligaes de hidrognio aps a complexao com metais
atribuda,
principalmente, s modificaes nas interaes entre doador-receptor
das ligaes de
hidrognio (interaes covalentes que ocorrem entre um par de
eltrons isolado do
tomo receptor de prton e o orbital * do grupo doador de prton).
Nesse caso, as
alteraes nas interaes eletrostticas assumiram um papel menos
significativo. Essas
observaes corroboram estudos anteriores de que as ligaes de
hidrognio nos pares
de bases do DNA seriam intensificadas por efeitos de polarizao
do sistema de eltrons
(RAHB),55,23-31 e que as interaes entre os orbitais
doador-receptor nestas bases
apresentam intensidades comparveis s das interaes
eletrostticas.56-58 Este quadro
est em concordncia com as evidncias experimentais
mencionadas46-48 que levam a
um carter covalente parcial das ligaes de hidrognio, resultado
de estudos de
6
difrao de raios-X monocromticos no gelo12 e de espectros de
ressonncia magntica
nuclear (RMN) de ligaes de hidrognio no RNA46 e em
protenas.47,48
De acordo com Scheiner et al.,59 na formao da ligao covalente
ocorre um
grande rearranjo da densidade eletrnica. No outro extremo, nas
interaes de van der
Waals ou puramente coulombicas, a redistribuio de carga na
formao do complexo
mnima. As ligaes de hidrognio devem ocupar o espao intermedirio
entre as
ligaes covalentes e as inicas.
Recentemente, vrios estudos abordaram a influncia das ligaes de
hidrognio
na aromaticidade e ressonncia de determinados sistemas.
Krygowski et al. analisaram
uma srie fenis substitudos complexados com bases e verificaram,
atravs do ndice
HOMA (Harmonic Oscillator Model of Aromaticity), a dependncia da
aromaticidade
com a fora das ligaes de hidrognio.60 Manojkumar et al.
observaram, com o uso do
ndice NICS (Nucleus-Independent Chemical Shift), o aumento da
aromaticidade da
p-benzoquinona aps a formao da ligao de hidrognio com molculas
de gua.61
Por outro lado, o uso destes ndices (HOMA e NICS), juntamente
com anlises NBO
(Natural Bond Orbital) e AIM (Atoms in Molecules), indicaram que
a aromaticidade do
ction pirlio no influenciada pela ligao de hidrognio nos
complexos com uma a
trs molculas de gua.62 Poater et al. constataram que a interao
com ctions
metlicos estabiliza o par de bases guanina-citosina pela
intensificao das ligaes de
hidrognio, as quais favorecem a separao de cargas na estrutura
de ressonncia e o
aumento da aromaticidade do anel de seis membros da guanina.54
Trabalhos realizados
neste grupo de pesquisa demonstraram que as ligaes de hidrognio
podem ser
responsveis pelo aumento da ressonncia da formamida e do grupo
carboxila de cidos
orgnicos, complexados, respectivamente, com gua e com o radical
hidroperoxil.63,64
Enfim, apesar dos esforos despendidos nos estudos das ligaes de
hidrognio,
conclui-se que ainda restam muitas dvidas sobre a natureza
destas ligaes. A
distino entre as contribuies covalentes e eletrostticas difcil
de ser mensurada e
pode variar dentre os incontveis sistemas qumicos, no permitindo
um consenso
generalizado sobre o assunto e criando polmica no meio
cientfico. A influncia das
ligaes de hidrognio na estrutura eletrnica de compostos e
complexos e,
conseqentemente, na ressonncia e na aromaticidade destes, tambm
necessita de uma
cuidadosa anlise uma vez que a compreenso deste fenmeno deve
permitir a
sobreposio com os fatores geomtricos.
7
1.2 Apresentao da tese e objetivos
Embora os resultados sejam apresentados em dois captulos, o
objetivo central
de todas as atividades desenvolvidas o de se verificar a
influncia da ligao de
hidrognio e o efeito de substituintes nos sistemas estudados,
utilizando-se para isso, de
critrios geomtricos, energticos e eletrnicos.
No captulo inicial, observou-se a influncia da ligao de
hidrognio na
aromaticidade do ction pirlio com uma a trs molculas de gua. Os
complexos
tambm foram estudados em meio reacional com constante dieltrica
igual a da gua
com o emprego do modelo PCM (Polarizable Continuum Model). Como
extenso dos
estudos com o ction pirlio, apresentam-se os resultados
referentes hidroxilao dos
ctions benzopirlio e flavlio, objetivando a anlise do efeito do
substituinte na
aromaticidade destes ctions.
No captulo seguinte, foram abordadas as discusses referentes
complexao
de cidos orgnicos, mais especificamente os cidos frmico, actico
e trifluoroactico,
com o radical hidroperoxil. Em extenso a esse trabalho,
analisaram-se os efeitos da
complexao do cido frmico e do nion formiato com o fluoreto de
hidrognio em
complexos obtidos com e sem restries na otimizao de geometria. A
influncia da
ligao de hidrognio na ressonncia dos cidos e do nion
constitui-se o principal
objetivo dessa etapa do trabalho.
Para o desenvolvimento das atividades supracitadas foram
analisadas
modificaes na geometria de equilbrio dos monmeros que constituem
os complexos,
nas freqncias vibracionais e intensidades das bandas, cargas
atmicas e espectros
eletrnicos. As ligaes de hidrognio e as alteraes eletrnicas
sofridas pelos
monmeros foram ainda observadas por diversas teorias, tais como,
NBO (Natural
Bond Orbital), NRT (Natural Resonance Theory), NSA (Natural
Steric Analysis) e AIM
(Atoms in Molecules). Uma anlise energtica foi realizada com o
emprego de um
mtodo de decomposio de energia proposto por Xantheas. A
influncia das ligaes
de hidrognio e o efeito do substituinte na aromaticidade dos
ctions foram verificados
com o emprego dos mtodos e ndices NICS (Nucleus Independent
Chemical Shifts),
HOMA (Harmonic Oscillator Model of Aromaticity), HOSE (Harmonic
Oscillator
Stabilization Energy) e PDI (para-Delocalization Index).
8
2 MTODOS COMPUTACIONAIS
As otimizaes das geometrias de todos subsistemas e complexos
foram
realizadas no programa GAUSSIAN 9865 utilizando a teoria do
funcional de densidade
com o funcional hbrido B3LYP.66-68 Para os radicais empregou-se
o mtodo DFT
irrestrito, com o mesmo funcional (UB3LYP). No estudo dos cidos
orgnicos, do nion
formiato e dos complexos com radical hidroperoxil e fluoreto de
hidrognio foram
utilizados os conjuntos de funes de base 6-311++G(3df,3pd)69-72
e EPR-III,73 sendo o
ltimo apenas aplicado para o estudo com o radical hidroperoxil.
J para os estudos
envolvendo a complexao do ction pirlio com uma a trs molculas de
gua e a
hidroxilao dos ctions benzopirlio e flavlio, utilizaram-se o
conjunto de funes de
base 6-31+G(d,p).74 Gu, Kar e Scheiner utilizaram essas bases no
estudo de interaes
CH O entre doadores de prtons do tipo FnH3-nCH e receptores de
prtons como gua
(H2O), metanol (CH3OH) e metanal (H2CO).75 A opo Tight foi
utilizada na
otimizao de todas as geometrias, para se obter estruturas dos
complexos que fossem
realmente mnimos na superfcie de energia potencial, j que essa
opo diminui de cem
vezes os critrios de convergncia das foras e deslocamentos
mximos e dos desvios
quadrticos mdios dessas grandezas. Os efeitos das foras de
disperso e testes para
confirmao de algumas geometrias obtidas na complexao do ction
pirlio foram
considerados com o emprego do mtodo MP2.76 A natureza do ponto
estacionrio foi
determinada com base nas freqncias vibracionais harmnicas.
As energias foram corrigidas pela energia do ponto zero (ZPE:
Zero Point
Energy) e os efeitos do erro de superposio de bases (BSSE: Basis
Set Superposition
Error) foram considerados com o uso do mtodo de counterpoise
(CP).77
As cargas atmicas foram calculadas pelos mtodos: (i) NPA
(Natural
Population Analysis),78,79 as quais so obtidas pela anlise da
funo de onda; (ii) MK
(esquema Merz-Kollman-Singh),80,81 determinadas pelo ajuste do
potencial eletrosttico
molecular aos pontos selecionados num conjunto de esferas
concntricas ao redor de
cada tomo; (iii) GAPT (Generalized Atomic Polar Tensor),82
obtidas pelos tensores
atmicos polares os quais se relacionam com as intensidades das
bandas no espectro
infravermelho; (iv) AIM (Atoms in Molecules),84-86 propriedade
derivada da integrao
sobre a bacia atmica, denotada por , segundo a anlise da
topologia da densidade
eletrnica pela teoria de tomos em Molculas, proposta por
Bader.
9
O mtodo desenvolvido por Xantheas para interaes de n-corpos foi
utilizado
nas anlises energticas dos complexos.87,88
As funes de onda foram analisadas pelos mtodos NPA (Natural
Population
Analysis)89 e NBO (Natural Bond Orbital) no programa NBO 5.0,90
que se encontra
interfaciado com o pacote de programas GAUSSIAN 98. O mtodo NBO
realiza a
anlise de uma funo de onda molecular de vrios eltrons em termos
de pares de
eltrons ligantes localizados.22 A anlise dos orbitais naturais
de ligao compreende
uma seqncia de transformaes do conjunto orbitais moleculares
cannicos {Xi} para
vrios conjuntos de orbitais localizados como NAOs (Natural
Atomic Orbitals), NHOs
(Natural Hybrid Orbitals), NBOs (Natural Bond Orbitals) e NLMOs
(Natural Localized
Molecular Orbitals): {Xi} NAOsNHOsNBOsNLMOs. As intensidades
das
interaes entre orbitais ocupados i com orbitais antiligantes
desocupados j podem
ser determinadas atravs da energia de perturbao de segunda
ordem, E(2), em
mtodos SCF (Self- Consistent Field).22
As estruturas de ressonncia foram obtidas atravs de clculos NRT
(Natural
Resonance Theory),91-94 tambm com o uso do programa NBO 5.0. A
teoria de
ressonncia natural realiza uma anlise da densidade eletrnica
molecular em termos de
estruturas de ressonncia e pesos, alm de determinar as ordens de
ligao e valncias
que esto relacionadas com os conceitos da teoria clssica de
ressonncia.95,96
O mtodo NSA (Natural Steric Analysis)97,98 expressa as repulses
de troca
estricas como a diferena de energia devido ortogonalizao de
orbitais, em
concordncia com uma viso fsica bem estabelecida de contato
estrico. Ocorre uma
substituio sistemtica de NBOs (Natural Bond Orbitals) por NLMOs
(Natural
Localized Molecular Orbitals), incorporando o acoplamento de
repulses estricas com
efeitos de deslocalizao descritos por pequenas caudas dos NLMOs
(os NLMOs no
esto totalmente localizados). Assim, esta tcnica permite
identificar interaes entre
orbitais ocupados e parcialmente ocupados responsveis por
desestabilizaes nos
sistemas a serem estudados.
Para se considerar o efeito de um campo de reao autoconsistente
(SCRF: Self-
Consistent Reaction Field) na solvatao explcita, utilizou-se o
modelo PCM
(Polarized Continuum Model).99-102 Os mtodos SCRF permitem fcil
e diretamente
incorporar os efeitos do solvente na qumica quntica, mas
negligenciam a estrutura de
solvatao microscpica na vizinhana do soluto. Nos mtodos SCRF, o
soluto tratado
quanticamente enquanto que o solvente representado por um
dieltrico contnuo. A
10
energia livre de hidratao determinada como uma adio das
contribuies
eletrostticas e estricas (soma dos termos das contribuies da
cavitao e de van der
Waals, que considera os efeitos de disperso-repulso e de
volume).103
A anlise topolgica da densidade eletrnica, (r), foi realizada
com a utilizao
da teoria AIM (Atoms in Molecules).84-86,104,105 A idia central
desta teoria que a
topologia da densidade eletrnica contm informaes sobre a situao
das ligaes
qumicas, a qual pode ser elucidada atravs da anlise matemtica de
(r). A anlise de
qualquer funo escalar, como (r), consiste na determinao de
pontos em que as
primeiras derivadas da funo, (r), so nulas. No caso da densidade
eletrnica, estes
pontos so denominados pontos crticos (CPs: Critical Points). De
acordo com a teoria
de Bader, a condio necessria e suficiente para dois tomos
estarem ligados a
presena de um ponto crtico de ligao, BCP (Bond Critical Point),
entre os mesmos.
Alm disso, os valores da densidade (r), do laplaciano 2(r) e da
elipticidade () em
um BCP so utilizados para avaliar as variaes da densidade
eletrnica e a natureza da
ligao qumica. Os clculos foram efetuados utilizando-se os
programas PROAIM,106
MORPHY98107-112 e AIM2000.113
As modificaes na aromaticidade foram avaliadas atravs critrios
magnticos,
geomtricos e energticos. Historicamente, propriedades magnticas
tm sido utilizadas
para a caracterizao da aromaticidade de um dado composto.114-116
Introduzido por
Schleyer et al.,117 o NICS (Nucleus Independent Chemical Shift)
foi proposto como um
parmetro na caracterizao de propriedades magnticas relacionadas
aromaticidade
de sistemas cclicos. Trata-se de um critrio magntico, pelo qual
so medidos os
valores da blindagem magntica isotrpica nas coordenadas de tomos
que no possuem
funes de bases, ghost atoms. Similarmente a outros ndices
magnticos, o NICS
sofre dependncia do tamanho.117 Alm disso, o NICS no demonstra
uma diferena
marcante entre o benzeno e suas estruturas de Kekul e alguns
autores sugerem a
utilizao do NICS apenas para estimar aromaticidade local.118 O
clculo das blindagens
qumicas no espectro de ressonncia magntica nuclear (RMN) foram
realizados com o
mtodo GIAO (Gauge-Independent Atomic Orbital),119 o qual fornece
resultados em
boa concordncia com os valores experimentais,120 dependendo do
modelo empregado
para clculo da funo de onda.
O HOMA (Harmonic Oscillator Model of Aromaticity)121,122 um
ndice para
medida de aromaticidade que utiliza os comprimentos de ligao
entre tomos situados
11
em um anel como critrio para avaliao da variao da aromaticidade.
Esse ndice
apresenta como diferencial o fato de que utiliza os conceitos de
comprimento de ligao
timo, Ropt, ao invs de valores mdios de comprimentos ou ordens
de ligao. O
HOMA permite separar dois termos que descrevem diferentes
contribuies para o
decrscimo da aromaticidade: (i) devido ao aumento do comprimento
de ligao (o
termo denominado EN) e (ii) devido alternao do comprimento de
ligao (o termo
denominado GEO). Para sistemas heterocclicos aromticos deve ser
introduzido um
ajuste adicional ao ndice HOMA.121,122
O HOSE (Harmonic Oscillator Stabilization Energy) um modelo
emprico que
utiliza comprimentos de ligao para estimar os pesos
(contribuies) das estruturas
cannicas e a estabilizao de energia.121,123 O HOSE definido como
o negativo da
energia necessria para deformar a geometria de uma molcula real
para uma de suas
estruturas de Kekul (ou de ressonncia) com ligaes simples e
duplas localizadas.
Essa energia de deformao derivada do potencial do oscilador
harmnico.
Um outro critrio de avaliao de aromaticidade, o PDI
(para-Delocalization
Index),124-126 uma mdia de todos os DIs (Delocalization Index)
dos tomos de
carbonos relacionados em para num dado anel de seis membros.124
O valor de DI entre
dois tomos A e B, (A,B), obtido com o uso da teoria AIM (Atoms
in Molecules) e
fornece uma idia quantitativa do nmero de eltrons deslocalizados
ou compartilhados
entre esses dois tomos. Ento, o PDI est claramente relacionado
com a idia de
deslocalizao eletrnica.124
3 RESULTADOS E DISCUSSO
3.1 CAPTULO 1: INFLUNCIA DAS LIGAES DE HIDROG NIO E
EFEITOS DE SUBSTITUINTE NA AROMATICIDADE DOS CTION S
PIRLIO, BENZOPIRLIO E FLAVLIO
3.1.1 Algumas consideraes sobre os ctions pirlio, benzopirlio e
flavlio:
sistemas constituintes das antocianinas e antocianidinas
O estudo do ction pirlio motivado pelo seu uso em snteses
qumicas, bem
como em decorrncia do seu amplo potencial de aplicaes.127
Estudos sistemticos
considerando uma grande srie de sais de pirlio e suas reaes
podem ser encontradas
12
na literatura.128,129 Sais de pirlio tm sido aplicados como
intermedirios sintticos
versteis e so empregados na preparao de muitos compostos
orgnicos como
derivados de aril furanos, piridinas, nitrobenzenos,
fosfobenzenos, tiopirlios,
2,4-pentadienonas e estruturas heterocclicas complexas.130-132
Apesar do grande
nmero de compostos de pirlio conhecidos, poucos complexos
organometlicos
envolvendo o ction foram preparados e
investigados.130,133-135
Compostos de pirlio so vastamente usados como sensores em
materiais
fotogrficos e fotosemicondutores, como pigmentos e mode lockers
em lasers,
Q-switchers, laser disc media e tambm como material para
gravao
ptica.128,130,133,135-139 Tais compostos ainda so teis como
luminforos orgnicos,
eletrlitos secundrios no-aquosos em baterias,135,136 aditivos
inibidores de corroso
em tintas,130,133 provas fluorescentes para deteco de ons,
pigmentos auxiliares em
coletores solares,137,140,141 iniciadores em reaes de
polimerizao,127,142 e como
fotocatalisadores homogneos no combate a poluentes
fenlicos.143-145 Em adio, o
pirlio e seus derivados tm apresentado papel importante no
processo de
fotobranqueamento e na terapia fotodinmica.146-150
Alm do mais, o ction pirlio constitui o anel C de antocianinas,
as quais so
um grupo de pigmentos naturais catinicos que pertencem a uma
classe de compostos
fenlicos de baixo peso molecular, os flavonides. Esses
compostos, amplamente
distribudos no reino vegetal, apresentam diversas funes
biolgicas, alm de exercer
um papel primordial na interao entre plantas e o meio ambiente.
A principal funo
das antocianinas na fisiologia vegetal sua participao nos
processos de reproduo
sexual e na indicao visual de flores e frutos, atravs da atrao
de agentes
polinizadores e de disperso de sementes.151,152 Assim, so as
principais responsveis
pela colorao rosa, laranja, vermelha, violeta e azul das flores,
frutos (como por
exemplo nas cascas de uvas rosadas e de maas e na couve roxa),
folhas e rgos de
armazenamento.153,154 Em contraste com a pigmentao das flores e
frutos, a presena
transiente de antocianinas em certas cascas de sementes, folhas,
caules e razes no
totalmente compreendida. Algumas evidncias indicam que estes
compostos seriam
sintetizados para proteger a planta contra alguns fatores de
estresse, como o excesso de
radiao ultravioleta, infeces microbianas e ataques de
insetos.155 Nicholson et al.
verificaram que ocorre a produo de algumas antocianinas em
resposta infeco
microbiana.156 A cianidina-3-glicosdeo protege as folhas do
algodoeiro contra ataques
de larvas.157 Recentemente, observou-se que ocorre um aumento de
antocianinas em
13
plantas de trigo e ervilha quando submetidas radiao UV-B, mas no
ao estresse
hdrico.158 A proteo contra radiao UV-B dessas substncias
explicaria a mudana de
cor das folhas no outono, em pases de clima
temperado.159,160
Vrias evidncias epidemiolgicas e estudos in vitro indicam que
as
antocianinas possuem grande ao antioxidante, contribuindo para a
destruio de
radicais livres.161 Estas espcies so metablitos altamente
reativos que oxidam os
constituintes das clulas e, em particular, a membrana celular
acelerando seu
envelhecimento e destruio. Logo, um excesso de radicais livres
pode causar uma srie
de distrbios, como doenas cardiovasculares, inflamaes e
problemas dermatolgicos.
Estudos demonstraram que vinho tinto tem grande potencial
antioxidante, devido
presena de compostos fenlicos (taninos e antocianinas), os quais
esto presentes em
quantidades suficientes para assegurar uma tima atividade
antioxidante. Um dos
provveis mecanismos de ao antioxidante das antocianinas deve
envolver o ataque de
radicais livres, como o on superxido, pelo anel C (Figura 1)
desses flavonides.
Alm do carter antioxidante, vrios outros efeitos benficos ao ser
humano ou
teraputicos das antocianinas foram propostos.162 Estes
compostos, juntamente com
outros flavonides, podem ser aplicados no tratamento de
distrbios relacionados
reteno de fludos por danos em vasos capilares.163 As
antocianinas encontradas no
vinho possuem potencial aplicao na teraputica de melanomas
humanos.164 Uma
antocianina natural, a purple corn color, reduz a carcinognese
coloretal induzida por
um derivado da piridina em ratos machos.165 Algumas antocianinas
naturais inibem o
crescimento de clulas tumorais humanas.166 Contudo, vrios
aspectos da ao biolgica
de antocianinas precisam ser mais bem explorados, como a absoro
destes compostos e
sua farmacocintica.167
As antocianinas so derivadas do ction flavlio,
2-fenilbenzopirlio (Figura 1).
Os compostos mais comuns desta classe tm um padro de substituio
bem definido:
dois grupos hidroxilas nas posies 4 e 7 e quatro grupos
substituintes R1 a R4, dos
quais R3 obrigatoriamente um acar. Os grupos R1 e R2 nas posies
3 e 5, podem
ser, alm de hidrognio, grupos hidroxila e metxi (OCH3). As
antocianinas mais
comuns na natureza correspondem s seis combinaes possveis destes
trs grupos
(Tabela A). O grupo R4 pode ser hidroxila ou glicosila,
geralmente a glicose. As
antocianinas naturais ocorrem geralmente como monoglicosdeos
(glicose ligada na
posio 3) ou diglicosdeos (glicoses nas posies 3 e 5). As
agliconas das antocianinas,
14
as antocianidinas, so muito menos comuns na natureza.168 Em
todos os derivados do
ction flavlio esse grupo o cromforo.
O
OR3OR4
HO
R1OH
R2C
O
A
B2
3
45
6
7
2
3
4
5
6
8 19
10
(a) (b)
Figura 1. Estruturas: (a) ction 2-fenilbenzopirlio e (b)
antocianinas.
Tabela A. Padro de substituio para as antocianinas mais comuns
na natureza.
Aglicona R1 R2 Perlagonidina H H
Cianidina H OH Peonina H OCH3
Delfinidina OH OH Petunidina OH OCH3 Malvidina OCH3 OCH3
Devido ausncia de toxicidade, as antocianinas tm sido propostas
como
corantes e aditivos alimentares, porm seu uso industrial no tem
se ampliado pela
grande instabilidade destes compostos frente a vrios parmetros
como o pH e a luz.169
Em contraste com o comportamento das antocianinas isoladas, os
antocianoplastos,
encontrados nos vacolos da epiderme vegetal, so estveis.170 Isso
se deve
principalmente a efeitos de copigmentao do cromforo flavlio, os
quais estabilizam
as antocianinas in vivo.158,171 A copigmentao pode ser devida
interao entre os
glicosdeos e o ction flavlio de uma mesma antocianina, a
auto-associao, ou entre
flavonas ou cidos aromticos com os cidos cafico e ferlico e
antocianinas,
impedindo ou diminuindo a hidrlise das antocianinas.170
Hoshino, Matsumoto e Goto verificaram por meio de dicrosmo
circular (CD:
Circular Dichroism) e medidas de deslocamentos qumicos de prtons
no espectro de
RMN a auto-associao das antocianinas em soluo neutra.172-175 O
processo de
copigmentao da malvidina 3,5-diglicolisada com os cidos cafico e
ferlico tambm
foi estudado, com a utilizao da espectroscopia eletrnica, por
Markovic et al.152
A copigmentao tem sido usada como estratgia para a estabilizao
da cor
vermelha, ou seja, do ction flavlio. Ela se baseia na adio de
outras espcies qumicas
15
(que geralmente no absorvem no visvel) que se associam s
antocianinas conduzindo
formao de complexos ou agregados.176-181 Se esses agregados
tiverem constantes de
equilbrio de acidez e hidratao menores do que as da antocianina
livre, o ction
flavlio ser estvel numa gama maior de valores de pH.168
Como as antocianinas so compostos poliidroxilados, estes
pigmentos podem ser
complexados por metais. A complexao se d normalmente no anel
B.154 Algumas
metalocianinas foram isoladas e caracterizadas. O pigmento azul,
protodelfina,
composto de uma antocianina, uma flavona e magnsio.182 A sntese
in vitro
demonstrou que o pigmento estvel no se formava na ausncia do
metal. O complexo
pode ser formado com alguns outros metais.183 A composio de
outro pigmento azul, a
comelinina, foi estabelecida como [M6F6Mg2]6-, onde M e F so a
flavocomelina e
malonato-antocianina, respectivamente.184 A estrutura de raios-X
deste complexo
permitiu verificar o stio de complexao e determinar que a
interao entre as cadeias
se d por empilhamento, principalmente pelo anel A. As mesmas
concluses foram
obtidas pelo isolamento e sntese da protocianina.182 Este
complexo difere da
comelinina pelos flavonides constituintes, e tambm por
apresentar um Fe2+
substituindo o Mg2+. A complexao com metais pode ser til na
determinao e
quantificao de antocianidinas. O ction Al3+ foi proposto como
reagente analtico de
flavonides por cromatografia lquida de alto desempenho,185 ou
por anlise
espectrofotomtrica.186
Tem-se proposto que as antocianinas seriam estabilizadas pela
formao de
pares inicos com sais (NaCl, NaBr, NaClO4 e NaBr). Isso ocorre
pelo deslocamento do
equilbrio prototrpico em direo forma flavlio, com uma conseqente
diminuio
da formao da chalcona. Alm disso, o nion preferencialmente
hidratado,
diminuindo assim a hidrlise do grupo cromforo (Esquema 1).187
Entretanto, a
formao de pares inicos no previne a degradao trmica e fotoqumica
dos
pigmentos, embora reduza a eficincia das reaes de
decomposio.
Embora apresente grande complexidade, o equilbrio cido-bsico
de
antocianidinas foi extensamente estudado e encontra-se bem
esclarecido (Esquema
1).188 Entre pH 1 e 5 as antocianidinas existem sob a forma de
pelo menos cinco
espcies (o cido, a base, a pseudobase e as chalconas cis e
trans), que se
interconvertem por equilbrios cido-base, de hidratao, de
tautomerizao e de
isomerizao. O equilbrio cido-base em geral o mais rpido e o de
isomerizao o
mais lento.168
16
O O
OCH3
OCH3
O
OCH3
OCH3
HO OH
OCH3
OHHO
O
OCH3
O
OCH3
OCH3
HOHO
O
OCH3
OCH3
HO
base quinonoidal ction flavlio
hemiacetal
cis-(E)-chalcona
trans-(Z)-chalcona
A7
B
AH+
CE
CZ
H+
Ka
KbH2O
Kt
K i
Esquema 1. Equilbrio prototrpico para o cloreto de
3,4-dimetxi-7-hidroxiflavlio, onde Ka refere-se transferncia de
prton, Kb hidratao do ction flavlio, Kt taut