1 Universitatea “Alexandru Ioan Cuza” IAŞI Facultatea de Fizica REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT CONTRIBUŢII LA STUDIUL UNOR DERIVAŢI CU ACŢIUNE FARMACO-TERAPEUTICĂ PRIN METODE CUANTO-MECANICE ŞI SPECTRALE CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC, Prof. Univ. Dr. DANA ORTANSA DOROHOI DOCTORAND, ANDREEA-CELIA BENCHEA (CĂS. HRISTEA) IAŞI 2020
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Universitatea “Alexandru Ioan Cuza” IAŞI
Facultatea de Fizica
REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT
CONTRIBUŢII LA STUDIUL UNOR DERIVAŢI CU
ACŢIUNE FARMACO-TERAPEUTICĂ PRIN
METODE CUANTO-MECANICE ŞI SPECTRALE
CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC,
Prof. Univ. Dr. DANA ORTANSA DOROHOI
DOCTORAND,
ANDREEA-CELIA BENCHEA (CĂS. HRISTEA)
IAŞI 2020
2
Mulțumiri
Doresc să adresez sincere mulțumiri conducătorului științific al tezei, doamna prof. univ.
em. dr. Dana Ortansa Dorohoi, pentru îndrumarea și indicațiile permanente oferite în
efectuarea experimentelor, în redactarea articolelor și a tezei, pentru sprijinul, încrederea și
înțelegerea acordată pe parcursul anilor de doctorat și nu numai.
Mulțumesc domnului conf. univ. dr. Dan-Gheorghe Dimitriu pentru colaborările și
ajutorul acordat pe parcursul perioadei de doctorat.
Mulțumesc membrilor Comisiei de îndrumare: doamna prof. univ. dr. Dorina Emilia
Creangă, domnul conf. univ. dr. Dan-Gheorghe Dimitriu și domnul conf. univ. dr. Silviu
Gurlui pentru recomandările și sugestiile acordate la elaborarea tezei de doctorat.
Mulțumesc membrilor Comisiei de examinare a tezei: domnul prof. univ. dr. Simon
Aștilean, domnul CSI dr. Anton Airinei și domnul conf. univ. dr. Dan-Gheorghe Dimitriu
pentru atenția și răbdarea de a-mi analiza teza de doctorat.
Mulțumesc domnului prof. univ. dr. Valeriu Șunel, doamnei conf. lect. dr. Corina
Cheptea și domnului prof. univ. dr. Crtomir Podlipnik pentru colaborările, schimbul de idei
pe perioada doctoratului și asigurarea unor materiale necesare în realizarea lucrărilor și a
tezei de doctorat.
Mulțumesc domnișoarei dr. Mihaela Liliana Ivan pentru recomandările și ajutorul oferit
pe parcursul perioadei din facultate și de la doctorat.
Mulțumesc Universității “Alexandru Ioan Cuza” Iași, doamnei prof. univ. dr. Diana
Mardare director al Școlii Doctorale, domnului conf. univ. dr. Sebastian Popescu decanul
Facultății de Fizică și proiectului POSDRU/159/1.5/S/137750, pentru sprijinul logistic și
financiar în efectuarea acestui doctorat.
Mulțumesc colegilor și tuturor celor care au contribuit la realizarea și finalizarea
doctoratului, pentru discuțiile constructive și încurajarea oferită.
Și nu în ultimul rand, mulțumesc soțului meu pentru înțelegerea, răbdarea, încurajarea,
încrederea, grija, sprijinul acordat necondiționat, care mi-a fost alături. Adresez sincere si
respectuoase multumiri familiei mele.
3
CUPRINS
Introducere………………………………………………………………….…………….pag. 4
PARTEA I. Aspecte teoretice generale
Capitolul I. Noțiuni introductive
I.2. Studiul influenţei de solvent asupra interacțiunilor intermoleculare….……………..pag. 7
I.3. Studiul spectral al substanțelor prin solvatocromism …..…………………………..pag.10
I.4. Studiul randamentului reacției de sinteză prin program factorial…………....……...pag.15
Capitolul II. Modelarea moleculară
II.3. Materiale și metode utilizate în studiul cuanto-mecanic…………..……………..…pag.16
II.4. Evaluarea activităţii biologice și toxicității unui compus chimic…………...…...…pag.17
PARTEA II. Contribuția personală
Capitolul III. Caracterizarea unor vitamine prin metode spectrale și computaţionale
III.1. Studiul cuanto-mecanic și spectral al vitaminelor B3 și B6.………………………pag.20
Capitolul IV. Optimizarea sintezei de obținere și studiul cuanto-mecanic a compușilor
chimici
IV.2. Optimizarea reacției de sinteză și studiul cuanto-mecanic a derivaților de L-glutamină
(compuși B și C) …………………………………………………………………...….pag.23
Capitolul V. Studiul cuanto-mecanic și spectral al unor azo-derivați
V.2. Studiul spectral și cuanto-mecanic al moleculei de roșu de metil (MR)………..….pag.28
Capitolul VI. Studiul cuanto-mecanic și spectral al unor compuși cu acțiune biologică
VI.5. Studiul cuanto-mecanic și spectral al moleculei de curcumină…...…………….…pag.34
VI.6. Studiul cuanto-mecanic și spectral al moleculei de 8-hidroxichinolină…..……pag.39
Capitolul VII. Studiul spectral și cuanto-mecanic al moleculelor de rodamină
VII.1. Studiul cuanto-mecanic și spectral al rodaminelor B și 6G .……………………..pag.44
VII.2. Studiul spectral al derivaților de rodamină în soluții ternare…………….....…....pag. 58
Listă de lucrări publicate…………….………………………………….…………….…pag.69
Anexe…………………………………………………………………………………….pag.78
Obs: Rezumatul tezei de doctorat păstrează numerotarea capitolelor, subcapitolelor,
figurilor, formulelor şi a tabelelor din teză.
4
Introducere
În caracterizarea, controlul şi cercetarea substanțelor cu acțiune farmaco-terapeutică sunt
folosite metodele spectrale. În determinarea stabilităţii medicamentelor este necesară cuplarea
acestor metode spectrale cu alte metode de analiză (ex. analiza cuanto-mecanică), în scopul
creşterii gradului lor de selectivitate. Stabilirea proprietăţilor spectrale este importantă pentru
utilizarea unor descriptori în vederea prevenirii intoxicării cu substanţa respectivă, deoarece
anumite benzi de vibraţie sunt caracteristice anumitor structuri chimice.
Metodele computaţionale (programele HyperChem 8.06 și Spartan’14 utilizate în
această teză) sunt folosite pe plan științific internațional datorită faptului că permit realizarea
și analiza diferitelor structuri moleculare, determinarea unor proprietăți fizico-chimice de
interes, evaluarea activității biologice și toxicității compușilor studiați.
Studiul lichidelor, se face prin metode experimentale, utilizând spectrele electronice de
absorbție. Se utilizează o substanță spectral activă cu o concentrație mică, care se întroduce în
solventul pur, astfel moleculele de solvent înconjoară molecula spectral activă și se crează un
câmp electric local. La trecerea din starea de gaz ideal în stare lichidă, interacțiunile dintre
moleculele solutului și moleculele solventului determină modificări ale spectrelor electronice.
Determinarea parametrilor microscopici în starea excitată se realizează prin diverse
metode matematice când se cunosc acești parametrii în starea fundamentală (rezultate din
calcule cuanto mecanice). Pentru a evidenția contribuția fiecărui tip de interacțiune ce se
manifestă în soluțiile compușilor studiați s-au corelat deplasările spectrale măsurate în
spectrele electronice ale moleculei cu unii parametrii macroscopici ai solventului utilizat.
Lucrarea este structurată în doua părți, având un total de șapte capitole, în care sunt
prezentate aspecte teoretice din literatura de specialitate și contribuția personala în care se
regăsesc aplicații experimentale, explicații și concluzii propii în urma cercetărilor efectuate.
Capitolul I cuprinde noțiunile teoretice introductive ce au stat la baza cercetărilor
efectuate. Am prezentat câteva noțiuni generale despre interacțiunile intermoleculare,
tranzițiile electronice, diferite modele de lichid utilizate la influenta solvenților asupra
spectrelor electronice de absorbție sau fluorescenta și principalele scări empirice utilizate în
studiul solvatocromic, precum și noțiuni legate de optimizarea reacţiilor şi stabilirea
randamentului maxim (folosind un experiment de tip 32 factorial) pentru reacţiile de obţinere
a unor tiosemicarbazide, derivaţi glutaminici și derivați de 5-nitroindazol - noi compuşi cu
acţiune farmacologică.
5
Capitolul II cuprinde noțiuni teoretice de modelare moleculară, în care am descris pe
larg metodele de modelare moleculară utilizate în studiul cuanto-mecanic al compușilor cu
acțiune farmaco-terapeutică. Metodele ultilizate în această teză au fost PM3 (Parametric
Method 3), AM1 (Austin Model 1) și metoda DFT (Density Function Theory), care permit
estimarea parametrilor microscopici precum și a principalelor proprietăți electro-optice și
structurale ale unui sistem molecular. Am relatat importanța utilizării metodelor
cuanto-mecanice în caracterizarea substanțelor organice cu acțiune biologică (parametrii
QSAR) și a determinării toxicității acestora.
În Capitolul III este realizată caracterizarea cuanto-mecanică și spectrală a vitaminelor
din complexul B (B3, B6) și un studiu cuanto-mecanic al vitaminelor liposolubile (A, D, E, K)
cu ajutorul programului de modelare HyperChem 8.06, prin metoda semi-empirică PM3. A
fost estimat (pentru vitamine din complexul B) modul în care se modifică proiecția
momentului de dipol în starea excitată pe directia momentului de dipol în starea
fundamentală.
În Capitolul IV sunt studiați unii compuși noi sintetizați prin metode cuanto-mecanice
utilizând programele de modelare HyperChem 8.06 și Spartan’14 prin metode semi-empirice
AM1 (compus A), PM3 (compușii B-I) și metoda DFT (compușii J-O). Derminarea
proprietăților electro-optice prin metode cuanto-mecanice permit caracterizarea moleculelor
studiate din punct de vedere a reactivității cu celulele vii. În acest capitol a fost realizată și
optimizarea reacțiilor și stabilirea randamentului maxim pentru sinteza de obținere a noilor
compuși studiați prin program factorial 32. Factorii care influențează major randamentul
reacției de sinteză sunt temperatura și timpul de reacție.
Capitolul V este dedicat studiului spectral și cuanto-mecanic a unor azo-derivați pentru a
stabili modul în care structura azo-derivatului influențează interacțiunile intermoleculare în
soluția binară a moleculelor de interes. Prin studiul solvatocromic a fost estimat momentul de
dipol și polarizabilitatea în starea excitată și contribuția fiecărui tip de interacțiune la
deplasarea spectrală totală. Pentru molecula roșu de metil (MR) a fost realizată și o
comparare a spectrelor experimentale cu cele teoretice utilizând diferiți solvenți și la diferite
pH-uri.
În capitolul VI sunt analizați unii compuși cu acțiune biologică. S-au studiat din punct
de vedere cuanto-mecanic cafeina, ketoprofenul, efedrina, acidul salicilic și diclofenacul cu
ajutorul programului de modelare moleculară HyperChem 8.06. prin metoda semi-empirică
PM3. S-au realizat studii spectrale pentru unii compuși cu bio-aplicații (cumarina 151,
8-hidroxichinolină) sau cu acțiune farmaco-terapeutică (curcumină, paracetamol, aspirină,
6
etc). Pentru optimizarea geometriei moleculelor și pentru determinarea unor parametri
electro-optici ai moleculelor studiate în starea fundamentală a fost utilizat și programul de
modelare moleculară Spartan’14 prin metoda DFT (ex. curcumina, 8-hidroxichinolina).
Analiza spectrală s-a realizat prin studiu solvatocromic cu ajutorul căruia a fost estimată
contribuția fiecărui tip de interacțiune la deplasarea spectrală totală și a fost determinat
momentul de dipol și polarizabilitatea în starea excitată a moleculelor studiate.
Capitolul VII este dedicat studiului soluțiilor binare și ternare a două rodamine (6G și B).
Studiile cuanto-mecanice au fost realizate cu ajutorul programelor de modelare moleculară
HyperChem 8.06 prin metoda semi-empirică și Spartan’14 prin metoda DFT cu funcția
B3LYP și setul de funcții 6-31G*. A fost stabilită o dependență liniară multiplă între
deplasările spectrale masurate în spectrele electronice de absorbție ale celor două substanțe si
o serie de parametri microscopici și macroscopici ai solvenților utilizați. A fost estimată
contribuția fiecărui tip de interacțiune la deplasarea spectrală totală, a fost studiat și spectrul
de fluorescență ale celor două rodamine, a fost evaluată variația momentului de dipol și
polarizabilității în starea excitată a moleculelor de rodamină în funcție de unghiul dintre
momentul de dipol în starea fundamentală și în starea excitată prin mai multe metode. S-au
studiat omogenitatea soluțiilor ternare, interacțiunilor intermoleculare și contribuția fiecărui
tip de interacțiune la deplasarea spectrală totală.
În finalul tezei sunt prezentate concluziile generale desprinse în urma studiilor
experimentale realizate și perspectivele de viitor.
7
Partea I. Aspecte teoretice generale
Capitolul I. Noțiuni introductive
I.2. Studiul influenţei de solvent asupra interacţiunilor intermoleculareStudiul influenţei solvenţilor asupra spectrelor electronice ale moleculelor biologic
active în soluţii a făcut obiectul a numeroase cercetări teoretice și experimentale. Aceste
studii sunt esenţiale în explicarea unor proprietăţi fizico-chimice ale moleculelor investigate,
în stabilirea naturii interacţiunilor intermoleculare solvit-solvent, în obţinerea de informaţii
despre natura tranziţiilor ce determină apariţia benzilor electronice sau pentru a înţelege
mecanismele de reacţie ale moleculelor de interes.
Deplasările spectrale oferă informaţii despre structura electronică a solvitului și
despre procesele ce au loc la nivel molecular și sunt în strânsă legătură cu natura și tăria
interacţiunilor dintre moleculele de solvit și cele ale solventului.
Din corelarea deplasărilor de frecvenţă induse de diferiţi solvenţi cu parametrii
fizico-chimici macroscopici ai acestora, se pot calcula parametrii microscopici ai moleculelor
solvite, cum ar fi polarizabilitățile moleculare sau momentele dipolare electrice, în starea
fundamentală și în starea excitată.
Influența solvenților asupra spectrelor electronice de absorbţie poate fi descrisă
utilizând unele dintre teoriile de lichid (McRae, Bakhshiev, Abe, Kawski, etc.). Pentru a
studia starea lichidă s-au utilizat unele modele pentru lichid (modelul cinetic pentru lichidul
simplu, modelul lui Abe și modelul statistic cu 3 componente) ce pot fi aplicate soluțiilor
binare obținute din solvent pur și molecula spectral activă de concentrație mică sau soluțiilor
ternare formate din molecula spectral activă și o soluție binară din doi solvenți puri.
Modificările pe care le suferă diferitele caracteristici spectrale ale moleculei în
procesul de solvire sunt determinate de acţiunea globală a diferitelor forme de interacţiuni
moleculare: interacţiuni nespecifice (de dispersie, de inducţie, de orientare) și interacţiuni
specifice (legături de hidrogen, forţe de dipol sau multipol, forţe de transfer de sarcină).
Deplasarea spectrală totală corespunzătoare spectrului electronic de absorbție este dată
de suma celor trei termeni ce descriu tipul interacțiunii, în cazul general când avem
interacțiuni universale (de orientare, inducţie și de dispersie) și când interacțiunile specifice
sunt neglijate, avem relațiile:
dispindor (I.10)
8
),()cos(2
3 nfhca
eggor
(I.11)
),(3)( 33
22
nfa
kTnfhca
egegind
(I.12)
)(23
3 nfIIII
a vu
vuegdisp
(I.13)
Funcțiile de polarizabilitate f(n) și polaritate f(ε) ale solventului sunt descrise de
indicele de refracție n și permitivitatea electrică ε:
21)( 2
2
nnnf
21)(
f (I.14)
)()(),( nffnf Notațiile din ecuațiile (I.10 - I.14) sunt: μg și μe sunt momentele de dipol ale
moleculei în starea fundamentală și în starea excitată; φ este unghiul dintre ele; αg și αe sunt
polarizabilitațile moleculei în starea fundamentală și în starea excitată; a este raza moleculei;
h este constanta lui Planck; k este constanta Boltzmann; T este temperatura absolută; Iu este
potențialul de ionizare a moleculei spectral active și Iv este potențialul de ionizarea a
solventului.
În teoria soluțiilor în care solventul este considerat ca fiind un lichid simplu
(interacțiunile specifice sunt neglijate) coeficientul C din teoria dezvoltată de Bakhshiev, este
exprimat ca funcție a momentelor de dipol electric ale moleculei de solut în stările electronice
implicate în banda de absorbție electronică:
3
)cos(2a
C egg (I.15)
unde φ este unghiul dintre momentele de dipol în stările electronice participante la tranziția
electronică, termenul cose reprezintă proiecția momentului de dipol în starea excitată pe
direcția momentului de dipol în starea fundamentală, a este raza moleculei de substanță
dizolvată. Raza moleculară a poate fi calculată prin utilizarea valorilor de volum și a ariei
suprafaței în stare fundamentală ale moleculei respective:AVa 3
.
Dacă pentru molecula spectral activă se cunoaşte momentul de dipol în starea
fundamentală din studiul cuanto-mecanic, utilizând ecuația )(0 nfm din valoarea
pantei se poate determina polarizabilitatea în starea excitată iar valoarea tăieturii la origine
permite estimarea momentului de dipol al moleculei în starea excitată.
9
Modelul statistic al soluțiilor cu trei componente
Pentru a obține o variație determinată a parametrilor au fost folosite amestecuri de
solvenți în proporții diferite, alegându-se solvenți transparenți, dintre care unul cu o valoare
mare a parametrului și altul cu valoare mică. În aceste amestecuri se introduce o cantitate de
substanță cu banda de absorbție sau fluorescență situată în domeniul de transparență al
solvenților. În unele cazuri moleculele de solvent activ nu se distribuie uniform în soluție, ci
se concentrează în aproprierea moleculei spectral active. Interacțiunile dintre molecula
spectral activă și solventul activ sunt cele care determină deplasările spectrale.
Ponderile statistice medii ale solvenților în primul strat de solvatare pot fi exprimate
prin relațiile (I.16 - I.19):
kTw
kTw
kTw
exex
exp21
1
21
11
(I.16)
121 pp (I.17)
NNp 1
1 (I.18)
21 NNN (I.19)Fracțiile molare ale solvenților 1 și 2 din soluțiile binare sunt date de formula (I.20):
2
22
1
11
1
11
1
MC
MC
MC
x
și 12 1 xx (I.20)
Din relațiile (I.15 -I.19) rezultă că ponderile statistice medii p1 și p2 ale moleculelor de
tipul v1 și de tipul v2 în primul strat de solvatare, diferă de funcțiile molare x1 și x2 ale
moleculelor în soluție și pot fi exprimate în funcție de numerele de undă din maximul benzii
electronice de absorbție înregistrate în soluțiile ternare t , respectiv în soluțiile binare 1
și 2 ale moleculelor spectral active [19].
21
21
tp (I.21)
21
112 1
tpp (I.22)
))(1()( 0210110 ppt (I.23)Funcțiile logaritmice ale rapoartelor dintre ponderilor statistice medii și fracțiile
molare satisfac ecuația (I.24) care, împreună cu alte ecuații enunțate, permit stabilirea unei
legături între deplasările de frecvență măsurate în spectrul electronic de absorbție al
moleculelor spectral active de tipul u și fracția molară x1 a solventului activ în soluție:
10
kTww
xx
pp 12
1
1
1
1
1ln
1ln
(I.24)
Interceptul liniei (I.24) este de tipul ecuației (I.25):
kTww
n 12 (I.25)
care estimează o diferență )( 12 ww pentru temperatura absolută T dată și k este constanta lui
Boltzmann. Pe baza relației (I.24) se poate determina diferența dintre energiile de interacțiune
între perechile de molecule de tipul u-v1 și u-v2, fară a cunoaște natura interacțiunilor care
determină valorile w1 și w2. Dacă indicii de refracție ai solvenților au valori apropiate iar
moleculele u și v1 au momente dipolare permanente și moleculele v2 nu au momente dipolare
permanente, diferența w2-w1 poate oferi informații asupra tăriei interacțiunilor dipolare între
moleculele de tip u și v1.
Neomogenitatea soluției ternare este dată de funcția de exces conform ecuației:
111 xp (I.26)pentru δ1<0 moleculele de solvent inactiv (2) predomină în prima sferă de solvatare, iar
pentru δ2>0 moleculele de solvent activ (1) sunt predominante în prima sferă de solvatare
[20]. Constanta de solvatare preferențială [21], este un alt indicator al neomogenității soluției
ternare și este definită prin ecuația:
1
2
2
112 x
xpp
k (I.27)
când k12>1, rezultă că p1>x1 și ponderea medie statistică a solventului activ (1) în prima sferă
de solvatare a moleculei spectral active este mai mare decât fracția molară în solvent binar.
I.3. Studiul spectral al soluțiilor prin solvatocromismSpectrul electronic de absorbție al moleculelor organice este modificat când moleculele
sunt dizolvate în diferiți solvenți, modificarea se poate referi la schimbarea în intensitatea,
frecvență sau forma spectrului de absorbție.
Schimbările care au loc în spectrul electronic de absorbție sunt rezultatul forțelor fizice
intermoleculare de interacțiune solut-solvent (ion-dipol, dipol-dipol, dipol-dipol indus,
legături de hidrogen etc.) care au tendința de a modifica diferența de energie dintre starea
fundamentală și starea excitată a moleculelor absorbite.
Scările de solvent utilizate în studiul solvatocromic
Parametrii empirici ai solventului sunt utilizați pentru a interpreta interacțiunea
solut-solvent utilizând date spectroscopice. Scările de solvent sunt folosite pentru a aranja
11
solvenții în funcție de modul în care acționează asupra spectrelor electronice de absorbtie ale
unor molecule alese drept standard pentru scara respectivă.
De-a lungul anilor au fost elaborate mai multe scări cu un singur parametru (scara Z
definită de Kosower [22, 23] sau scara ET(30) definită de Dimroth și Reichard [24]) sau cu
mai mulți parametri (scara π*, α, β propusă de Kamlet și Taft [25, 26, 27] sau scara SPP, SA,
SB definită de Catalan și alții [28]). Scările empirice cu un singur parametru descriu global
influența solventului asupra moleculelor studiate, scările empirice cu mai mulți parametri
permit estimarea contribuției fiecărui tip de interacțiune la deplasarea spectrală totală.
Scările de polaritate/polarizabilitate ale solventului conform Kamlet-Taft și Catalan, care
sunt utilizate în studiul spectral din această lucrare, permit evaluarea interacțiunilor
solut-solvent (atât interacțiunile universale cât și cele specifice) și estimarea contribuției
fiecărui tip de interacțiune existentă în soluții.
Interacțiunile specifice includ capacitatea solventului de a ceda un proton într-o legătură
de hidrogen (HBD - aciditate) și/sau capacitatea solventului de a primi un proton într-o
legătură de hidrogen (HBA - bazicitate), pe când interacțiunile nespecifice (universale) includ
interacțiunile de dispersie, orientare și inducție.
Parametrii solventului care reprezintă aceste interacțiuni în cele două scări de
polaritate/polarizabilitate ale solventului sunt: aciditatea - SA (Catalan) și α (Kamlet-Taft),
bazicitatea – SB (Catalan) și β (Kamlet-Taft), dipolaritate/polarizabilitate – SPP (Catalan) și π*
(Kamlet-Taft).
Abordarea Kamlet-Taft este dată în ecuația (I.28) de mai jos:
3210 CCC (I.28)unde α este măsura acidității solventului (HBD), β este măsura bazicității solventului (HBA),
π* este un index de dipolaritate/polarizabilitate al solventului, este numarul de undă în
maximul benzii de absorbție electronice și 0 este valoarea de regresie a proprietății
solutului în solventul de referință, ciclohexan. Coeficienții C1, C2 și C3 din ecuație măsoară
susceptibilitatea relativă a solventului dependentă de proprietatea solutului (frecvența de
absorbție) la parametrii solventului indicat.
Abordarea Catalan utilizează o ecuație similară cu (I.28) dar în loc de cei 3 parametrii π*,
β și α, sunt înlocuiți cu SPP, SB și SA.
ABPP SCSCSC 3210 (I.29)Coeficienții sunt determinați prin analiză de regresie liniară multiplă. Analiza de
regresie liniară multiplă a parametrilor utilizând ambele scări de polaritate/polarizabilitate ale
12
solventului include toți parametrii luați împreună, un parametru individual nu poate da un
rezultat satisfăcător. Pentru a separa contribuția forțelor de dispersie și forțelor de
orientare-inducție la deplasarea spectrală totală s-a utilizat ecuația (I.30):
4321 )()(0. CCnfCfCcalc (I.30)
unde 0 este numarul de undă în maximul benzii de absorbție în faza de gaz, f(ε) este
funcția de polaritate a solventului, f(n) este funcția de dispersie, β este bazicitatea solventului,
care descrie abilitatea solventului de a accepta protoni în legătura de hidrogen, α este
aciditatea solventului care descrie abilitatea solventului de a ceda un proton în legătura de
hidrogen și Ci (i=1, 2, 3, 4) este valoarea coeficienților de regresie [30].
Termenii C1f(ε) și C2f(n) descriu contribuția interacțiunilor de orientare-inducție și
interacțiunilor de dispersie la deplasarea spectrală totală și termenii C3β și C4α descriu
contribuția interacțiunilor HBA și interacțiunilor HBD la deplasarea spectrală totală. Soluțiile
binare utilizate în analiza spectrală conțin o cantitate foarte mică de molecule dizolvate
(concentrație de 10-3-10-5 mol/l). Astfel, numai perechile de molecule solvent-solvent și
solut-solvent interacționează în soluții diluate. Interacțiunile dintre moleculele substanței
dizolvate sunt neglijabile, datorită distanței mari dintre acestea în soluții.
Determinarea momentului de dipol în starea excitată
Unele teorii au fost dezvoltate pentru soluțiile binare cu concentrații mici ale
moleculelor spectrale active. În aceste teorii, sunt luate în considerare numai interacțiunile
universale, în timp ce interacțiunile specifice sunt neglijate.
Funcțiile care descriu influența solventului asupra sumei și diferenței numerelor de
undă în maximele benzilor corespunzătoare acelorași tranziții în absorbție și fluorescență sunt
de tipul [29, 30, 31]:2 2
1 1 12 2
1 1 2 12 2 2a f
n nm m F ( ,n )n n
(I.31)
2 2 4
2 2 22 2 2 2
2 1 1 1 3 12 2 2 2a f
n n ( n )m m F ( ,n )n n ( n )
(I.32)
În (I.31 și I.32) a și f sunt numerele de undă în maximum benzilor de absorbție
(a) și fluorescență (f); n și ε sunt indicele de refracție al solventului și permitivitatea electrică;
m1 și m2 sunt pantele dependențelor liniare.
În teoriile lui Bakshiev [15] și Kawski [13], parametrii m1 și m2 obținuți prin mijloace
statistice în studiul solvatocromic sunt exprimați ca:
13
3
2
1
)(2hca
m ge (I.33)
3
22
2
)(2hca
m ge (I.34)
Notațiile sunt: μe și μg pentru momentele de dipol ale moleculei spectrale active în stările
excitate și în starea fundamentală ale tranziției electronice, h este constanta lui Planck, c este
viteza luminii și a este raza cavității Onsager a moleculei studiate.
Momentul de dipol în starea fundamentală a moleculelor studiate a fost calculat cu
HyperChem 8.0.6. sau Spartan’14 [32, 33]. Momentul de dipol în starea excitată μe și unghiul
φ între cele două momente de dipol pot fi estimate folosind (I.35) și (I.36).
2
322
2mhca
ge (I.35)
ge
e mmhca
4)(4cos 21
32 (I.36)
Proprietățile spectroscopice ale compușilor studiați sunt corelate cu parametrii
solventului din scara de polaritate/polarizabilitate Kamlet-Taft.
Coeficienții de regresie C1 și C2 de la ecuația (I.30) depind de parametrii microscopici ai
moleculei de solut astfel:
331 3)cos(2
akT
hcaC egegg
(I.37)
vu
vuegegeggeg
IIII
aakT
hcahcaC
3333
22
2 233
)cos(2 (I.38)
Ecuațiile (I.37 și I.38) permit estimarea momentului de dipol și polarizabilității
moleculei spectral active în stările excitate, iar prin însumarea acestor ecuații, rezultă ecuația
(I.39):
vu
vuegeg
IIII
ahcaCC
33
22
21 32
(I.39)
Solventul ales pentru calcularea polarizabilității și momentului de dipol în starea
excitată a moleculei spectral active, a fost in general ciclohexanul.
Determinarea polarizabilității în starea excitată
Polarizabilitatea moleculară influențează forțele de dispersie, astfel cu cât este mai
mare diferența de polarizabilitate între stările electronice care participă la fenomenul de
absorbție, cu atât deplasarile spectrale sunt mai mari. Energiile de dispersie în cele două stari
electronice care participă la tranziție diferă prin valorile polarizabilității și ale potențialului de
14
ionizare. Între potențialul de ionizare al substanței dizolvate în starea excitată (Ie) și în starea
fundamentală (Ig) există relația: hcII ge
Energiile dispersive de solvatare ΔWe și ΔWg sunt de tip atractiv (deoarece sunt
negative). Se pot scrie relațiile:00
0 ge WWhc )()( ggeege WWWWWWhc (I.44)
)(0 ge WWhchc
)()()(
23)(
23 2
330 nfru
hcIIIhcI
ru
IIII
hchcu
e
vu
vu
u
g
vu
vu
(I.45)
)( 20 nfmhchc (I.46)
Panta dependenței liniare dintre numerele de undă în maximul benzii de absorbție
într-un solvent dat și funcția de dispersie f(n2)este dată de relația (I.47).
hcII
uhcIu
III
rI
mvu
eug
vu
u
u
v )()()(
23
3 (I.47)
Panta m este determinată în studiul solvatocromic realizat cu solvenți nepolari și
αg(u), iar Iv și Iu sunt potențialele de ionizare ale moleculei spectral active și respectiv a
solventului ce pot fi estimați folosind metode cuanto-mecanice. Indicii g și e din relație se
referă la starea fundamentală și starea de excitație ale moleculei de solut, iar r(u) este raza
moleculei de solut, u se referă la molecula spectral activă și v se referă la molecula de
solvent.
Relația de tipul (I.47) poate fi stabilită în clasa soluțiilor nepolare diluate, panta m
poate fi utilizată în estimarea polarizabilității în starea excitată αe(u) a moleculelor spectral
active. Forțele de dispersie scad, de obicei, numerele de undă în maximul benzii de absorbție
electronică, astfel încât panta obținută m este de obicei un număr negativ.
)(3)(2
)()()()(
)()()(
)(3
vIurm
uIvIuuI
hcuIhcuIvI
uggg
gg
g
gge
(I.48)
Relația (I.48) arată o creștere a polarizabilității moleculare prin excitație în procesul
de absorbție, iar polarizabilitatea în starea excitată a moleculei spectral activă nepolare poate
fi calculată când potențialele de ionizare, raza moleculară și polarizabilitatea în starea
fundamentală sunt cunoscute (calculate sau măsurate cu alte metode) și numărul de undă în
maximul benzii de absorbție este determinat experimental în solvenți nepolari.
Interacțiunile de dispersie modifică energia potențială a moleculelor de solut în
ambele stări fundamentală și excitată. Diferența energiilor de solvatare în stările electronice
implicate în procese de absorbție determină poziția benzii electronice în funcție de intensitate.
15
Deplasarea spectrală a benzilor electronice de absorbție depinde de structura moleculelor de
solut și de natura solventului utilizat.
I.4 Studiul randamentului reacției de sinteză prin programul factorial 32
Pentru a îmbunătăți calitatea și acțiunea unor substanțe deja utilizate în multe domenii,
se pot sintetiza alte substanțe de interes, care sunt supuse unor experimente și unor calcule
pentru stabilirea celor mai bune caracteristici. Modelele statistice [37, 38] bazate pe design
experimental factorial permit să se stabilească cele mai bune condiții în care viteza de reacție
poate fi maximizată.
Programul factorial 32 (în care 3 este nivelul variației variabilelor relevante și 2 este
numărul de variabile semnificative) a fost utilizat pentru a stabili condițiile cele mai
convenabile ale reacției chimice în care compușii studiați [39, 40, 41, 42] au fost obținuti.
Variabilele reale din programul factorial sunt: randamentul reacției (ɳ), temperatura (X1)
și intervalul de timp al reacției (X2) iar x1 și x2 (i=1,2) sunt variabile adimensionale pentru
timpul de reacţie (i = 1) şi pentru temperatura reacţiei (i = 2):
i
iii X
XXx
(I.50)
2maxmin ii
iXXX
(I.51)
în care iX este valoarea medie a domeniului de variație reală și xi variabila adimensională (i
= 1,2) și Xi variabile reale (i = 1,2). Jumătatea din domeniul de variație reală ΔXi este dată
de relaţia minmax2 iii XXX .
Variabilele adimensionale pot fi convertite în variabile reale folosind relaţia:
iiii XxXX (I.52)Estimările sunt realizate în variabile adimensionale care permit calcule rapide și apoi
valorile reale sunt obținute utilizând relația (I.52).
Modelul polinomial utilizat pentru relația de optimizare ia în considerare o influență
singulară a variabilelor relevante și o influență sinergetică:
ɳ = a0 + a1x1 + a2x2 + a12x1x2 + a11x12 + a22x22 (I.53)Programul factorial 32 permite evitarea unui numar mare de experimente pentru
determinarea coeficienților modelului polinomial. Testul de tipul t-Student trebuie să fie făcut
pentru a decide dacă acești coeficienți sunt cei mai buni. Cu ajutorul coeficienților t-Student
16
poate fi calculată precizia P prin relația: NSP , unde Sη este abaterea medie pătratică
și N este numărul de experimente.
Reacțiile chimice au fost realizate într-un domeniu de variație mic de variabile
relevante, în scopul de a estima valoarea maximă a randamentului de reacție [38]. Două
variabile relevante - temperatura (x1) și timpul de reacție (x2) - au fost considerate ca fiind
semnificative pentru randamentul reacției. Dependența randamentului reacției de variabilele
adimensionale x1 și x2 a fost considerat de tipul:2222
2111211222110 xaxaxxaxaxaa (I.54)
Condițiile pentru valorile extreme ale randamentului sunt: ,01
x 0
2
x și ele au
fost utilizate pentru a determina coordonatele (x1e, x2e) corespunzătoare maximului
randamentului reacției.
Capitolul II. Modelarea moleculară
II.3 Materiale și metode pentru studiul cuanto-mecanic
Compușii studiați au fost analizați din punct de vedere cuanto-mecanic prin programul
de modelare moleculară Spartan'14 și optimizarea lor în starea fundamentală s-a bazat pe
calculele funcționalei de densitate folosind metoda DFT (Density Funcțional Theory) cu
funcția B3LYP și setul de funcții 6-31G*. Abordarea B3LYP include trei parametri ai
potențialului de schimb hibrid Becke [22] și corelația funcțională Lee-Yang-Parr [23].
Rezultatele obținute prin această metodă sunt corelate cu cele care rezultă din analiza
solvatocromică. Teoria funcționalei de densitate-dependentă de timp (TD-DFT), folosind
același set de bază, este utilizată pentru a obține spectrul UV-Vis, tranzițiile electronice,
lungimile de undă de absorbție, tăria oscilatorilor. Unii compuși au fost studiați prin metoda
semi-empirică PM3 sau PM6 utilizând același program de modelare moleculară.
Folosind un alt program de modelare moleculară HyperChem 8.0.6, prin metoda
semi-empirică PM3, s-au determinat proprietățile teoretice ale compușilor studiați.
Moleculele au fost optimizate geometric folosind algoritmul Polak-Ribiere [24] cu gradient
maxim stabilit la 0.001 kcal / (mol*Ǻ) pentru a se obține o configurație caracterizată printr-o
energie liberă minimă, apoi se obțin o serie de proprietăți.
S-au determinat o serie de parametri electro-optici în stare fundamentală ai
compușilor studiați (momentul de dipol, polarizabilitatea, energii etc.), utili în caracterizarea
17
comportamentului moleculelor și pentru calcularea unor mărimi microscopice (moment de
dipol, polarizabilitate) specifice compușilor aflați în stare excitată.
Cu ajutorul programelor de modelare se pot simula spectrelor electronice de absorbție
ale compușilor investigați pe baza metodelor semiempirice, cu ajutorul a diverși algoritmi,
atât după criteriul orbital cât și după cel energetic. Aceste spectre redau dependența tăriei
oscilatorului în funcție de maximele benzilor de absorbție sau fluorescență. Spectrele
electronice calculate depind de numărul de orbitali moleculari (OM) între care se consideră
tranziția electronică dar și de valoarea energiei de tranziție (ΔE).
De asemenea cu ajutorul programelor de modelare se pot determina și parametrii
termodinamici ai moleculelor studiate.
II.4. Evaluarea activității biologice și a toxicității unui compusParametrii cantitativi structură-activitate biologică (QSAR) se referă la dezvoltarea de
relaţii între structură şi toxicitatea unei serii de compuşi chimici. Activitatea terapeutică şi
toxicitatea unui compus chimic sunt de obicei determinate în literatura de specialitate
farmacologică prin utilizarea unui set de proprietăţi fizico-chimice şi rezultate ale
determinărilor biologice, astfel un compus chimic poate fi examinat prin trei metode: in vivo,
in vitro şi în final in silico.
Folosind metoda QSAR (Quantitative Structure – Activity Relationship) din
programele de modelare moleculară HyperChem 8.06 sau Spartan’14 se pot determina masa,
volumul şi suprafaţa ariei moleculare, caracterul hidrofob (LogP), refractivitatea molară,
polarizabilitatea (α) și momentul de dipol (μ), care se corelează cu structura chimică şi cu
activitatea biologică a substanţei analizate.
Orbitalii Moleculari de Frontieră (FMO): HOMO (cel mai înalt orbital molecular
ocupat) și LUMO (cel mai scăzut orbital molecular neocupat), determină stabilitatea chimică
moleculară, jucând un rol important în proprietățile optice și electrice. Ei sunt utilizați pentru
a determina interacțiunea moleculei studiate cu alte specii. Atacul electrofil este corelat cu
densitate mare de orbitali HOMO, în timp ce atacul nucleofil este corelat cu densitate mare de
orbitali LUMO [32]. Din valorile energiilor de frontieră se pot afla cu ajutorul teoremei lui
Koopmans [33], potențialul de ionizare și afinitatea pentru electroni.
Potenţialul de ionizare (I) este definit ca energia necesară extragerii unui electron
periferic din molecula aflată în starea de gaz ideal.
I~ −EHOMO (II. 11)
18
Valoarea acestei mărimi permite o apreciere a proprietăţilor donoare ale respectivei molecule.
Astfel, cu cât EHOMO are o valoare mai mică, cu atât molecula este mai stabilă.
Afinitatea pentru electroni (A) a unei molecule definită ca energia eliberată prin
captarea unui electron la o moleculă aflată în stare gazoasă.
A ~ −ELUMO (II. 12)Valoarea acestei mărimi permite aprecierea capacităţii de acceptare a electronului pe orbitalul
neocupat al moleculei investigate (ELUMO).
Spectrele electronice calculate depind de numărul de orbitali moleculari între care se
consideră tranziţia electronică dar şi de valoarea energiei tranziţiei ΔE, dată de diferența
dintre EHOMO și ELUMO [34].
Diferenţă, numită decalaj HOMO/LUMO, dintre (EHOMO) şi (ELUMO) joacă un rol
important în evaluarea activităţii biologice a compusului respectiv: ΔE = │EHOMO – ELUMO│.
Astfel, o diferenţă mică indică energii de excitaţie mici, moleculele vor fi mai
polarizabile decât moleculele care prezintă o diferenţă mare a energiilor. Un decalaj redus de
energie înseamnă că benzile electronice de absorbţie ale compusilor apar în domeniul vizibil.
În general, energiile de excitaţie spectroscopice sunt aproximativ egale cu 1/2 (I − A)
Potenţialul de ionizare (I), împreună cu afinitatea pentru electroni (A), sunt legate de
tăria chimică (η) şi electronegativitatea moleculei (χ) prin ecuaţiile următoare [35]:
2AI
(II. 13)
2AI
(II. 14)
Momentul de dipol (μ) al unei moleculei de interes este definit ca un vector orientat
de la centrul de greutate al sarcinilor pozitive spre centrul de greutate al sarcinilor negative.
Indicele de electrofilicitate (ω) este o mărime definită ca modificarea energetică
care apare atunci când un reactant este pus în contact cu un nucleofil:
2
2 (II. 15)
Polarizabilitatea (α) reprezintă proprietatea moleculelor organice de a-şi modifica
distribuţia sarcinilor electrice sub influenţa unui câmp electric exterior (E).
Aria suprafeței polare (PSA) este un parametru utilizat în medicină și chimie pentru
optimizarea capacității unui medicament de a pătrunde în celule. Este definită ca suma
suprafețelor moleculare a atomilor polari (atomii de azot şi oxigen impreună cu atomii de
hidrogen). Molecule cu o PSA mai mare de 140 Å2 tind să patrundă greu în membranele
19
celulare. Pentru molecule, pentru a penetra bariera hemato-encefalică (să acționeze asupra
receptorilor sistemului nervos central) trebuie un PSA mai mic de 90 Å2 [36].
Log P este considerat un descriptor pentru o structură chimică dată, care joacă un rol
important în interacțiunile biochimice. Prin semnul său, log P conferă caracterul hidrofil /
hidrofob al unei structuri chimice, atunci când log P < 0 structura chimică are caracter
hidrofil în timp ce atunci când log P > 0 structura produsului chimic are caracter hidrofob.
Lipofilicitatea reprezintă un factor determinant în absorbţia compusului şi repartizarea lui în
organism. Un compus mai lipofil va avea o solubilitate scăzută în apă compromiţând
activitatea lui biologică. Medicamente hidrofobe tind să fie mai toxice, deoarece, în general,
sunt păstrate mai mult timp, au o distribuție mai largă în organism, sunt oarecum mai puțin
selective în legarea lor la proteine și în final sunt adesea metabolizate. Prin urmare,
coeficientul de distribuție ideală pentru un medicament este de obicei intermediar (nu prea
hidrofob, nici prea hidrofil).[37]
Capitolul III.Caracterizarea unor vitamine
prin metode computaţionale şi spectrale
Vitaminele [1] sunt substanțe chimice care au un rol esențial în funcționarea normală,
creșterea și menținerea vitalității organismului uman și care nu pot fi sintetizate de către
acesta. Vitaminele [2] în funcție de mecanismul de acțiune, de modul în care se dizolvă în
diferite soluții, în funcție de structura chimică se pot clasifica în: liposolubile (vitaminele A,
D, E şi K); hidrosolubile (vitaminele din grupul B şi vitamina C).
În acest capitol au fost caracterizate 6 vitamine prin metode cuanto-mecanice cu ajutorul
programului de modelare moleculă HyperChem 8.06, metoda semi-empirică PM3.
Vitaminele B3 si B6 au fost studiate și prin metode spectrale, rezultatele fiind relatate în cele
ce urmează.
III.1 Studiul cuanto-mecanic şi spectral al vitaminelor B3 şi B6
În figura III.1 sunt repezentate structurile optimizate ale vitaminelor B3 și B6.
Inelul molecular al vitaminei B3 este o structura planară și face parte din clasa CS,
având două elemente de simetrie: E identitatea și S planul de simetrie. Inelul molecular al
vitaminei B6 este o structura planară cu excepția substituentului metil (-CH3) și aparține
clasei de simetrie CS având două elemente constituente [5-6].
20
Figura III.1. Structurile chimice optimizate ale vitaminelor B3 și B6
În tabelul III.1 sunt listate unele proprietăți electro-optice calculate prin programul de
modelare moleculară pentru cele 2 vitamine.
Tabelul III.1. Proprietățile QSAR pentru vitaminele B3 și B6
Un experiment 32 poate fi reprezentat în dimensiuni 3D, în care Oy este axa
randamentului și variabilele adimensionale sunt x1 și x2, care variază între -1 și +1.
Dependențele randamentul reacției pentru compușii B și C asupra variabilelor
relevante sunt ilustrate în figurile IV.14 (a) și (b).
27
a) Compus B b) Compus C
Figure IV.14. Reprezentarea 3D a randamentului reacției ɳ în funcție de variabilele
adimensionale timp (x1) și temperatura reacției chimice (x2)
Valorile reale pentru randamentul maxim al reacției sunt prezentate în tabelul IV.11.
Tabelul IV.11. Valorile reale pentru maximul randamentului reacției
Compus x1e (X1 °C) x2e(X2 min) ye (%)B 0.15 (117.15) 0.10 (60.20) 82.38C 0.35 (118.7 ) 0.13 (60.25) 64.82
Structurile chimice ale compușilor sintetizați (B) și (C) au fost confirmate prin analiză
elementală și spectrală (FT-IR, 1H-RMN).[38, 48]
Capitolul V. Studiul spectral și cuanto-mecanic
al unor azo-derivați
Azo-derivații sunt compuși de culori vii precum roșu, portocaliu sau galben, o
consecință a electronilor π-delocalizați. Prin urmare, ei sunt folosiți drept coloranți și utilizați
pe scară largă în industria chimică ca pigmenți, datorită coloritului lor. Structura
azobenzenului prezintă legătură dublă N = N între cele două nuclee de fenil. Azobenzenii și
derivații săi sunt materiale fotonice organice. [1] Azo-derivații sunt compuși azoici,
izomerizarea fotoindusă trans-cis este utilizată în stocarea holografică a datelor, nanorobotică,
fabricarea suprafețelor funcționale cu chiralitate reglabilă [2, 3].
Roșu de metil este un material fotocromic organic azobenzenic, structura sa este
compusă din două cicluri fenilice, care sunt legate de o punte azo [11], are numeroase
aplicații în domenii precum industria hârtiei, industria textilă, în tipărirea cu jet de cerneală,
ca indicator acido-bazic [12], în fotocromism [13], complexe de incluziune cu ciclodextrine,
în determinarea pK-ului, în determinarea de structură, în metodă spectrofotometrică și în
echilibrul fototropic ai solvenților organici [14-16].
28
Pentru o determinare cuanto-mecanică mai elaborată, o parte din azo-derivați au fost
studiați cu programul de modelare moleculară Spartan’14 prin metoda DFT (Density
Functional Theory) cu funcția B3LYP/6-31G*. [30, 31]
În acest capitol au fost studiați din punct de vedere cuanto-mecanic și spectral patru
azo-derivați cu aplicații biologice, rezultatele și explicațiile moleculei de Roșu de metil vor fi
prezentate mai jos.
V.2. Studiul spectral și cuanto-mecanic al moleculei Roșu de Metil (MR)Roșu de metil este un compus azo-benzenic și fotocromic [40]. În figura V.7 este
reprezentată structura optimizată a moleculei roșu de metil (MR); acesta aparține clasei de
simetrie C1, moleculele din acest grup au un singur element de simetrie, identitatea (E).
Figura V.7. Structura optimizată a MR cu programul Spartan’14
Sarcinile atomilor pentru molecula de MR în unități de sarcină elementară a electronului
( 19106021662.1 e C) și distribuția potențialului electrostatic sunt realizate cu Spartan’14
și listate în Figura V.8.
Figura V.8. Sarcinile atomilor și orientarea momentului de dipol și geometria 3D
a distribuției potențialului electrostatic pentru MR
Sarcinile atomice negative sunt localizate lângă atomii de N și O iar sarcinile pozitive
sunt localizate lângă atomii de H și C. Geometria tridimensională a distribuției potențialului
electrostatic molecular evidențiază existența a două regiuni cu electronegativitate crescută în
29
care sunt implicați atomii de oxigen și azot și care joacă un rol în cuplarea lor cu structuri
diferite în care ionii sunt pozitiv încărcați.
Orbitalii moleculari de frontieră (FMO) ai moleculei de MR sunt ilustrați în figura
V.9: cel mai de sus orbital molecular ocupat (HOMO) și cel mai de jos orbital molecular
neocupat (LUMO) [41].
Figura V.9. Orbitalii Moleculari de Frontieră (culoarea albastră corespunde valorilor pozitive
iar culoarea roșie corespunde valorilor negative) ai MR
Orbitalul HOMO este un orbital donator de electroni iar orbitalul LUMO este un
orbital acceptor de electroni astfel se poate observa din figura V.9 că densitatea orbitalilor
este concentrată pe ciclurile benzenice, în cazul orbitalului LUMO densitatea de atomi este
concentrată și pe legăturile covalente ce implică atomii de O.
In tabelul V.6. sunt listate principalele proprietăți electro-optici ai moleculei de MR.
Tabelul V.6. Parametrii electro-optici ai moleculei MR
Parametrii ValoriEnergia HOMO (eV) -5.21Energia LUMO (eV) -1.69
Diferenta de energie ΔE = |EHOMO – ELUMO| (eV) 3.52Energia totală (kJ/mol) -2350099.1
Energia de hidratare (kJ/mol) -35.48Momentul de dipol (D) 7.08
Masa (a.u.m) 269.304Aria (Å2) 296.99
Volumul (Å3) 278.32Aria suprafeței polare (PSA) (Å2) 52.225
Coeficientul de partitie octanol/apă (LogP) 4.31Polarizabilitatea (Å2) 63.12
Deoarece LogP are valoarea pozitivă (log P> 0), rezultă că Metil Red este un compus
hidrofob. Aria suprafaței polare (PSA) este mai mică de 90 Å2 demonstrează că MR
penetrează bariera hemato-encefalică. [42] Stabilitatea structurii moleculare studiate este dată
de valorile ridicate ale energiei moleculare. Energia de solvatare are valoarea negativă,
procesul de dizolvare este unul exotermic.
HOMO LUMO
30
Cu ajutorul relației regresiei liniare multiple (I.30) se poate demonstra care parametrii
microscopici ai solventului influențează interacțiunile solut/solvent [43]. Funcția de
polarizabilitate )(nf și funcția de polaritate )(f ale solventului, (descrise prin indicele de
refracție n și permitivitatea electrică ε) și numerele de undă în maximul benzii electronice de
absorbție ale moleculei de MR în 14 solvenți organici sunt prezentate în tabelul V.7.
Parametrii Kamlet-Taft ai solvenților (α și β) sunt luați din literatura de specialitate [44, 45,
46].
Tabelul V.7. Parametrii Kamlet și Taft ai solvenților (α și β), funcția polarizabilității
f(n), funcția polarității f(ε) solvenților utilizați, numerele de undă înregistrate experimental și
calculate teoretic folosind relația (I.30) pentru molecula de MR
13 Etilenglicol 52.96 38.05 5.30 3.6914 Metanol 46.56 41.71 6.48 5.25Din tabelul V.9 rezultă că interacțiunile universale au o pondere mare la deplasarea
spectrală totală, interacțiunile de dispersie descrise de termenul C1f(n) au un procent ridicat
(între 46% - 78%) în timp ce interacțiunile de inducție - orientare descrise de termenul C2f(ε)
au o contribuție mai mică (între 18% - 44%).
Datele din tabelul V.8. (pentru C1 și C2) și tabelul V.6 (pentru αg și Ig) au fost utilizate
pentru a estima momentul de dipol în starea excitată [47]. Polarizabilitatea și momentul de
dipol în starea excitată a moleculei spectrale active au fost calculate folosind ecuațiile (I.37 -
I.39 și I.48). Polarizabilitatea în starea excitată poate fi calculată prin ecuația (V.1):21220.03949.68 ee (V.1)
Prin substituirea ecuației (V.1) în ecuația (I.48) obținem :08452.3cos5077.00007.0 2 ee (V.2)
Pentru a obține soluții reale ale ecuației (V.2), discriminantul ei trebuie să fie pozitiv:
08452.30007.04)cos5077.0( 2 D (V.3)Rezultă că unghiul φ trebuie să satisfacă inegalitatea: φ < 80°.
Unghiul este 80 și valorile acceptabile ale momentului de dipol în starea excitatăsunt între: 588.24655.7 e D, iar unghiul variază între 800 grade.
MR există și sub forma unui ion zwitterionic în soluții apoase. În soluțiile acide, MR
există în formă acidă (HMR) de culoare roșie, în timp ce în soluțiile alcaline există în formă
alcalină (MR-) de culoare galbenă [48-49].
Pentru a găsi structura cea mai stabilă a moleculei MR, se propun trei conformeri
posibili, forma neutră (MR1), forma alcalină (MR2) și forma acidă (MR3).
Conformerii structurii moleculei Roșu de metil sunt dați în figura V.12 .
a) b) c)Figure V.12. Formele MR: a) MR1 (neutră), b) MR2 (alcalină), c) MR3 (acidă)
Acesti izomeri diferă prin modul de legare al atomilor în moleculă, grupările funcționale,
carboxil (-COOH) și gruparea dimetil-aminofenil, sunt implicate în interacțiunile cu alte
molecule.
33
Experimental au fost preparate 3 soluții ale MR: în apă, în etanol și în dimetilsulfoxid,
care au fost studiate spectral la pH acid și pH alcalin. pH-ul soluției a fost ajustat prin
adăugarea de soluții de KOH sau H2S04. Valoarea pH a fiecărei soluții preparate a fost
măsurată cu hârtie de indicator pentru pH. Studii mai amanunțite vor fi efectuate pe viitor.
Cu ajutorul programului de modelare moleculară am simulat un spectru electronic de
absorbție teoretic pentru cele 3 forme ale moleculei MR, redat în Figura V.13.
Figura V.13. Spectrul teoretic de absorbție pentru MR pentru cele 3 forme
Spectrele teoretice de absorbție în soluția apoasă au fost examinate la trei valori ale
Figura VII.9 şi Figura VII.10, arată deplasarile spectrale ( a f ) si a f( ) ale
rodaminelor în diverşi solvenți (protici şi a-protici) şi sunt trasate în funcție de parametrii de
polaritate ai solvenților F1(ε, n) si F2(ε, n).
55
Figura VII.9. ( a f ) vs. F1 (ε, n) pentru Rodaminele B şi 6G
Dependențele ( a f ) vs. F1(ε, n) si a f( ) vs. F2(ε, n), sunt liniare cu pantele m1 şim2.
Figura VII.10. ( a f ) vs. F2 (ε, n) pentru Rodaminele B şi 6GParametrii de regresie ale liniilor (1) şi (2) din figurile VII.9 şi VII.10 sunt redați în
tabelul 13. Pe baza valorilor m1 şi m2 şi a relațiilor (I.31-I.36) şi (VII.2-VII.5 şi I.28), [30, 31]
momentele de dipol în starea excitată a moleculelor de rodamine au fost estimate.
Tabelul VII.13. Parametrii de regresie ai dreptelor (1) si (2)
Molecula Panta (m1,2) Taietura la origine R SD N( a f ) vs. F1 (ε, n)
În datele de fluorescență (Tabelul VII.18), contribuția interacțiunilor de tipul HBA
(legătura de hidrogen acceptor) la deplasările spectrale totale este predominantă în soluțiile
binare pentru rB în solvenții protici, în timp ce în soluțiile binare pentru r6G în solvenți
a-protici contribuțiile interacțiunilor de polaritate/polarizabilitate la deplasările spectrale
totale predomină. În datele de absorbție (Tabelul VII.18), contribuțiile interacțiunilor de tipul
polaritate/polarizabilitate la deplasările spectrale totale sunt predominante în soluțiile binare
pentru rB în solvenți a-protici, în timp ce în soluțiile binare pentru r6G în solvenți protici
contribuțiile interacțiunilor de tipul HBD (legatura de hidrogen donor) la deplasările spectrale
totale predomină.
VII.2 Studiul spectral al moleculelor de rodamina B si 6G în soluții ternareParametrii scării Kamlet-Taft sunt folosiți pentru a separa diferite tipuri de
interacțiuni în soluțiile ternare rodamină B + metanol + apă și pentru a stabili contribuția
59
fiecărui tip de interacțiune la deplasarea spectrală totală în funcție de fracția molară a
solventului activ. [32]
Solvenții binari au fost realizați în rapoarte volumetrice și s-au calculat fracțiile
molare. Soluțiile ternare au o concentrație a substanței spectral active de circa 10-4 mol / l.
Soluțiile ternare constau din molecule spectral active în concentrații mici și solvent binar:
solventul activ (din punct de vedere al interacțiunii) indexat cu (1) și solventul mai puțin activ
indexat cu (2).
Ponderile statistice medii ale celor doi solvenți în prima sferă de solvatare a
moleculei spectral active [35] sunt definite de relațiile (I.16 - I.25) și pot fi estimate din
spectrul de absorbție al soluțiilor ternare, așa cum rezultă din relațiile (I.25 - I.27), obținute în
modelul celular al soluților ternare [36].
Concentrațiile molare 1x și ponderile medii statistice 1p ale moleculelor de solvent
activ în prima sferă de solvatare a moleculei de rodamină B au fost calculate pe baza
modelului celular al soluțiilor ternare.
Numerele de undă în maximul benzii de absorbție ale soluțiilor ternare de rodamină B
+ metanol (1) + apă (2) cresc când fracția molară a metanolului crește (tabelul VII.19).
Tabelul VII.19. Concentrația de metanol în (%), fracția molara x1, υ (cm-1), ponderea
statistică medie de metanol p1 în prima sferă de solvatare, funcția de exces δ1, parametrii π*,
β și α pentru soluțiile ternare de Rodamină B + metanol (1) + apă (2)
6. C. Moroşanu, A.C. Benchea, D. Babușcă, D.G. Dimitriu, D.O. Dorohoi, Quantum
Mechanical Characterization And Solvatochromic Study Of Quercetine, Analitycal
Letters, 2017, 50 (17), 2725-2739.
7. D.O.Dorohoi, I. Dumitraşcu, L. Dumitraşcu, A.C. Benchea, External electric fields
action on liquid crystalline layers, modifying their degree of order, UPB Sci. Bull. Series
A, 79(2), 2017,275-284.
8. L. Popescu, G. Ababei, D. Babușcă, D. Creangă, C.A. Benchea, N. Lupu, L. Oprica,
Spectral investigations of surface plasmon resonance bands of silver nanoparticles
capped with gallic acid, Conference Proceedings (ICNBME 2019), 2019, 305-309
Lista de lucrări publicate în reviste științifice cotate BDI/B+1. A.C. Benchea, D. Grebinişan, C. Cheptea, V. Cloşca, V. Sunel, D.O. Dorohoi, Synthesis
and molecular modelling characterization of
N-[p-methylsalicyl-amidosulfonyl)-benzoyl-L-glutamine, Buletinul Institului Politehnic din