Made available in DSpace on 2014-07-29T15:07:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Orlei Luiz dos Santos.pdf: 953529 bytes, checksum: 9ae33a7c834d1eff1f7b0fdf621d088c (MD5) Previous issue date: 2010-07-27 / In this work we study the electric properties of mesoionic compounds in the gaseous phase in different solvents, with a special attention to the first hyperpolarizability (β ). The Hartree-Fock (HF) method and the second-order Møller Plesset perturbation theory (MP2) were used to describe the electronic structure. The solvent effects were modelled using the selfconsistent reaction field approach with the Polarizable Continuum Model (PCM) and the electric properties were calculated numerically with the finite field method and analytically with the coupled perturbed Hartree-Fock (CPHF) procedure. The results obtained show the importance of inclusion of the solvent effects with significant alteration in the values of the electric properties as compared with the results in the gaseous phase. Nevertheless, such properties are almost not affected by changes in the solvent polarity. Comparisons between the HF and MP2 results indicate that the first hyperpolarizability is particularly sensitive to the inclusion of the electron correlation effects. In addition, a substantial increase in the β values is observed with the incorporation of a strong electron acceptor group. / Neste trabalho estudamos as propriedades elétricas de compostos mesoiônicos em fase gasosa e em diferentes solventes, com uma atenção especial para a primeira hiperpolarizabilidade (β ). Utilizamos o Método de Hartree-Fock (HF) e a Teoria de Perturbação de Møller-Plesset de segunda ordem (MP2) para descrição da estrutura eletrônica. Os efeitos de solvente foram tratados por meio do Modelo Contínuo Polarizável e os cálculos das propriedades elétricas foram realizados usando os métodos de Campo Finito e de Perturbação Acoplada de Hartree-Fock. Os resultados obtidos mostram a importância da inclusão dos efeitos de solvente com significativas alterações nos valores das propriedades elétricas quando se compara com os resultados em fase gasosa. Entretanto, tais propriedades quase não são afetadas por mudanças na polaridade do solvente. Comparações entre os resultados MP2 e HF indicam que a primeira hiperpolarizabilidade é particularmente sensível à inclusão dos efeitos de correlação eletrônica. Adicionalmente, um aumento substancial nos valores de β é observado com a incorporação de um grupo com um forte caráter aceitador de elétrons.

Betalaínas são alcalóides coloridos e com alta capacidade antioxidante que são encontrados em plantas e fungos. A biossíntese destes produtos naturais baseia-se na conversão enzimática da L-tirosina em ácido betalâmico e na condensação aldimínica deste com aminoácidos. A semissíntese de betalaínas naturais para aprofundar o estudo desta classe de pigmentos estimulou o desenvolvimento de betalaínas artificiais, incluindo derivados funcionais. Uma betalaína cumarínica foi criada para ser usada como sonda fluorescente para marcação de Plasmodium falciparum em glóbulos vermelhos. Esta Tese de Doutorado apresenta a semissíntese e estudo de três betalaínas cumarínicas (cBeets) e uma carboestiril-betalaína (csBeet). Procurou-se estabelecer relações entre as estruturas destes compostos e suas propriedades físico-químicas e fotofísicas como ponto de partida no desenvolvimento de uma nova classe de betalaínas funcionais. São apresentados dados sobre a lipofilicidade, estabilidade frente à hidrólise, potencial redox, absorção de um e dois fótons e fluorescência. Interações intermoleculares destes compostos foram investigadas por medidas de fluorescência em misturas binárias de solventes polares, albumina sérica bovina e micelas reversas de AOT em heptano/água. / Instituto de Química, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2017. Betalains are colorful alkaloids with high antioxidant capacity that are found in plants and fungi. The biosynthesis of these natural products is based on the enzymatic conversion of L-tyrosine into betalamic acid and aldimine condensation thereof with amino acids. The semisynthesis of natural betalains improved the knowledge on this class of pigments and stimulated the development of artificial betalains, including functional derivatives. A coumarinic betalain was created to be used as a fluorescent label for Plasmodium falciparum on red blood cells. This Doctoral Thesis presents the semisynthesis and study of three coumarin betalains (cBeets) and one carbostyril betalain (csBeet). It was sought to establish relationships between the structures of these compounds and their physical-chemical and photophysical properties as a starting point in the development of a new class of functional betalains. Data on lipophilicity, hydrolysis stability, redox potential, one- and two-photon absorption and fluorescence are presented. Intermolecular interactions of these compounds were investigated by fluorescence measurements in binary polar solvent mixtures, bovine serum albumin and AOT reverse micelles in heptane/water.

Neste trabalho estudamos o espectro de absorção da clorofila d, incluindo os efeitos do solvente metanol, utilizando a Teoria do Funcional da Densidade Dependente do Tempo em combinação com o método s-QM/MM. Diferentes abordagens para a descrição do meio solvente, que vão desde o modelo contínuo polarizável até a inclusão de moléculas explícitas do solvente, são utilizadas. Observamos que a inclusão do solvente desloca o espectro, em relação ao calculado em vácuo, para o vermelho. A inclusão de 20 moléculas explícitas de metanol e 880 representadas como as cargas pontuais do seus átomos para a descrição do meio solvente foi a que melhor concordou com os valores experimentais. Mediante cálculos de mecânica quântica obtivemos para o complexo composto por a molécula de clorofila d e apenas uma de metanol explícita um deslocamento do átomo de magnésio da clorofila d em relação ao anel de 0,31 Å. Mediante a analise da função de distribuição radial de pares obtida da simulação clássica comprovamos que esse átomo de magnésio é penta-coordenado. Além disso, é usada uma estrutura simplificada da clorofila d baseado na localização dos orbitais moleculares participantes das transições eletrônicas com o objetivo de diminuir o custo computacional dos cálculos de mecânica quântica. Os espectros calculados para a clorofila d não apresentaram diferenças significativas com os calculados para a simplificação proposta. Como complementação o espectro Raman da clorofila d isolada é calculado mediante DFT e alguns dos modos normais são caracterizados. / In this work we study the absorption spectrum of chlorophyll d, including the effects of the solvent methanol, using the Time Dependent Density Functional Theory in combination with the method s-QM/MM. Different approaches for the description of the solvent medium, ranging from the polarizable continuum model to the inclusion of explicit solvent molecules, are used. We note that the inclusion of solvent shifts the spectrum, relative to that calculated in vacuum, to the red side of the spectrum. The inclusion of 20 explicit molecules of methanol and 880 represented as point charges of their atoms for the description of the solvent medium was the one that best agreed with the experimental values. By quantum mechanics calculations we obtained for the complex composed of the molecule of chlorophyll d and only one explicit methanol molecule a displacement of the magnesium atom of chlorophyll d in relation to the ring of 0,31 Å. By means of the analysis of the radial distribution function obtained from the classic simulation we can see that this atom of magnesium is penta-coordinated. In addition, a simplified structure of chlorophyll d is used based on the location of the molecular orbitals involved in the electronic transitions in order to reduce the computational cost of quantum mechanics calculations. The spectra calculated for chlorophyll d did not show significant differences with those calculated for the proposed simplification. As a complement the Raman spectrum of isolated chlorophyll d is calculated by DFT and some of the normal modes are characterized.

Um procedimento baseado no uso sequencial de simulação Monte Carlo e cálculos de Mecânica Quântica é proposto e usado para o tratamento de efeitos de solvente, com especial atenção parao sovatocromismo no espectro de absorção molecular. A ideia básica é realizar simulações clássicas com o método Monte Carlo para gerar estruturas supermoleculares do sistema em solução e em seguida tratar estas supermoléculas (soluto, solvente e suas interações) com cálculos quânticos. Um modelo totalmente discreto do solvente é utilizado e, portanto, o uso de meios dielétricos contínuos é dispensado. Neste procedimento, as supermoléculas são compostas por uma molécula do soluto rodeada pela primeira camada de solvatação definida através da função distribuição. Os efeitos de solvente são calculados usando médias configuracionais sobre estruturas supermoleculares descorrelacionadas obtidas através de análises estatísticas das simulações. Como aplicação, os deslocamentos espectrais da primeira banda de absorção do benzeno 1B2u(- *), devido a presença de diversos solventes, foram analisados e calculados. Boa concordância com os resultados experimentais foram obtidos. / A approach based on the sequential use of Monte Carlo simulation and Quantum Mechanics is proposed and use for the treatment of solvent effects with special attention to solvatochromic shifts. The basic Idea is to perform a classical Monte Carlo simulation to generate supermolecular structures of the system, then to treat these supermolecules (solute, solvent and all its interaction) by quantum mechanics. This is a totally discrete modelo f the solvent that avoids the use of a dielectric continuum. In this approach, the supermolecules are composed by the solute molecule surrounded by the first solvation Shell as determined by the distribution function. The solvent effects are calculated using ensemble average over uncorrelated supermolecular structures obtained by statistical analysis. As na application, the spectral shifts of the 1B2u(- *) trnsition of benzene in different solvents are investigated. Good agreement with the experimental results are obtained.

Ressonância magnética nuclear é particularmente útil na caracterização de síntese molecular. Quase todos os compostos moleculares de interesse contêm átomos de nitrogênio e oxigênio em sua estrutura. Como esses elementos químicos costumam desempenhar funções estratégicas em reações e interações intra e intermoleculares, seus espectros NMR têm particular interesse. Com foco na blindagem magnética nuclear e no acoplamento entre spins nucleares, investigamos a dependência dessas constantes magnéticas com relação ao meio. A polarização eletrônica e relaxação geométrica do soluto, devido à presença do solvente, foram sistematicamente consideradas utilizando um tratamento sequencial QM/MM. Nossas observações gerais mostram que efeitos de relaxação de geometria mediados pelo meio têm pouca influência sobre o mecanismo da blindagem magnética nuclear, pelo menos quanto aos sistemas aqui investigados. Em contrapartida, os efeitos da polarização eletrônica são cruciais sobre essa propriedade molecular. Para o nitrogênio em piridina, amônia e formamida, por exemplo, as contribuições isoladas provenientes da relaxação geométrica são da ordem de 1,2 ppm. Note-se que este efeito é muito pequeno se considerarmos que com frequência são observados desvios gás-líquido da ordem de -26 ppm para o nitrogênio. Sobre o oxigênio, esses efeitos podem chegar até 100 ppm. Assim, é crucial entender as origens desses efeitos se desejamos utilizar corretamente espectroscopia RMN em caracterização molecular. Relevantes contribuições para a blindagem magnética têm origens em interações específicas entre soluto e solvente, como ligações de hidrogênio, as quais apenas podem ser isoladas e quantificadas através de modelagem molecular. Sistematicamente constatamos que a blindagem magnética é drasticamente afetada pelo caráter doador ou aceitador do sítio atômico envolvido em ligações de hidrogênio. Com respeito ao nitrogênio, nossos resultados indicam que o comportamento aceitador de hidrogênio de um elemento é responsável por um desvio gás-líquido positivo, enquanto que o caráter doador causa um desvio negativo. Nossas investigações também mostram que a blindagem magnética nuclear é independente com relação à hibridização do nitrogênio e oxigênio, indicando que as contribuições principais têm origens em interações específicas soluto-solvente, as quais devem ser corretamente modeladas. Investigamos sistematicamente os efeitos do solvente sobre o acoplamento indireto entre spins nucleares em amônia líquida. Embora a polarização do soluto seja realmente importante, para essa propriedade há outras contribuições fundamentais. Sem considerar efeitos de geometria, calculamos o acoplamento ANTPOT. 1 J(N-H) como -67,8 Hz. Após incluir esses efeitos, conseguimos uma descrição teórica mais apurada, obtendo um acoplamento de -63,9 Hz. Esses resultados mostram que efeitos de relaxação geométrica mediado pelo meio têm grande influência sobre o acoplamento indireto entre spins nucleares. / Nuclear magnetic resonance is helpful on molecular characterization. Most organic molecular compounds of interest contain nitrogen or oxygen atoms which play strategic functions in chemical reactions and molecular interactions. The NMR technique provides local atomic scale information on molecular properties, thus the study of nuclear magnetic properties of these elements in molecules is of particular interest. Focusing on nuclear magnetic shielding and spin-spin coupling constants we investigated the dependence of these magnetic constants with respect to the medium. Electronic polarization and geometry relaxation effects due to solvent were systematically studied. Our general findings indicate that geometry contributions are negligible in understanding the variation of shielding constants of the investigated systems, but polarization effects are crucial for this molecular property. On nitrogen in pyridine, ammonia and formamide, for instance, isolated contributions from geometry relaxation to shielding constants are around 1,2 ppm. Nitrogen shielding constants are very sensitive to the medium, where solvent effects around -26 ppm are often observed. On oxygen-17 magnetic shielding, the solvent effects can easily reach 100 ppm. It is crucial to understand the origins of these effects if one desires to correctly use NMR spectroscopy for molecular characterization. Our investigations also show that magnetic shielding constants are totally independent of the nitrogen or oxygen hybridization, which indicated that the main contributions arise from solute-solvent interactions. Relevant contributions to shielding constants come from specific solute-solvent interactions like hydrogen-bonds, which can only be quantified by explicit molecular modeling, and we observed that this property has a very strong dependence on the donor or acceptor character of the atomic site involved in hydrogen-bonding interactions. On nitrogen, the acceptor behavior is responsible by the positive gas-liquid shift in shielding constants, while the donor character causes positive shift. We systematically investigated the solvent effects on indirect spin-spin coupling constants of liquid ammonia. Solute polarization is very important, but there are other fundamental contributions to this property. Without including geometry effects we calculated the 1J (N-H) coupling to be -67,8 Hz. After accounting for the solute geometry relaxation we improved the theoretical prediction obtaining the coupling constant value of -63,9 Hz. These results show that geometry relaxation has drastic influence on indirect spin-spin coupling constants.

Ressonância magnética nuclear é particularmente útil na caracterização de síntese molecular. Quase todos os compostos moleculares de interesse contêm átomos de nitrogênio e oxigênio em sua estrutura. Como esses elementos químicos costumam desempenhar funções estratégicas em reações e interações intra e intermoleculares, seus espectros NMR têm particular interesse. Com foco na blindagem magnética nuclear e no acoplamento entre spins nucleares, investigamos a dependência dessas constantes magnéticas com relação ao meio. A polarização eletrônica e relaxação geométrica do soluto, devido à presença do solvente, foram sistematicamente consideradas utilizando um tratamento sequencial QM/MM. Nossas observações gerais mostram que efeitos de relaxação de geometria mediados pelo meio têm pouca influência sobre o mecanismo da blindagem magnética nuclear, pelo menos quanto aos sistemas aqui investigados. Em contrapartida, os efeitos da polarização eletrônica são cruciais sobre essa propriedade molecular. Para o nitrogênio em piridina, amônia e formamida, por exemplo, as contribuições isoladas provenientes da relaxação geométrica são da ordem de 1,2 ppm. Note-se que este efeito é muito pequeno se considerarmos que com frequência são observados desvios gás-líquido da ordem de -26 ppm para o nitrogênio. Sobre o oxigênio, esses efeitos podem chegar até 100 ppm. Assim, é crucial entender as origens desses efeitos se desejamos utilizar corretamente espectroscopia RMN em caracterização molecular. Relevantes contribuições para a blindagem magnética têm origens em interações específicas entre soluto e solvente, como ligações de hidrogênio, as quais apenas podem ser isoladas e quantificadas através de modelagem molecular. Sistematicamente constatamos que a blindagem magnética é drasticamente afetada pelo caráter doador ou aceitador do sítio atômico envolvido em ligações de hidrogênio. Com respeito ao nitrogênio, nossos resultados indicam que o comportamento aceitador de hidrogênio de um elemento é responsável por um desvio gás-líquido positivo, enquanto que o caráter doador causa um desvio negativo. Nossas investigações também mostram que a blindagem magnética nuclear é independente com relação à hibridização do nitrogênio e oxigênio, indicando que as contribuições principais têm origens em interações específicas soluto-solvente, as quais devem ser corretamente modeladas. Investigamos sistematicamente os efeitos do solvente sobre o acoplamento indireto entre spins nucleares em amônia líquida. Embora a polarização do soluto seja realmente importante, para essa propriedade há outras contribuições fundamentais. Sem considerar efeitos de geometria, calculamos o acoplamento ANTPOT. 1 J(N-H) como -67,8 Hz. Após incluir esses efeitos, conseguimos uma descrição teórica mais apurada, obtendo um acoplamento de -63,9 Hz. Esses resultados mostram que efeitos de relaxação geométrica mediado pelo meio têm grande influência sobre o acoplamento indireto entre spins nucleares. / Nuclear magnetic resonance is helpful on molecular characterization. Most organic molecular compounds of interest contain nitrogen or oxygen atoms which play strategic functions in chemical reactions and molecular interactions. The NMR technique provides local atomic scale information on molecular properties, thus the study of nuclear magnetic properties of these elements in molecules is of particular interest. Focusing on nuclear magnetic shielding and spin-spin coupling constants we investigated the dependence of these magnetic constants with respect to the medium. Electronic polarization and geometry relaxation effects due to solvent were systematically studied. Our general findings indicate that geometry contributions are negligible in understanding the variation of shielding constants of the investigated systems, but polarization effects are crucial for this molecular property. On nitrogen in pyridine, ammonia and formamide, for instance, isolated contributions from geometry relaxation to shielding constants are around 1,2 ppm. Nitrogen shielding constants are very sensitive to the medium, where solvent effects around -26 ppm are often observed. On oxygen-17 magnetic shielding, the solvent effects can easily reach 100 ppm. It is crucial to understand the origins of these effects if one desires to correctly use NMR spectroscopy for molecular characterization. Our investigations also show that magnetic shielding constants are totally independent of the nitrogen or oxygen hybridization, which indicated that the main contributions arise from solute-solvent interactions. Relevant contributions to shielding constants come from specific solute-solvent interactions like hydrogen-bonds, which can only be quantified by explicit molecular modeling, and we observed that this property has a very strong dependence on the donor or acceptor character of the atomic site involved in hydrogen-bonding interactions. On nitrogen, the acceptor behavior is responsible by the positive gas-liquid shift in shielding constants, while the donor character causes positive shift. We systematically investigated the solvent effects on indirect spin-spin coupling constants of liquid ammonia. Solute polarization is very important, but there are other fundamental contributions to this property. Without including geometry effects we calculated the 1J (N-H) coupling to be -67,8 Hz. After accounting for the solute geometry relaxation we improved the theoretical prediction obtaining the coupling constant value of -63,9 Hz. These results show that geometry relaxation has drastic influence on indirect spin-spin coupling constants.