Made available in DSpace on 2014-06-12T23:15:42Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo9254_1.pdf: 4805695 bytes, checksum: 02281e49f866827939f01754c06d0680 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2007 / Desde a sua concepção em 1994, o modelo Sparkle vinha sendo utilizado apenas para o cálculo das geometrias do estado fundamental de complexos de Eu(III). Nesta tese, apresentamos os modelos Sparkle/AM1 e Sparkle/PM3 que podem ser considerados um novo paradigma para o cálculo químico quântico de complexos de lantanídeos, uma vez que as parametrizações de ambos os modelos, para todos os íons lantanídeos trivalentes, foram realizadas de uma maneira muito mais robusta, com o propósito de gerar modelos capazes de gerar resultados muito mais exatos. No processo de parametrização destes modelos, dois aspectos são de fundamental importância: (i) a escolha de um conjunto de treinamento capaz de representar bem o nosso universo de 670 estruturas de complexos de lantanídeos e (ii) a escolha de uma função resposta capaz de possibilitar a reprodução satisfatória das propriedades de interesse, que no nosso caso foram comprimentos e ângulos de ligação envolvendo o íon metálico. Durante o procedimento de parametrização do modelo Sparkle/AM1 para o íon Eu(III), o primeiro dos lantanídeos a ser parametrizado, inúmeros testes foram realizados e cada termo da função resposta foi exaustivamente analisado até que conseguíssemos encontrar um conjunto de parâmetros que tornasse o nosso método realmente robusto. Com o mesmo procedimento utilizado na obtenção dos parâmetros do íon Eu(III), nós parametrizamos os modelos Sparkle/AM1 e Sparkle/PM3 para todos os outros ions lantanídeos trivalentes. A análise dos resultados mostrou que ambos os modelos Sparkle/AM1 e Sparkle/PM3 apresentaram erros médios absolutos igual a 0,07 Å para o cálculo das distâncias lantanídeo átomo ligante, que são as distâncias utilizadas nos estudos de campo ligante e no cálculo de propriedades luminescentes de tais complexos. Também investigamos a capacidade de predição do poliedro de coordenação de complexos de lantanídeos usando metodologias ab initio/ECP. Nossos resultados indicam que, ao contrário do que seria de esperar, a metodologia RHF/STO-3G/ECP aparece como sendo a mais eficiente em reproduzir o poliedro de coordenação de estruturas cristalográficas de complexos de lantanídeos. Alem disso, o aumento do nível de correlação (RHF, B3LYP, MP2-full) e/ou o aumento da função de base geralmente piora a exatidão da geometria do poliedro de coordenação de complexos de lantanídeos. Também observamos que os modelos Sparkle/AM1 e Sparkle/PM3 apresentam exatidão no cálculo do poliedro de coordenação desses complexos igual ou superior à apresentada pela metodologia ab initio que levou aos melhores resultados. No entanto, vale ressaltar que os modelos Sparkle são centenas de vezes mais rápidos em termos computacionais

Interest in the synthesis of novel luminescent lanthanide complexes stems from the wide area of application in various fields of science. Thus, the theoretical design becomes an important tool in the search for efficient luminescent complex. Within this context, emerged the Sparkle model that were developed for predicting the ground state geometries of lanthanide complexes. In this work we present a new parameterization of the ion Eu (III) for the AM1 and RM1 semiempirical methods, with the explicit inclusion of orbitals s, p and d in the basis set. With this reasoning, we have limitations in the calculation of lanthanide complexes in the solvent with MOPAC and initiate an improvement in the description of links that show the highest degree of covalency. The parameterization process of this model had a robust statistical analysis to select the set of parameterization, since our whole universe has 144 structures of lanthanide complexes. Thus, we used two methods to identify the structures that should be part of the parameter set: (i) the method of hierarchical grouping known as AGNES and (ii) the DIANA method. The models that we developed (AM1/Eu and RM1/Eu) showed an improvement compared to the versions of the Sparkle model, considering the low average absolute errors for the distances Eu L (L = O, N, C, S, P, F, Cl, Br and Eu), maintaining the commitment to the low computational cost involved in performing the calculations of the geometries of the ground state. We also investigated the accuracy of quantum-chemical methods in the reproduction of the coordination polyhedron of lanthanide ion complexes. We compared semiempirical methods (the PCC approach and Sparkle model) and also those with the ab initio methodology RHF/ECP/STO-3G. After this study, we conclude that the only semiempirical Sparkle model (hundreds of times faster) present similar accuracy to what can be obtained by present-day ab initio/ECP full geometry optimization calculations on such lanthanide complexes. In addiction it further indicates that the PCC approach is inappropriate to predict the coordination polyhedron geometries of lanthanide complexes. / O interesse na síntese de novos complexos de lantanídeos luminescentes advém da vasta área de aplicação em diversos campos da ciência. Deste modo, o design teórico torna-se uma importante ferramenta na busca de eficientes complexos luminescentes. Dentro desse contexto, surgiram as versões do modelo Sparkle que foram desenvolvidas para a predição da geometria do estado fundamental de complexos de lantanídeos. Nesta dissertação, buscaremos parametrizar o íon Eu(III) para os métodos semiempíricos AM1 e RM1, com a inclusão explícita de orbitais do tipo s, p e d no conjunto de base. Com essa fundamentação, acabamos com limitações no cálculo de complexos lantanídicos em meio solvente com o MOPAC e iniciamos uma melhoria na descrição de ligações com grau de covalência mais elevados. O processo de parametrização deste modelo contou com uma análise estatística robusta para a seleção do conjunto de parametrização, uma vez que o nosso conjunto universo apresenta 144 estruturas de complexos de európio. Desta forma, utilizamos dois métodos para identificar as estruturas que deveriam fazer parte do conjunto de parametrização: (i) o método hierárquico de agrupamento conhecido como AGNES e (ii) o método de desagrupamento DIANA. Os modelos que desenvolvemos (AM1/Eu e RM1/Eu) mostraram uma evolução em relação às versões do modelo Sparkle, tendo em vista os baixos erros médios absolutos para as distâncias Eu L, (L = O, N, C, S, P, F, Cl, Br e Eu), mantendo o compromisso com o baixo custo computacional envolvido na execução dos cálculos das geometrias do estado fundamental. Também investigamos a exatidão dos métodos químico-quânticos na reprodução do poliedro de coordenação de complexos de íons lantanídeos. Nós comparamos métodos semiempiricos (a abordagem PCC e o modelo Sparkle) e ainda esses com a metodologia ab initio RHF/ECP/STO-3G. Após este estudo, concluímos que a abordagem PCC é ineficiente para reproduzir o poliedro de coordenação cristalográfico desses complexos. Os resultados obtidos confirmaram também que os modelos Sparkle apresentam exatidão semelhante, à que pode ser obtida pela otimização completa da geometria, utilizando as atuais metodologias ab initio/ECP.

Lanthanide-containing systems have many applications, which extend from the biomedical field to optical images areas. Because of that, such systems have attracted the attention of several research groups around the world. It is indisputable that theoretical tools can provide useful information for the understanding of the phenomena that are not easily explained by using only experimental data. Moreover, the theoretical tools are useful for design new systems. Although several tools for the study of lanthanide complexes have been developed since the early 90 s, their use is still limited on account of these tools not being implemented into a userfriendly, free of charge computational package for the scientific community. In this context, the development of LUMPAC (LUMinescence PACkage) is inserted. With this new tool, we hope to enable experimental research groups to use theoretical tools on projects involving systems that contain lanthanide ions. In this dissertation, the methods implemented into LUMPAC are described in detail, given the user a good understanding of them. A short description on LUMPAC is introduced to provide an overview of the features that are implemented in the package. Furthermore, a detailed manual treating all the modulus of LUMPAC is available as an appendix. The LUMPAC project started in 2008. During its development, the program was applied in many different kinds of study involving lanthanide systems, as will be shown in a chapter of this dissertation. The network of collaboration among the Pople Laboratory with some research groups of prestigious universities allowed all these applications. This way, it is then possible to have an idea about some kinds of study in which the program can be applied. So far, LUMPAC is the only software that enables the study of luminescent properties of lanthanide-containing systems, being available free of charge at the following site: http://www.lumpac.pro.br. / Os sistemas contendo íons lantanídeos apresentam diversas aplicações, as quais se estendem desde a área biomédica até a de imagem ótica. Em decorrência disso, a busca por tais sistemas tem atraído a atenção dos mais diversos grupos de pesquisa em todo o mundo. É incontestável que as ferramentas teóricas podem fornecer informações úteis para o entendimento de fenômenos que não são explicados simplesmente com base em dados experimentais. Além disso, as ferramentas teóricas são úteis para o planejamento de novos sistemas. Apesar de diversas ferramentas para o estudo de compostos lantanídicos terem sido desenvolvidas desde o início da década de 90, o seu uso ainda é limitado devido ao fato dessas ferramentas não estarem implementadas em um pacote computacional de fácil uso e disponível gratuitamente para a comunidade científica. É nesse contexto em que o desenvolvimento do LUMPAC (LUMinescence PACkage) está inserido. Com o LUMPAC espera-se difundir o uso de tais métodos teóricos por grupos de pesquisa, sobretudo os experimentais, que concentram seus esforços em entender e projetar novos dispositivos luminescentes a base de lantanídeos. Nesta dissertação, as metodologias que estão implementadas no LUMPAC encontram-se apresentadas de maneira pormenorizada, conferindo ao usuário do software uma maior transparência com relação aos métodos. Uma descrição geral do LUMPAC é apresentada com a finalidade de fornecer uma ideia geral dos recursos que já estão implementados no pacote. Além do mais, um manual bastante detalhado tratando todos os módulos que compreendem o programa é disponibilizado como anexo. O projeto de desenvolvimento do LUMPAC teve início em 2008. Durante o processo de desenvolvimento do pacote, o programa encontrou uma vasta área de aplicação decorrente da rede de colaboração entre o laboratório Pople com alguns grupos de pesquisa de universidades renomadas do país. Através da apresentação dessas aplicações é possível ter uma ideia acerca dos diversos tipos de estudos em que o programa pode ser aplicado. Até o momento, o LUMPAC é o único software desenvolvido que permite o estudo de propriedades luminescentes de sistemas contendo íons lantanídeos, sendo disponibilizado gratuitamente no seguinte endereço eletrônico: http://www.lumpac.pro.br.

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1246890 bytes, checksum: d8de4e92a3d9c573a9ad39ccb546aa71 (MD5) Previous issue date: 2008-11-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Lanthanide macrocyclic complexes, especially containing Gd(III) ions, are largely used as contrast agents in the medical diagnostic technique named Magnetic Resonance Imaging (MRI). Theoretical investigation of these compounds by molecular modeling methods is an emerging research area today. In this work we have performed a conformational study of the following supramolecular compounds: the macrocyclic ligands 1,4,7,10- tetraazacyclododecane (DOTA) and 1,4,7,10-tetraazacyclododecane- 1,4,7,10-tetraacetic acid (H4DOTA) and the macrocyclic complexes [Gd(DOTA).H2O]- and Gd(PhenHDO3A).H2O, where PhenHDO3A is (rel-10- [(5R,6R)-5,6-dihydro-6-hydroxy-1,10-Phenanthroline-5-yl)-1,4,7,10- tetraazacyclododecane-1,4,7-triacetic acid). For this, we have developed and carried out a procedure that involves: (1) the sampling of the conformation space of these compounds through some short molecular dynamics at different temperatures and (2) full geometry optimization in the geometries obtained in the previous stage using semi-empirical AM1 method for the macrocyclic ligands and Sparkle/AM1 model for the macrocyclic lanthanide complexes. Our results revealed that the high flexibility of non-coordinated macrocyclic ligands DOTA and H4DOTA, helped us to test the ability of our methodology to sample different regions of conformation space of these compounds. For the [Gd(DOTA).H2O]- complex, we were capable to find the same conformational isomers which were reported in published works as well as to comprehend relevant details about the mobility of the coordinated water molecule. Furthermore, we also were capable to identify some intermediate local minima related to the dynamics of rotation of the coordinated acetate groups in the studied complexes as well as to the dynamics of ring inversion of the coordinated tetraazadodecane moiety in the Gd(PhenHDO3A).H2O. In conclusion, we possess now an interesting strategy to conduct the search for conformational isomers of these compounds. This knowledge is very important to be applied in the rational design of new molecules to act as contrast agent in MRI. / Complexos macrocíclicos de lantanídeos, em especial com o íon Gd(III), são cada vez mais utilizados como agentes de contrastes na técnica médica de diagnóstico, imagem por ressonância magnética nuclear (MRI). O estudo teórico de novos agentes de contrastes através de modelagem molecular é uma área de pesquisa em grande expansão. No nosso trabalho fizemos um estudo conformacional dos seguintes compostos supramoleculares: os ligantes macrocíclicos 1,4,7,10- tetraazaciclododecano (DOTA) e ácido 1,4,7,10-tetraazaciclododecano- 1,4,7,10-tetraacético (H4DOTA), o complexo macrocíclico [Gd(DOTA)H2O]- e o complexo macrocíclico Gd(PhenHDO3A).H2O, onde PhenHDO3A é (rel-10-[(5R,6R)-5,6-dihidro-6-hidroxi-1,10-fenantrolina-5- il)-1,4,7,10-tetraazaciclododecano-1,4,7-ácido triacético). Para isso, elaboramos e executamos um procedimento que envolve o mapeamento ou amostragem do espaço conformacional desses compostos através de dinâmicas moleculares curtas em diferentes temperaturas para em seguida, essas geometrias serem usadas como pontos de partida para otimização de geometria usando tanto o método semi-empírico AM1 quanto o modelo Sparkle/AM1. Como resultado, podemos citar que a elevada flexibilidade dos ligantes macrocíclicos não coordenados DOTA e H4DOTA, serviu para testar a capacidade da nossa metodologia de visitar regiões distintas do espaço conformacional. Para o complexo [Gd(DOTA)H2O]-, conseguimos encontrar os mesmos isômeros conformacionais que já são reportados em outros estudos, bem como revelar detalhes relativos à mobilidade da molécula de água coordenada. Além disso, conseguimos identificar mínimos locais intermediários que estão relacionados com a dinâmica de rotação dos grupos acetato em ambos os complexos e a dinâmica de inversão do anel tetraazadodecano no complexo Gd(PhenHDO3A).H2O. A relevância desse trabalho está apoiada no fato de que agora temos uma estratégia interessante para realizar a busca de isômeros conformacionais desses compostos, sendo essas informações, muito importantes quando se deseja projetar uma nova molécula para atuar como agente de contraste em MRI.