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Previous issue date: 2017-11-30 / Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is one powerful experimental techniques for
obtaining three-dimensional structures of complex molecules, mainly for the analysis of the
relative and absolute configurations of organic compounds. For this reason, this has become one
of the most promising tools in the field of chemistry. From the theoretical point of view,
advanced computational protocols have been developed for calculating NMR, mainly 1 H and 13 C,
parameters of isolated molecules, in which the environmental effects are neglected. These
effects are predominantly related to the inherently large size of such systems, making
conventional ab initio theories either very computationally demanding or even prohibitive.
Despite the current advances in spectroscopic techniques, instances of revision of structures
erroneously established for natural products are still common in the literature. Therefore, it is
still necessary the development of quantum-chemical protocols that may assist in the correct
structural determination of these compounds. This work aimed to generate a universal scaling
factor, based on a linear regression, for the calculation of 13 C NMR chemical shifts for rigid
molecules, which has low computational cost and great accuracy to aid in the structural
determination of natural products. So, 22 small molecules, whose chemical shifts were obtained
experimentally, were selected and submitted to randomized conformational searches using
Monte Carlo method and MMFF force field. The most significant conformations for each
compound were selected to energy minimization calculations carried out at the PM7 level of
theory, followed by vibrational frequency calculations at the same level. The 13 C chemical shifts
were calculated using the GIAO-mPW1PW91/3-21G level of theory. Scaled chemical shifts
(δesc) were obtained according to the relation δ esc = 1,14 δ cal – 4,71. The robustness of the new
protocol and its applicability to practical problems was evaluated by the calculation of the
chemical shifts for two natural compounds with biological and therapeutic interest: tryptanthrin
and (-)-loliolide. In order to test the application of the created scaling factor to problems related
to stereochemistry, we investigated its ability to differentiate pentacyclic triterpenes
regioisomers. Thus the 13 C NMR chemical shifts of the α-amirin, β-amirin, glutinol, α-amirin
acetate, β-amirin acetate and glutinyl acetate molecules were calculated and scaloned. Our
results show that the GIAO-mPW1PW91/3-21G//PM7 level of theory applied to the calculations,
together with the use of the scaling factor, is an efficient and low-cost tool as an alternative to
computational requirement approaches, usually applied to the calculation of 13 C NMR chemical
shifts. / A espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) é uma técnica experimental
poderosa para a obtenção de estruturas tridimensionais de moléculas complexas,
principalmente para a análise das configurações relativas e absolutas de compostos orgânicos.
Por esta razão, esta se tornou uma das ferramentas mais promissoras no campo da química. Do
ponto de vista teórico, protocolos computacionais avançados foram desenvolvidos para o cálculo
de RMN, principalmente de 1 H e 13 C, parâmetros de moléculas isoladas, em que os efeitos do
meio ambiente são negligenciados. Estes efeitos são predominantemente relacionados com o
tamanho inerentemente elevado de tais sistemas, tornando teorias convencionais ab initio
computacionalmente muito exigentes ou mesmo inviáveis. Apesar dos recentes avanços em
técnicas espectroscópicas, casos de revisão de estruturas de produtos naturais erroneamente
estabelecidas ainda são encontrados na literatura. Portanto, é necessário o desenvolvimento de
protocolos de cálculos quânticos que possam auxiliar na determinação estrutural correta destes
compostos. Neste trabalho buscou-se gerar um fator de escalonamento universal, baseado emuma regressão linear, para o cálculo de deslocamentos químicos de RMN de 13 C, para moléculas
rígidas, com baixo custo computacional e grande acurácia para auxiliar na determinação
estrutural de produtos naturais. Para tal, 22 pequenas moléculas, cujos deslocamentos químicos
foram obtidos experimentalmente, foram selecionadas e submetidas a buscas conformacionais
estocásticas utilizando o método de Monte Carlo e o campo de forças MMFF. As conformações
de menor energia de cada molécula foram selecionadas para a etapa de otimização de
geometria, realizada no nível PM7, seguido por cálculos de frequência vibracional em mesmo
nível. Os deslocamentos químicos de 13 C foram calculados utilizando o nível de teoria GIAO-
mPW1PW91/3-21G. Já os deslocamentos químicos escalonados (δ esc ) foram obtidos de acordo
com a relação δ esc = 1,14 δ cal – 4,71. A robustez do novo protocolo e sua aplicabilidade a
problemas práticos foi avaliada através do cálculo de deslocamentos químicos para dois
compostos naturais com interesse biológico e terapêutico: triptantrina e loliolida. De maneira a
testar a aplicação do fator de escalonamento criado a problemas relacionados à estereoquímica
investigou-se a sua capacidade em diferenciar triterpenos pentacíclicos regioisômeros. Assim os
deslocamentos químicos de RMN de 13 C das moléculas de α-amirina, β-amirina, glutinol, acetato
de α-amirina, acetato de β-amirin e acetato de glutinila, foram calculados e escalonados. Os
resultados mostram que o nível de teoria GIAO-mPW1PW91/3-21G//PM7 aplicado para os
cálculos, juntamente com a utilização do fator de escalonamento se mostra uma ferramenta
eficaz e de baixo custo como uma alternativa para abordagens de exigência computacional, que
são usualmente aplicados para a obtenção de cálculo de deslocamentos químicos de RMN de
13
C.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.bc.ufg.br:tede/8062 |
| Date | 30 November 2017 |
| Creators | Rocha, Rênica Alves de Morais |
| Contributors | Costa, Fabio Luiz Paranhos, Costa, Fabio Luiz Paranhos, Mota, Gunar Vingre da Silva, Nebo, Liliane |
| Publisher | Universidade Federal de Goiás, Programa de Pós-graduação em Ciências Aplicadas a Saúde (RJ), UFG, Brasil, Regional Jataí (RJ) |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFG, instname:Universidade Federal de Goiás, instacron:UFG |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | -891722852459007405, 600, 600, 600, -7730867143693479402, 8765449414823306929 |
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