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Parâmetros anisotrópicos de RMN como ferramenta para a determinação estrutural de moléculas orgânicas

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Previous issue date: 2015-12-18 / CNPQ / Neste trabalho foram estudados parâmetros anisotrópicos de Ressonância Magnética
Nuclear, como o acoplamento dipolar residual (do inglês, Residual Dipolar Coupling –
RDC) e anisotropia do deslocamento químico residual (do inglês, Residual Chemical Shift
Anisotropy), com a finalidade de refinar a elucidação estrutural molecular. A molécula
teste escolhida para realização deste estudo foi a α-Santonina, um produto natural com
quatro estereocentros, portanto oito diastereoisômeros. Inicialmente, os sinais dos
espectros de RMN 1H e 13C foram atribuídos, com auxílio de experimentos uni e
bidimensionais. Foram realizados cálculos de mecânica molecular para determinação do
espaço conformacional de todos os diastereoisômeros, usando o campo de força
MMFF94. As estruturas obtidas, numa janela de 5 kcal/mol foram refinadas com cálculos
mecano-quânticos ao nível DFT/B3LYP/6-31G*. As anisotropias do deslocamento
químico, foram derivadas do cálculo do tensor de blindagem química calculado com o
método GIAO/PBE0/pcS-1. Os meios de alinhamento utilizados foram baseados na
metodologia dos géis indutores de alinhamento (do inglês, strain-induced alignment in a
gel – SAG), sendo avaliada a eficiência de três meios de alinhamento diferentes:
poliacrilonitrila (PAN), poliacrilamida (PH) em DMSO-d6, e polimetilmetacrilato
(PMMA) em CDCl3. O experimento realizado com o gel PAN forneceu onze valores de
RDC na faixa entre –3,2 e +5,9 Hz. O ajuste dos valores experimentais com as estruturas
otimizadas permitiu a determinação da configuração relativa correta da α-Santonina,
(5a(S/R), 9b(S/R), 3a(S/R), 3(S/R)), bem como realizar a atribuição dos deslocamentos
químicos dos hidrogênios pró-quirais do carbono-5. O experimento usando o gel PH
forneceu seis valores de RDC, na faixa de –25,5 a +12,7 Hz. A baixa qualidade dos dados
não possibilitou a determinação da configuração relativa da α-Santonina. Por fim, os
experimentos com o gel PMMA permitiram a determinação da configuração relativa e da
atribuição completa dos sinais de RMN 1H, inclusive dos hidrogênios diastereotópicos
H4α, H4β, H5α e H5β que ainda não haviam sido atribuídos na literatura. Foram
realizadas medidas de RCSA da molécula teste no gel PMMA. Os valores obtidos ficaram
na faixa de –0,05 a +0,01ppm. Com estes dados não foi possível determinar a
configuração relativa da mesma. Entretanto, foi realizado um tratamento associando os
valores de RDC e RCSA, na qual obteve-se sucesso, chegando à correta configuração
relativa com um fator Q igual a 0,606. Nesta amostra foram observados dois sinais para cada carbono, sendo um atribuído à molécula dentro do gel e outro fora do gel. Para
estudar esta observação foram realizadas medidas do tempo de relaxação longitudinal, T1,
medidas do coeficiente de difusão, bem como imagens de ressonância magnética do tubo
de RMN contendo o gel. Foram realizados diferentes cálculos de química quântica para
verificar a influência destes no resultado dos valores de RDCs e RCSAs calculados. Para
a otimização da geometria foram testadas três classes de métodos, totalizando vinte e oito
cálculos. Deste total foram realizados vinte cálculos DFT, quatro cálculos Hartree-Fock
e quatro cálculos Semi-empírico. Observou-se que a qualidade da otimização da estrutura
não apresentou grande impacto no ajuste dos dados de RDC. Entretanto, a qualidade do
ajuste obtido quando foram usados os métodos Semi-empírico foi levemente inferior. Em
relação ao RCSA foram testados três níveis de cálculo, PBE0, MP2 e B3LYP, usando
sempre o método GIAO. Foi verificada também a importância da inclusão da solvatação
implícita com clorofórmio, totalizando nove cálculos. Os resultados mostram que a
escolha do método DFT ou MP2 é relevante para os valores calculados de RCSA, por
outro lado, a escolha da base e a inclusão da solvatação exerce menor efeito. / In this work we studied the application of anisotropic parameters of Resonance Magnetic
Nuclear, namely Residual Dipolar Coupling (RDC) and Residual Chemical Shift
Anisotropy (RCSA), to the refinement of molecular structure elucidation. The test
molecule chosen for this study was α-Santonin, a natural product with four stereogenic
carbons and therefore eight possible diastereoisomeric structures. In the first step, the 1H
and 13C NMR spectra were fully assigned by a combination of 1D and 2D experiments.
The conformational space of each possible diastereoisomer was explored by means of
molecular mechanics computations using the MMFF94 force field. The obtained
structures, in an energy window of 5 kcal/mol, were refined at the DFT /B3LYP/6-31G*
level method. Chemical shielding anisotropies were derived from chemical shift tensor
computations at the DFT GIAO/PBE0/pcS-1 level on the previous B3LYP structures. The
alignment media employed in this work used were based on the methodology of straininduced
alignment in a gel (SAG). We evaluated the performance of three different gels:
polyacrylonitrile (PAN), polyacrylamide (PH) in DMSO-d6, and polymethyl
methacrylate (PMMA) in CDCl3. The experiment carried out in PAN gel provided eleven
RDC values in the range of –3.2 and +5.9 Hz. Fitting of this experimental values to the
computed structures allowed us to determine the correct relative configuration of αSantonin
as (5a(S/R), 9b(S/R), 3a(S/R), 3(S/R)), as well as the assignment of chemical
shifts of the prochiral hydrogens from carbon-5. The experiment using PH gel provided
six RDC values in the range of –25,5 a +12,7 Hz. The lower quality of these data did not
allow an unambiguous determination of the relative configuration of α-Santonin. Finally,
experiments using the PMMA gel allowed to attribute the relative configuration and the
complete assignment of NMR signals, including the diastereotopics hydrogens H4α, H4β,
H5α e H5β, that were not assigned before in the literature. We performed RCSA
measurements of the test molecule in PMMA gel. The values obtained were in the range
of -0,05 a +0,01ppm. It was not possible however to select the correct configuration of αSantonin
by fitting these RCSAs to the computed chemical shielding tensors.
Nevertheless, when RDC and RCSA values were fitted together the correct structure was
selected, arriving to the correct structure with a Q factor equal to 0.606. In this sample
was observed two signals for each carbon, being assigned to the molecule within the gel
and outside the gel. To further study this behavior were performed measurements of the
longitudinal relaxation time (T1), diffusion coefficient and magnetic resonance imaging
experiments of the gel. Different methods of quantum chemistry calculations were carried
out to evaluate their influence on the outcome of the RDC and RCSA backcalculated
values. For the geometry optimization were tested three classes of methods, totaling
twenty-eight calculations, twenty DFT based, four Hartree-Fock and four Semiempirical.
It was observed that the quality of the structure optimization does not have a strong impact
on the fitting of the RDC data. Nevertheless, slightly worse fittings were consistently
obtained when using Semiempirical geometries. Regarding the RCSAs we tested three
classes of GIAO methods: PBEO, MP2 and B3LYP. It was also evaluated the importance
of the inclusion of implicit solvation, totaling nine calculations. The results shown that
the choice of DFT or MP2 method is relevant to the RCSA back-calculated values, on the
other hand the choice of the basis set or the inclusion of solvation have small effects.

Identiferoai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufpe.br:123456789/19992
Date18 December 2015
CreatorsTELES, Rubens Rodrigues
Contributorshttp://lattes.cnpq.br/8448407032512419, HALLWASS, Fernando, VÁZQUEZ, Armando Navarro
PublisherUniversidade Federal de Pernambuco, Programa de Pos Graduacao em Quimica, UFPE, Brasil
Source SetsIBICT Brazilian ETDs
LanguageBreton
Detected LanguageEnglish
Typeinfo:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Sourcereponame:Repositório Institucional da UFPE, instname:Universidade Federal de Pernambuco, instacron:UFPE
RightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/, info:eu-repo/semantics/openAccess

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