Configuração absoluta e deslocamentos químicos de moléculas orgânicas por GIAO-DFT

Abstract

Nesta dissertação, estudamos quatro moléculas quirais através do emprego de quatro funcionais da densidade diferentes com vinte funções de base para encontrar uma combinação que melhor descrevesse o ângulo de rotação óptica destas moléculas. Analisamos também como a ligação de hidrogênio pode influenciar no ângulo de rotação óptica e quais seriam os efeitos dessa ligação de hidrogênio nas propriedades de diferentes sistemas envolvendo compostos nitrogenados cíclicos e ácidos carboxílicos. Os funcionais empregados foram: B3LYP, PBE, PBE0 e ωB97XD; e as funções de base foram: 6-31G, 6-31+G, 6-31++G, 6-31G*, 6-31+G*, 6-31++G*, 6-31G**, 6-31+G**, 6-31++G**, cc-pVDZ, cc-pVTZ, cc-pVQZ, aug-cc-pVDZ, aug-cc-pVTZ, aug-cc-pVQZ, def2-TZVP, def2-TZVPD, def2-TZVPP, def2-TZVPPD e 6-311+G**. As moléculas quirais estudadas para a atribuição da configuração absoluta foram a R,R-dimetiloxirano, S-metiloxirano, S-halotano e (S)(+)4-fenil-2-oxazolidinona. As moléculas estudadas para a espectroscopia de RMN de 1H e cálculos GIAO foram a 1,10-fenantrolina, 2,2-bipiridina, 4,4’-difenil-2,2’-bipiridina e os ácidos carboxílicos: fórmico, acético e benzoico. As geometrias de todas as moléculas e complexos foram otimizadas para que não houvesse nenhuma frequência harmônica imaginária e, a partir delas, o ângulo de rotação óptica foi calculado. Para a molécula (S)(+)4-fenil-2-oxazolidinona, foi observada a possibilidade de formação de dímeros que podem influenciar no valor do ângulo de rotação óptica. As conformações possíveis para esse dímero foram encontradas utilizando mecânica molecular (MMFF - Merck Molecular Force Field) pelo programa SPARTAN 14, tendo suas geometrias sido na sequência otimizadas. As energias de estabilização de todos os complexos foram corrigidas levando em consideração os erros de sobreposição do conjunto de base (BSSE) e da energia do ponto zero (ZPE). O cálculo do ângulo de rotação óptica foi feito com o uso da média de Boltzmann. Todas as moléculas quirais foram estudadas no modo isolado e em clorofórmio através do método PCM. Observamos que moléculas simples, rígidas e sem possibilidade de formação de ligação de hidrogênio, não precisam de funcionais sofisticados para a otimização de sua geometria, mas precisam destes para o cálculo do ângulo de rotação óptica. Para moléculas flexíveis, é necessário um funcional mais sofisticado também para a otimização de geometria. Assim, a melhor combinação de método e base para moléculas mais rígidas para a otimização de geometria foi ωB97XD com a base 6-31G**. Já para moléculas flexíveis, para a otimização de geometria, a melhor base foi def2-TZVP. Em ambos os casos, para o cálculo do ângulo de rotação óptica, a melhor combinação foi ωB97XD com a base def2-TZVP. Para os complexos de ligação de hidrogênio estudados, o deslocamento químico do núcleo do hidrogênio ácido nos complexos envolvendo a 1,10-fenantrolina, como aceitador de elétrons foi mais fortemente afetado em comparação aos complexos correspondentes da 2,2’-bipiridina e 4,4-difenil-2,2’-bipiridina. Os cálculos GIAO estão de acordo com os experimentos de RMN de 1H na previsão da blindagem eletrônica do hidrogênio ácido durante a ligação de hidrogênio existente nos complexos estudados.