Hiperpolarizabilidades semi-empíricas de sistemas orgânicos doador-receptor

Abstract

A pesquisa de novos materiais apresentando propriedades ópticas não lineares encontra na química quântica a possibilidade de projetar moléculas orgânicas com as respostas otimizadas. Para sistemas do tipo doador-pontereceptor, isto pode ser realizado pela combinação adequada dos componentes de sua estrutura química, isto é, o grupo doador(D) de elétron, a ponte e o grupo receptor(R) de elétron. Desse modo, selecionamos para esta investigação, as estruturas de pontes conjugadas associadas a pares D/R mais eficientes. Assim, modelamos neste trabalho, diferentes classes de moléculas orgânicas D-ponte-R que apresentam elevadas magnitudes da primeira e segunda hiperpolarizabilidade, β e γ, respectivamente. Os valores das hiperpolarizabilidades β e γ foram obtidos através da metodologia semi-empírica AM1/TDHF. Os sistemas modelados apresentam potencial uso como materiais ópticos não lineares de segunda e terceira ordem. As pontes constituídas de unidades poliênicas foram abordadas para a modelagem de séries do tipo D-R, D-D e R-R. O sistema mais estendido do tipo D-R, contendo oito ligações duplas alternadas, apresenta um desempenho alto em relação às respostas não lineares β e γ. Em seguida, projetamos um novo modelo de ponte mista que apresenta anéis mesoiônicos inseridos em unidades poliênicas, que contribui para a obtenção de magnitudes das hiperpolarizabilidades β e γ ainda mais elevadas. Esses sistemas D-ponte-R modelados, apresentando as pontes mistas,mostram uma promissora perspectiva de aplicações. Também, avaliamos a metodologia AM1/TDHF em relação às hiperpolarizabilidades β e γ, considerando derivados poliênicos caracterizados experimentalmente na literatura. Os resultados demonstram, que esta metodologia semi-empírica é adequada para a modelagem e seleção de moléculas orgânicas com as respostas não lineares otimizadas. A seleção do par D/R mais eficiente envolveu a investigação de diferentes forças de grupos doadores e receptores, citados na literatura. Neste trabalho, a fenilamina (D) é conectada à ponte via heteroátomo N, contrastando com o relatado na literatura, em que a ligação se realiza através do grupo fenila. A presença do heteroátomo N com um par isolado, conectado diretamente a uma extremidade da ponte, um sistema π-polarizável, associado a um forte receptor ligado na outra extremidade, resultou em um desempenho diferenciado em relação às hiperpolarizabilidades β e γ para todos os sistemas modelados. Em adição, estudamos o caso onde o heteroátomo N é ausente, isto é, somente a fenila compõe o grupo doador. Portanto, realizamos uma análise do papel do heteroátomo, por considerarmos os diferentes sítios de ligação do grupo fenilamina. Para comparar o desempenho das pontes insaturadas em relação às pontes saturadas, estudamos as pontes de derivados da n-arilapiperidina e do narilatropano. Estas moléculas D-ponte-R contêm apenas ligações saturadas na ponte, e exibem β da ordem da 4-nitroanilina. Verificamos que, aumentando o tamanho da ponte nestas espécies não resulta na otimização das respostas não lineares β e γ, comportamento este oposto ao observado nos sistemas com as pontes conjugadas Os oligômeros das formas neutras da polianilina (leucoesmeraldina, esmeraldina e pernigranilina), que é um material extremamente versátil, foram investigados. A funcionalização desses oligômeros resultou em hiperpolarizabilidades β elevadas, demonstrando que estas espécies podem ser otimizadas a partir do uso de pares D/R mais poderosos. Os resultados AM1/TDHF da hiperpolarizabilidade γ (estática) para os trímeros modelo apresentam a mesma tendência observada experimentalmente para a polianilina