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https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/24229
Tipo: | Dissertação |
Título: | Otimização de protocolo computacional para predição de valores de pKa em solução de dimetilsulfóxido com modelos implícito e híbrido |
Autor(es): | Araújo, Sayonara Maria Ferreira de |
Primeiro Orientador: | Santana, Otávio Luís de |
Primeiro Coorientador: | Andrade, Railton Barbosa |
Resumo: | A acidez ou basicidade de um composto consiste em uma propriedade que é reflexo direto de sua propensão em doar ou aceitar um próton e seu conhecimento é de fundamental importância para o entendimento de diversos processos químicos e bioquímicos. Esta propriedade pode ser expressa por meio do pKa da substância. Quando o sistema de interesse é modelado em solução os resultados obtidos frequentemente não são tão satisfatórios quanto em fase gasosa, visto que há dificuldades em mensurar os impactos provocados pelo efeito da atuação do solvente na reação, como avaliados em alguns estudos de propriedades físicoquímicas de sistemas solvatados. Poucos trabalhos têm sido realizados sobre a predição de pKa em solventes apróticos como o dimetilsulfóxido (DMSO). O presente estudo propõe a otimização de um protocolo computacional de modo a ser possível a previsão com erros absolutos inferiores a 1,8 unidades de pKa em relação aos valores experimentais. Os cálculos neste trabalho foram realizados no nível M06-2X 6-31+G(d) com o modelo de solvatação implícita C-PCM visando a predição de valores de pKa em DMSO para 105 compostos orgânicos não correlacionados através de um procedimento direto. Foram realizadas duas etapas neste estudo. A primeira etapa consistiu no cálculo das energias livres dos estados inicial e final da reação de desprotonação dos 105 ácidos em DMSO utilizando apenas o modelo de solvatação C-PCM. A segunda etapa do estudo teve como finalidade o cálculo do pKa absoluto das 10 primeiras estruturas em uma abordagem híbrida, na qual se incluiu uma molécula explícita de DMSO, tratando as demais moléculas de solvente implicitamente com o modelo contínuo de solvatação. As moléculas explícitas de DMSO foram posicionadas a partir da análise de trajetórias de simulações de dinâmica molecular ab initio realizadas no nível GFN2-xTB e, posteriormente, foram realizados cálculos no mesmo nível da primeira etapa. Os resultados obtidos, para o cálculo do pKa apenas com solvatação implícita, apresentaram um significativo coeficiente de correlação (r 2 = 0,950), indicando um elevado poder de previsão. Na abordagem híbrida foi possível obter um erro absoluto médio um pouco acima dos obtidos pela abordagem implícita para a previsão de valores absolutos e significativamente menores que os obtidos para os valores relativos. |
Abstract: | The acidity or basicity of a compound consists of a property that is a direct reflection of its propensity to donate or accept a proton and its knowledge is of fundamental importance for the understanding of several chemical and biochemical processes. This property can be expressed through the substance’s pKa. When the system of interest is modeled in solution, the results obtained are often not satisfactory as in the gas phase, as there are difficulties in measuring the impacts caused by the effect of the solvent acting on the reaction, as evaluated in some studies of physico-chemical properties of solvated systems Few studies have been carried out on the prediction of pKa in aprotic solvents such as dimethyl sulfoxide (DMSO). The present study proposes the optimization of a computational protocol in order to make prediction possible with absolute errors below 1.8 units of pKa in relation to the experimental values. The calculations in this work were performed at the level M06-2X/6-31+G(d) with the implicit solvation model C-PCM aiming at the prediction of pKa values in DMSO for 105 organic compounds not correlated through a direct procedure. Two steps were taken in this study. The first step consisted of calculating the free energies of the initial and final states of the deprotonation reaction of 105 acids in DMSO using only the C-PCM solvation model. The second stage of the study aimed to calculate the absolute pKa of the first 10 structures in a hybrid approach, which included an explicit DMSO molecule, treating the other solvent molecules implicitly with the continuous solvation model. The explicit DMSO molecules were positioned from the trajectory analysis of ab initio molecular dynamics simulations performed at the GFN2-xTB level and, subsequently, calculations were performed at the same level as the first stage. The results obtained, for the calculation of pKa only with implicit solvation, showed a significant correlation coefficient (r 2 = 0.950), indicating a high predictive power. In the hybrid approach it was possible to obtain an average absolute error slightly above those obtained by the implicit approach for the prediction of absolute values and significantly less than those obtained for the relative values. |
Palavras-chave: | Solvatação Dinâmica molecular Protocolo computacional pKa Chemical accuracy Hybrid method |
CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal da Paraíba |
Sigla da Instituição: | UFPB |
Departamento: | Química |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Química |
Tipo de Acesso: | Acesso aberto Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil |
URI: | http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/ |
URI: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/24229 |
Data do documento: | 10-Dez-2020 |
Aparece nas coleções: | Centro de Ciências Exatas e da Natureza (CCEN) - Programa de Pós-Graduação em Química |
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