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Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/37239
Tipo: Tese
Título: Desenvolvimento e aplicação de protocolos de solvatação baseados em uma abordagem híbrida multiescala sequencial
Autor(es): Silva, Daniel Gabriel da
Orientador: Santana, Otávio Luís de
Orientador: Santana, Sidney Ramos de
Orientador: Longo, Ricardo Luiz
Orientador: Batista, Hélcio José
Orientador: Rocha, Gerd Bruno da
Orientador: Maia, Ary da Silva
Resumo: A descrição da fase solvatada representa um desafio, especialmente quando o sistema contém solventes próticos e polares, como a água, comprometendo diretamente a exatidão na previsão das propriedades de interesse. O objetivo do presente trabalho é desenvolver protocolos que levem em consideração o efeito da solvatação explícita no cálculo de propriedades termodinâmicas (em especial as energias livres de Gibbs), visando reproduzir dados experimentais com exatidão química, definida como um erro absoluto inferior a 1 kcal mol-1. Para isso, empregou-se uma abordagem híbrida multiescala, caracterizada pela combinação de métodos de simulação com diferentes níveis de resolução: mecânica quântica, mecânica molecular e modelos de solvatação implícita. Como parâmetro avaliativo, foram considerados os potenciais de redução teóricos e experimentais de um conjunto de reações de oxirredução. Embora conceitualmente simples, a modelagem de potenciais de redução apresenta elevada complexidade operacional, sobretudo quando se busca alcançar a exatidão química. No desenvolvimento metodológico, foram adotadas as seguintes etapas: (i) realização de um benchmark de potenciais de redução em água utilizando 25 funcionais; (ii) inclusão de moléculas de água explícitas que estabeleçam ligações de hidrogênio com o soluto, incorporadas nos cálculos dos potenciais de redução; e (iii) inclusão de moléculas de água explícitas na proporção soluto-solvente correspondente à concentração padrão (1 mol kg-1). O estudo realizado viabilizou a criação de ferramentas capazes de selecionar automaticamente moléculas de solvente no entorno dos sistemas modelados, posicionadas a partir de procedimentos de simulação de dinâmica molecular clássica. Os aplicativos, desenvolvidos ao longo da presente pesquisa, compõem o conjunto denominado Solvate Suite. Os resultados obtidos corresponderam a erros absolutos médios que variaram entre 4,78 kcal mol-1 e 27,98 kcal mol-1. No entanto, essa mesma metodologia também foi empregada no cálculo dos deslocamentos químicos de 13C para um conjunto de moléculas de diferentes categorias, para os quais foram obtidos erros médios inferiores a 1,5 ppm. Esse desempenho permitiu prever melhor a ordem das linhas no espectro de RMN de dois carboidratos isômeros, contornando diversas atribuições incorretas previstas na utilização do modelo de solvatação implícita C-PCM.
Abstract: Describing the solvated phase remains a significant challenge, especially when the system contains protic and polar solvents, such as water, directly impacting the accuracy in predicting the properties of interest. This work aims to develop protocols that account for the effect of explicit solvation in the calculation of thermodynamic properties (especially Gibbs’ free energies), with the goal of reproducing experimental data within chemical accuracy, defined as an absolute error below 1 kcal mol-1. To achieve this, a multiscale hybrid approach was employed, characterized by the combination of simulation methods at different resolution levels: quantum mechanics, molecular mechanics, and implicit solvation models. As an evaluation metric, both theoretical and experimental reduction potentials of a set of redox reactions were considered. Although conceptually simple, modeling reduction potentials presents high operational complexity, particularly when aiming to achieve chemical accuracy. The methodological development involved the following steps: (i) performing a benchmark of reduction potentials in water using 25 density functionals; (ii) inclusion of explicit water molecules forming hydrogen bonds with the solute, incorporated into the reduction potential calculations; and (iii) inclusion of explicit water molecules in a solute-solvent ratio corresponding to the standard concentration (1 mol kg 1). The study − enabled the development of tools capable of automatically selecting solvent molecules in the vicinity of the modeled systems, positioned through classical molecular dynamics simulation procedures. These applications compose the suite named Solvate Suite. The results showed absolute mean errors ranging from 4.78 kcal mol-1 to 27.98 kcal mol-1 for the reduction potentials. However, this same methodology was also applied to the calculation of chemical shifts of 13C for a set of molecules from different categories, for which mean errors below 1.5 ppm were obtained. This performance enabled a more accurate prediction of the order of the peaks in the NMR spectrum of two isomeric carbohydrates, overcoming several incorrect assignments associated with the use of the implicit solvation model C-PCM.
Palavras-chave: Deslocamento químico
Método híbrido de solvatação
Microssolvatação
Exatidão química
Modelo discreto contínuo
Multiescala
Exatidão química
Potencial de redução
Hybrid solvation method
Discrete-continuum model
Multiscale
Microsolvation
Chemical accuracy
Reduction potential
Chemical shift
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/123456789/37239
Data do documento: 30-Jun-2025
Aparece nas coleções:Centro de Ciências Exatas e da Natureza (CCEN) - Programa de Pós-Graduação em Química

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