Dos vinte aminoácidos essenciais, a histidina é um dos quatro aminoácidos que apresentam uma cadeia lateral aromática, assim como o triptofano, a tirosina e a fenilalanina. Embora muitos estudos a respeito das propriedades conformacionais destes três últimos aminoácidos possam ser encontrados na literatura, o oposto é notado para a histidina, onde poucos se propuseram a estudá-la. Além disso, suas propriedades estruturais, tais como a presença do anel imidazólico aromático e de
sítios ácidos e básicos, ao mesmo tempo, que possibilitam a formação de uma grande variedade de interações intramoleculares, tornam as suas propriedades químicas extremamente interessantes. Estes motivos nos levaram a estudar os derivados deste composto.
4.3.1 Éster metílico da L-histidina
A análise das SEPs (Figura B3, página 193) revelou 34 mínimos de energia para o His-OMe. Embora todas as geometrias sejam teoricamente possíveis (Figura C2, página 199), os resultados neste trabalho foram discutidos em função dos seis confôrmeros mais representativos envolvidos no seu equilíbrio conformacional em faseisoladaeemsolução (confôrmeroscomenergiasrelativasacimade1,5kcalmol-1 não são esperados existir consideravelmente). Estes confôrmeros mais estáveis identificados no presente estudo para este derivado esterificado da L-histidina mostram boa concordância com confôrmeros previamente reportados do correspondente aminoácido.59,60,61 A comparação completa entre as energias e os principais parâmetros geométricos destes confôrmeros, obtidos com diferentes funcionais da DFT em fase isolada, são mostrados na Tabela 23, tendo-se como referência o método ab initio MP2.
Este processo de calibração do método a ser utilizado é de grande importância para o sucesso dos resultados, uma vez que a escolha direta de um método, baseada em resultados para outros compostos na literatura, pode induzir erroneamente a se optar por tal método. Por exemplo, é surpreendente que, novamente (resultados semelhantes foram observados para os derivados esterificados anteriormente apresentados e na literatura30), o funcional B3LYP seja o método com a maior discrepância de valores de energia, quando comparado ao ab initio MP2, identificando, por exemplo, o confôrmero Vb como sendo o menos energético. Este método mostra, também, contrariamente à tendência exibida pela maioria dos funcionais testados (com dois confôrmeros majoritários), quatro confôrmeros mais estáveis com energias relativas próximas. O mesmo desempenho insatisfatório foi obtido para o funcional CAM-B3LYP, cujos resultados se aproximaram aos obtidos pelo B3LYP. Por sua vez, B3LYP-D3, M052-X, M062-X, B97-D e B97X-D identificaram a mesma tendência nas energias calculadas com relação à referência e, portanto, pode-se inferir que estes métodos descrevem
apropriadamente o comportamento conformacional do His-OMe. Por este motivo e, também, considerando a futura comparação entre os compostos estudados neste trabalho, optou-se por realizar todos os cálculos dos derivados da L-histidina com o B97X-D. Logo, a partir de agora, a discussão dos resultados deste composto será baseada nos dados obtidos com o nível de teoria B97X-D/aug-cc-pVTZ.
Confôrmero Parâmetros MP2 B3LYP B3LYP-D3 CAM-B3LYP M05-2X M06-2X B97-D B97X-D Ia E -587,03804 -588,30215 -588,32242 -588,03279 -588,25013 -588,07294 -587,90304 -588,10989 Erel 0,00 0,18 0,00 0,13 0,00 0,00 0,00 0,00 E + ZPE -- -588,11444 -588,134442 -587,84254 -588,05813 -587,88247 -587,72005 -587,91927 Erel + ZPE -- 0,06 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 %P -- 20,4 37,9 25,0 41,4 52,9 37,2 39,0 [O=C1-O-C] 8,1 5,1 7,2 6,0 8,1 8,4 6,4 7,7 [N-C-C=O] 9,8 6,9 6,7 4,0 3,8 4,0 10,1 6,2 1 [C-C-C-C(O)] 56,0 63,5 60,4 62,7 59,4 59,0 60,3 60,1 2 [(C=)N-C-C-C] 83,1 79,9 79,9 76,2 76,4 75,7 85,1 79,0 2,75 2,77 2,82 3,08 3,21 3,15 2,51 2,95 IIa E -587,03776 -588,30231 -588,32228 -588,03299 -588,24985 -588,07253 -587,90275 -588,10969 Erel 0,18 0,08 0,09 0,00 0,18 0,26 0,15 0,13 E + ZPE -- -588,11444 -588,13422 -587,84255 -588,05790 -587,88181 -587,71978 -587,91923 Erel + ZPE -- 0,06 0,14 0,00 0,14 0,41 0,17 0,03 %P -- 20,4 30,0 25,5 32,7 26,5 27,9 37,1 [O=C1-O-C] 2,3 0,2 0,8 0,1 1,1 1,1 1,1 1,3 [N-C-C=O] 4,4 0,5 0,9 1,5 0,9 0,5 4,4 0,9 1 [C-C-C-C(O)] 49,4 58,5 55,7 58,2 54,0 54,4 54,8 55,0 2 [(C=)N-C-C-C] 70,1 64,6 68,6 65,3 71,8 71,8 71,4 68,1 5,27 5,26 5,22 5,41 5,38 5,23 5,03 5,32 IIIc E -587,03577 -588,30174 -588,32087 -588,03164 -588,24792 -588,07033 -587,90182 -588,10812 Erel 1,42 0,43 0,97 0,85 1,39 1,64 0,64 1,11 E + ZPE -- -588,11405 -588,13298 -587,84151 -588,05626 -587,88010 -587,71898 -587,91770 Erel + ZPE -- 0,30 0,92 0,65 1,17 1,49 0,67 0,99 %P -- 13,6 8,0 8,5 5,7 4,3 12,0 7,3 [O=C1-O-C] 5,0 0,2 2,3 1,2 3,1 3,9 2,1 2,5 [N-C-C=O] 45,6 67,5 49,9 57,4 48,4 44,6 52,7 47,6 1 [C-C-C-C(O)] 51,3 63,9 58,9 61,7 57,7 55,8 59,9 57,0 2 [(C=)N-C-C-C] 74,6 70,1 71,9 69,3 71,4 72,3 73,0 72,2 4,40 3,69 4,17 4,02 4,37 4,29 4,08 4,26
a Energias em hartree. b Energias relativas em kcal mol-1. 1 hartree = 627,5095 kcal mol-1. c Populações em %. d Ângulos diedros em graus. e Momentos
de dipolo em debye. f Correção ZPE incluída.
IVa E -587,03676 -588,30125 -588,32114 -588,03193 -588,24871 -588,07128 -587,90174 -588,10866 Erel 0,80 0,74 0,80 0,67 0,89 1,04 0,69 0,77 E + ZPE -- -588,11322 -588,13300 -587,84138 -588,05652 -587,88061 -587,71872 -587,91768 Erel + ZPE -- 0,82 0,90 0,73 1,01 1,17 0,83 1,00 %P -- 5,6 8,3 7,4 7,5 7,3 9,2 7,2 [O=C1-O-C] 3,5 0,3 1,2 0,2 1,3 1,5 1,7 1,3 [N-C-C=O] 168,1 179,4 173,1 175,0 176,0 175,0 168,5 172,8 1 [C-C-C-C(O)] 52,7 62,2 58,9 62,0 57,9 57,6 58,5 58,8 2 [(C=)N-C-C-C] 71,5 62,9 69,1 64,0 74,1 74,1 72,1 68,4 4,84 4,15 4,48 4,18 4,69 4,56 4,52 4,58 Vb E -587,03506 -588,30243 -588,32112 -588,03275 -588,24816 -588,07062 -587,90147 -588,10799 Erel 1,87 0,00 0,82 0,15 1,24 1,46 0,83 1,19 E + ZPE -- -588,11453 -588,13302 -587,84234 -588,05648 -587,88013 -587,71840 -587,91738 Erel + ZPE -- 0,00 0,89 0,13 1,04 1,47 1,04 1,19 %P -- 22,5 8,4 20,4 7,1 4,4 6,4 5,2 [O=C1-O-C] 0,8 0,6 0,8 0,6 0,5 0,6 0,8 0,5 [N-C-C=O] 33,3 30,2 30,1 27,2 26,6 28,3 34,3 26,5 1 [C-C-C-C(O)] 173,7 172,0 171,7 172,4 173,2 172,4 171,3 172,9 2 [(C=)N-C-C-C] 69,1 65,2 65,9 64,2 68,8 65,3 69,8 68,0 6,12 5,79 5,81 5,90 5,93 5,87 5,65 5,87 VIb E -587,03676 -588,30183 -588,32070 -588,03199 -588,24790 -588,07024 -587,90131 -588,10778 Erel 0,80 0,38 1,08 0,63 1,40 1,69 0,91 1,32 E + ZPE -- -588,11429 -588,13289 -587,84193 -588,05624 -587,88017 -587,71850 -587,91716 Erel + ZPE -- 0,15 0,97 0,39 1,19 1,44 0,97 1,32 %P -- 17,5 7,4 13,2 5,5 4,6 7,2 4,2 [O=C1-O-C] 0,8 0,7 0,9 0,7 0,6 0,5 0,9 0,4 [N-C-C=O] 32,0 33,3 32,3 30,6 29,6 30,1 35,5 33,5 1 [C-C-C-C(O)] 179,7 177,0 177,5 177,2 178,1 178,4 177,9 177,1 2 [(C=)N-C-C-C] 68,5 69,0 70,5 67,0 66,0 65,2 73,3 66,9 4,48 4,13 4,09 4,28 4,37 4,33 3,89 4,25
Assim como para o Asp-OMe, devido ao número relativamente grande de confôrmeros encontrados para o His-OMe, os mesmos foram nomeados segundo as formas a, b e c (Figura 28). Os nomes dos confôrmeros também foram compostos por números romanos, que indicam a ordem de estabilidade dos mesmos em fase isolada (considerando as energias relativas com ZPE no nível de teoria B97X-D/aug-cc- pVTZ, mostradas na Tabela 23).
a b c
Figura 28. Projeções de Newman mostrando as disposições a, b e c da cadeia lateral do His-
OMe, resultantes da rotação em torno da ligação C-C.
Após a análise dos dados da Tabela 23, dois aspectos principais merecem ser destacados. O primeiro mostra que dois confôrmeros com geometrias muito semelhantes, Ia e IIa, que diferem essencialmente na disposição do anel imidazólico, podem ser considerados isoenergéticos (a diferença entre suas energias está dentro do erro do cálculo) e dominam o equilíbrio conformacional do His-OMe (~80%) em fase isolada. O segundo diz respeito aos valores do ângulo diedro 2 de todos os confôrmeros, que encontram-se na faixa de 68 a 79°, indicando a preferência pela relação gauche entre o anel imidazólico e a cadeia principal. Assim, a ocorrência desta disposição espacial nos seis confôrmeros mais estáveis do His-OMe, a qual frequentemente é atribuída como o fator que causa a maior estabilidade de geometrias, como de outros derivados de aminoácidos, neste caso não é o fator estabilizante dos dois de menores energias em fase isolada. Então, qual efeito ou quais efeitos são os responsáveis pelas preferências conformacionais observadas em fase isolada, ou seja, o que faz com que Ia e IIa sejam tão estabilizados frente aos demais? A resposta para esta questão será apresentada após a avaliação dos resultados obtidos em diferentes solventes.
Espectros de RMN de 1H foram adquiridos em solventes de polaridades variadas e as constantes de acoplamento vicinais 3JHH foram determinadas, as quais são mostradas na Tabela 24, juntamente com os correspondentes deslocamentos químicos.
Tabela 24. Deslocamentos químicos (, em ppm, relativo a TMS) e constantes de acoplamento
3J
HH experimentais (emHz)aparaoHis-OMe obtidosem solventesdeconstantesdielétricas ()
variadas.
Solvente Ha Hb1 Hb2 Hc Hd He 3JHaHb1 3JHaHb2
CDCl3 4,8 3,73 3,04 2,84 3,69 6,81 7,52 4,32 8,01
CD2Cl2 9,1 3,78 3,09 2,88 3,73 6,84 7,55 4,40 7,91
CD3CN 37,5 3,67 2,93 2,81 3,67 6,80 7,49 5,07 7,36
DMSO-d6 46,7 3,56 2,81 2,70 3,58 6,76 7,50 5,77 7,05
a Os erros nas medidas de J são de ± 0,05 Hz.
De acordo com a Tabela 24, nota-se que as constantes de acoplamento 3JHaHb variam de acordo com a mudança do meio, principalmente quando os seus valores são considerados, separadamente, em solventes apolares e polares. Para 3JHaHb1, ocorre um aumento no seu valor ao passar do solvente menos polar utilizado para o mais polar, sendo esta variação de aproximadamente 1,5 Hz. Já para 3JHaHb2 observa-se uma diminuição em seu valor de 1,0 Hz partindo de CDCl3 para DMSO- d6. Também é verificado que, nos solventes de caráter apolar, 3JHaHb1 e 3JHaHb2 apresentam valores muito diferentes (4,3 e 8,0 Hz, respectivamente), mas com o aumento da polaridade do meio estas constantes passam a exibir valores mais próximos (em DMSO-d6: 3JHaHb1 = 5,8 Hz e 3JHaHb2 = 7,0 Hz). Portanto, tal resultado sugere que as populações dos confôrmeros do His-OMe são sensíveis ao efeito do solvente.
Com base na bem conhecida relação de Karplus (Figura 2) e também considerando que o isomerismo rotacional de aminoácidos é, sobretudo, constituído pelas formas a, b e c (Figura 28), é esperado que confôrmeros com arranjos c e b exibam maiores valores de 3JHaHb1 e 3JHaHb2, respectivamente, do que as correspondentes constantes das geometrias a, conforme já foi explicado anteriormente. Deste modo, pode ser sugerido que as variações experimentais nos valores de 3JHaHb do His-OMe com o aumento da polaridade do solvente seriam, principalmente, devido ao: (i) favorecimento dos confôrmeros a, explicando o fato das constantes de acoplamento terem se tornado mais próximas ou (ii) favorecimento da população do confôrmero c com relação aos outros dois arranjos, justificando o aumento de 3JHaHb1 e diminuição de 3JHaHb2.
As energias livres e populações de cada confôrmero foram calculadas (B97X-D/aug-cc-pVTZ) em diferentes meios (IEF-PCM) e são mostradas na Tabela 25. De acordo com o esperado, os resultados teóricos mostram que as populações
dos confôrmeros do His-OMe variam com a constante dielétrica do solvente, sendo os confôrmeros IIa e IIIc os mais influenciados por tal alteração. Diferentemente do que foi encontrado em fase isolada, onde o equilíbrio conformacional é governado por dois confôrmeros majoritários (Ia e IIa), cujas populações são de 39,0 e 37,1%, respectivamente, em solução este equilíbrio passa a ser dominado por IIa (aproximadamente 55% nos solventes menos polares com a diminuição de sua população para 42% nos de maiores polaridades). Por sua vez, o confôrmero IIIc é o mais favorecido com o aumento da constante dielétrica do solvente (de 10,4% em CHCl3 para 21,6% em DMSO). Portanto, estes resultados sugerem que a segunda hipótese acima proposta é a correta e parece estar diretamente relacionada ao que foi observado experimentalmente.
Tabela 25. Energias livres de Gibbs relativas (Grel, em kcal mol-1) e populações (P, em %) em
diferentes solventes para os confôrmeros do His-OMe, calculadas para as geometrias otimizadas com o modelo de solvatação implícito IEF-PCM, em nível de teoria B97X-D/aug-cc-pVTZ. Os momentos de dipolo(em debyes) em fase isolada também são mostrados.
Confôrmero Clorofórmio Diclorometano Acetonitrila DMSO
Grel P Grel P Grel P Grel P
Ia 2,95 0,85 13,2 0,91 11,8 0,63 14,8 0,60 15,1 IIa 5,32 0,00 55,3 0,00 54,6 0,00 42,9 0,00 41,8 IIIc 4,26 0,99 10,4 0,75 15,3 0,42 21,2 0,39 21,5 IVa 4,58 0,92 11,7 1,24 6,8 1,12 6,4 1,10 6,5 Vb 5,87 1,82 2,5 1,83 2,5 1,60 2,9 1,58 2,9 VIb 4,25 1,23 6,9 1,06 9,1 0,76 11,8 0,73 12,1
É interessante notar que, embora o momento de dipolo calculado do confôrmero mais estável IIa seja relativamente alto (5,32 D) e maior do que o do confôrmero IIIc (4,26 D), este não é o fator responsável pelas preferências conformacionais observadas do His-OMe em solução. Outro exemplo está relacionado ao fato do confôrmero Vb, com maior momento de dipolo (5,87 D), praticamente não mudar sua população ao passar dos solventes menos para os mais polares. Assim, outro efeito ao invés da estabilização devido à minimização da repulsão dipolar do confôrmero com maior momento de dipolo está operando para fazer de IIIc a geometria mais estabilizada com o aumento da polaridade do solvente. Para explicar com mais detalhes os resultados obtidos por RMN, as constantes de acoplamento de cada confôrmero (3JHaHb,i) e as correspondentes contribuições de cada um dos mesmos (ix 3JHaHb,i) para a 3JHaHb total também foram
calculadas nos diferentes solventes utilizados experimentalmente, nos níveis de teoria B97X-D/EPR-III e BHandH/EPR-III. Como resultados praticamente iguais foram obtidos com ambos os níveis teóricos testados, na Figura 29a-b são apresentados os dados referentes ao B97X-D/EPR-III (ver resultados do BHandH/EPR-III na Figura D9 do Anexo D). As Figuras 29a mostram que ambas as 3JHaHb,i de cada confôrmero são praticamente constantes com a mudança de polaridade do solvente e, deste modo, não são as responsáveis diretas pelas variações observadas experimentalmente.
(a)
(b)
Figura 29. (a) Constantes de acoplamento spin-spin 3J
HaHb,i e (b) contribuições conformacionais
i x 3JHaHb,i para a constante de acoplamento 3JHaHb, calculadas para cada confôrmero do His-OMe,
em nível de teoria B97X-D/EPR-III e utilizando o IEF-PCM, em solventes de diferentes constantes dielétricas. Os valores são apresentados em Hz.
As contribuições estimadas de cada confôrmero (ix 3JHaHb,i) para as 3JHaHb1 e 3JHaHb2, mostradas na Figura 29b, exibem mudanças com a variação do meio e estão diretamente relacionadas aos resultados experimentais. Em solventes menos polares, a constante de acoplamento 3JHaHb1 apresenta valor experimental de aproximadamente 4,3 Hz, em concordância com o valor relativamente baixo desta constante para o confôrmero IIa (3,4 Hz em CDCl3, mostrado na Figura 29a à esquerda) que, segundo a Figura 29b (gráfico à esquerda), é o principal responsável por tal resultado observado no espectro de RMN. Já em solventes mais polares, a estabilização da geometria IIIc aliada ao seu maior acoplamento entre os átomos de hidrogênio Ha e Hb1 faz com que esta conformação seja a maior contribuinte para o valor de 3JHaHb1 experimentalmente obtido. Ainda, verifica-se nesta Figura 29b que ocorre um aumento de quase 1,5 Hz da 3JHaHb1,i do confôrmero IIIc segundo esta
0 2 4 6 8 10 12
Ia IIa IIIc IVa Vb VIb
3J HaHb 1 ,i 0 2 4 6 8 10
Ia IIa IIIc IVa Vb VIb
3J HaHb 2 ,i CHCl3 CH2Cl2 CH3CN DMSO 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Ia IIa IIIc IVa Vb VIb i x 3J HaHb 1 ,i 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Ia IIa IIIc IVa Vb VIb i x 3J HaHb 2 ,i CHCl3 CH2Cl2 CH3CN DMSO
mudança de meio, em total conformidade com a variação obtida experimentalmente. Similar concordância é verificada para os resultados teóricos e experimentais de 3JHaHb2, confirmando que as variações nas 3JHaHb observadas experimentalmente são, principalmente, devido à estabilização do confôrmero IIIc e simultânea desestabilização do confôrmero IIa.
A espectroscopia no IV também foi aplicada para avaliar o efeito do solvente no equilíbro conformacional do composto. Espectros no IV do His-OMe foram adquiridos em diferentes solventes, e na Figura 30 são mostradas as bandas experimentais correspondentes ao estiramento da ligação C=O do éster, assim como as bandas dos seus dois componentes resolvidos por deconvolução.
(a) 1760 1740 1720 1700 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 A b so rb ân ci a Número de onda (cm-1) Espectro experimental Soma das bandas deconvoluídas Grupo A Grupo B (b) 1760 1740 1720 1700 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 A b so rb ân ci a Número de onda (cm-1) Espectro experimental Soma das bandas deconvoluídas Grupo A Grupo B (c) 1770 1760 1750 1740 1730 1720 1710 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Absorbânc ia Número de onda (cm-1) Espectro experimental Soma das bandas deconvoluídas Grupo A Grupo B (d) 1770 1760 1750 1740 1730 1720 1710 1700 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 A b so rb ân ci a Número de onda (cm-1) Espectro experimental Soma das bandas deconvoluídas Grupo A
Grupo B
Figura 30. Bandas de estiramento da ligação C=O do éster obtidas dos espectros no infravermelho
do His-OMe em (a) CHCl3, (b) CH2Cl2, (c) CH3CN e (d) DMSO, na região do fundamental.
Devido à grande quantidade de confôrmeros deste composto, os mesmos foram divididos em dois grupos (A e B), de acordo com a proximidade entre suas frequências calculadas, a fim de confrontar os dados experimentais de IV e os obtidos teoricamente (Tabela 26). Uma vez que as populações de IIa e IIIc são as que mais variam entre o solvente menos e mais polar, com uma diminuição e aumento, respectivamente, de 15 e 10% cada, e também considerando que eles são os principais componentes de cada grupo (ou banda deconvoluída, no sentido experimental), observa-se, novamente, uma excelente concordância entre os resultados calculados e experimentais.
Tabela 26. Frequências vibracionais experimentais e calculadas (, em cm-1) e intensidades (P, em %) da banda de estiramento da carbonila do éster
do His-OMe em diferentes solventes. Os valores teóricos foram obtidos em nível de teoria IEF-PCM/B97X-D/aug-cc-pVTZ.
Confôrmero Grupo
CHCl3 CH2Cl2
Calculado Experimental Calculado Experimental
C=Oa Pb PTotalc C=O Pd C=O P PTotal C=O P
Ia A 1804,1 13,2 77,9 1737,8 80,4 1798,5 11,8 78,0 1738,7 79,3 IIa 1805,4 55,3 1798,8 54,6 Vb 1805,3 2,5 1798,8 2,5 VIb 1804,0 6,9 1798,9 9,1 IIIc B 1796,1 10,4 22,1 1726,1 19,6 1791,5 15,2 22,0 1730,2 20,7 IVa 1788,2 11,7 1782,8 6,8 Confôrmero Grupo CH3CN DMSO
Calculado Experimental Calculado Experimental
C=O P PTotal C=O P C=O P PTotal C=O P
Ia A 1792,6 14,8 72,4 1741,2 69,4 1792,1 15,1 71,9 1738,6 69,6 IIa 1792,4 42,9 1791,8 41,8 Vb 1792,2 2,9 1791,7 2,9 VIb 1793,6 11,8 1793,2 12,1 IIIc B 1787,3 21,2 27,6 1733,8 30,6 1786,9 21,6 28,1 1730,1 30,4 IVa 1777,6 6,4 1777,2 6,5
a Os valores das frequências calculadas são superestimados com relação aos valores experimentais devido aos efeitos anarmônicos; no entanto, a
relação entre as frequências dos confôrmeros não muda. b População de cada confôrmero. c Soma das populações dos confôrmeros correspondentes
A partir destes resultados destaca-se, novamente, a grande importância da utilização conjunta dos cálculos teóricos e das espectroscopias de RMN e no IV para o entendimento do comportamento conformacional de um composto em diferentes meios, uma vez que a descrição detalhada acima realizada não poderia ter sido atingida isoladamente.
Em seguida, as análises QTAIM, NCI e NBO foram aplicadas para identificar os efeitos intramoleculares responsáveis pelas preferências conformacionais observadas tanto em fase isolada quanto em solução. Primeiramente, foi avaliada a possível formação de LHI em cada confôrmero do His- OMe e sua influência nas energias populacionais e geometrias dos confôrmeros. De acordo com os gráficos moleculares (MGs) obtidos pela QTAIM (Figura 31) foram verificados pontos críticos de ligação (BCP) e trajetórias de ligação (BP) referentes à LHI somente nos confôrmeros IIa, IVa e Vb. Estes são estabilizados por um mesmo tipo de interação entre um dos átomos de hidrogênio do grupo amino e o nitrogênio do anel imizadol, que não está ligado a um hidrogênio, ou seja, uma LHI do tipo N(17)...H-N, que forma um anel de seis membros, embora existisse a possibilidade de interação entre outros átomos, por exemplo, N-H...O na cadeia principal. Os mesmos resultados também foram encontrados com a análise NCI, indicados através dos valores negativos do sinal (2) nos gráficos da Figura 32, e com a análise NBO, uma vez que estes três confôrmeros são os únicos que apresentam a interação hiperconjugativa nN17(1) → *N5-H7. Vale a pena mencionar que todos os métodos aplicados indicam que o confôrmero Vb forma a LHI mais forte dentre estas três geometrias, seguido por IVa e IIa. A QTAIM utiliza o valor da densidade eletrônica no BCP para discriminar força de ligação e os maiores valores dos parâmetros densidade eletrônica (HBCP) e Laplaciano da densidade eletrônica (HBCP), mostrados na Figura 31, ocorrem para Vb. Para NCI, quanto mais negativo é o valor do sinal (2) (Figura 32), mais estabilizado é o confôrmero pela LHI; portanto, as energias absolutas desta interação para IIa, IVa e Vb são 8,85, 8,91 e 9,35 kcal mol-1, respectivamente. Por sua vez, as energias da hiperconjugação nN17(1) → *N5-H7, através da análise NBO, são 1,84, 1,84 e 1,99 kcal mol-1 para IIa, IVa e Vb, respectivamente.
A partir da análise conjunta dos resultados pode-se inferir que as LHI nestes confôrmeros desempenham um papel secundário nas preferências
conformacionais do His-OMe. Um exemplo disso é o fato de IIa, que forma uma LHI, ser isoenergético a Ia, o qual não apresenta esta interação, em fase isolada. Apesar da presença desta ligação de hidrogênio conferir uma estabilidade adicional a IIa, existe outro fator responsável pela também grande estabilidade de Ia para a molécula isolada. Outro exemplo do efeito secundário da LHI nos equilíbrios conformacionais do His-OMe está relacionado à formação desta interação intramolecular nos confôrmeros IVa e Vb, que estão entre os menos estáveis em fase isolada e em solução. Ia IIa IIIc HBCP = 0,0141 u.a. HBCP = +0,050 u.a. = 0,1669 u.a. IVa Vb VIb HBCP = 0,0143 u.a. HBCP = +0,051 u.a. = 0,1603 u.a. HBCP = 0,0149 u.a. HBCP = +0,052 u.a. = 0,1465 u.a.
Figura 31. Gráficos moleculares obtidos pela análise QTAIM para os confôrmeros do His-OMe,
obtidos a partir das densidades eletrônicas das geometrias otimizadas em nível de teoria B97X- D/aug-cc-pVTZ. Os valores de densidade eletrônica (HBCP), Laplaciano da densidade eletrônica
(
HBCP) e elipsidade () no BCP da ligação de hidrogênio (HBCP) são indicados para cada caso.
Os caminhos de ligação (BPs), pontos críticos de ligação (BCPs, pontos verdes) e pontos críticos do anel (RCPs, pontos vermelhos) também são mostrados.
Ia IIa IIIc
sinal(2) = -0,0073 sinal(2) = -0,0141 sinal(2) = -0,0146
IVa Vb VIb
sinal(2) = -0,0142 sinal(2) = -0,0149 sinal(2) = -0,0137
Figura 32. Gráficos dos gradientes de densidade reduzida (RDG) versus o sinal () para os confôrmeros do His-OMe, obtidos a partir das geometrias otimizadas em nível de teoria B97X- D/aug-cc-pVTZ. Os valores do sinal () (em u.a.) correspondente ao pico da LHI nos gráficos são dados para cada caso.
Na busca para encontrar o principal efeito governante do equilíbrio conformacional do His-OMe, as contribuições das interações estéricas e hiperconjugativas para a energia livre total do sistema puderam ser estimadas a partir da análise NBO com a deleção de todas as hiperconjugações do sistema (Tabela 27). Os resultados indicam que o efeito estabilizante proporcionado pelas hiperconjugações exerce um papel significativo na maior estabilidade do confôrmero
Ia em fase isolada, que apresenta um dos maiores valores de GHiperconj. No entanto,
competitivamente às hiperconjugações, estão os efeitos repulsivos estéricos, os quais também são bastante pronunciados nesta geometria, principalmente devido à disposição gauche entre os grupos amino e carboxílico com relação ao anel imidazol. Assim, sua maior estabilidade em fase isolada resulta de um balanço entre ambos os efeitos de hiperconjugação e estéricos. Analogamente, embora IIa experimente uma relativa fraca repulsão estérica e razoável estabilização devido às interações hiperconjugativas, sua maior estabilidade em fase isolada, juntamente com Ia, deve- se a um efeito recíproco entre ambas as interações.
Tabela 27. Energia livre relativa total do sistema (GTotal),a,b,c energia livre relativa no caso
hipotético em que todas as hiperconjugações são removidas (GLewis)a,b,d e energia livre relativa
da estabilização por hiperconjugação (GHiperconj) dos confôrmeros do His-OMe,a,b,e em fase
isolada e com o efeito do solvente (IEF-PCM em CHCl3 e DMSO), calculadas em nível de teoria
B97X-D/aug-cc-pVTZ.
Conf. GTotal GLewis GHiperconj
Isol. CHCl3 DMSO Isol. CHCl3 DMSO Isol. CHCl3 DMSO
Ia 0,16 0,85 0,60 3,66 4,20 4,49 4,16 4,03 3,94 IIa 0,00 0,00 0,00 0,82 1,53 2,60 1,77 3,05 3,13 IIIc 0,87 0,99 0,39 0,00 0,21 0,78 0,20 0,44 1,21 IVa 1,19 0,92 1,10 4,45 4,23 4,93 3,66 4,62 4,08 Vb 1,25 1,82 1,58 4,56 4,57 4,81 4,08 3,59 3,56 VIb 1,43 1,23 0,73 0,71 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
a Energias em kcal mol-1. b As energias foram obtidas por meio da adição de correções
termodinâmicas para G, disponíveis nos cálculos de frequência. c Quanto menor é o valor de
GTotal, mais estável é o confôrmero. d Quanto maior é o valor de GLewis, mais afetado por efeitos
estéricos e eletrostáticos é o confôrmero. e Quanto maior é o valor de G
Hiperconj, mais estabilizado
por efeitos hiperconjugativos é o confôrmero.
Já em solução, à medida que a polaridade do solvente é aumentada, nota- se que os efeitos estabilizantes de hiperconjugação dominam frente aos efeitos desestabilizantes devido às repulsões estéricas e/ou eletrostáticas para o confôrmero
IIIc, explicando a sua estabilização em solventes polares. Por outro lado, o confôrmero
estável IIa exibe efeitos desestabilizantes devido às repulsões estéricas e/ou eletrostáticas, que dominam frente aos efeitos estabilizantes de hiperconjugação, explicando a sua desestabilização em solventes polares. No entanto, embora o mesmo tenha aumentado sua energia em solução com relação aos demais confôrmeros envolvidos no equilíbrio conformacional do His-OMe, ele continua apresentando o menor balanço energético (GTotal) entre hiperconjugações e repulsões. Assim, de um modo geral, estes resultados mostram que as preferências conformacionais do His-OMe em fase isolada e em solução são descritas em termos de um balanço entre efeitos estéricos e hiperconjugativos.
As interações hiperconjugativas mais energéticas, as quais são as principais responsáveis pela estabilização dos confôrmeros do His-OMe, também são mostradas (Tabela 28).
Tabela 28. Principais interações hiperconjugativas e respectivas energias (em kcal mol-1)a para
os confôrmeros do His-OMe calculadas pela análise de NBO, em nível de teoria B97X-D/aug-cc-