A estabilidade e comportamento dinâmico das co-conformações dos complexos 12+(SO 42–),
12+(Cl–) e 12+(Oac–) atrás descritas, foram avaliados em solução de 1:1 CH3OH/CHCl3 através de
simulações de dinâmica molecular (ver final do capítulo para uma descrição do procedimento experimental adoptado).
A estabilidade dos complexos em solução foi avaliada a partir da monitorização das distâncias entre os protões amídicos do catenano e os centros aceitadores de ligações de hidrogénio do anião (o cloreto e os oxigénios do sulfato e acetato). Nos casos em que são possíveis várias distâncias envolvendo o mesmo protão e vários oxigénios do anião, apenas são consideradas as distâncias ao oxigénio mais próximo, o que facilita a análise e comparação dos resultados. Em simultâneo, são também tidos em conta o número de protões hidroxílicos do metanol distanciados até 3.4 Å dos centros aceitadores de ligações de hidrogénio do anião, uma vez que estes podem estabelecer interacções daquele tipo com o metanol, deixando o anião menos disponível para interagir com o catenano.
Na Figura III-3 encontram-se representadas as funções densidade de probabilidade (f.d.p) referentes às distâncias N–H···X envolvendo os protões amídicos do catenano. Da observação dos
gráficos destacam-se, em cada um, dois conjuntos de curvas, no caso dos complexos com sulfato e cloreto, e três conjuntos, no caso do complexo com acetato.
Nos três complexos, verifica-se que o anião se encontra mais fortemente associado aos protões Ha (ver esquema ao lado), dado que as f.d.p correspondentes (curvas a cinza claro) se apresentam menos difusas e com máximos localizados em distâncias mais curtas do que as registadas para as f.d.p referentes aos protões Hb (curvas a cinza escuro). Esta diferença entre a associação do anião aos protão Ha e Hb é facilmente compreendida, uma vez que o primeiro transporta uma carga parcial de 0.3438e, enquanto que o último transporta 0.2980e. Essa diferença traduz-se, naturalmente, numa maior atracção do centro aceitador do anião por Ha e, consequentemente, em ligações de hidrogénio mais curtas e fortes.
Esquema III-1. Protões Ha e Hb.
A similaridade registada entre curvas correspondentes a protões equivalentes nos complexos 12+(SO
42–) e 12+(Cl–) mostram que o anião se associa equitativamente a ambos os
protões Ha e ambos os protões Hb do catenano (conjunto de curvas cinza claro e escuro, respectivamente). Porém, no caso do complexo 12+(Oac–) verifica-se que, apesar da associação
12+(SO 42–) dNH...O / Å 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6. F.D.P 0 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 1 2+(Oac–) dNH...O / Å 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 F.D.P 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 12+(Cl–) d / Å 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 F. D .P 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
Figura III-3. Funções densidade de probabilidade (f.d.p) associadas às distâncias N–H···X medidas ao longo de 10 ns de dinâmica molecular em solução. As curvas a cinza claro correspondem às distâncias envolvendo os protões Ha, enquanto que as cinza escuro envolvem os Hb.
ocorrer de forma semelhante a ambos os protões Ha, tal não acontece com os Hb. A forma da curva de uma das f.d.p referente a um dos protões Hb indica claramente que os dois oxigénios do anião acetato têm dificuldade em estabelecer ligações de hidrogénio simultâneas aos quatro hidrogénios amídicos, sendo a associação do anião sobretudo mediada por apenas três destas ligações. Note-se que esta observação foi já efectuada na análise conformacional deste complexo, tendo-se verificado que na co-conformação de menor energia, o acetato estabelece com o catenano apenas três ligações de hidrogénio.
Ao contrário do acetato, quer o cloreto, quer o sulfato conseguem estabelecer mais de três ligações de hidrogénio com o catenano em simultâneo, indicando que a associação deste receptor a estes aniões será mais forte e, consequentemente, apresentará maiores constantes de associação. No caso do complexo 12+(SO
42–), e tal como foi evidenciado na análise conformacional, são possíveis
várias interacções envolvendo um dado protão e vários oxigénios, que levam à ocorrência de ligações de hidrogénio bifurcadas, pelo que este anião pode suportar mais do que as quatro ligações deste tipo suportadas pelo cloreto. Este facto, associado à carga bi-negativa do sulfato, que anula a bi-positiva do catenano 12+, leva a que este anião seja o que apresenta maior constante de associação.
Além das interacções que os aniões estabelecem com o catenano, são ainda possíveis ligações de hidrogénio envolvendo o protão hidroxílico do metanol (designado por Ho). Considerando as simulações efectuadas para cada complexo na sua totalidade, foram encontrados, em média, 2.4, 1.2 e 0.5 protões Ho num raio de 3.4 Å em torno de cada oxigénio do sulfato, do cloreto e de cada oxigénio do acetato, respectivamente. Na Figura III-4 encontram-se representadas as f.d.p referentes às distribuições do número total de protões Ho em redor de cada anião (i.e., a soma do número de protões Ho em torno de todos os centros aceitadores do mesmo anião) em cada
12+(Cl–) 12+(SO 42–) 12+(Oac–) 0 1 2 3 4 5 P.D .F 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 nº. Ho 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 0.0 0.2 0.4 nº. Ho 0 1 2 3 4 5 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 nº. Ho Figura III-4. Funções densidade de probabilidade (f.d.p) relativas ao número total de hidrogénios Ho (hidrogénios hidroxílicos do metanol) em redor dos centros aceitadores de ligações de hidrogénio dos aniões, em cada instante.
instante. No complexo 12+(Cl–) verifica-se claramente que a esfera de coordenação do cloreto
inclui, predominantemente, uma ligação de hidrogénio a um protão hidroxílico de uma molécula de metanol. No que diz respeito a 12+(Oac–), verifica-se que o número de protões Ho varia, de forma
mais ou menos equitativa, entre zero e um, sugerindo que os oxigénios deste anião se encontram protegidos do solvente. De facto, o grupo metilo do acetato, ao localizar-se no exterior da cavidade de ligação, induz, relativamente a 12+(Cl–), uma distorção da co-conformação do catenano (claramente visível na estrutura de menor energia deste complexo na Figura III-2c) que leva a que o grupo carboxilato do anião se encontre escudado do solvente pelo próprio catenano, de um lado, e pelo grupo metilo, do outro. Porém, quando uma molécula de metanol interage directamente com o anião, verifica-se que apenas duas ligações de hidrogénio se formam entre o acetato e o catenano. A fraca interacção que se regista entre o anião acetato e 12+, aliada ao impedimento estereo-
electrónico entre o metilo do próprio anião e o catenano, levam a que o acetato seja o que apresenta menor constante de associação a 12+.
De todos os complexos estudados, aquele cujo anião mais moléculas de metanol consegue acomodar é o 12+(SO42–). Verifica-se claramente que este anião é capaz de acomodar mais do que
uma molécula de metanol encontrada nas esferas de solvatação dos demais aniões, indicando que se encontra acessível ao solvente. Note-se que o valor mais provável de nove moléculas de metanol referido pela Figura III-4 é enganador, uma vez que um dado Ho pode estar simultaneamente a menos de 3.4 Å de dois/três oxigénios do anião, levando a que sejam contabilizados dois/três protões Ho. Porém, tal facto não altera significativamente o resultado, pois mesmo assim, e assumindo que cada Ho seja triplamente contabilizado, o valor mais provável de nove passa para três Ho em redor do anião sulfato em cada instante, que é na mesma superior ao registado para os demais aniões.
Perante o cenário apresentado, não é possível afirmar com segurança qual dos aniões cloreto ou sulfato apresenta maior constante de associação ao catenano 12+, pelo que se torna
necessário recorrer a outras técnicas para inferir sobre a selectividade do catenano 12+ para com
estes aniões. Nesse sentido, foram efectuados os cálculos de integração termodinâmica por dinâmica molecular que se seguem, e que permitiram estimar a energia livre de associação (Gassoc) do catenano 12+ ao anião cloreto relativamente ao sulfato.