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Investigating pnictogen bonds: impact on molecular interactions and NMR parameters

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Resumo

A natureza das interações não covalentes tem sido objeto de intenso debate na literatura recente, questionando-se a predominância do modelo puramente eletrostático em favor de uma contribuição orbital significativa. Neste contexto, esta tese investigou a natureza das ligações de pnictogênio (PnB) e seu impacto em dois sistemas reais de alta relevância: a inibição da enzima acetilcolinesterase (AChE) por compostos organofosforados e o design de moléculas para computação quântica via Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Utilizando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) aliada a ferramentas de análise topológica e de decomposição de energia (AIM, NBO e EDA), demonstrou-se que as interações envolvendo átomos de fósforo (e selênio) possuem um componente orbital determinante para suas propriedades físicoquímicas. No sistema biológico, a formação da ligação PnB entre agentes de guerra química (como Sarin e VX) e o sítio ativo da AChE revelou-se crucial para o mecanismo de inibição, sugerindo novos caminhos para o desenvolvimento de antídotos mais eficientes. No âmbito tecnológico, a modulação de interações intramoleculares P···P e P···Se em derivados de naftaleno permitiu o ajuste fino dos parâmetros de RMN (deslocamento químico e constante de acoplamento), viabilizando o design racional de qubits moleculares que satisfazem os critérios de DiVincenzo. Os resultados unificam a compreensão dessas interações, propondo que a manipulação do caráter covalente em ligações não-covalentes é uma estratégia poderosa tanto para a química medicinal quanto para a engenharia de materiais quânticos.

Abstract

The nature of non-covalent interactions has been the subject of intense debate in recent literature, questioning the predominance of the purely electrostatic model in favor of a significant orbital contribution. In this context, this thesis investigated the nature of pnictogen bonds (PnB) and their impact on two highly relevant real systems: the inhibition of the enzyme acetylcholinesterase (AChE) by organophosphorus compounds and the design of molecules for quantum computing via Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Using Density Functional Theory (DFT) combined with topological analysis and energy decomposition tools (AIM, NBO, and EDA), it was demonstrated that interactions involving phosphorus (and selenium) atoms have an orbital component that is decisive for their physicochemical properties. In the biological system, the formation of the PnB bond between chemical warfare agents (such as Sarin and VX) and the active site of AChE proved crucial to the inhibition mechanism, suggesting new avenues for the development of more efficient antidotes. In the technological field, the modulation of intramolecular P···P and P···Se interactions in naphthalene derivatives has allowed the fine tuning of NMR parameters (chemical shift and coupling constant), enabling the rational design of molecular qubits that satisfy DiVincenzo's criteria. The results unify the understanding of these interactions, proposing that manipulating the covalent character in non-covalent bonds is a powerful strategy for both medicinal chemistry and quantum materials engineering.

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Química/Bioquímica

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ANDOLPHO, Gustavo de Almeida. Investigating pnictogen bonds: impact on molecular interactions and NMR parameters. 2026. 136 p. Tese (Doutorado em Agroquímica) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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