dissertação
Conformational exploitation of polyfunctional organic compounds using spectroscopic and theoretical methods
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Universidade Federal de Lavras
Faculdade, Instituto ou Escola
Departamento
Departamento de Química
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Agroquímica
Agência de fomento
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
A compreensão das preferências conformacionais de moléculas orgânicas tem um papel
fundamental em várias áreas da ciência, tais como na agroquímica, química medicinal, ciência
dos materiais, síntese orgânica e espectroscopia. Em decorrência, o estudo conformacional de
moléculas modelo neste trabalho está dividido em duas partes: i) a primeira parte tem como
objetivo elucidar o isomerismo conformacional do 1-cloro-1,1-diflúor-2-pentanol (CDP) em
solução, por meio de espectroscopias de ressonância magnética nuclear (RMN) e infravermelho
(IV), auxiliadas por cálculos teóricos. O CDP foi escolhido como composto modelo deste
estudo pelo fato de preservar algumas características estruturais de vários anestésicos
inalatórios de última geração; ii) a segunda parte consiste em analisar, teoricamente, o efeito
counterclockwise (nome atribuído ao efeito que conduz à orientação oposta aos ponteiros do
relógio para os grupos hidroxila da D-glicose), cuja origem ainda é controversa. Para isso, uma
série de derivados -halogenados da D-glicose é investigada, permitindo confrontar as diversas
interações intramoleculares que regem o equilíbrio conformacional da molécula em estudo. Os
espectros de RMN de ¹H, ¹³C e
19
F em soluções de cicloexano, clorofórmio e acetonitrila, por
meio da análise das constantes de acoplamento ³JH,H, ³JH,F e
1
JC,H, permitiram determinar os
principais confôrmeros do CDP no equilíbrio, bem como avaliar como as populações
conformacionais variam com a mudança da polaridade do solvente. Os resultados quantitativos
obtidos por RMN foram consistentes com os dados obtidos por espectroscopia no
infravermelho em solução de cicloexano, bem como com as estimativas computacionais,
determinadas em nível ωB97X-D e CCSD(T), usando o conjunto de bases 6-311++g(d,p).
Notoriamente, os cálculos usando modelo implícito de solvatação (PCM) não reproduziram
satisfatoriamente os resultados experimentais, sobretudo no solvente polar acetonitrila,
provavelmente em razão de existirem interações específicas soluto-solvente.
Surpreendentemente, contudo, o confôrmero mais abundante em solvente apolar não foi aquele
que maximiza a orientação gauche entre os átomos de flúor e o grupo eletronegativo vicinal
(OH), contrariando o que seria esperado pelo efeito gauche. Em vez disso, a conformação
principal exibe o substituinte cloro com orientação gauche em relação ao grupo OH, de tal
forma que a deslocalização eletrônica do orbital doador de elétrons σC-H para o bom aceptor de
elétrons σ*C-Cl seja efetiva. Cálculos NBO (Natural Bond Orbital) confirmaram que a interação
hiperconjugativa σC-H → σ*C-Cl é altamente estabilizante. Para avaliar a origem do efeito
counter-clockwise, foram propostas várias modificações na estrutura da D-glicose, permitindo
confrontar quais tipos de interações intramoleculares (eletrostáticas e estereoeletrônicas) são
determinantes para a orientação da D-glicose no espaço tridimensional. Este estudo foi
conduzido teoricamente em nível B3LYP/aug-cc-pVDZ, a partir do qual foi possível
determinar as energias de cada molécula modelo e a população de seus confôrmeros. Ao
contrário do que tem sido demonstrado em alguns estudos da literatura, a origem do efeito
counterclockwise não está relacionada a ligações de hidrogênio intramoleculares, e sim a efeitos
repulsivos dipolares e estéricos presentes na conformação clockwise.
Abstract
Comprehension of the conformational preferences in organic molecules plays a fundamental
role in several fields of science, such as in agrochemistry, medicinal chemistry, material
science, organic synthesis and spectroscopy. Accordingly, the conformational analysis of model
compounds in this study is divided in two parts: i) the first part aims at elucidating the
conformational isomerism of 1-chloro-1,1-difluoro-2-pentanol (CDP) in solution, by means of
nuclear magnetic resonance (NMR) and infrared (IR) spectroscopies, with the aid of theoretical
calculations. CDP was chosen as model compound because it contains some structural features
of last generation inhalational anesthetics; ii) the second part aims to analyze, theoretically, the
counterclockwise effect (name given to the effect that rules the counterclockwise orientation of
the hydroxyl groups in D-glucose), whose origin is still controversial. To achieve this finding,
a series of -halogen derivatives of D-glucose is proposed to confront the possible
intramolecular interactions controlling the conformational equilibrium of this molecule. The
1
H,
13
C and
19
F NMR spectra in cyclohexane, chloroform and acetonitrile solution, through the
analysis of ³JH,H, ³JH,F and
1
JC,H coupling constants, allowed to determine the main conformers
of CDP in the equilibrium, as well as to evaluate how the conformational populations varied
by changing the solvent polarity. The quantitative results obtained through NMR were
consistent with the infrared data obtained in cyclohexane solution, as well as with the
computational estimations, which were determined at the ωB97X-D and CCSD(T) levels, using
the 6-311++g(d,p) basis set. It is worth mentioning that calculations using an implicit solvation
model (PCM) did not reproduce the experimental results appropriately, mainly for the polar
solvent acetonitrile, probably due to specific solute-solvent interactions. Surprisingly, the most
stable conformer in nonpolar solvent was not the one that maximizes the gauche orientation
between the fluorine atoms and the vicinal electronegative group (OH), in disagreement with
the well-known gauche effect. Instead, the main conformer exhibits the chlorine substituent
with gauche relationship with the OH group, in such a way that an electronic delocalization
from the electron donor orbital σC-H to the good electron acceptor orbital σ*C-Cl is effective.
NBO (Natural Bond Orbital) calculations confirmed that the hyperconjugative interaction σC-H
→ σ*C-Cl is highly stabilizing.
To evaluate the counterclockwise effect, some structural modifications at D-glucose were
carried out, thus allowing to obtain the relevant intramolecular interactions (electrostatic and
stereoeletronic interactions) that rule the tridimensional shape of D-glucose. This work was
theoretically carried out at the B3LYP/aug-cc-pVDZ level, from which the compound energies
and conformer populations could be achieved. On the contrary of earlier statements, the origin
for the counterclockwise effect is not related to intramolecular hydrogen bonds, but it is rather
governed by repulsive dipolar and steric effects in the clockwise conformation.
Descrição
Área de concentração
Agência de desenvolvimento
Palavra chave
Marca
Objetivo
Procedência
Impacto da pesquisa
Resumen
ISBN
DOI
Citação
MARTINS, F. A. Conformational exploitation of polyfunctional organic compounds using spectroscopic and theoretical methods. 2019. 100 p. Dissertação (Mestrado em Agroquímica)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2019.