hydroxypropyl- β- cyclodextrin: Characterization, phase ... · Bioorganic & Medicinal Chemistry ....
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104
hydroxypropyl- β- cyclodextrin: Characterization, phase solubility and molecular modelling.
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98
CAPÍTULO VI
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
97
5.2. TRABALHOS FUTUROS
Particionar as contribuições para energia, no intuito de entender quais as forças que
contribuem para uma maior estabilidade do complexo.
Calcular o efeito do solvente nas propriedades dos complexos de inclusão da PYR e SFD
com o HP β-CD , tomando o solvente explicitamente
96
Os resultados teóricos de energia livre de Gibbs foram menores do que zero para o
complexo HP β-CD 6/SFD com o convidado na orientação NH2int, em todos os métodos no
vácuo e para os métodos RM1 e PM6 em meio aquoso. Comparando o resultado teórico com o
experimental, obtido pela mesma técnica aplicada a pirimetamina, constata-se que para o
complexo HP β-CD 6/SFD apenas o PM3 vácuo está em acordo com os resultados experimentais.
Enquanto que para a HP β-CD 2/SFD os métodos PM3 e RM1 coincidem com os
resultados experimentais, no entanto a energia livre de Gibbs indica que apenas o último método
e o PM6 serão espontâneos tanto no vácuo como no COSMO. Assim como ocorreu com a
pirimetamina os valores foram mais negativos no vácuo do que em meio aquoso.
Pode-se concluir que tais divergências em relação aos dados experimentais quando se
considera o sistema no COSMO estão relacionadas ao fato da realização de cálculos teóricos sem
considerar o efeito do solvente explicitamente, e por isso se torna evidente a necessidade do
estudo de ambos os complexos considerando a presença do mesmo.
Diante disto, provavelmente se o solvente for considerado explicitamente possa
evidenciar a espontaneidade do processo, e assim o método PM3 seria o mais eficaz ao descrever
as propriedades dos complexos de inclusão formados pela ciclodextrina.
De maneira geral, tanto para os complexos formados pela PYR como pela SFD, mesmo
em alguns casos mencionados em que a energia livre de Gibbs é positiva, pode-se perceber que o
método PM3 no vácuo foi capaz de reproduzir resultados obtidos pelo espectro de 1H NMR 2D
(ROESY).
Os resultados deste trabalho estão em acordo com diversos trabalhos [24,25,28,29], que
sugerem o PM3, como o método que melhor descreve os complexos de inclusão formados pela
ciclodextrina, quando se compara os resultados obtidos teoricamente com os experimentais.
95
CAPÍTULO V
CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
5.1. CONCLUSÕES
A partir da entalpias de formação obtidas através de cálculos de mecânica molecular
(MM3) e semiempíricos (AM1, PM3, RM1 e PM6) pode-se constatar que para a maioria dos
métodos a HP β-CD6 é mais estável que a HP β-CD2, comportando-se de maneira oposta apenas
o método MM3.
A partir dos resultados teóricos encontrados verifica-se que a energia livre de Gibbs para
o complexo HP β-CD 6/PYR foi menor do que zero em todos os métodos no vácuo, enquanto que
em meio aquoso isto não ocorre apenas com o AM1, considerando a molécula convidada na
orientação NH2ext. Quando se compara este comportamento com o espectro de 1H NMR 2D
(ROESY) percebe-se que os sistemas no COSMO não estão em bom acordo com tais resultados e
em contrapartida todos os métodos no vácuo estão em bom acordo com os resultados
experimentais.
Fazendo esta mesma análise para o complexo HP β-CD 2/PYR verifica-se que a energia
livre de Gibbs permanece negativa nos dois meios apenas para os métodos RM1 e PM6. Mas, a
partir dos resultados obtidos pelo espectro de 1H NMR 2D (ROESY) não ocorre uma
coincidência em ambos resultados, pois apenas o método PM3 vácuo é que se comporta de
maneira mais próxima aos resultados experimentais.
Pode-se concluir que para a pirimetamina os complexos serão mais favoráveis quando
formados a partir da HP β-CD 6.
94
CAPÍTULO V
CONCLUSÕES E TRABALHOS
FUTUROS
93
AM1 PM3
RM1 PM6
Figura 40: Representação das estruturas obtidas a partir dos métodos semiempíricos AM1, PM3,RM1 e PM6 no
vácuo para o complexo HP β-CD 6/SFD, com a sulfadiazina na orientação NH2int.
92
Observando as configurações obtidas no vácuo dos complexos de inclusão na orientação
sugerida pelos dados experimentais, nota-se que para HP β-CD2, os métodos PM3 e RM1
mostram que os hidrogênios Ha interagem apenas com os hidrogênios H-3 da CD (ver figura 39),
de acordo com os dados de RMN, já para os métodos PM6 e AM1 verifica-se uma forte interação
com os prótons H-3 e H-5, ou seja sugerem uma forte penetração do convidado no interior da
molécula hospedeira, resultado que vai na direção contraria dos dados experimentais.
Da análise termodinâmica observa-se para a HP β-CD2 que apenas o método AM1 no
vácuo e o PM6 e RM1 no solvente estão de acordo com a orientação da SFD na cavidade da HP
β-CD. Já quando comparamos a distância entre os hidrogênios Ha da SFD e H-3 e H-5 da
HPBCD observa-se que deste apenas o RM1 vácuo está em acordo com os dados experimentais
de RMN.
A análise das distâncias entre os hidrogênios da SFD e da HP β-CD6 mostram que o PM3
e o RM1 tem o mesmo comportamento, indicando interação forte entre Ha e H-3 e quase
nenhuma interação com H-5, já o PM6 e AM1 a apresentam distâncias muito próximas entre o
Ha da SFD como H-5 da HP β-CD6, sugerindo que o anel aromático da SFD penetra na cavidade
da HPCD6, logo conclui-se que PM3 é melhor método para descrever a entrada do convidado no
hospedeiro para esse sistema.
91
AM1 PM3
RM1 PM6
Figura 39: Representação das estruturas obtidas a partir dos métodos semiempíricos AM1, PM3,RM1 e PM6 no
vácuo para o complexo HP β-CD 2/PYR, com a sulfadiazina na orientação NH2int.
90
Figura 38: Representação dos prótons da sulfadiazina e o eEspectro 1H ROESY do sistema HP β-CD/SFD em D2O à
298,1K. [34].
O espectro de 1H NMR 2D (ROESY) representado na figura 39 mostra que prótons Ha
do anel anilina p-substituído da sulfadiazina correlaciona com ambos prótons H-3 e H-5 da HP
β-CD sendo mais forte aparentemente a correlação com o H-3. Os picos cruzados dos prótons
correlacionados com separação menor que 0,4 nm indicaram que o anel é pouco incluído na
cavidade da CD. Como os prótons H-3 estão localizados na borda secundária da CD indicando
que a inclusão pode envolver relativamente pouca penetração.
89
Além disso, pode-se notar que a orientação NH2int é em geral, a orientação de entrada
mais estável, exceto nos métodos RM1 e PM6 vácuo, ou seja, segundo estes métodos o solvente
determina a orientação de entrada da SFD na cavidade da CD.
Quando se considera os complexos formados a partir da HP β-CD2/SFD, os resultados
obtidos para a energia livre de inclusão estão representados na figura 37 considerando o
convidado nas duas orientações NH2ext e NH2int.
De acordo com os resultados encontrados, no vácuo, apenas para os métodos RM1 e PM6
foram encontrados energia livre de inclusão negativas com o convidado em ambas orientações.
Em meio aquoso este comportamento se mantém nos dois métodos para a orientação NH2int,
enquanto que para a orientação NH2ext tal comportamento só é observado no método PM6. O
efeito do solvente contribuiu em todos os casos analisados para tornar a energia livre de inclusão
menos negativa de uma forma geral.
Contudo, a orientação NH2ext no vácuo é preferida para todos os métodos com exceção
do AM1, enquanto que no solvente os métodos em conjunto com modelo COSMO indicam que a
entrada ocorre preferencialmente pela orientação NH2ext para o PM3 e AM1, enquanto o PM6 e
RM1 indicam a orientação NH2int.
Os resultados experimentais utilizando o espectro de 1H NMR 2D (ROESY)[34], com a
presença de picos de NOE também foi usado no estudo do complexo HP β-CD/SFD. Constatou-
se que o espectro do próton 1H da HP β-CD foi menor do que 5,5 ppm. Um aumento de 6 para
8,7 ppm evidencia sinais da SFD: δ= 6,628ppm (d, Ha), δ= 6,933 ppm (t, Hd), δ= 7,717 ppm (d,
Hb) e o δ= 8,411 ppm (d, Hc) de acordo com as figuras 38 para identificação do próton.
88
A partir destes resultados pode-se perceber que quando os complexos se encontram no
vácuo, para a orientação NH2ext da molécula convidada, nos métodos RM1 e PM6 foram obtidos
valores menores do que zero de energia livre de inclusão. O mesmo ocorre para a orientação
NH2int em todos os métodos, sugerindo assim que a formação de tais complexos é estável. Desta
maneira apenas os métodos AM1 e PM3 para a orientação NH2ext sugerem o contrário.
Analisando os complexos na presença do solvente tem-se que este contribuiu para que
houvesse um aumento da energia livre de inclusão em ambas orientações do convidado, fazendo
com que na orientação NH2ext todos os métodos apresentassem valores positivos, enquanto na
configuração NH2int isto ocorre com os métodos AM1 e PM3. Nestas situações sugerem que o
processo seja não espontâneo. Assim o processo só foi considerado espontâneo para os métodos
RM1 e PM6 com o convidado localizado através do NH2int, pois tais valores foram negativos.
AM
1-N
H2e
xt
PM
3-N
H2e
xt
RM
1-N
H2e
xt
PM
6-N
H2e
xt
AM
1-N
H2i
nt
PM
3-N
H2i
nt
RM
1-N
H2i
nt
PM
6-N
H2i
nt
Métodos
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
iG/k
cal m
ol-1
Vácuo COSMO
Figura 37: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD2/SFD, para os métodos
semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.
16,04 9,92
-49,46
-89,04
14,02
12,24
-42,66
-77,20
27,73 20,54
1,00
-33,62
43,54
28,08
-16,33
-47,60
87
Para o convidado na orientação NH2ext verifica-se que o solvente contribui para tornar a
entropia de inclusão menos negativa no método RM1, já que no método AM1 os valores
encontrados no vácuo (-22,8 kcal.mol-1) e no meio aquoso (-22,9 kcal.mol-1) foram muito
próximos. Enquanto que para a orientação NH2int este comportamento se mantém apenas no
método AM1 tanto para o vácuo (-22,6 kcal.mol-1) como em meio aquoso (-22,2 kcal.mol-1). O
solvente só conseguiu tornar a entropia de inclusão menos negativa para este método.
AM
1-N
H2e
xt
PM
3-N
H2e
xt
RM
1-N
H2e
xt
PM
6-N
H2e
xt
AM
1-N
H2i
nt
PM
3-N
H2i
nt
RM
1-N
H2i
nt
PM
6-N
H2i
nt
Métodos
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
iG/k
cal m
ol-1
Vácuo COSMO
Figura 36: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD6/SFD, para os métodos
semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.
De acordo com as equações 04 e 05 foram obtidos os valores de energia livre de inclusão
para a sulfadiazina e os valores encontrados nos casos dos complexos HP β-CD6/SFD,
considerando o convidado nas duas orientações NH2int e NH2ext, estão representados na figura
36.
-7,52 -2,42
-23,45
-2,44
-10,92 -8,06
-23,32 -22,99
18,81
98,67
84,74
118,57
15,48 10,10
-8,35 -2,03
86
orientação NH2ext, os valores foram bastante negativos, indicando que nestes casos a formação
do complexo pode ser muito instável.
AM
1-N
H2e
xt
PM
3-N
H2e
xt
RM
1-N
H2e
xt
PM
6-N
H2e
xt
AM
1-N
H2i
nt
PM
3-N
H2i
nt
RM
1-N
H2i
nt
PM
6-N
H2i
nt
Métodos
-32
-30
-28
-26
-24
-22
-20
-18
Τ∆iS
/kca
l mol
-1
Vácuo COSMO
Figura 35: Produto da temperatura pela entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-
CD2/SFD, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no
COSMO.
Como representado na figura 35, na qual são encontrados os valores de entropia de
inclusão formados a partir da HP β-CD2, os quais permanecem sendo negativos em todos os
métodos contribuindo para que o processo seja não espontâneo, ou seja a espontaneidade do
processo dependerá dos valores de entalpia de inclusão.
-22,80 -22,90
-26,10
-19,50
-22,60 -22,80
-25,30
-19,40
-22,20
-22,90
-25,20
-24,60
-26,80
-22,20
-24,20
-30,20
-22,40
85
abaixo, para os complexos da sulfadiazina, HP β-CD6/SFD e na figura 35 para a , HP β-
CD2/SFD.
AM
1-N
H2e
xt
PM
3-N
H2e
xt
RM
1-N
H2e
xt
PM
6-N
H2e
xt
AM
1-N
H2i
nt
PM
3-N
H2i
nt
RM
1-N
H2i
nt
PM
6-N
H2i
ntMétodos
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
iS/k
cal m
ol-1
Vácuo COSMO
Figura 34: Produto da temperatura pela entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-
CD6/SFD, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no
COSMO.
Quando se considera o convidado nas duas orientações, para a HP β-CD6, como
representado na figura 34, pode-se perceber que no vácuo todos os valores encontrados e a
entropia de inclusão foram menores do que zero, sugerindo que essa propriedade termodinâmica
contribui para a não espontaneidade do processo.
Considerando o efeito do solvente para tais complexos, verifica-se que este
comportamento se mantém na maioria dos métodos, e que para o PM3, RM1 e PM6 apenas na
-5,48 -7,04
-10,01 -14,5
-6,06 -7,58 -11,2
-13,20 -12,00
-95,6 -94,60
-107,00
-15,90 -10,30
-13,50
-6,45
84
orientação NH2int apresentaram entalpia de inclusão endotérmica e por isso podem contribuir
para a não espontaneidade do processo; (iii) para as duas orientações da SFD no vácuo e em meio
aquoso o método AM1 é o que apresenta valores menos negativos, enquanto que o PM6 se
comporta de maneira inversa apresentando valores mais negativos; (iv) no vácuo todos os
métodos tem a orientação NH2int como a mais estabilizada na cavidade da CD. Já em meio
aquoso o AM1 e o PM3 inverte. Ou seja, a orientação NH2ext é mais estabilizada do que a
NH2int para os métodos AM1 e PM3.
AM
1-N
H2e
xt
PM
3-N
H2e
xt
RM
1-N
H2e
xt
PM
6-N
H2e
xt
AM
1-N
H2i
nt
PM
3-N
H2i
nt
RM
1-N
H2i
nt
PM
6-N
H2i
nt
Métodos
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
∆ iH
/kca
l mol
-1
Vácuo COSMO
Figura 33: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD2/SFD, para os
métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.
Como já foi mencionado para os complexos com a pirimetamina, sabe-se que valores de
entropia positivos podem contribuir para a espontaneidade do processo. Os valores de entropia de
inclusão foram determinados de acordo com as equações 03 e estão representados na figura 34
-6,76 -12,98
-75,56
-108,54
-8,58
-10,56
-67,96
-96,60
4,83 -4,66
-23,60
-60,42
21,34
3,88
-46,53
-70,00
83
convidada na cavidade da HP β-CD6 . Esta característica sugere que a entalpia de inclusão pode
contribuir para a espontaneidade do processo.
Os valores foram mais negativos para a orientação NH2ext no método RM1, enquanto que
para a orientação NH2int o mesmo ocorre com o PM6. Em ambas orientações o método PM3 foi
o que apresentou valores de entalpia de inclusão menos negativos. Todos os métodos indicam que
a inclusão é mais forte com a orientação NH2int, dentre eles o PM6 é o método de maior
diferença e o RM1 o de menor diferença de entalpia de inclusão em comparação com a
orientação NH2ext.
Ao se considerar o efeito do solvente verifica-se que em todos os métodos, nas duas
orientações do convidado, os valores de entalpia de inclusão encontrados foram menos negativos
do que quando tais complexos se encontram no vácuo, sugerindo que os mesmos se tornam mais
estáveis nesta última condição. No caso da orientação NH2ext pode-se perceber que na maioria
dos métodos, AM1, PM3 e PM6, os valores foram maiores do que zero indicando que se trata de
um processo endotérmico e nestes casos contribuem para que o processo seja não espontâneo.
Para o método RM1 em ambas orientações NH2ext (-9,86 kcal.mol-1) e NH2int (-9,70
kcal.mol-1) foi encontrado valores de entalpia de inclusão muito próximos entre si e menores do
que zero e por isso pode-se dizer que tal aspecto pode contribuir para a espontaneidade do
processo. Sobre a orientação o resultado é similar ao encontrado no vácuo exceto o RM1, no qual
a orientação NH2ext liga-se mais fortemente a CD do que a orientação NH2int.
Estudando o comportamento dos complexos formados com a molécula hospedeira HP β-
CD2, como representado na figura 33, pode-se perceber as seguintes características:(i) em todos
os métodos quando se considera o efeito do solvente, a entalpia de inclusão tendem a se tornar
menos negativas, sugerindo assim que os sistemas são mais estáveis no vácuo; (ii) em meio
aquoso o método AM1 para as duas orientações do convidado e o método PM3 apenas para a
82
4.4. CÁLCULOS DAS PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS DOS
COMPLEXOS COM A SFD/HPβCD
Da mesma forma que ocorreu com a pirimetamina, foram calculados para a sulfadiazina
valores de entalpia de inclusão para os métodos semiempiricos e energia de ligação para a
mecânica molecular. Caso se obtenha para estas propriedades valores negativos, pode-se dizer
que as mesmas contribuem para que o processo de complexação seja espontâneo.
AM
1-N
H2e
xt
PM
3-N
H2e
xt
RM
1-N
H2e
xt
PM
6-N
H2e
xt
AM
1-N
H2i
nt
PM
3-N
H2i
nt
RM
1-N
H2i
nt
PM
6-N
H2i
nt
Métodos
-40
-30
-20
-10
0
10
20
∆ iH
/kca
l mol
-1
Vácuo COSMO
Figura 32: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD6/SFD, para os métodos
semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.
Assim, os resultados obtidos para a entalpia de inclusão para o complexo HP β-CD6/SFD
estão apresentados na figura 32. Analisando tais resultados, pode-se perceber que as entalpias de
inclusão no vácuo foram exotérmicas, para as duas formas que foi orientada a molécula
-13,00
-4,62
-33,55
-16,94 -16,98 -15,64
-34,52 -36,19
6,81 3,07
-9,86
11,57
-0,42 -0,20
-9,70 -8,48
81
Substituição no carbono 2 (C2) da β-CD Mapa de energia
2,40 2,60 2,80 3,00 3,20 3,40 3,60 3,80
r/angstrom
478,0
480,0
482,0
484,0
486,0
488,0
490,0
492,0
494,0
E/k
cal.m
ol-1
.
Substituição no carbono 6 (C6) da β-CD
Mapa de energia
1200 1000 800 600 400
2,80 3,40 4,00 4,60 5,20
r/angstrom
-200,0
-150,0
-100,0
-50,0
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
Âng
ulo
died
ro/g
rau
Figura 31: Representação da curva de energia potencial a partir do método MM3 para orientação NH2ext da
sulfadiazina na cavidade da HP β-CD2 e o mapa da superfície de energia potencial também pelo MM3 do mesmo
convidado na mesma orientação, na cavidade da HP HP β-CD6.
80
com o ângulo diedro é ainda menor. De fato o grupamento SO2 e o outro anel aromático estão
completamente fora da cavidade da CD. A energia mínima obtida foi de 526,16 kcal/mol para
uma distância entre os átomos de 2,1 Å e o ângulo diedro de -60,08°.
Na figura 31 mostramos a SFD orientada com o grupo amino externo (NH2ext) na
configuração de menor energia, segundo o método MM3 nas seguintes situações: a) HP β-CD2
com o mapa conformacional 2-D, o qual mostra a curva da energia potencial à medida que a SFD
vai entrando na cavidade da molécula hóspede; b) HP β-CD6 com o mapa conformacional 3-D, o
qual apresenta a variação na energia com a entrada da SFD na cavidade e a rotação do ângulo
diedro entre os seus anéis.
Para o primeiro caso todas as variáveis estão livres, exceto a coordenada de reação, a qual
é dada pela distância entre o hidrogênio da SFD com o oxigênio mais próximo de uma das
hidroxilas ligadas a um carbono primário da HPβ-CD2. Para esta configuração houve variação da
distância entre estes átomos de 2,60 à 3,60 Å, a fim de se obter a estrutura do complexo
correspondente ao mínimo de energia. A partir dos resultados MM3 foi mostrado que o poço de
potencial é largo apresentando a menor energia para este complexo de 479,34 kcal/mol numa
distância de 3,2 Å entre o hidrogênio da SFD e o oxigênio da hidroxila mais próxima da HP β-
CD2.
Para a segunda representação o mínimo de energia para o complexo foi determinado pelo
método MM3 restringindo tanto a distância entre os átomos oxigênio da hidroxila da HP β-CD6
e o hidrogênio da SFD que variou de 3,00 à 5,20 Å como também o ângulo diedro de -180,0 à
+180,0° entre os anéis da SFD. A partir dos resultados encontrados foi obtida a energia mínima
de 313,92 kcal/mol, para uma distância de aproximadamente 3,00 Å entre o hidrogênio da SFD e
a hidroxila primária mais próxima da HP β-CD6 e com um ângulo entre os anéis de
aproximadamente 60º.
79
Substituição no carbono 2 (C2) da β-CD Mapa de energia
680 640 600 560 520
1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80
r/angstrom
-200,0
-150,0
-100,0
-50,0
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
Âng
ulo
died
ro/g
rau
Substituição no carbono 6 (C6) da β-CD Mapa de energia
1100 1000 900 800 700 600
1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60
r/angstrom
-200,0
-150,0
-100,0
-50,0
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
Âng
ulo
died
ro/g
rau
Figura30: Representação do mapa da superfície de energia potencial a partir do método MM3 para orientação
NH2int da sulfadiazina na cavidade da HP β-CD2 e da HP HP β-CD6.
78
4.3. Estudo do Complexo de Inclusão SFD/HPβCD
Na figura 30 mostramos as duas β-CD substituídas, respectivamente nos C2 e C6, que
foram denominadas como HP β-CD2 e HP β-CD6, formando complexos de inclusão com a SFD
que se encontra na cavidade da molécula hospedeira através do grupo amino (NH2int). A figura
28 representa um mapa conformacional 3-D, correspondente a variação da superfície de energia
potencial, obtida pelo método MM3 com restrições em relação a variação da distância entre um
dos hidrogênios do nitrogênio ligado na extremidade da SFD com o hidrogênio da hidroxila mais
próxima da CD ( variação de 1,20 à 2,40 Å e passos de 0,2 Å) e o ângulo diedro entre um dos
anéis aromáticos com o grupamento SO2 da SFD (variação de -180,0 à 180,0 com passos de 20).
Para o complexo HP β-CD2, o mesmo procedimento foi adotado no qual a distância variou de 1,6
à 2,6 Å, juntamente com a rotação do ângulo diedro que variou de -180,02 à +180,02.
A partir destas considerações o mapa de tal configuração mostra a dependência da energia
com o ângulo de rotação dos anéis da SFD. Para o complexo de inclusão HP β-CD2/SFD
observando o mapa fica claro que a dependência da energia com o ângulo supracitado é muita
fraca.
Certamente essa fraca dependência pode ser explicada pelo fato que o anel aromático e o
grupamento SO2 ficaram praticamente fora da cavidade da CD, o mínimo tem energia igual a
512,12 kcal/mol para uma distância de 2,2 Å entre os átomos da molécula convidada e molécula
hospedeira e ângulo diedro de -180,023°. Para o complexo HP β-CD6, a dependência da energia
77
AM1 PM3
RM1 PM6
Figura 29: Representação das estruturas obtidas a partir dos métodos semiempíricos AM1, PM3,RM1 e PM6 no
vácuo para o complexo HP β-CD 6/PYR, com a pirimetamina na orientação NH2ext
76
AM1 PM3
RM1 PM6
Figura 28: Representação das estruturas obtidas a partir dos métodos semiempíricos AM1, PM3,RM1 e PM6 no
vácuo para o complexo HP β-CD 2/PYR, com a pirimetamina na orientação NH2ext.
75
Figura 27: Espectro 1H ROESY do sistema HP β-CD/PYR em D2O à 298,1K com tempo de medida de
200ms. [33]
Na figura 28 apresentamos a estruturas calculadas na orientação NH2ext no vácuo para a
HP β-CD 2/PYR e na figura 29 apresentamos para a HP β-CD 6/PYR, também no vácuo. Para o
conjunto HP β-CD 2/PYR, a estrutura obtida usando a metodologia PM3 mostra o resultado mais
próximo da expectativa experimental a estrutura tem a distância entre o H-o e H3 e H5 menores
que 0,4 nm, o que não ocorre com nenhum dos outros semiempíricos. Já os resultados para o
conjunto HP β-CD 6/PYR todos os métodos mostram distâncias menores do que 0,4 nm para H3-
H-o e H-m e H5 com os mesmos prótons.
74
Nota-se, também, que o AM1 e o PM6 indicam a mesma orientação como sendo a mais
estável seja no vácuo ou na água simulada usando a metodologia COSMO, para o AM1 a
orientação NH2ext e o PM6 a orientação NH2int.
E finalmente os dois métodos semiempíricos mais utilizados prevêem um ∆G positivo,
enquanto os mais recentes RM1 e PM6 prevêem um ∆G negativo. Ou seja, PM3 e AM1 sugerem
que o processo de encapsular é não espontâneo seja no solvente ou no vácuo, enquanto que o
PM6 e RM1 consideram que o encapsulamento é estável em ambas as orientações.
Os resultados experimentais utilizando o espectro de 1H NMR 2D (ROESY)[33], com a
presença de picos de NOE - uma ferramenta experimental importante que tem auxiliado a
caracterizar os complexos de inclusão com CD, tais picos, permitem identificar quais os grupos
de prótons estão próximos entre si, até uma distância de 0,4 nm - indicam que os prótons H3 e
H5 (deslocamentos de δ=3,923 ppm e δ=3,785 ppm, respectivamente) encontrados no interior da
cavidade da CD correlacionam com H-m (δ=7,473 ppm, posição meta em relação ao Cl no anel
aromático) e H-o (δ=7,221 ppm, posição orto em relação ao Cl no anel aromático) correlaciona
principalmente com o H5 da HPBCD, o que sugere uma forte penetração do anel aromático na
cavidade da HP β-CD (ver figura 27) .
Tais resultados estão em desacordo com a orientação prevista, em geral, com os resultados
teóricos com a inclusão do efeito do solvente usando o modelo COSMO. No entanto, estão em
acordo, em geral, com os resultados no vácuo tanto para a HP β-CD 2 quanto para a HP β-CD 6.
Isto sugere que águas explicitas nos cálculos do solvente são fundamentais para obter resultados
em acordo com os experimentais.
73
para todos os métodos, exceto para o AM1, o qual apresentou valores positivos de ∆G para os
dois meios.
AM
1-N
H2e
xt
PM
3-N
H2e
xt
RM
1-N
H2e
xt
PM
6-N
H2e
xt
AM
1-N
H2i
nt
PM
3-N
H2i
nt
RM
1-N
H2i
nt
PM
6-N
H2i
ntMétodos
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
∆ iG
/kca
l mol
-1
Vácuo COSMO
Figura 26: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-CD2/PYR, para os métodos
semiempíricos, com o convidado nas orientações NH2ext e NH2int, no vácuo e no COSMO.
Na figura 26 são apresentados os valores de energia livre de inclusão para os complexos
considerando a HP β-CD2, no qual se pode observar que o solvente afeta muito pouco o valor
numérico da ∆iG, mas é o suficiente para mudar a orientação preferida no caso do PM3 e RM1,
ambos apresentam a orientação NH2ext como a mais estável no vácuo,no entanto no meio aquoso
apresentam a outra orientação como a mais estável.
10,15 6,55
-39,86
-83,26
16,34 5,83
-32,13
-86,98
18,11
4,83
-22,74
-55,66
30,05
3,32
-26,88
-85,16
72
Sendo: ∆H representa a entalpia, T a temperatura medida a 298K e ∆S a entropia.
A partir desta fórmula obtém-se o ∆G do complexo e da molécula hospedeira.
A
M1-
NH
2ext
PM
3-N
H2e
xt
RM
1-N
H2e
xt
PM
6-N
H2e
xt
AM
1-N
H2i
nt
PM
3-N
H2i
nt
RM
1-N
H2i
nt
PM
6-N
H2i
nt
Métodos
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
iG/k
cal m
ol-1
Vácuo COSMO
Figura 25: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-CD6/PYR, para os métodos
semiempíricos, com o convidado nas orientações NH2ext e NH2int, no vácuo e no COSMO.
Na figura 25 pode-se acompanhar os valores de energia livre de inclusão, medidos em
kcal.mol-1, para os complexos formados a partir da HP β-CD6. Fazendo uma análise do gráfico
nota-se que: (i) para a maioria dos cálculos a energia livre de Gibbs foram negativas, o que
sugere que o processo de inclusão seja espontâneo; (ii) o efeito do solvente aparece mais
fortemente para a orientação NH2int e (iii) no vácuo a orientação favorecida é a NH2ext para
todos os métodos e a orientação NH2int é a mais favorecida na água segundo o modelo COSMO
-9,78 -4,12 -11,62
-24,32
78,42
4,35
76,54
-14,09
7,92
-35,33
-13,65
-15,26
109,70
-15,41
-63,71
-12,85
71
AM
1-N
H2e
xt
PM
3-N
H2e
xt
RM
1-N
H2e
xt
PM
6-N
H2e
xt
AM
1-N
H2i
nt
PM
3-N
H2i
nt
RM
1-N
H2i
nt
PM
6-N
H2i
nt
Métodos
-30
-28
-26
-24
-22
-20
-18Τ∆
iS/k
cal m
ol-1
Vácuo COSMO
Figura 24: Produto da temperatura pela entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-
CD2/PYR, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no
COSMO.
As figuras 25 e 26 apresentam o cálculo da energia livre de inclusão (∆iG ) através da
diferença entre a energia livre do complexo de inclusão gerado e a energia do hospedeiro(HPβ-
CD) e o convidado isolado representada pela equação abaixo:
∆iG = ∆Gcomplexo - (∆G hospedeiro+ ∆Gconvidado) (4)
A energia livre do complexo foi determinada conforme a equação 4:
∆G = ∆H - T ∆S (5)
-20,70 -20,40
-23,80
-21,20
-21,98
-20,19
-24,99
-2048
-20,80
-28,60 -29,20
-27,00
-20,46
-25,31
-29,40
-23,32
70
De acordo com a figura 23 todos os valores encontrados para a entropia de inclusão
formados a partir da HPβ-CD6 , foram negativas, exceto para RM1 na orientação NH2int usando
o modelo COSMO. Portanto, em geral, o termo T∆S contribui para a não espontaneidade do
processo, já que contribui para deixar o ∆G mais positivo. Este comportamento é esperado já que
na forma de complexo de inclusão ocorre uma diminuição nos graus de liberdade do convidado
comparado com cada uma das moléculas livre, o valor de T∆S pode ser positivo quando
considera-se moléculas de água inclusa na cavidade da CDs.
O RM1 na orientação NH2int em meio aquoso apresentou um comportamento não
esperado uma vez que o modelo COSMO não utiliza moléculas de água explicitamente. Cabe
salientar que o efeito do solvente ou da orientação foram muito pequenos para todos os métodos
em todos os casos, exceto, novamente, pra o RM1 na orientação NH2int.
Quando os complexos são formados pela HP β-CD2 como mostra a figura 24, os valores
encontrados para a entropia foram negativos em todos os métodos considerando ou não o efeito
do solvente.
Os valores de entropia tendem a se tornar mais negativos quando se considera o efeito do
solvente na maioria dos casos, com exceção apenas do AM1 quando o convidado se encontra na
orientação NH2int. Assim, o método COSMO na maioria das metodologias semiempíricas
sugerem que o termo entrópico contribui mais fortemente para que não haja a formação do
complexo de inclusão, em contradição com os resultados esperados experimentalmente.
69
AM
1-N
H2e
xt
PM
3-N
H2e
xt
RM
1-N
H2e
xt
PM
6-N
H2e
xt
AM
1-N
H2i
nt
PM
3-N
H2i
nt
RM
1-N
H2i
nt
PM
6-N
H2i
nt
Métodos
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
Τ∆iS
/kca
l mol
-1
Vácuo COSMO
Figura 23: Produto da temperatura pela entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-
CD6/PYR, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no
COSMO.
As entropias de inclusão foram obtidas a partir da equação:
∆iS= Scomplexo-(SHPβ-CD + Sconvidado ) (3)
sendo: ∆iS é entropia de inclusão do sistema, Scomplexo é entropia do complexo inclusão, SHPβ-CD é
entropia da HPβ-CD e ∆Sconvidado é a entropia da molécula convidada. Como apresentado pela
figura 23 o produto da temperatura, que no caso do experimento foi de 298,15 K, pelo valor da
entropia, dessa forma como a temperatura se mantém constante pode-se considerar que os valores
apresentados no gráfico acima podem ser mencionados como a entropia de inclusão de cada um
dos complexos.
-3,09 -8,52
-18,70 -25,86
-86,7
-2,21
-91,8
-13,3 -4,51
-17,7
-4,65 -8,09
-99,2
-12,2
2,67
-8,26
68
Além disso, ambas orientações apresentaram maiores valores de entalpia de inclusão para
o método AM1, enquanto que para o PM6 o comportamento foi o inverso, ou seja para este
último método os complexos tendem a se tornarem mais estáveis.
Quando se considera o solvente verifica-se que na maioria dos métodos o seu efeito é
aumentar o valor da entalpia de inclusão, ou seja faz com que a entalpia torne-se menos negativa
como pode ser observado no AM1, RM1 e PM6 para a orientação NH2ext, indicando que nestes
casos os complexos são mais estáveis no vácuo. Em particular o método AM1 para a orientação
NH2int o processo foi endotérmico, sugerindo que o processo não é estável. Apenas o método
PM3 para as duas orientações do convidado observou-se que o solvente torna os complexos mais
estáveis já que os valores encontrados se tornaram mais negativos.
Verifica-se que para a orientação NH2int os valores encontrados para o RM1 no vácuo; -
57,12 kcal.mol-1 e em meio aquoso- -56,28 kcal.mol-1, foram muito próximos, o mesmo ocorre
com o PM6 -107,46 kcal.mol-1 no vácuo e -108,48 kcal.mol-1em meio aquoso.
A entropia é outra propriedade termodinâmica que pode contribuir para a formação do
complexo de inclusão seja um processo espontâneo, para isto é necessário que a variação da
entropia seja positiva.
67
orientação NH2-ext, e diminui fortemente o ∆iH para o PM3 nas duas orientações e o RM1 na
orientação NH2-int.
O resultado geral é que em meio aquosos a inclusão da PYR fica mais efetiva na
orientação NH2-int para o método RM1, enquanto que, para a orientação NH2-ext o mesmo
ocorre com o método PM3.
AM
1-N
H2-
ext
PM
3-N
H2-
ext
RM
1-N
H2-
ext
PM
6-N
H2-
ext
AM
1-N
H2-
int
PM
3-N
H2-
int
RM
1-N
H2-
int
PM
6-N
H2-
int
Método
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
∆ iH
/kca
l.mol
-1
Vácuo COSMO
Figura 22: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1do complexo HP β-CD2/PYR, para os métodos
semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.
Considerando a entalpia de inclusão para os complexos formados a partir da HP β-CD2
como apresentado na figura 22, pode-se constatar que para ambas orientações do convidado
quando no vácuo as entalpias de inclusão foram exotérmicas sugerindo que energeticamente a
formação de tais complexos são favoráveis.
-10,55 -13,85
-63,66
-106,46
-5,64 -14,36
-57,12
-107,46
-2,69
-23,77
-51,94
-82,66
9,59
-21,99
-56,28
-108,48
66
formação do complexo seja espontâneo, uma vez que contribuem para que energia livre de Gibbs
seja negativa.
Observa-se na figura 21 que os resultados no vácuo, do complexo HP β-CD6, para a
maioria dos métodos libera energia, apenas para o PM3 na configuração NH2int o processo é
endotérmico. Os resultados também sugerem que a inclusão é mais efetiva para o NH2-ext,
exceto para o PM6 (acompanhe a linha de grade).
AM
1-N
H2-
ext
PM
3-N
H2-
ext
RM
1-N
H2-
ext
PM
6-N
H2-
ext
AM
1-N
H2-
int
PM
3-N
H2-
int
RM
1-N
H2-
int
PM
6-N
H2-
int
Método
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
∆ iH
/kca
l.mol
-1
Vácuo COSMO
Figura 21: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD6/PYR, para os métodos
semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.
Como o ∆iE previsto pelo método MM3 são -44,19 kcal.mol-1 para a orientação NH2-ext e
-44,86 kcal.mol-1 para a outra orientação, este também sugere que a inclusão é mais efetiva na
orientação NH2-int. Nota-se, também, que o solvente aumenta o ∆iH do AM1, RM1 e do PM6 na
-12,87 -12,64
-18,70
-25,86
-8,28
2,14
-15,26
-27,39
3,41
-37,10
-18,30 -23,35
10,50
-27,61
-60,95
-21,11
65
Figura 20. Variação da entalpia de formação da HP β-CD2 e HP β-CD6 com os métodos semiempíricos AM1, PM3, RM1, PM6 no vácuo e no meio aquoso e a energia MM3 no vácuo.
Fazendo uma análise da variação de energia de inclusão (∆iE) e da entalpia de inclusão
(∆iH) dos complexos HP β-CD2/PYR e HP β-CD6/PYR nas duas orientações, para o método
MM3 e os demais métodos semiempíricos, de acordo com as equações (1) e (2):
∆iH= ∆fHcomplexo - (∆fHHPβ-CD + ∆Hconvidado ) (1)
∆iE = ∆fEcomplexo - (∆fEHPβ-CD + ∆fEconvidado ) (2)
sendo ∆iH é a entalpia de inclusão, ∆fHcomplexo é a entalpia de formação do complexo de inclusão,
∆fHHPβ-CD é a entalpia de formação da 2-hiroxipropil-β-CD, ∆fHconvidado é a entalpia de formação
do convidado. É sabido que a entalpia de reações exotérmicas contribui para que o processo de
-1990,70
-1750,71
-1810,00 -1846,76
-2039,81
-1787,73
-1867,98
-1921,68
-494,51
-2003,11
-1763,43
-1857,75
-1938,34
-1804,69
-2046,21
-1909,06
-1974,84
-519,52
64
4.2. CÁLCULOS DAS PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS DOS
COMPLEXOS COM A PYR/HP βCD
As conformações obtidas na etapa anterior foram consideradas como geometrias de
partida para as otimizações, sem qualquer restrição a fim de obter a estrutura de mínimo, pelos
métodos MM3, os semiempíricos AM1, PM3, RM1, PM6 e para os mesmos métodos
semiempíricos usando o modelo COSMO no intuito de verificar o efeito do solvente na
estabilidade dos complexos de inclusão. Analisando as duas formas da HP β-CD, com o grupo
isopropil no carbono 2 (C2 )- HP β-CD2- e no carbono 6 (C6) da β-CD,- HP β-CD6- para os
complexos de inclusão com o convidado nas orientações NH2-ext. e NH2-int.
Na figura 20 estão representados os valores de entalpia de formação, para HP β-CD2 e
HP β-CD6, modificadas, calculadas pelos métodos semiempíricos estudados neste trabalho e a
energia de ligação calculada pelo método MM3. Nota-se que a HP β-CD substituída na posição 6
é na maioria dos métodos mais estável que a substituída na posição 2, exceto para o método
MM3. Sendo a maior diferença obtida com o método PM6 e a menor diferença com o método
AM1 usando o modelo COSMO. O solvente diminui a diferença entre as duas β-CDs.
63
Substituição no carbono (C2) da β-CD Mapa de energia
490 480 470 460 450 440
1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70
r/angstrom
-200,0
-150,0
-100,0
-50,0
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
Âng
ulo
died
ro/g
rau
Substituição no carbono ( C6) da β-CD Mapa de energia
660 620 580 540 500 460
1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 3,20
r/angstrom
-200,0
-150,0
-100,0
-50,0
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
Âng
ulo
died
ro/g
rau
Figura19: Representação da superfície de energia potencial MM3 para orientação NH2-int da pirimetamina na
cavidade da HP β-CD2 e da cavidade da HP β-CD6.
62
Substituição no carbono 2 (C2) da β-CD Mapa de energia
1,40 1,75 2,10 2,45 2,80 3,15 3,50 3,85 4,20
r/angstrom
400,0
600,0
800,0
1000,0
1200,0
1400,0
1600,0
1800,0
2000,0
E/k
cal.m
ol-1
Substituição no carbono 6(C6 )da β-CD Mapa de energia
800 750 700 650 600 550 500 450
1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 3,20
r/angstrom
-200,0
-150,0
-100,0
-50,0
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
Âng
ulo
died
ro/g
rau
Figura18: Representação da curva de energia potencial a partir do método MM3 para orientação NH2ext da
pirimetamina na cavidade da HP β-CD2 e o mapa da superfície de energia potencial também pelo MM3 do mesmo
convidado na mesma orientação, na cavidade da HP HP β-CD6.
61
kcal/mol, para uma distância de aproximadamente 2,80 Å entre o Cl da PYR e a hidroxila
primária mais próxima da HP β-CD6 e com um ângulo entre os anéis de aproximadamente -120º.
A figura 19 representa a variação da superfície de energia potencial, obtida pelo método
MM3 apresentando restrições em relação a variação da distância entre os átomos da molécula
convidada e molécula hospedeira e também na variação do ângulo diedro entre os anéis da
pirimetamina estando esta na orientação NH2int no interior da cavidade da HP β-CD2 e da HP β-
CD6. Para o complexo HP β-CD2, o hidrogênio do grupo amino da molécula convidada pode
fazer uma ligação de hidrogênio com o oxigênio da molécula hospedeira uma vez que a distância
entre estes átomos variou de 1,8 à 2,6 Å, juntamente com a rotação do ângulo diedro entre os
anéis da PYR que variou de -180,02 à +180,02.
A partir destas considerações o mapa de tal configuração mostra dependência da energia
com o ângulo de rotação de anéis da PYR, apresentando dois vales (ver figura 19 a) e a estrutura
que representou o complexo de mínimo tem energia igual a 435,12 kcal/mol para uma distância
de 2,25 Å entre os átomos da molécula convidada e molécula hospedeira e ângulo diedro de -
100°.
Considerando o complexo formado pela da HP β-CD6, a distância entre os átomos
hidrogênio da pirimetamina e oxigênio da molécula hospedeira variou de 2,00 à 3,00 Å, enquanto
a variação da rotação do ângulo diedro se manteve a mesma. Neste caso pode-se perceber que
ocorre uma dependência entre a energia potencial de superfície com o ângulo de rotação da PYR..
Para este complexo a energia mínima obtida foi de 452,94 kcal/mol para uma distância entre os
átomos de 2,25 Å, apresentando ângulo diedro de 90,0°.
60
CAPÍTULO IV
RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. ESTUDO DO COMPLEXO DE INCLUSÃO PYR/HPβCD
Na figura 18 mostramos a curva da energia potencial, obtida a partir do método MM3,
com a entrada da PYR-NH2-ext na cavidade da HPβ- CD2. No cálculo todas as variáveis estão
livres, exceto a coordenada de reação, a qual é dada pela distância entre o cloro da PYR com o
hidrogênio mais próximo de uma das hidroxilas ligadas a um carbono primário da HPβ-CD2.
Para esta configuração houve variação da distância entre estes átomos de 1,40 à 4,20 Å, a fim de
se obter a configuração do complexo correspondente ao mínimo de energia. A partir dos
resultados MM3 foi mostrado que o poço de potencial é largo apresentando a menor energia para
este complexo de 409,60 kcal/mol numa distância de 2,8 Å entre o cloro e a hidroxila mais
próxima da HP β-CD2. Enquanto o mapa tridimensional representa a superfície de energia
potencial para o complexo com o convidado na mesma orientação, no entanto formado coma HP
β-CD6. Nesta representação o mínimo de energia para o complexo foi determinado pelo método
MM3 restringindo tanto a distância entre os átomos hidrogênio da hidroxila da HP β-CD6 mais
próxima do cloro da PYR como também o ângulo diedro entre os anéis da PYR. A partir dos
resultados encontrados pode-se perceber que a energia varia mais fortemente com a entrada da
PYR na cavidade do que com a rotação do anel, a energia mínima encontrada é de 434,72
59
CAPÍTULO IV
RESULTADOS E DISCUSSÃO
58
3.2. FORMAÇÃO DOS COMPLEXOS COM A PYR E SFD
Na complexação com a pirimetamina (PYR) e a sulfadiazina (SFD), duas configurações
foram consideradas: na primeira o anel NH2-PYR entra na cavidade apontando na direção do
anel de menor diâmetro da HP β-CD (NH2-int), enquanto na outra configuração o anel NH2-PYR
aponta na direção do anel de maior diâmetro da HP β-CD (NH2-ext).
Cada convidado, em seu respectivo complexo, foi inicialmente alinhado ao eixo que passa
pelo centróide da HP β-CD o qual é perpendicular ao plano formado pelos oxigênio glicosídicos.
Em seguida, o convidado caminhou na direção da cavidade passo a passo realizando pequenas
rotações entre os diedros dos anéis. Todas as configurações foram otimizadas usando a
metodologia MM3 com restrição à distância entre os centróides e o ângulo diedro de rotação,
construindo parametricamente desta forma uma superfície de potencial.
A geometria do complexo de inclusão na energia mínima foi utilizada como a estrutura de
partida para os cálculos MM3, AM1, PM3, PM6 e RM1 no vácuo e em fase aquosa sem qualquer
restrição. O efeito do solvente foi calculado usando a aproximação do continuo COSMO [19]
implementada no programa CAChe.
57
Figura 17: Estrutura da β-ciclodextrina, com detalhe para a hidroxilas da posição 2, 3 e 6 como sítio de substituição
preferencial [5].
Inicialmente, foram realizadas análises conformacionais utilizando o método MM3 nas
estruturas HPβ-CD oriundas de substituições nas posições 2 e 6 da β-CD obtida no CSD (as quais
nos referenciamos de agora em diante como HPβCD2 e HPβCD6), com o propósito de
determinar a posição de menor energia dos substituintes sem se afastar muito da conformação de
do raio-X. As estruturas encontradas foram utilizadas para a complexação com as moléculas
convidadas.
56
CAPÍTULO III
METODOLOGIA
3.1. MODELAGEM DAS ESTRUTURAS
A estrutura tridimensional da HP β-CD foi construída a partir de modificações da
geometria cristalográfica da β-CD depositada no banco de dados Cambridge Structure Data Base
(CSD) [18]. Baseado no fato de que a estrutura exata da HP β-CD substituída não é encontrada,
assumiu-se que a hidroxila 2 da β-CD (Figura 17) é mais ácida e a 6 é a mais básica e por isso
mais nucleofílica, enquanto a 3 é inacessível, levando assim a considerar que a substituição de
todos os hidrogênios pelo grupamento 2-hidroxi-propil preferencialmente ocorre nos sítios 2 e 6.
As substituições foram feitas utilizando o programa CAChe Woksystem 6.01, o qual, com
base em distâncias e ângulos padrões, também foi utilizado para a modelagem da estrutura dos
convidados PYR e SFD [19].
55
CAPÍTULO III
METODOLOGIA
54
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Construir os mapas conformacionais com a finalidade de determinar os possíveis mínimos
de energia, no intuito de buscar um geometria de partida que leve ao mínimo global;
• Determinar se o substituinte 2-hidroxipropil prefere a posição 6, a mais ácida, ou a
posição 2, a mais suceptível;
• Determinar qual é a orientação preferida que o convidado (PYR e SFD) entra na cavidade
da 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina;
• Estudar os aspectos termodinâmicos da formação de complexos de inclusão HP β-
CD/PYR e HP β-CD/SFD
.
53
CAPÍTULO II
OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GERAL
• Estudar os complexos de inclusão entre β-CD/PYR e β-CD/SFD usando métodos de
modelagem molecular clássicos e quânticos.
52
CAPÍTULO II
OBJETIVOS
51
permanece em acordo com os resultados experimentais, assim como nos outros métodos
semiempíricos (AM1 e PM3);
3- A utilização de todos estes métodos semiempíricos para a realização de cáculos das
propriedades termodinâmicas dos complexos em estudo, já que existem poucos
pesquisadores trabalhando com tal aspecto.
50
Figura 16: Representação da estrutura mais estável da β- CD apenas com ligações de hidrogênio nas hidroxilas
secundárias. [31]
Jiménez e colaboradores [32] , também verificou as ligações intramoleculares de
hidrogênio formadas na α- ciclodextrina. Os resultados obtidos a partir do método PM3 indicam
que as quatro conformações optimizadas apresentavam um arranjo de ligações de hidrogênio,
diferindo na posição das interações das hidroxilas envolvidas.
No entanto, apenas três destas conformações estavam em acordo com os resultados
experimentais apresentando uma rede de ligações intramolecular de hidrogênio ao redor da face
secundária da α- CD[32].
Diante do exposto, até este ponto, a elaboração deste trabalho teve como principais
aspectos motivadores:
1- O bom acordo existente entre os métodos teórico semiempíricos utilizados e os resultados
experimentais dos trabalhos aqui mencionados;
2- A utilização de métodos semiempíricos mais recentes (RM1 e PM6), a fim de
verificarmos se o comportamento para complexos de inclusão com a ciclodextrina
49
Na conformação de menor energia no anel da β- ciclodextrina foram estabelecidas
ligações de hidrogênio homodrômicas, caracterizadas como ligações de hidrogênio curtas
formadas entre a região com os grupos de hidroxilas primárias e os grupos das hidroxilas
secundárias (figura 15)[31].
Figura 15: Representação das ligações de hidrogênio para as hidroxilas primárias (verde )e secundária (violeta ) da
β- CD.[31]
Esse tipo de análise mostrou que na medida em que ocorre um aumento da distância entre
os átomos de oxigênio – oxigênio dos grupos das hidroxilas primárias, as ligações de hidrogênio
foram desfeitas entre esses grupos, e as duas conformações de mínimo passaram a exibir altas
energias em relação à conformação de baixa energia mencionada acima. Isso é explicado pela
ausência das ligações de hidrogênio, que estavam presentes apenas nas hidroxilas secundárias
(Figura 16)[31].
48
menor energia. Constatou-se, a partir de dados experimentais, que ambos os complexos
coexistem em solução, e a proporção da concentração foi dependente da concentração da β-
CD[30].
Figura 14: Representação dos complexos de inclusão (a) permitrina-(β-CD) e (b) permitrina-(β-CD)2 [30]
Na literatura[31,32], são encontrados outros trabalhos que enfocam o uso da ciclodextrina
em condições que não levam em consideração as águas presentes na sua forma cristalina, fazendo
assim uma análise da estabilidade em relação às ligações de hidrogênio intramoleculares que
podem existir entre as hidroxilas primárias e hidroxilas secundárias da sua estrutura.
Essa linha de pesquisa é observada nas publicações de Snor e colaboradores [31], na qual
é relatada a utilização de cálculos DFT para investigar as conformações de baixa energia da β-
ciclodextrina sob condições anidras em fase gasosa. Suas energias foram obtidas levando em
consideração à distância entre os átomos de oxigênio dos grupos das hidroxilas primárias e os
oxigênios dos grupos das hidroxilas secundárias.
(a) (b)
47
Foi verificado que a solubilidade da permitrina em solução aquosa é aumentada com a
presença da β-CD e há a ocorrência de complexos de inclusão na proporção 1:1 e 1:2 em relação
à permitrina e β-CD respectivamente. A razão entre as concentrações dos complexos 1:11 e 1:2
são altamente dependentes da concentração da β-CD.[30]
Cl
ClO
O
CH3H3C
O
Figura 13: Representação do fármaco permitrina.[30]
A modelagem molecular e simulações de dinâmica molecular (DM) foram utilizadas
primeiramente para encontrar a estrutura mais estável da ligação hidrofóbica entre uma molécula
de permitrina e uma molécula de β-CD, e de acordo com os resultados a β-CD reconheceu
seletivamente o isômero trans 1R, 3R permitrina como a forma mais estável do complexo.[30]
Como mostra a figura 14a o anel benzeno da molécula permitrina fica dentro da cavidade
hidrofóbica da β-CD, enquanto o outro anel com os outros dois átomos de cloro se encontra fora
da cavidade[30].
Considerando a possível ligação do complexo permitrina-(β-CD) com a segunda molécula
de β-CD para formar o complexo permitrina-(β-CD)2 foram analisadas quatro possibilidades e
dentre elas a cabeça- cabeça, como mostra a figura14b foi o modelo mais estável apresentando
46
Com relação à entalpia de inclusão, os resultados prevêem, conforme ilustrado na figura
12, que o sistema α- CD/ DTAB é mais estável que o β-CD/DTAB para todos os métodos
analisados.[29]
Ao investigar as propriedades termodinâmicas foram realizados cálculos para o método
PM3, que ao contrário do AM1, apresentou todas as energias livre de Gibbs negativas, indicando
que o processo ocorre espontaneamente.No entanto para ambos os métodos todas as reações de
complexação são exotérmicas, indicando a ocorrência do processo. [29]
Figura 12: Representação do complexo α- CD/ DTAB para o método AM1(a) e PM3 (b) [29].
Outro composto com baixa solubilidade em água é permitrina (figura 13), substância
usada no tratamento de escabiose (sarna) e em outras áreas terapêuticas. A permitrina foi
estudada por Guang-Fu e colaboradores [30] utilizando modelagem molecular e inúmeros dados
experimentais.
(a) (b)
45
Além de estudar a configuração mais estável do convidado com a molécula hospedeira
estudou também as propriedades termodinâmicas dos complexos formados. O valor negativo para
reação de complexação, sugere que ambos os processos são entalpicamente favoráveis. No
entanto, a mudança de entalpia para orientação borda maior foi mais negativa, o que pode ser
atribuído as mais intensas interações de van der Waals. [28]
As mudanças entálpicas encontradas foram de magnitude similar com os dados
experimentais, mostrando que as estruturas e as energias de reação consideradas foram bem
descritas pelo método PM3. Mas, um importante aspecto do processo, relativo à contribuição
entrópica (∆S), de acordo com estudos experimentais, o valor encontrado foi completamente
diferente do valor calculado., o que provoca um discrepância entre o valor teórico e o
experimental de ∆G.[28]
Esta discrepância pode ser atribuída, em parte, por desconsiderar o efeito hidrofóbico que
está relacionado com a entropia devido a assimilação das moléculas de água após realizada a
inclusão. Tal passo, do processo de inclusão pode ser o mais importante na complexação da
ciclodextrina com o substrato hidrofóbico.[28]
De maneira semelhante Rafati e colaboradores[29] também obteve a configuração mais
estável para os complexos α- e β-ciclodextrinas com o brometo de deciltrimetilamônio (DTAB) e
o brometo tetradeciltrimetilamônio (TTAB) no vácuo e também as propriedades termodinâmicas
destes complexos, para os quais, além de se utilizar o método semi-empírico PM3, utiliza o AM1
e também cálculos ab initio HF / 3-21G e B3LYP/3-21 G.
A estabilidade desses complexos foi analisada por meio de cálculos da entalpia de
inclusão, observando a relação existente entre a menor energia do calor de formação do complexo
gerado e a energia dos hospedeiros e convidados isolados.[29]
44
O trabalho acima mencionado, consiste de uma reinvestigação das diferenças de energia,
conformação do quercetin nos complexos e o efeito do grupo hidroxila próximo do quercetin no
processo de complexação com β-CD usando o método PM3. Os cálculos foram realizados em
fase gasosa e os efeitos da solvatação não foram considerados.[28]
O ∆E negativo sobre a complexação demonstrou que β-CD forma complexos estáveis
com o quercetin. Valores elevados da gap (ELUMO – EHOMO) indicam que apresentam uma alta
estabilidade. A orientação borda menor foi significativamente mais estável que a borda
maior.[28]
A distância O....O calculada para a ciclodextrina foi de 2,73 Å, sugerindo que se trata de
uma ligação intermolecular de hidrogênio, que contribuiu para estabilização da energia no
complexo em que o convidado foi orientado através da borda menor, enquanto para a outra
orientação não foi identificada a estabilização por tal interação, como pode ser visto na figura
11.[28]
Figura 11: Representação do complexo de inclusão quercetin- β-CD orientado a partir da (a) borda menor e (b)
borda maior.[28]
(a) (b)
43
Figura 09: Complexos de inclusão (a) 5-NI- β-CD e (b) 5-NI-DMβ-CD.[27]
No estudo de Chunliyan[28], foi utilizado o método semiempírico PM3 na investigação
do processo de inclusão entre a β-CD e o quercetin numa relação hospedeiro – convidado,
respectivamente. O convidado, como mostra a figura 10, é um importante constituinte da família
dos flavonóides e possui muitos efeitos biológicos que são considerados benéficos para a saúde,
tais como: antioxidante, anticancerígeno, antiviral, na prevenção da arterosclerose e também
atividade para inflamações crônicas.[28]
Figura 10: Representação da estrutura do fármaco quercetin.[28]
(a) (b)
42
Os derivados do 5-nitroindazol foram estudados por Jullian [27] e colaboradores, por ser
identificado como um bom antiparasitário in vitro. Este estudo foi realizado para determinar a
constante de ligação dos complexos de inclusão do 1-(2-dimetilamino)etil)-3-metoxi-5-nitro-1H-
indazol(5NI) (figura 08), com β-CD e heptakis (2,6-di-O-metil)- β-CD (DMβ-CD).
Figura 08: Representação da estrutura do 1-(2-dimetilamino) (etil)-3-metoxi-5-nitro-1H- indazol (5NI).[27]
No caso do complexo 5-NI- β-CD, a conformação obtida pelo método semiempírico AM1
está de acordo com os resultados ROESY, no qual o complexo teve o anel indazol na cavidade da
CD, enquanto os grupos nitro e metoxi são colocados na direção da borda secundária, e na borda
primária o anel indazol. [27]
Já nos resultados teóricos para o complexo 5-NI-DMβ-CD, o anel do nitroindazol é
inserido na cavidade DMβ-CD com o grupo nitro orientado na borda secundária e o grupo metoxi
se encontra na parte externa da borda primária, como mostra as figuras 09 a e b. O grupo nitro é
mais protegido na DMβ-CD do que na β-CD, que está em acordo com resultados
eletroquímicos.[27].
41
A complexação entre o miconazol e a β-CD não é muito alta[26], mas o fator entrópico
tem uma boa incidência na estabilidade do complexo formado. A inclusão (2) e (3),
anteriormente mencionadas, do isômero S aumenta a estabilidade do complexo em condições
ácidas (miconazol ionizado).
Isto pode ser explicado pelo fato que, na presença da β-CD, a carga positiva do miconazol
é melhor distribuída nos átomos de oxigênio da β-CD, o que favorece a repartição das cargas
ocasionando aumento da estabilidade do complexo. Esses resultados estão de acordo com os
obtidos pelo método RMN-H1 que confirma tais complexos como estruturas predominantes.[26]
A inclusão (2) da forma S do miconazol mostrou ser o complexo mais estável com β-CD
em meio neutro ou ácido (figura 07). Os resultados energéticos mostram que γ- CD parece ser
indiferente ao miconazol, não sendo capaz de aumentar a sua solubilidade. Estes fatos foram
confirmados por resultados de solubilidade previamente observados, o que leva a confirmar a
ausência de significativa estabilização de interação entre o miconazol e γ- CD.[26]
.
Figura 07: Representação do complexo mais estável do enantiômero S, miconazol/ β-CD.[26]
40
Figura 06: Complexo de inclusão DBP – Per-Ac- β-CD. [25]
Tem-se também a realização de trabalhos utilizando os métodos semiempíricos para
estudar os complexos de inclusão no qual os convidados são insolúveis (miconazol) ou
apresentam baixa solubilidade em água (quercetin e os, derivados do 5- nitroindazol) que passam
a ter a sua solubilidade aumentada quando formam complexos de inclusão com a ciclodextina, e
assim podem aumentar a sua biodisponibilidade e melhorar a atividade biológica.
A modelagem molecular no estudo da β- e γ- ciclodextrina complexadas com
miconazol[26], um antimicótico na forma ionizada e não ionizada das duas formas enatioméricas
R e S em três diferentes orientações no interior das cavidades das ciclodextrinas: o grupo
diclorobenzeno diretamente unido ao carbono assimétrico(1); o grupo diclorobenzeno –CH2-O-
(2) e o grupo imidazol (3). O autor utilizou método AM1, por considerá-lo uma técnica poderosa
a ser aplicada em sistemas com este tamanho[26]
39
Os resultados mostraram que no vácuo a introdução do anel aromático do salbutamol
(complexo A) é preferível em relação à introdução do grupo terc-butil (complexo B) dentro da
cavidade da β-CD, enquanto que em solução aquosa, ambos os métodos computacionais prevêem
o inverso, ou seja, indicam o complexo B como sendo o mais estável. Essa resultados estão de
acordo com os dados obtidos com 2D-ROESY, uma vez que não há picos cruzados entre os
prótons do anel aromático do salbutamol com os prótons da cavidade da ciclodextrina. A
diferença de energia é mais significante com o método PM3 entre as duas orientações.[24]
Em outro trabalho de A.D. Sayede [25] e colaboradores estudaram a partir de cálculos
PM3, a energia e a geometria do complexo de inclusão da β-CD- peracetilada com difenilfosfina
(DBP). Resultados mostram que os grupos acetis, ao invés do grupo hidroxila, provocam
mudanças na borda primária e secundaria da β-CD. A presença deste grupo, alternativamente na
borda primária e secundária, ocasiona um impedimento estérico que contribui para redução do
tamanho da borda secundária. O efeito inverso ocorre na borda primária onde ocorre um
alargamento ocasionando um estrangulamento(strangling) na estrutura.
Devido a este fato, a molécula DBP é bem incluída na cavidade da Per-Ac- β-CD através
da borda primária tornando este complexo mais estável. Isto não foi possível para a complexação
através da borda secundária,como mostra a figura 06, pois neste caso, o estrangulamento impede
a introdução de todo grupo difenil A partir do mapa do potencial eletrostático e a análise do
orbital de fronteira verifica-se que a interação de Van der Waals destacou-se como a maior força
na complexação do DBP e a Per-Ac- β-CD [25].
38
Assim, eles recomendam o uso dos métodos semi-empíricos, uma vez que os clássicos ficam
limitados ao conjunto de parametrização e não conseguem descrever propriedades de caráter
quântico como a quebra e formação de ligações [23].
Um grande número de complexos de inclusão entre CDs/convidados tem sido estudado,
porém a grande maioria não considera o solvente. Os resultados são relevantes para comparação
com dados obtidos em fase gasosa ou em estado cristalino. Outros consideram o meio continuo,
no entanto nesse caso não se podem ver efeitos como ligação de hidrogênio e por fim outros
consideram as moléculas do solvente explicitamente.
No trabalho de Estrada e colaboradores [24], foi investigado o complexo de inclusão do
salbutamol e β-ciclodextrina com o meio aquoso representado por 40 moléculas de água. Os
estudos de modelagem molecular foram realizados com níveis de cálculo MM2 e PM3 e puderam
prever duas diferentes orientações do salbutamol na cavidade da β-ciclodextrina quando estes
foram realizados no vácuo e em solução aquosa (Figura 05).
Figura 05: Representação das duas possibilidades do salbutamol na cavidade da β-CD. [24]
(Complexo A) (Complexo B)
37
FONTE: Scifinder Scholar 2007
Figura 04: Representação cronológica do estudo das CDS com diferentes métodos teóricos: ( MM, MD,
semi-empírico, ab initio, MC e DFT).
De fato, os métodos clássicos são ainda os mais usados, mas há um crescimento constante
no uso de métodos baseados na química quântica e na teoria do funcional da densidade. A
comparação entre os vários métodos é inevitável. Trabalhos como o de Lipkowitz [22] sugerem e
recomendam fortemente o uso de mecânica molecular ao invés dos métodos semiempíricos AM1
e PM3 para a previsão das estruturas de complexos de inclusão com CDs. Tal inferência foi
fundamentada em um número expressivo de trabalhos sobre a aplicação de química
computacional ao estudo de ciclodextrinas.
Entretanto, mais recentemente, Liu e Guo publicaram uma revisão sobre o uso de métodos
quânticos ao estudo da química das ciclodextrinas [23], comparando diversos resultados de
métodos quânticos e clássicos descritos na literatura e apontando que os métodos semi-empíricos
têm resultado em estruturas mais semelhantes àquelas determinadas pelas técnicas de difração.
36
Os resultados teóricos são de duas naturezas: os observáveis e os não observáveis, a
exemplo do momento de dipolo e das cargas atômicas, respectivamente. Os últimos ajudam os
químicos experimentais a justificar suas observações fornecendo informações que não podem ser
medidas, enquanto que os primeiros são usados para comparações ou previsões de medidas
experimentais.
Os dados gerados por métodos teóricos podem ser racionalizados e auxiliar os
pesquisadores experimentais a resolverem seus problemas, fornecendo a estes, mais um valioso
instrumento de interpretação de dados [23].
As ferramentas clássicas como a mecânica molecular (MM) e a dinâmica molecular (MD)
têm propiciado um entendimento da estrutura e do processo de formação dos complexos de
inclusão. A popularização dos métodos quânticos se deve principalmente ao aprimoramento dos
recursos computacionais nos últimos tempos, possibilitando a aplicação destes métodos para
sistemas bem maiores como as CDs [23]. A figura 04 mostra a variação do uso dos vários
métodos nos últimos 10 anos no estudo das CDs.
35
Todas as variáveis que definem a geometria do sistema são modificados em pequenos
incrementos e, com o uso de métodos de minimização do gradiente, a geometria é otimizada (ou
seja, a EE é minimizada). É importante lembrar que a minimização é um método interativo de
otimização geométrica que depende da geometria de partida. A minimização geralmente leva ao
mínimo local mais próximo e não ao mínimo global. Para que a análise conformacional seja feita
com alguma segurança são feitos incrementos nos valores dos ângulos diedros de todas as
ligações passíveis de rotação para explorar o espaço conformacional da molécula
1.3. ABORDAGEM TEÓRICA AO ESTUDO DAS CICLODEXTRINAS
A modelagem molecular consiste na geração, manipulação e, ou representação realista de
estruturas moleculares e dos cálculos das propriedades físico-químicas associadas. Isto pode ser
realizado com o auxílio dos computadores, na medida em que utiliza como instrumento
matemático à química teórica e a computação gráfica como ferramenta para manusear os modelos
[21].
O constante desenvolvimento dos programas tem possibilitado que pessoas não
especialistas nessa área do conhecimento usem com facilidade todo o arcabouço teórico como
mais uma ferramenta para interpretar as propriedades e o comportamento de sistemas
moleculares[22].
Isso tem restringido o uso dos métodos muitas vezes, porque o usuário não é capaz de
julgar a qualidade dos cálculos. Por outro lado, tem motivado os mesmos a conhecer cada vez
mais as potencialidades e fraquezas das inúmeras possibilidades dadas pela química
computacional [22].
34
sendo, Es é a energia de estiramento (ou compressão) de uma ligação, Eb é energia de deformação
angular, Ew é a energia de torção em torno de ligações e Enb é a energia de interação não-ligante.
Cada uma dessas funções de energia representa a diferença de energia entre uma molécula
real e uma molécula hipotética, sendo que todos os parâmetros estruturais, como comprimentos
de ligação e ângulos de ligação, estão exatamente em seus valores ideais ou naturais.
Diferentemente dos métodos quânticos, os métodos de mecânica molecular não são
regidos por razões ou argumentos teóricos, podendo ser visto como um simples ajuste para
descrever com a maior exatidão possível uma representação da SEP, mantendo o baixo custo
computacional. Por isso são extremamente rápidos e capazes de trabalhar com sistemas muito
grandes, como uma enzima, com facilidade.
E freqüentemente, quando um tratamento mais refinado na SEP é requerido, a geometria
otimizada pela MM pode ser usada como ponto de partida para cálculos da mecânica quântica.
Alguns métodos MM são também precisos assim como método ab initio, particularmente para
hidrocarbonetos.
Algumas desvantagens dos métodos de MM são que algumas classes de moléculas
de interesse não estão correntemente parametrizadas e a MM não é apropriada para as
determinações de propriedades em que o efeito eletrônico (por exemplo: interações de orbitais,
quebra de ligações etc.) é predominante. Um dos campos de força mais utilizados em cálculos de
mecânica molecular é denominado MM3 e foi desenvolvido por Allinger e colaboradores. [20].
Durante um cálculo de MM a geometria de uma molécula é especificada de acordo
com as suas coordenadas atômicas e o tipo de átomo (carbonos de hibridizações diferentes
possuem parâmetros diferentes para descreverem suas interações com os vizinhos). Assim, a
partir de um conjunto de dados de entrada, uma geometria inicial é especificada e sua energia
estérica(EE) é calculada.
33
como uma reparametrização do AM1, já que nenhuma modificação foi feita na estrutura do
método. Uma analise estatística mostrou que o RM1 é dentre os métodos NDDO o mais exato.
No entanto, mais, recentemente Stewart lançou o método PM6, que como o RM1, é mais
um método derivado do MNDO. No entanto, o PM6 é diferente do RM1 na idéia, uma vez que
ele altera a estrutura do modelo ao propor uma nova formulação matemática para a repulsão
átomo-átomo.
Neste método o número de gaussianas esféricas na função de repulsão caroço-caroço, para
cada átomo, foi diminuída para apenas uma. Porém, para compensar a falta das outras gaussianas
e até para melhorar a exatidão, n método PM6, foram inseridos parâmetros diatômicos na função
de repulsão e a equação de repulsão caroço-caroço foi substituída por um conjunto de quatro
equações: (i) para os pares N-H e O-H; (ii) outra para o par C-C; (iii) para o para Si-O e (iv)
para todos os outros pares restantes).
MECÂNICA MOLECULAR
Os métodos de mecânica molecular (MM) usam funções clássicas para descrever a
superfície de energia potencial (SEP) e propriedades físicas das moléculas. Uma molécula é vista
como uma coleção de átomos que interagem entre si por forças que são representadas por funções
analíticas simples diferenciáveis – os chamados campos de força.
Essas forças podem ser descritas como funções de energia potencial de características
estruturais, como comprimentos de ligação, ângulos de ligação, interações não-ligantes entre
outras. A energia potencial total, ou energia estérica (EE), da molécula é representada na forma
mais simples pela equação abaixo
E = Es + Eb + Ew + Enb
32
Os erros do AM1 eram bem menores que os do MNDO. Com essas funções Gaussianas
foi possível então descrever, entre outras coisas, ligações de hidrogênio para alguns casos
importantes em sistemas biológicos. Apesar disso, havia erros remanescentes que poderiam ser
atribuídos a uma parametrização incompleta. O problema das técnicas de parametrização é que o
que se busca é um mínimo global na hipersuperfície de parâmetros, uma superfície de dezenas de
dimensões. Normalmente, o que se encontra é um mínimo local aceitável. Entretanto, a procura
do mínimo global que faça sentido químico é um objetivo permanente do desenvolvimento destes
métodos. Assim, Stewart aprimorou a técnica de parametrização e publicou o método PM3
(Parametric Method 3) [16], o qual apresentava erros menores que o AM1, principalmente para
as entalpias de formação.
O método PM3 difere do método AM1 principalmente em relação ao tipo de
parametrização realizada. Neste método, todos os parâmetros são ajustados simultaneamente de
forma a reproduzir dados experimentais, enquanto no AM1 alguns parâmetros são derivados
diretamente de dados experimentais e outros são determinados até que o resultado encontrado
seja satisfatório, sempre baseados na intuição química [17].
Mais recentemente, o programa MOPAC2002 disponibilizou o método PM5, uma
expansão do PM3. No folheto de divulgação Stewart demonstra que este método, prevê calor de
formação com maior exatidão do que os outros semiempíricos. Porém, o uso tem mostrado que
propriedades geométricas de muitos sistemas químicos, como comprimento de ligação e ângulos
diedros, são descritos inapropriadamente [18]. Possivelmente, este é um dos motivos da não
publicação do método.
Com a idéia que uma etapa essencial para definir o sucesso de um método semiempírico é
sua parametrização, Rocha e colaboradores desenvolveram o RM1[19] – Recife Model One,
31
maioria, a parametrização tem como alvo obter calores de formação, geometrias, momento de
dipolo, potencial de ionização entre outras propriedades do estado fundamental.
O método MNDO – Modified Neglect of Diatomic Overlap – é o precursor dos métodos
que utilizam a aproximação NDDO. Para solucionar os problemas de seus antecessores no
arcabouço do MNDO, as propriedades as integrais de dois elétrons e um centro são derivadas de
dados experimentais e outras são interpretadas como a energia de interação entre duas densidades
de carga, classicamente podem ser estimadas por uma expansão de multipolos e, por fim, todos
os parâmetros são monoatômicos, o que facilitou a parametrização para um conjunto maior de
átomos.
Este método possibilitou a correção de muitos dos problemas que seus antecessores
apresentavam [13]. Cálculos de propriedades termodinâmicas e mecanismos de reação passaram
a ser preditos com certo êxito [14]. No entanto, este ainda continha algumas falhas que eram
consideradas graves, como, por exemplo, a dificuldade - quase impossibilidade - de descrever
ligações de hidrogênio [15]. Esta descrição é de grande importância para a maioria dos processos
biológicos. Além disso, o MNDO prevê uma alta instabilidade para as moléculas com
impedimentos estéricos, enquanto estabiliza demasiadamente anéis pequenos e energias de
ativação eram tendenciosamente superestimadas [15].
Os inúmeros cálculos efetuados com o MNDO sugerem que a principal fonte das falhas
apresentadas pelo MNDO surgiu da tendência de superestimar a repulsão entre os átomos. Dewar
e colaboradores adicionaram à função de repulsão nuclear MNDO um conjunto de duas ou quatro
gaussianas esféricas para cada átomo no intuito de diminuir tanto quanto possível a repulsão na
distância de van der Waals. Esta modificação aumentou o número de parâmetros e o novo
modelo foi completamente re-parametrizado. O resultado foi um novo método denominado AM1
– Austin Model 1.
30
Structure-Activity Relationship) e, além disso, muito deles buscam introduzir energia de
correlação com o intuito de resolver uma dificuldade inerente ao método HF.
O grande custo computacional do método HFRH surge da necessidade de calcular
inúmeras integrais de 2-elétrons, quando este formalismo é aplicado a sistemas contendo muitos
elétrons. Os métodos semiempíricos reduzem o número de integrais drasticamente usando o fato
que muitas dessas integrais são de pequena magnitude, especialmente as de spbreposição entre
orbitais centrados em átomos diferentes e entre orbitais diferentes centrados no mesmo átomo,
considerando explicitamente apenas os elétrons da camada de valência e utilizando, em geral, um
conjunto de base mínima formada por funções do tipo Slater (STOs - Slater type orbitals).[12]
As integrais não desprezadas são interpretadas fisicamente, sendo então substituídas por
parâmetros obtidos por ajustes numéricos ou derivados, no geral, de resultados experimentais. O
número de integrais desprezadas, as expressões usadas no cálculo das diversas parcelas integrais
necessárias e por fim os procedimentos de parametrização definem a diferença entre os vários
métodos semiempíricos. O surgimento destes métodos teve grande impacto devido à perspectiva
de se poder, em princípio, tratar sistema de interesse químico [12].
Os métodos semiempíricos mais utilizados atualmente usam basicamente dois níveis de
aproximação, em ordem decrescente do número de integrais desprezadas: INDO - Intermediate
Neglect of Differential Overlap e NDDO - Neglect of Diatomic Differential Overlap – os
métodos que usam a aproximação INDO têm objetivos diferentes dos métodos que usam a
aproximação NDDO. O método semi-empírico INDO/S – Spectroscopy INDO, é uma re-
parametrização do método INDO e tem como objetivo, com sua parametrização calcular
propriedades espectroscópicas tais como: estados excitados, espectros de absorção, forças de
oscilador, entre outras. Já nos métodos que têm como base a metodologia NDDO, em sua grande
29
Neste sentido, a 2-hidroxipropil-βCD vem sendo estudada como um carreador, a fim de
minimizar tais problemas. Assim, a química medicinal, fazendo uso de recursos da química
computacional, apresenta-se como uma das alternativas para o planejamento de novas estruturas
com as propriedades desejadas. Para isso são realizadas previsões de propriedades microscópicas
presentes nestes complexos, tais como as interações presentes e as propriedades termodinâmicas
responsáveis pela estabilidade dos mesmos.
1.2. MÉTODOS TEÓRICOS
O custo computacional do método ab initio mais simples, o método Hartree-Fock (HF), é
ainda hoje alto para muitas moléculas orgânicas e biológicas de interesse químico, apesar de toda
a evolução computacional sentida nas últimas décadas. O método HF não considera a correlação
eletrônica e por esta razão os métodos neste nível de aproximação apresentam erros nos cálculos
das energias moleculares comparáveis com os calores de atomização, o que os torna inaptos para
predizerem a existência de moléculas [11]. Isto, realmente, sugere que a vida para os químicos
teóricos nos anos 60-70 era bem difícil.
Nesse período, iniciou-se o desenvolvimento dos métodos semiempíricos derivados da
aproximação Hartree-Fock-Roothaan-Hall (HFRH). Estes procuram reduzir o custo
computacional para possibilitar a sua aplicação a moléculas fora do alcance dos cálculos ab
initios e para o cálculo de uma série de moléculas como nos estudos de QSAR (Quantitative
28
Estas substâncias são utilizadas no tratamento da toxoplasmose, uma zoonose que infecta
o gato e inúmeras outras espécies de vertebrados homeotérmicos. Ela tem como agente causador
o Toxoplasma gondii, um parasita intracelular obrigatório,que completa o ciclo nesta condição,
ocorre com muita freqüência na população humana sob a forma de infecção crônica assintomática
[8].
A doença pode ser congênita ou adquirida. No primeiro caso, é comum o aparecimento de
lesões graves do sistema nervoso central e retardo mental, levando muitas vezes o paciente ao
óbito. Na forma adquirida pode ocorrer mal-estar e febre, quadro este que pode se agravar,
causando complicações severas em pacientes com sistema imunológico deficitário, a exemplo
dos portadores da Síndrome da Imudeficiência Adquirida (AIDS) [9].
O tratamento desta infecção conta com um arsenal terapêutico reduzido, e as duas drogas
efetivas mencionadas são tóxicas nas doses requeridas e por isso levam a interrupção do
tratamento por parte dos pacientes. A pirimetamina é um exemplo de inibidor da síntese do folato
e, portanto, atua inibindo a enzima diidrofolato redutase (DHFR), responsável pela síntese de
DNA em células parasitárias e dos mamíferos. Enquanto isso a sulfadiazina atua inibindo a
enzima diidropteroato sintetase (DHPS), que por meio da catálise do ácido para-aminobenzóico
(PABA), forma o intermediário 7,8-diidropteroato sintetase, o qual atua em algumas bactérias na
formação do diidrofolato [10].
A PYR possui o incoveniente de ser fracamente seletiva, levando a inibição tanto da
DHFR parasitária quanto da humana, o que leva ao surgimento de inúmeros efeitos colaterais, a
exemplo de toxicidade hematológica e leucopenia. Essa falta de especificidade terapêutica
também persiste com a SFD, que é um derivado da sulfanilamina também produz os efeitos
indesejados inerentes a essa classe [10].
27
desvantagem de ser fracamente solúvel em água, o que dificulta sua utilização na complexação de
moléculas que requerem um aumento significativo de solubilidade. Possui como principal via de
administração a forma oral, já que na forma parenteral é comum o surgimento de nefrotoxicidade,
devido à formação de um complexo de baixa solubilidade entre a β-CD e o colesterol, o qual
precipita e impede a filtração glomerular [7 ].
Para contornar o problema da baixa solubilidade, muitas pesquisas têm sido realizadas
com o propósito de desenvolver ciclodextrinas modificadas, a fim de melhorar a solubilidade no
solvente desejado. No caso da água, esse objetivo é conseguido mediante a conversão dos grupos
hidroxilas para grupos sulfatados ou hidroxialquilados.[ 7 ]
No presente trabalho, é utilizada a 2-hidroxipropil-βCD (HP β-CD), que é um derivado
hidroxialquilado, sendo poderoso solubilizador de fármacos e que não possui a capacidade de
formar nos rins os complexos cristalinos de baixa solubilidade [7 ]. Este derivado apresenta-se
como um carreador de dois fármacos: a pirimetamina (PYR) e a sulfadiazina (SFD), cujas
estruturas químicas estão representadas na figura 03.
H2N
SO O
NH
N
N
N
N NH2H3C
Cl
Figura 03: Representação da estrutura química da pirimetamina (a) e da sulfadiazina (b).
(a) (b)
26
nem sempre são cooperativas, mas em vez disso podem atuar independentemente, ou às vezes até
mesmo contrapor uma à outra [6].
Dessa forma as contribuições mais importantes no processo de complexação citado
podem ser originadas por alguns fatores, tais como: (i) penetração da parte hidrofóbica da
molécula convidada dentro da cavidade da ciclodextrina e (ii) dehidratação dos convidados
orgânicos [6].
Isso é explicado na medida em que a cavidade da ciclodextrina por ser altamente
hidrofóbica, contribuindo para a substituição da água que se encontra no seu interior pela parte
hidrofóbica da molécula convidada, processo este, que sofre efeito combinado das contribuições
(i) e (ii) as quais podem ser comparadas com processos de interações tipicamente hidrofóbicas, a
exemplo da transferência de uma molécula orgânica de uma fase aquosa para uma fase orgânica
como é preconizado pelo parâmetro de hidrofobicidade de Hansh (п) [6].
A ligação de hidrogênio pode funcionar como um terceiro fator (iii) que contribui para a
estabilização dos complexos e também para a mudança conformacional obtida por meio da
liberação das moléculas de água no processo de complexação [6].
Nesse sentido as ciclodextrinas naturais, apresentam várias características para serem
utilizadas como complexos de inclusão: (i) estrutura química bem definida, resultando em muitos
locais para modificação ou conjugação química, (ii) disponibilidade de ciclodextrinas com
cavidades de diferentes tamanhos;(iii) baixa toxicidade e atividade farmacológica; (iv)
solubilidade em água e (v) possibilidade de proteção de moléculas inclusas/conjugadas contra a
degradação [5].
Por outro lado, analisando as cliclodextrinas naturais como um todo, percebe-se que a β-
CD é a mais utilizada, em virtude de seu baixo custo de produção e por apresentar um tamanho
de cavidade ideal para inclusão de vários compostos farmacêuticos. Em contrapartida, possui a
25
Em conseqüência deste arranjo estrutural, as CDs são utilizadas na formação de uma
grande variedade de complexos de inclusão, tanto na fase sólida como em solução aquosa [5]. A
cavidade hidrofóbica permite, através de uma associação reversível entre o hóspede e convidado,
a “dissolução” em meio aquoso de compostos de baixa solubilidade [3].
Tabela 01: Principais propriedades das ciclodextrinas naturais [3]
Propriedades α-ciclodextrina β-ciclodextrina γ-ciclodextrina
Solubilidade em água à 25ºC (%,m/v) 14,5 1,85 23,2
Diâmetro externo(Å) 14,6 15,4 17,5
Diâmetro da cavidade(Å) 4,7-5,3 6,0-6,5 7,5-8,3
Volume da cavidade(A3) 174 262 427
Esse tipo de comportamento é caracterizado como um fenômeno de reconhecimento
molecular em química e biologia que envolve apenas interações não covalentes, como interações
eletrostáticas (íon-íon, íon-dipolo, dipolo-dipolo, dipolo-dipolo induzido), interação de van der
Waals, ligação de hidrogênio, transferência carga-carga e efeitos estéricos. É interessante notar
que cada interação fraca, em geral, não é suficiente individualmente para levar a associação
específica de duas moléculas. Usualmente, a associação molecular não pode ser possível por uma
simples interação fraca, mas pela cooperação simultânea de várias interações fracas [6].
As ciclodextrinas não são “preorganizadas” ou flexíveis o suficiente para permitir
mudanças conformacionais alostéricas que são admissíveis em sistemas biológicos
supramoleculares. Ao contrário, nos seus complexos de inclusão, forças fracas que atuam na área
24
As moléculas de CDs são freqüentemente descritas como um cone truncado raso. As três
CDs naturais apresentam a mesma altura, mas os diâmetros dos anéis superiores e inferiores são
diferentes (ver tabela 01), os quais são determinados pelo número de unidades de glicose
constituintes da CD. As ligações α-(1-4) organizam a estrutura molecular de tal forma que as
hidroxilas secundárias encontram-se situadas no lado do anel que apresenta maior diâmetro,
enquanto as hidroxilas primárias encontram-se do lado de menor diâmetro (figura 02). Na parte
exterior do cone são encontradas as hidroxilas livres que atribuem um caráter hidrofílico à
superfície externa, ao passo que a cavidade é basicamente constituída de grupos CH e dos
oxigênios envolvidos nas ligações glicosídicas, tendo, portanto um caráter hidrofóbico [1,2].
Figura 02: Representação da face primária e da face secundária da ciclodextrina.
A presença de hidroxilas livres na parte externa da molécula confere uma certa
solubilidade para as CDs em meio aquoso, porém a solubilidade da β- CD [3] é menor do que a
solubilidade das outras CDs naturais (ver tabela 01) devido a formação de ligações de hidrogênio
intramoleculares, as quais diminuem o número de hidroxilas livres[4].
23
CAPÍTULO I
INTRODUÇÃO
1.1. CICLODEXTRINAS
As ciclodextrinas (CDs) são oligossacarídeos cíclicos constituídos por unidades de α-D-
glicose, unidas através de ligações glicosídicas α-(1,4). Esses compostos são obtidos a partir da
degradação do amido por certas enzimas [1], e dentre a enorme variedade encontrada, merecem
destaque as CDs naturais - α-CD, β- CD e γ- CD, as quais apresentam seis, sete e oito unidades
de glicose respectivamente, conforme representado na figura 01[1].
Figura 01: Representação das ciclodextrinas naturais (a) e da sua ligação glicosídica (b).
α β γγγγ
(a)
(b)
22
CAPÍTULO I
INTRODUÇÃO
21
ABSTRACT
Pyrimethamine (PYR) and sulfadiazine (SFD) are antiparasitic drugs used in the treatment of toxoplasmosis, a tropical disease caused by Toxoplasma gondii. In the convensional treatment, PYR and SFD act as inhibitors of essential metabolic of dihidrofolate redutase and dihydropteroate synthase enzymes. Owing to their low solubilities in water, it’s necessary to use them in high concentrations, which can induce some severe side effects leading patients to stop the treatment. On the other hand, this problem can be minimized when carriers, such as cyclodextrins (CDs) and their derivatives, are used to increase solubility in aqueous medium by formation of inclusion complexes.
In this work we studied theoretically the formation of inclusion complexes between SDZ/PIR and 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HPβCD), a non-toxic hydroxylalkylated cyclodextrin, by using of computational semi-empiric methods. We considered here two different HPβCD’s structure, one with 2-hydroxypropyl groups linked to βCD in all C2 positions and another one linked in all C6 positions. We also considered two different orientations for drug into HPβCD: NH2-in and NH2-out. After structural optimization and energy studies using molecular mechanics, semi-empirical AM1, PM3, PM6 and RM1 methods were used to find the minimum-energy structures and some thermodynamic properties. We used the COSMO (EPS=78.4) model to study the solvent effect in these systems.
According to experimental results, the preferential drug orientation for PYR is NH2-out and for SDZ is NH2-in in both HPβCD derivatives. Theoretical results of inclusion free energy confirmed this fact for: (i) HPβCD6/PYR system for all methods in vacuum and for PM3, PM6 and RM1 in COSMO; (ii) HPβCD2/PYR system for RM1 and PM6 in both medium; (iii) HPβCD6/SDZ system for all methods in vacuum and for RM1 and PM6 in COSMO; and (iv) HPβCD2/SDZ system for RM1 and PM6 in both medium.
Thus, results from PM3/vacuum method for these supramolecular systems are in according to experimental 1H NMR 2D (ROESY), even with positive free energy values in some cases. On the other hand, COSMO method did not present satisfactory results when it is compared to experimental data. Perhaps the existence of solvent molecules in these systems had been considering, COSMO calculation could describe satisfactorily the proprieties of complexes formed by cyclodextrin.
xx
20
RESUMO
Pirimetamina (PYR) e a sulfadiazina (SFD) são utilizadas no tratamento da toxoplasmose,
uma doença tropical causada pelo Toxoplasma gondi. No tratamento convencional, PYR e SFD atuam como inibidores das enzimas diidrofolato redutase e diidropteroato sintase, respectivamente. Devido a sua baixa solubilidade em água, torna-se necessário o uso dessas drogas em altas concentrações, que pode causar alguns efeitos colaterais, levando o paciente a abandonar o tratamento. Em contrapartida, este problema pode ser miminizado utilizando carreadores, como as ciclodextrinas (CDs) e seus derivados, usados para aumentar a solubilidade em meio aquoso através da formação de complexos de inclusão.
Assim, neste trabalho procuramos estudar teoricamente a inclusão da PYR e SFD em 2-hidroxipropil-β-CD (HPβCD), a ciclodextrina hidroxialquilada não tóxica, usando métodos semiempíricos. Nós consideramos as duas diferentes estruturas da HPPβCD´s, uma com grupos 2- hidroxipropil ligado em todas as posições do C2 da β-CD e outra ligado em todas as posições C6. Consideramos também duas orientações diferente da droga no interior da HPβCD: NH2-int and NH2-ext. Após a optimização da estrutura e estudos da energia usando a mecânica molecular, os métodos semiempíricos AM1, PM3, PM6 e RM1 foram usados para encontrar a estrutura de mínimo de energia e algumas propriedades termodinâmicas. O modelo COSMO (EPS=78.4) foi utilizado para estudar o efito do solvente nestes sistemas.
De acordo com resultados experimentais a PYR está orientada através do grupo NH2ext, enquanto que para a SFD a orientação ocorre pelo grupo NH2int na cavidade da HPβ-CD. Os resultados teóricos da energia livre de inclusão confirmaram este fato para a PYR nas seguintes situações: (i) com a HPβ-CD6 em todos os métodos no vácuo e para o PM3, RM1 e PM6 no COSMO (ii) com a HPβ-CD2 os métodos RM1e PM6 considerando ou não o solvente. Já para a SFD temos: (iii) com a HPβ-CD6 todos os métodos no vácuo e o RM1 e PM6 no COSMO e (v) estes dois últimos métodos no vácuo e COSMO com a HPβ-CD2.
De maneira geral, tanto para os complexos formados pela PYR como pela SFD, mesmo em alguns casos mencionados em que a energia livre de Gibbs é positiva, pode-se perceber que o método PM3 no vácuo foi capaz de reproduzir resultados obtidos pelo espectro de 1H NMR 2D (ROESY). Diante disto, provavelmente se o solvente for considerado explicitamente possa evidenciar a espontaneidade do processo, e assim o método PM3 seria o mais eficaz ao descrever as propriedades dos complexos de inclusão formados pela ciclodextrina.
Palavras chave: complexo de inclusão, mecânica molecular, métodos semiempíricos.
xix
19
AM1 Austin Model 1
PM3 Parametric Method 3
RM1 Recife Model 1
MM Molecular Mechanics
MD Molecular Dynamics
DTAB Brometo de deciltrimetilamônio
TTAB Brometo tetradeciltrimetilamônio
COSMO Conductor-like Screening Model
∆iE Variação de energia de inclusão
∆iH Variação da entalpia de inclusão
∆iS Variação da entropia de inclusão
∆iG Energia livre de inclusão
ROESY Rotating-frame Overhanser Effect Spectroscopy
xviii
18
LISTA DE SÍMBOLOS
CD’s Ciclodextrinas
HP β-CD 2-hidroxipropil-βCD
PYR Pirimetamina
SFD Sulfadiazina
DHFR Diidrofolato redutase
DHPS Diidropteroato sintetase
PABA Ácido p-aminobenzóico
HF Hartree-Fock
HFRH Hartree-Fock-Roothaan-Hall
QSAR Quantitative Structure-Activity Relationship
STOs Slater type orbitals
INDO Intermediate Neglect of Differential Overlap
NDDO Neglect of Diatomic Differential Overlap
MNDO Modified Neglect of Diatomic Overlap
xvii
17
LISTA DE TABELA
Tabela 01: Principais propriedades das ciclodextrinas naturais.
xvi
16
Figura 39: Representação das estruturas obtidas a partir dos métodos semiempíricos
AM1, PM3,RM1 e PM6 no vácuo para o complexo HP β-CD 2/PYR, com a
sulfadiazina na orientação NH2int.
Figura 40: Representação das estruturas obtidas a partir dos métodos semiempíricos
AM1, PM3,RM1 e PM6 no vácuo para o complexo HP β-CD 6/SFD, com a
sulfadiazina na orientação NH2int.
xv
15
Figura 32: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD6/SFD,
para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH
no vácuo e no COSMO.
Figura 33: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD2/SFD,
para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e
NH2int no vácuo e no COSMO.
Figura 34: Produto da temperatura pela entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do
complexo HP β-CD6/SFD, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações
do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.
Figura 35: Produto da temperatura pela entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do
complexo HP β-CD2/SFD, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações
do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.
Figura 36: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-
CD6/SFD, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado
NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.
Figura 37: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-
CD2/SFD, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado
NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.
Figura 38: Representação dos prótons da sulfadiazina e o eEspectro 1H ROESY do
sistema HP β-CD/SFD em D2O à 298,1K.
xiv
14
Figura 25: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-
CD6/PYR, para os métodos semiempíricos, com o convidado nas orientações NH2ext e
NH2int, no vácuo e no COSMO.
Figura 26: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-
CD2/PYR, para os métodos semiempíricos, com o convidado nas orientações NH2ext e
NH2int, no vácuo e no COSMO.
Figura 27: Espectro 1H ROESY do sistema HP β-CD/PYR em D2O à 298,1K com
tempo de medida de 200ms.
Figura 28: Representação das estruturas obtidas a partir dos métodos semiempíricos
AM1, PM3, RM1 e PM6 no vácuo para o complexo HP β-CD 2/PYR, com a
pirimetamina na orientação NH2ext.
Figura 29: Representação das estruturas obtidas a partir dos métodos semiempíricos
AM1, PM3,RM1 e PM6 no vácuo para o complexo HP β-CD 6/PYR, com a
pirimetamina na orientação NH2ext
Figura30: Representação do mapa da superfície de energia potencial a partir do método
MM3 para orientação NH2int da sulfadiazina na cavidade da HP β-CD2 e da HP HP
β-CD6.
Figura 31: Representação da curva de energia potencial a partir do método MM3 para
orientação NH2ext da sulfadiazina na cavidade da HP β-CD2 e o mapa da superfície
de energia potencial também pelo MM3 do mesmo convidado na mesma orientação, na
cavidade da HP HP β-CD6.
xiii
13
orientação, na cavidade da HP HP β-CD6.
Figura19: Representação da superfície de energia potencial MM3 para orientação
NH2-int da pirimetamina na cavidade da HP β-CD2 e da cavidade da HP β-CD6.
Figura 20: Variação da entalpia de formação da HP β-CD2 e HP β-CD6 com os
métodos semiempíricos AM1, PM3, RM1, PM6 no vácuo e no meio aquoso e a
energia MM3 no vácuo, em kcal.mol-1.
Figura 21: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD6/PYR,
para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e
NH2int no vácuo e no COSMO.
Figura 22: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1do complexo HP β-CD2/PYR,
para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e
NH2int no vácuo e no COSMO.
Figura 23: Entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-CD6/PYR,
para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e
NH2int no vácuo e no COSMO.
Figura 24: Entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-CD2/PYR,
para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e
NH2int no vácuo e no COSMO.
xii
12
Figura 10: Representação da estrutura do fármaco quercetin.
Figura 11: Representação do complexo de inclusão quercetin- β-CD orientado a partir
da face primária e da face secundária.
Figura 12: Representação do complexo α- CD/ DTAB para o método AM1 e PM3.
Figura 13: Representação do fármaco permitrina.
Figura 14: Representação dos complexos de inclusão permitrina-(β-CD) e permitrina-
(β-CD)2
Figura 15: Representação das ligações de hidrogênio para as hidroxilas primárias
(verde )e secundária (violeta ) da β- CD.
Figura 16: Representação da estrutura mais estável da β- CD apenas com ligações de
hidrogênio nas hidroxilas secundárias.
Figura 17: Estrutura da β-ciclodextrina, com detalhe para a hidroxilas da posição 2, 3 e
6 como sítio de substituição preferencial.
Figura18: Representação da curva de energia potencial a partir do método MM3 para
orientação NH2ext da pirimetamina na cavidade da HP β-CD2 e o mapa da superfície
de energia potencial também pelo método MM3 do mesmo convidado na mesma
xi
11
LISTA DE FIGURAS
Figura 01: Representação das ciclodextrinas naturais e da sua ligação glicosídica.
Figura 02: Representação da face primária e da face secundária da ciclodextrina.
Figura 03: Representação da estrutura química da pirimetamina e da sulfadiazina.
Figura 04: Representação cronológica do estudo das CDS com diferentes métodos
teóricos: (MM, MD, semi-empírico, ab initio, MC e DFT).
Figura 05. Representação das duas possibilidades do salbutamol na cavidade da β-CD.
Figura 06: Complexo de inclusão DBP – Per-Ac- β-CD.
Figura07: Representação do complexo mais estável do enantiômero S, miconazol/ β-
CD.
Figura 08: Representação da estrutura do 1-(2-dimetilamino) (etil)-3-metoxi-5-nitro-
1H- indazol (5NI).
Figura 09: Complexos de inclusão (a) 5-NI- β-CD e (b) 5-NI-DMβ-CD.
x
10
SUMÁRIO SS
Lista de Figuras x
Lista de Tabelas xvi
Lista de Símbolos xvii
Resumo xix
Abstract xx
Capítulo I – Introdução 21
1.1 Ciclodextrinas 22
1.2 Métodos Teóricos 28
1.3 Abordagem teórica ao estudo das ciclodextrinas 34
Capítulo II – Objetivos 51
2.1 Objetivo Geral 52
2.2 Objetivos Específicos 53
Capítulo III – Metodologia 54
3.1 Modelagem das Estruturas 55
3.2 Formação dos complexos com PYR e a SFD 57
Capítulo IV – Resultados e discussão 58
4.1 Estudo do complexo de inclusão PYR/ HPβCD 59
4.2 Cálculo das propriedades termodinâmicas dos complexos com PYR/ HPβCD
63
4.3 Estudo do complexo de inclusão SFD/ HPβCD 77
4.4 Cálculo das propriedades termodinâmicas dos complexos com SFD/ HPβCD
81
Capítulo V – Conclusão e trabalhos futuros 93
5.1 Conclusões 94
5.2 Trabalhos futuros 96
Capítulo VI – Referências Bibliográficas 97
ix
9
ATUAÇÃO PROFISSIONAL Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia. Sergipe 2009 Vinculo Institucional como Professor Efetivo, Enquadramento Funcional, Carga horária:
40h Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil 2008 Vínculo institucional Professor substituto, Enquadramento Funcional, Carga
horária: 40h ARTIGOS COMPLETOS PUBLICADOS EM PERIÓDICOS DEARAUJO, M ; VIEIRA, E ; SILVALAZARO, G ; CONEGERO, L ; ALMEIDA, L ; BARRETO, L ; DACOSTAJR, N ; GIMENEZ, I ; VIEIRA, E. K. B. . Sulfadiazine/hydroxypropyl-β- cyclodextrin host guest system: Characterization, phase-solubility and molecular modeling. Bioorganic & Medicinal Chemistry, v. 16, p. 5788-5794, 2008. DEARAUJO, M ; VIEIRA, E ; LAZARO, G ; DESOUZACONEGERO, L ; FERREIRA, O ; ALMEIDA, L ; BARRETO, L ; DACOSTAJR, N ; GIMENEZ, I ; VIEIRA, E. K. B. . Inclusion complexes of pyrimethamine in 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin: Characterization, phase solubility and molecular modelling. Bioorganic & Medicinal Chemistry, v. 15, p. 5752-5759, 2007. PARTICIPAÇÃO EM EVENTOS V Seminário de Química. 2008. (Seminário). 2. I Encontro Sergipano de Química. 2008. (Encontro). 3. I Seminário de Pesquisa em Engenharia Química. 2007. (Seminário). 4. XII Encontro Sergipano de Física. 2007. (Encontro). 5. I Semana Tecnológica de Química. 2007. (Outra).
viii
8
RESUMO DO CURRICULUM VITAE DADOS PESSOAIS Nome: Elze Kelly Barbosa Vieira. Nome em citações bibliográficas: VIEIRA, E.K.B. Sexo: Feminino FORMAÇÃO ACADÊMICA/TITULAÇÃO 2008 Mestrado em Química ( concluindo)
Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil Título: Estudo dos complexos de inclusão com ciclodextrina: Uma visão semiempírica.
Orientador: Nivan Bezerra da Costa Jr. 1999-2005 Graduação em Química Licenciatura. Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil. FORMAÇÃO COMPLEMENTAR 2008 – 2008 Análise por difração de raio-X. (Carga horária: 4h). Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil. 2008 – 2008 RMN:Princípios Básicos e Elucidação Estrutural. (Carga horária: 15h). Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil. 2007 – 2007 Minimização de Efluentes Aquosos. (Carga horária: 4h). Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil. 2007 – 2007 Métodos espectroscópicos em Biofisica. (Carga horária: 6h). Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil. 2004 – 2004 Separação de Enzimas. (Carga horária: 8h). Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil. 2004 – 2004 Jogos Didáticos:Um elemento motivador para ensinar. (Carga horária: 15h). Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil.
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7
À Márcia Valéria Gaspar De Araújo que juntamente com a Profa. Dra. Iara de Fátima
Gimenez me ajudaram a aprimorar este trabalho e por sua essencial contribuição com
obtenção dos resultados experimentais.
Ao Professores do Departamento, em especial aos professores Dra. Ledjane Silva Barreto e
Dr. Luiz Eduardo Almeida pelo incentivo e apoio.
Aos meus amigos do laboratório de química computacional:Lindaura, Maria, Diogo,
Luciano, Júlio e em especial a Danilo e Grazi que sempre me acompanharam, solidários e
preocupados nos momentos difíceis, felizes com as minhas vitórias, agradeço a amizade, o
carinho e a companhia alegre nestes anos.
De uma maneira muito especial e com muito carinho agradeço a três pessoas no laboratório
de química computacional que tiveram uma preocupação ainda maior e um carinho
fraternal todo especial: Ricardo, Leandro e Cristiane – Muito obrigada por tudo!
Aos funcionários do departamento de Química da UFS, e em especial à Ednalva, Elisa,
Ismael e Ricardo pelo apoio sempre presente.
Aos novos amigos que fiz no decorrer da realização deste trabalho, em especial a Thiago e
a Silvânio.
Aos membros da banca examinadora da qualificação e da defesa pelas opiniões valiosas e
preciosas sugestões.
E a CAPES pelo suporte financeiro.
vi
6
AGRADECIMENTOS
Neste momento especial de mais uma conquista agradeço em primeiro lugar a Deus, por
ter me dado força e determinação para vencer todos os obstáculos que encontrei no
decorrer deste período até alcançar mais um dos objetivos da minha vida.
Agradeço a meu anjo da guarda, minha mãe, que acredito está sempre ao meu lado
iluminando meus passos e me auxiliando em minhas decisões.
Agradeço aos meus familiares meu pai (Evandro) e minha segunda mãe (Regina) e aos
meus irmãos Júnior, Danilo, Marcilio, Denise e Eduardo além de Patrícia, George, Soraya e
Sharon e também Ângela Cristina que contribuíram de maneira muito especial com os seus
incentivos e com confiança que depositaram em mim por todo esse tempo.
As minhas tias, em especial a Tia Tita, e aos meus primos e primas.
As pessoas que estavam mais próximas me encorajando e me dando força nos momentos
de mais difíceis: Carlinhos,D. Valdete e Rosimêre Cristiane.
Ao meu orientador Prof. Dr. Nivan Bezerra da Costa Jr., por quem tenho uma enorme
admiração, o grande responsável para a realização de tal trabalho. Que foi muito mais do
que um orientador durante este período,uma pessoa muita amiga que me incentivou para
conseguir alcançar não só esta conquista, mas também outras que apareçam no decorrer
deste tempo. Demonstrando uma grande satisfação e felicidade a cada conquista o meu
MUITO OBRIGADA NIVAS!
A minha Co-orientadora Profa. Dra. Iara de Fátima Gimenez, agradeço a boa vontade,
simpatia, amizade e incentivo que me ofereceu.
v
5
A máscara tem o misticismo de dar razão à
alegria, tristeza, revelar ou ocultar
sentimentos.
Tirar a máscara é a condição para que
apareça a verdadeira face humana no
esplendor de sua verdade. (Autor
desconhecido)
iv
4
“Não deixe que a saudade sufoque, que a rotina acomode, que o medo impeça de tentar. Desconfie do destino e acredite em você. Gaste mais horas realizando que sonhando, fazendo que planejando, vivendo que esperando, porque, embora quem quase morre esteja vivo, quem quase vive já morreu. “
(Luiz Fernando Veríssimo)
Dedico o presente trabalho:
Ao meu Anjo da guarda: Minha MÃE!
(in memorian)
iii
3
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTR AL UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
V657e
Vieira, Elze Kelly Barbosa Estudos dos complexos de inclusão com ciclodextrina : uma visão semiempírica / Elze Kelly Barbosa Vieira. – São Cristóvão, 2009.
103 f. : il.
Dissertação (Mestrado em Química) - Universidade Federal de Sergipe, 2009.
Orientador: Prof. Dr. Nivan Bezerra da Costa Júnior 1. Química. 2. Mecânica molecular. 3. Ciclodextrina.
4. Pirimetamina. 5. Sulfadiazina. I. Título.
CDU 542.9
2
Estudo dos complexos de inclusão com
ciclodextrina: Uma visão Semiempírica.
ELZE KELLY BARBOSA VIEIRA
Orientador: Prof. Dr. Nivan Bezerra da Costa Júnior.
São Cristóvão 2009
Dissertação apresentada ao Núcleo de Pós-Graduação em Química da Universidade Federal de Sergipe como um dos requisitos para obtenção do titulo de Mestre em Química
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA
NÚCLEO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
Estudo dos complexos de inclusão com
ciclodextrina: Uma visão Semiempírica.
São Cristóvão 2009