Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/80522
Type: Dissertação
Title: Investigação mecanística da reação de alquenilação C-H e desenvolvimento de sensores fluorescentes para íons bissulfito: uma abordagem computacional
Authors: Esther Regina Silva Paz
First Advisor: Eufrânio Nunes da Silva Júnior
First Co-advisor: Willian Ricardo Rocha
First Referee: Jarbas Magalhães Resende
Second Referee: Guilherme Ferreira de Lima
Abstract: Esta dissertação descreve duas abordagens computacionais fundamentadas na Teoria do Funcional da Densidade (DFT), com o objetivo de investigar a aplicação de derivados quinoidais na síntese de substratos para reações click do tipo SuFEx (Sulfur(VI) Fluoride Exchange) e o desenvolvimento de sensores fluorescentes para a detecção de íons bissulfito. A primeira parte aborda a elucidação do mecanismo de alquenilação C−H de uma 1,4-naftoquinona mono-metilada, com o grupo Fluoreto de Etenossulfonila (FES), visando obter um substrato adequado para a reação SuFEx. Para isso, foram realizados cálculos baseados na Teoria do Estado de Transição (TST), com o intuito de identificar o perfil energético e propor um ciclo catalítico para essa transformação. Além disso, um processo de benchmark foi conduzido para avaliar os perfis energéticos obtidos com nove funcionais da densidade, distribuídos em sete classes distintas, em comparação com os dados obtidos com o método de referência, Coupled Cluster (CC). Os resultados indicaram que o funcional GGA híbrido PBE0, selecionado para descrever o mecanismo proposto, é adequado para o estudo computacional de catálises por complexos organometálicos de rutênio. A segunda parte descreve os estudos fotofísicos, baseados na Teoria do Funcional da Densidade Dependente do Tempo (TD-DFT), realizados com três imidazóis derivados da β-lapachona, com o objetivo de avaliar as possíveis alterações em seus perfis de fluorescência como resposta à detecção do íon bissulfito. Foram obtidas as geometrias otimizadas dos estados fundamentais (S0) e excitados (S1, T1 e T2), bem como a energia eletrônica dos compostos investigados. Além disso, calcularam-se as constantes de fluorescência, a partir do coeficiente de Einstein, e as constantes de cruzamento intersistema, utilizando a regra de ouro de Fermi e a teoria de Marcus. Os resultados sugerem que as diferenças experimentais observadas nos perfis de emissão de fluorescência dos três compostos após interação com o analito não podem ser justificadas exclusivamente pelo desfavorecimento do processo de transferência de carga intramolecular (ICT). Além disso, para um dos regioisômeros, foi identificada a possibilidade de desativação radiativa por meio do fenômeno de fosforescência. Os dois compostos que apresentaram alterações na fluorescência ao reagirem com o bissulfito foram considerados adequados para aplicação potencial como sensores desse íon. Entretanto, o lapimidazol que não exibiu alterações no perfil de emissão após a interação com o íon-alvo não se mostrou adequado para a mesma aplicação.
Abstract: This work describes two computational approaches based on Density Functional Theory (DFT), aimed at investigating the application of quinoidal derivatives in the synthesis of substrates for SuFEx (Sulfur(VI) Fluoride Exchange) click-type reactions and in the development of fluorescent sensors for bisulfite ion detection. The first part addresses the elucidation of the C−H alkenylation mechanism of 1,4-naphthoquinone mono-methylated with the Ethenesulfonyl Fluoride (FES) group, aiming to obtain a suitable substrate for SuFEx reactions. Transition State Theory (TST) based calculations were performed to identify the energy profile and propose a catalytic cycle for this transformation. Furthermore, a benchmark process was conducted to assess the energy profiles obtained using nine density functionals, distributed into seven distinct classes, and compared with results obtained from the reference method, Coupled Cluster (CC). The results indicated that the hybrid GGA PBE0 functional, chosen to describe the proposed mechanism, is suitable for computational studies of catalysis by ruthenium organometallic complexes. The second part describes the photophysical studies based on Time-Dependent Density Functional Theory (TD-DFT), conducted with three imidazole derivatives of β-lapachone, to evaluate possible changes in their fluorescence profiles in response to bisulfite ion detection. Optimized geometries of the ground states (S0) and excited states (S1, T1, and T2), as well as the electronic energy of the investigated compounds, were obtained. Additionally, fluorescence constants, derived from the Einstein coefficient, and intersystem crossing constants were calculated using Fermi’s Golden Rule and Marcus theory. The results suggest that the experimental differences observed in the fluorescence emission profiles of the three compounds after interaction with the analyte cannot be exclusively explained by the unfavorable intramolecular charge transfer (ICT) process. Moreover, for one of the regioisomers, the possibility of radiative deactivation via phosphorescence was identified. The two compounds that exhibited fluorescence changes upon reacting with bisulfite were considered suitable for potential sensor applications. However, the lapimidazole which did not show emission profile changes after interaction with the target ion was not deemed appropriate for the same application.
Subject: Físico-química
Funcionais de densidade
Quinona
Biotecnologia
Detectores
Fluorescência
Imidazóis
Raios X – Difração
Ligação de hidrogênio
Chagas, Doença de
Mecânica quântica
Catalisadores de metais de transição
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Química
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/80522
Issue Date: 6-Feb-2025
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