Modelação molecular de associações entre aniões e receptores sintéticos

Abstract

A aplicação de simulações de mecânica e dinâmica molecular ao estudo de sistemas supramoleculares tem adquirido, ao longo dos últimos anos, enorme relevância. A sua utilização não só tem levado a uma melhor compreensão dos mecanismos de formação desses mesmos sistemas, como também tem fornecido um meio para o desenvolvimento de novas arquitecturas supramoleculares. Nesta tese são descritos os trabalhos de mecânica e dinâmica molecular desenvolvidos no âmbito do estudo de associações supramoleculares entre aniões e receptores sintéticos do tipo [2]catenano, [2]rotaxano e pseudorotaxano. São ainda estudados complexos supramoleculares envolvendo receptores heteroditópicos do tipo calix[4]diquinona e pares iónicos formados por aniões halogeneto e catiões alcalinos e amónio. Os estudos aqui apresentados assentam essencialmente em duas vertentes: no estudo das propriedades dinâmicas em solução dos vários complexos supramoleculares considerados e no cálculo das energias livres de Gibbs de associação relativas dos vários iões aos receptores sintéticos. As metodologias utilizadas passaram por dinâmica molecular convencional e REMD (Replica Exchange Molecular Dynamics), para o estudo das propriedades em solução, e por cálculos de integração termodinâmica e MMPBSA (Molecular Mechanics – Poisson Boltzmann Surface Area), para a computação das energias livres de associação relativas. Os resultados obtidos, além de terem permitido uma visão mais detalhada dos mecanismos envolvidos no reconhecimento e associação dos vários receptores aos aniões e pares iónicos abordados, encontram-se, globalmente, de acordo com os análogos determinados experimentalmente, validando assim as metodologias empregadas. Em jeito de conclusão, investigou-se ainda a capacidade de um dos receptores heteroditópicos estudados para assistir favoravelmente na migração do par iónico KCl através da interface água-clorofórmio. Para tal, foram utilizadas simulações SMD (Steered Molecular Dynamics) para a computação do perfil de energia livre de Gibbs associada à migração do par iónico através da interface.

The use of molecular mechanics and molecular dynamics simulations in the study of supramolecular systems has gained enormous relevance in the recent years. Its use not only has lead to a better understanding of the formation mechanisms of those systems, as has supplied a mean to the development of new supramolecular architectures. In this thesis are reported the molecular mechanics and molecular dynamics studies undertaken in the course of the investigations related with the supramolecular associations between several anions and synthetic receptors such as [2]catenanes, [2]rotaxanes and pseudorotaxanes. In addition, supramolecular complexes involving heteroditopic receptors, derived from calix[4]diquinone moieties, and ion-pairs formed by halide anions and ammonium and alkali cations are also studied. The studies hereby reported are essentially based on two approaches: on the study of the dynamical properties of the considered supramolecular complexes in solution and on the computation of the Gibbs relative association free energies of the several ions to the synthetic receptors. The methodologies employed encompass conventional molecular dynamics and REMD (Replica Exchange Molecular Dynamics) simulations, for the study of solution properties, and thermodynamic integration and MM-PBSA (Molecular Mechanics – Poisson Boltzmann Surface Area) calculations, for the computation of the relative association free energies. The obtained results, apart from allowing for an insightful understanding of the mechanisms involved in the recognition and association processes of the receptors to the anions and ion-pairs under study, are found, globally, to be in close agreement with experimentally determined counterparts, thus validating the employed methodologies. Finally, the capability of one of the studied heteroditopic receptors to favourably assist the migration of the KCl ion-pair through a water-chloroform interface was also evaluated. For that purpose, SMD (Steered Molecular Dynamics) simulations were employed for the computation of the Gibbs free energy profile associated with the migration of the ion-pair through the interface.