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Title in Portuguese: Cristais/moléculas de fármacos: Uma descrição via teoria do funcional da densidade
Title: Drugs crystals/molecules: A description via density functional theory
Author: Silva, Bruno Poti e
Advisor(s): Freire, Valder Nogueira
Co-advisor(s): Neto, Pedro de Lima
Keywords: DFT
Estrutura eletrônica
Cristais moleculares
Issue Date: 2019
Citation: SILVA, Bruno Poti e. Cristais/moléculas de fármacos: Uma descrição via teoria do funcional da densidade. 2019. 214 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2019.
Abstract in Portuguese: Cristais moleculares apresentam várias aplicações na ciência e tecnologia, tendo despertado bastante atenção nos recentes anos para o estudo das suas propriedades tanto por métodos teóricos quanto por métodos experimentais. Com o avanço de teorias quânticas que descrevem a estrutura eletrônica de materiais de diversos tipos, tornou-se possível o estudo detalhado do comportamento eletrônico, bem como sua influência sob as propriedades físicas e químicas destes materiais. A teoria de maior sucesso hoje aplicada é a teoria do funcional da densidade (do inglês, DFT). Com base nisto, foram estudadas as propriedades estruturais, eletrônicas e óticas de diversos cristais de fármacos relacionados à anemia falciforme (Hidroxiureia) e esclerose múltipla (Fumarato de dimetila), bem como cristais polimorfos e hidratado do aminoácido glicina. O presente trabalho traz os resultados obtidos para o cristal de hidroxiureia como modelo de um sistema que interage principalmente por ligações de hidrogênio; O Fumarato de dimetila como modelo de sistema que interage via forças de van der Waals; e por fim, os cristais de glicina, que atuam como modelo para descrição da influência do polimorfismo/hidratação nas propriedades de cristais moleculares. A mesma metodologia foi aplicada em todos sistemas. Os estudos foram feitos com base na teoria do funcional da densidade, no qual aplicou-se os funcionais LDA e GGA com e sem a adição de correções de dispersão. De modo geral, foi observado que o funcional que melhor descreve este tipo de sistema (cristal molecular) é o funcional GGA. Os resultados da descrição dos parâmetros de rede por esse funcional, com a adição de correções de dispersão, apresentaram significativa melhoria quando comparados ao funcional puro. Os desvios encontrados, em relação aos parâmetros de rede experimentais, para este funcional, foram inferiores à 2%, com desvios máximos de -0.12 Å (-1.42%) para o parâmetro de rede a do cristal da hidroxiurea; -0.07 Å ( 1.26%) para o parâmetro de rede b do cristal de fumarato de dimetila; e de 0.047 Å (0.75%) para o parâmetro de rede b do cristal de glicina (forma β). Os outros cristais da glicina tiveram desvios máximos menores, relativo ao máximo desvio da forma β. Um estudo da influência do tamanho da base utilizada também foi realizado, onde constatou-se que a convergência era alcançada mesmo para menor utilizada (830 eV), para os cristais de fumarato de dimetila e hidroxiureia. Já para os sistemas cristalinos da glicina, esta convergência foi alcançada utilizando uma base de 850 eV. Após o estudo de convergência, foram calculadas as propriedades eletrônicas e óticas dos cristais em estudo. No geral, os erros dos gaps estimados, em relação aqueles obtidos experimentalmente, ficaram abaixo de 300 meV, após as devidas correções de gap. Este resultado corrobora com erros na estimativa de gaps por meio de DFT, que ficam entre 30 – 100%. Os gaps dos cristais foram calculados também pelo método de correção Δ-sol. A diferença do gap predito pelo método Δ-sol foi menor que aquele predito por cálculos de DFT.
Abstract: Molecular crystals have several applications in science and technology and have attracted considerable attention in recent years to study the properties of these materials by both theoretical and experimental research. With the advancement of theories describing the electronic structure of materials of various types, it became possible to describe in detail the electronic behavior as well as its influence on the properties of these materials. The most successful theory applied today is the theory of functional density (DFT). Based on this, the structural, electronic and optical properties of various drug crystals related to sickle cell anemia (hydroxyurea) and multiple sclerosis (Dimethyl Fumarate), as well as the crystals, polymorphs and hydrates, of the aminoacid glycine. The present work presents the results obtained for the hydroxyurea crystal as a model, for the system bonded by hydrogen bonds; Dimethyl Fumarate as a model of systems bonded by van der Waals forces; and Glycine, which serve as model for describing the influence of polymorphism/hydration in the properties of molecular crystals. The same methodology was applied to the others systems. The studies were made on the basis of the density functional theory, in which were applied the LDA and GGA, with and without dispersion forces correction. In general, it has been observed that the functional that best describes this type of system, i.e. a molecular crystal, is GGA. The results are improved by adding dispersion corrections to the functional one. The deviations found for this functional were smaller than 2%, with maximum deviation -0.12 Å (-1.72%) for the a lattice parameter of the hydroxyurea crystal; -0.07 Å (-1.26%) for the b lattice parameter of the dimethyl fumarate crystal; and 0.047 (0.75%) for the b lattice parameter of the glycine crystal (β-form). The other crystals of the glycine had lower maximum deviation, relative to the maximum deviation of βform. A study of the influence of the size of the base used was also performed, where it was verified that the convergence was reached even in the lowest base used, in the present work the lowest base was of 830 eV, for the hydroxyurea and dimethyl fumarate crystals. For the glycine crystal, the convergence was achieved with 850 eV basis set. After the convergence study, the electronic and optical properties of the crystals under study were calculated. In general, the errors of the estimated gaps, relative to those obtained experimentally, were below 300 meV, after making the gap energy corrections. This result corroborates with errors in the estimation of gaps by DFT, which are between 30 - 100%. The gaps of the crystals were also calculated by the Δ-sol method. The gap difference predicted by the Δ-sol method was lower than that predicted by DFT calculations.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/46956
metadata.dc.type: Tese
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