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Tipo: Tese
Título: Cálculos DFT e propriedades estruturais e vibracionais sob condições extremas dos dipeptídeos L-alanil-glicina e glicil-dl-ácido aspártico
Autor(es): Lima, Raphaela de Araújo
Orientador: Freire, Paulo de Tarso Cavalcante
Palavras-chave em português: Dipeptídeos;Espectroscopia Raman;Teoria do funcional de densidade;Transição de fase;Propriedades Vibracionais
Palavras-chave em inglês: Dipeptides;Raman spectroscopy;Density functional theory;Phase transition
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
Data do documento: 2024
Citação: LIMA, R. A. Cálculos DFT e propriedades estruturais e vibracionais sob condições extremas dos dipeptídeos L-alanil-glicina e glicil-dl-ácido aspártico. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Resumo: No presente trabalho os dipeptídeos glicil-DL-ácido aspártico monohidratado (C6H12N2O6), glicil-DL-ácido aspártico (C6H10N2O5) e L-alanil-glicina (C5H10N2O3) foram estudados utilizando técnicas de espectroscopia Raman e infravermelho, em conjunto com modelos computacionais baseados na Teoria do Funcional de Densidade (DFT), com o objetivo de investigar as propriedades estruturais e vibracionais desses materiais. Os cálculos de primeiros princípios utilizando a Teoria do Funcional de Densidade foram realizados em uma molécula isolada na forma zwitteriônica e com o uso do Modelo de Polarização Contínua para simular efeitos do solvente. As estruturas dos ácidos glicil-DL-aspártico monohidratado e glicil-DL-aspártico foram inicialmente determinadas por difração de monocristal e a estrutura do L-alanil-glicina foi obtida a partir de um arquivo cristalográfico, otimizadas para a conformação de menor energia e então submetidas ao cálculo de frequência para obtenção dos modos normais de vibração, onde fizemos uso do pacote Gaussian09 em conjunto com o funcional B3LYP e a série de bases 6-311 G (d,p)++. As atribuições para cada modo normal de vibração foram feitas com o auxílio de (softwares) de visualização molecular e do programa VEDA4 (que fornece a distribuição de energia potencial para cada modo). Os experimentos de espectroscopia Raman e infravermelho foram feitos, primeiramente, em condições ambientes, na região de 150 a 3500 cm−1 e de 130 a 4000 cm−1, respectivamente. Para o dipeptídeo glicil-DL-ácido aspártico monohidratado foram realizados experimentos de análise térmica DSC da temperatura ambiente até 623 K (∼ 350 ◦C), experimentos de difração de raio-X com variação de temperatura até 423 K (∼ 150 ◦C) experimentos de espectroscopia Raman com variação de pressão até 6,6 GPa, experimentos de espectroscopia Raman com variação de temperatura, em baixas temperatura 9 K (∼ -264 ◦C) e em altas temperaturas até 423 K(∼ 150 ◦C). Para o dipeptídeo glicil-DL-ácido aspártico foram realizados experimentos de espectroscopia Raman em baixas temperaturas 9 K (∼ -264 ◦C). Para o dipeptídeo L-alanil-glicina foram realizados experimentos de análise térmica DSC da temperatura ambiente até 400 K (∼ 127 ◦C), experimentos de espectroscopia Raman com variação de pressão até 6,9 GPa, experimentos de espectroscopia Raman com variação de temperatura, em baixas temperaturas 18 K (∼ -255 ◦C). Esses estudos foram realizados na perspectiva de entender o comportamento dos três dipeptídeos sob a variação desses parâmetros termodinâmicos. Os experimentos sob altas pressões mostraram mudanças significativas nos espectros Raman da amostra glicil-DL-ácido aspártico monoidratado, sugerindo uma transição de fase em torno de 2,0 GPa. Para o dipeptídeo L-alanil-glicina foram observadas mudanças entre 5,8 e 6,9 GPa, indicando uma transição de fase no material. No que diz respeito às medidas de altas temperaturas observaram-se mudanças significativas entre 403 K até 423 K. Sugerimos que nessa região ocorreu uma transição de fase estrutural no espectro do glicil-DL-ácido aspártico monoidratado com a saída de moléculas de água da estrutura cristalina. Em baixas temperaturas observamos mudanças no cristal hidratado. Porém, em sua fase anidra não foi possível observar mudanças significativas. Nas medidas de espectroscopia Raman em baixas temperaturas da L-alanil-glicina, observamos mudanças que vão de 120 K até 18 K. Possíveis explicações para essas modificações estruturais são também fornecidas.
Abstract: In this work, the dipeptides glycyl-DL-aspartic acid monohydrate (C6H12N2O6), glycyl-DLaspartic acid (C6H10N2O5), and L-alanyl-glycine (C5H10N2O3) were studied using Raman and infrared spectroscopy techniques, combined with computational models based on Density Functional Theory (DFT), aiming to investigate the structural and vibrational properties of these materials. First-principles calculations using Density Functional Theory were performed on an isolated molecule in its zwitterionic form and with the use of the Continuum Polarization Model to simulate solvent effects. The structures of glycyl- DL-aspartic acid monohydrate and glycyl-DL-aspartic acid were initially determined by single-crystal diffraction, while the structure of L-alanyl-glycine was obtained from a crystallographic file, optimized to the lowest energy conformation, and then subjected to frequency calculations to obtain the normal vibration modes. The Gaussian09 package was used in conjunction with the B3LYP functional and the 6-311 G (d,p)++ basis set. The assignments for each normal vibration mode were made with the aid of molecular visualization software and the VEDA4 program (which provides the potential energy distribution for each mode). Raman and infrared spectroscopy experiments were performed under ambient conditions, in the range of 150 to 3500 cm−1 and 130 to 4000 cm−1, respectively. For the dipeptide glycyl-DL-aspartic acid monohydrate, thermal analysis experiments (DSC) were carried out from room temperature up to 623 K (∼ 350 ◦C), X-ray diffraction experiments with temperature variation up to 423 K (∼ 150 ◦C), Raman spectroscopy experiments with pressure variation up to 6.6 GPa, and Raman spectroscopy experiments with temperature variation, at low temperatures of 9 K (∼ -264 ◦C) and high temperatures up to 423 K (∼ 150 ◦C). For the glycyl-DL-aspartic acid dipeptide, Raman spectroscopy experiments were performed at low temperatures of 9 K (∼ -264 ◦C). For the L-alanyl-glycine dipeptide, thermal analysis experiments (DSC) were performed from room temperature up to 400 K (∼ 127 ◦C), Raman spectroscopy experiments with pressure variation up to 6.9 GPa, and Raman spectroscopy experiments with temperature variation, at low temperatures of 18 K (∼ -255 ◦C). These studies were conducted to understand the behavior of the three dipeptides under variations of these thermodynamic parameters. High-pressure experiments revealed significant changes in the Raman spectra of glycyl-DL-aspartic acid monohydrate, suggesting a phase transition around 2.0 GPa. For L-alanyl-glycine, changes were observed between 5.8 and 6.9 GPa, indicating a phase transition in the material. Regarding high-temperature measurements, significant changes were observed between 403 K and 423 K, suggesting a structural phase transition in the spectrum of glycyl-DL-aspartic acid monohydrate, likely due to the release of water molecules from the crystalline structure. At low temperatures, changes were observed in the hydrated crystal, but no significant changes were detected in its anhydrous phase. In the low-temperature Raman spectroscopy measurements of L-alanyl-glycine, changes were observed from 120 K to 18 K. Possible explanations for these structural modifications are also provided.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/79631
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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