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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.59.2012.tde-24052012-105337
Document
Author
Full name
Danilo da Silva Olivier
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Ribeirão Preto, 2012
Supervisor
Committee
Ito, Amando Siuiti (President)
Caliri, Antonio
Galembeck, Sergio Emanuel
Title in Portuguese
Propriedades espectroscópicas do ácido orto-aminobenzóico: estudo computacional e experimental de efeitos de pH
Keywords in Portuguese
Ácido orto-aminobenzóico
DFT
Dinâmica Molecular
Espectros Eletrônicos
Estrutura Eletrônica
Abstract in Portuguese
A molécula de ácido orto-aminobenzóico tem sido intensamente empregada como sonda fluorescente no estudo de peptídeos e membranas e o entendimento dos efeitos de solvente sobre suas propriedades espectroscópicas apresenta grande interesse científico. Neste trabalho realizamos um estudo experimental e cálculos DFT sobre alterações nos espectros de absorção e emissão da sonda em solução aquosa, em função do pH do meio. Examinamos também o seu derivado 2-amino-N-metil benzamida (o-Abz-NHCH3) e as mudanças espectrais na interação com micelas de SDS. Resultados de experimentos de titulação mostraram-se coerentes com a existência de três estados de protonação para o-Abz à medida em que o pH torna-se ácido, resultantes da protonação dos grupos amino e carboxila, de modo semelhante ao que ocorre com aminoácidos. Para cada estado de protonação, realizamos cálculos de otimização de geometria e verificação de mínima energia com a teoria DFT utilizando diferentes funcionais e conjuntos de bases para orbitais atômicos. Partindo das geometrias de menor energia, com a teoria TD-DFT (B3LYP/311++G(d,p)) fizemos cálculos das transições eletrônicas. A melhor concordância com os resultados experimentais foi obtida com a molécula na forma aniônica. Na comparação dos resultados da posição espectral da transição de mais baixa energia, no processo de absorção ótica, observamos uma diferença relativa de 0,6%. Para a fluorescência otimizamos e verificamos a geometria do estado excitado e obtivemos as energias de transição vertical com o método TD-DFT (B3LYP/Def2-TZVP) com o qual tivemos um resultado de lambda = 407nm considerado satisfatório quando comparado com o valor experimental lambda= 394nm. Nas formas neutra e catiônica, as diferenças relativas entre os cálculos e os experimentos foram maiores, chegando a 11% na posição da banda de fluorescência da molécula neutra. Usando simulações de Dinâmica Molecular conseguimos estimar quantas moléculas de água se distribuem em torno do o-Abz. Os resultados mostram que, embora exista um número parecido de moléculas de água solvatando a molécula nas formas aniônica e catiônica, há uma redução na quantidade de ligações de hidrogênio realizadas pela protonação catiônica em relação à aniônica. O modelo utilizado para simular o o-Abz-NH(CH3) em micelas de SDS apresentou resultados satisfatórios com erro relativo entre 0,7\% e 0,9%, no entanto são necessárias outras abordagens computacionais e experimentais para indicar em qual região a molécula se encontra na micela, dando assim mais confiabilidade e uma melhor interpretação aos resultados.
Title in English
Spectroscopic properties of the ortho-aminobenzoic acid: An computational and experimental study of the effects of pH.
Keywords in English
DFT
Electronic Spectra
Molecular Dynamics
Ortho-Aminobenzoic Acid
Abstract in English
The ortho-aminobenzoic acid is a molecule largely employed as a fluorescent probe in peptide and membrane studies. The solvent dependence of its spectroscopic properties deserves great interest and we describe here results of experimental measurements and computational calculations by \textit and Molecular Dynamics methods about spectroscopic and solvation properties of the molecule in aqueous medium at different pH values. We also examined the derivative 2-amino-N-methyl-benzamide (o-Abz-NHCH3), investigating the spectral modifications in its interaction with SDS micelles. The results of titration experiments could be interpreted as originated from three protonation states for o-Abz: in neutral pH and above, both carboxy and amine groups are deprotonated, and the molecule is in the anionic form. Decreasing the pH, protonation of amino group or carboxy renders the molecule neutral (pK = 5.0) and at low pH both groups are protonated and the molecule is in the cationic form (pK = 2.3). Geometry optimization and determination of energy minima were performed with the molecule in each protonation state using Density Functional Theory (DFT) with different functionals and basis set for atomic orbitals. Eletronic transitions were calculated from lowest energy geometry using TD-DFT (B3LYP/311++G(d,p)). The best agreement with experimental results were obtained for the anionic molecule: we observed a relative difference of 0.6\% for the lowest energy optical transition. From the optimized geometry of the excited state the vertical transition was calculated with TD-DFT (B3LYP/Def2-TZVP), and the emission was predicted to occur at 407nm, a reasonable result compared with the experimental value or 394nm. For the molecule in neutral or cationic state, the relative differences between experimental and calculation results were greater, amounting to 11\% for the fluorescence band in the neutral species. From Molecular Dynamics simulation we estimated the number of water molecules distributed aroud the o-Abz molecule. The results show that, although there is similar number of water molecules solvating the o-Abz in anionic and cationic state, there is a decrease in the amount of hydrogen bond in the cationic molecule. The simulation of the derivative o-Abz-NHCH3 in SDS micelles by implicit solvent methods gave results comparable to the experimental ones, with relative deviations lower than 1\%. It should be noted that further study should be carried out in order to have a better knowledge about the location of the probe in the micelle, and to afford a beter interpretation of the results.
 
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Publishing Date
2012-07-12
 
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