masterThesis
Estudo da fluxionalidade estrutural e da labilidade da água em complexos com íons lantanídeos e EDTA
Autor
SILVA, Sarah Emanuelle Pereira da
Institución
Resumen
Complexos com íons lantanídeos são amplamente utilizados em várias áreas, por exemplo, como materiais luminescentes, agentes de contraste, e em dosimetria. O conhecimento de suas propriedades estruturais no estado sólido e em solução é relevante para compreender, aprimorar e viabilizar suas aplicações tecnológicas. Em particular, os mecanismos de interconversão estrutural apresentados por compostos deste tipo podem auxiliar na compreensão da reatividade química, das taxas de troca de água de coordenação, e da supressão de luminescência de compostos luminescentes em solução. O ligante EDTA, em muitos casos, é facilmente acessível e forma complexos com todos íons metálicos e, particularmente, complexos estáveis com íons lantanídeos, sendo, portanto, amplamente utilizado em química de coordenação. Portanto, neste trabalho utilizou-se a modelagem molecular computacional na descrição dos mecanismos fluxionais envolvendo complexos de íons lantanídeos e o ligante EDTA e dos fatores que os influenciam. Foram utilizados o conjunto de base e o potencial efetivo de caroço (ECP) do tipo MWBx, e os conjuntos de base, 6-31+G para os átomos de carbono, nitrogênio e oxigênio, e 6-31G para os átomos de hidrogênio. Para a obtenção das propriedades estruturais do composto [Eu(EDTA)(H₂O)₃]⁻, foi realizado um estudo sistemático utilizando diferentes funcionais DFT (PBE1PBE, B3LYP, M06-2x, WB97, WB97X e WB97XD) e métodos semiempíricos (Sparkle-AM1 e Sparkle-PM3). O funcional PBE1PBE foi o mais adequado para a obtenção da estrutura molecular do complexo, pois apresentou o menor desvio comparado à estrutura cristalográfica, sendo este funcional o escolhido para o estudo das propriedades estruturais e termoquímicas de todos os sistemas investigados nesse trabalho. Os resultados mostraram que as moléculas de água nos complexos [Ln(EDTA)H₂O)₃]⁻ são bastante lábeis e que a inclusão de moléculas de água de hidratação e dos efeitos de dielétrico são importantes e necessários para estabilizar os produtos e para uma modelagem apropriada do processo de dissociação da água. Ainda, a forma de coordenação das moléculas de água fornece duas estruturas isoméricas distintas que podem explicar a dependência com a temperatura das transições ⁷F₀ → ⁵D₀ observadas. A estrutura cristalográfica do complexo [Eu(EDTA)H₂O)₃]⁻ apresenta nitrogênios não equivalentes e um plano de simetria contendo o átomo de oxigênio da água, o íon Eu³⁺ e os dois átomos de nitrogênio, ou seja, é uma estrutura do tipo meso (aquiral). Enquanto que a estrutura otimizada com vários funcionais DFT fornece uma estrutura quiral com simetria C₂ e os enantiômeros ∆ e Λ. Foram realizadas várias tentativas para determinar o mecanismo de fluxionalidade estrutural do ligante EDTA nesses compostos, inclusive mecanismos dissociativos envolvendo a descoordenação da água e do carboxilato do EDTA. A partir dos resultados obtidos, foi proposto um novo mecanismo não-dissociativo para a isomerização-∆,Λ envolvendo a torção dos grupos do EDTA, através de um estado de transição em que há formação de uma estrutura quadrática plana com os oxigênios dos grupos acetatos. Entretanto, a estrutura meso ainda não foi calculada e, portanto, a fluxionalidade entre as estruturas quiral e aquiral será explorada futuramente. FACEPE Complexes with lanthanide ions are widely employed in several areas, for instance, as luminescent materials, contrast agents, and in dosimeters. The knowledge of their structural properties in the solid state and in solution is relevant to understand and improve their technological applications. In particular, the mechanisms of structural interconversion presented by these compounds may help in understanding their chemical reactivity, and the luminescence suppression in solution. The EDTA ligand, in so many cases, is easily accessible and forms complexes with almost all metal ions and, particularly, stable complexes with lanthanide ions, being therefore widely used in coordination chemistry. Thus, this work has used computational molecular modeling in the description of fluxional mechanisms involving lanthanide ion complexes and the EDTA ligand and the factors that influence them. We have used the basis set and effective core potentials (ECP) of type MWBx, and the basis sets, 6-31+G for the carbon, nitrogen and oxygen, and 6-31G for the hydrogen atoms. To obtain the structural properties of the compound [Eu(EDTA)H₂O)₃]⁻, a systematic study was performed using different DFT functionals (PBE1PBE, B3LYP, M06-2x, WB97X, WB97X and WB97XD) and semiempirical methods (Sparkle-AM1 and Sparkle-PM3). The PBE1PBE functional was the most adequate to obtain the molecular structure of the complex, because it presented the smallest deviation compared to the crystallographic structure, thus becoming the choice for the study of the structural and thermochemical properties of all the systems investigated in this work. The results showed that the water molecules in the complexes [Ln(EDTA)H₂O)₃]⁻ are quite labile and that the inclusion of hydrating water molecules and the effects of the dielectric are important and necessary to stabilize the products and properly model the water dissociation processes. Furthermore, the coordination form of the water molecules provides two distinct isomeric structures which may explain the temperature dependence of observed ⁵D₀ → ⁷F₀ transitions. The crystallographic structure of [Eu(EDTA)H₂O)₃]⁻ presents non-equivalent nitrogen atoms and a symmetry plane containing the oxygen atom from a water molecule, the Eu3³⁺ and both nitrogen atoms, thus rendering the molecule achiral (meso). Whereas the optimized structures with several DFT functionals yielded a chiral structure with C₂
symmetry and ∆ and Λ enantiomers. Several attempts were made to determine the mechanism of structural fluxionality of the EDTA ligand in these compounds, including dissociative mechanisms involving the water molecules and the carboxylate groups of EDTA. From the obtained results, a new non-dissociative mechanism for the ∆, Λ-isomerization involving the torsion of the EDTA groups was proposed, through a transition state with a square planar structure of the oxygen atoms of the acetates groups. However, the structure of the meso compound (achiral) is still not being obtained and thus, the fluxionality between the chiral and achiral structure will be explored in the future.