Dicroísmo circular vibracional - Vibrational circular dichroism

Dicroísmo circular vibracional ( VCD ) é uma técnica espectroscópica que detecta diferenças na atenuação da luz polarizada circularmente à esquerda e à direita que passa por uma amostra. É a extensão da espectroscopia de dicroísmo circular nas faixas de infravermelho e infravermelho próximo.

Como o VCD é sensível à orientação mútua de grupos distintos em uma molécula, ele fornece informações estruturais tridimensionais. Assim, é uma técnica poderosa, pois espectros VCD de enantiômeros podem ser simulados usando cálculos ab initio , permitindo assim a identificação de configurações absolutas de pequenas moléculas em solução a partir de espectros VCD. Entre esses cálculos quânticos de espectros VCD resultantes das propriedades quirais de pequenas moléculas orgânicas estão aqueles baseados na teoria do funcional da densidade (DFT) e orbitais atômicos incluindo calibre (GIAO). Como um exemplo simples dos resultados experimentais que foram obtidos por VCD são os dados espectrais obtidos dentro da região de alongamento carbono-hidrogênio (CH) de 21 aminoácidos em soluções de água pesada . As medições da atividade óptica vibracional (VOA) têm, portanto, inúmeras aplicações, não apenas para moléculas pequenas, mas também para biopolímeros grandes e complexos, como proteínas musculares ( miosina , por exemplo) e DNA .

Modos vibracionais

• 
• 
• 
• 
• 
• 

Teoria

Enquanto a quantidade fundamental associada à absorção infravermelha é a força dipolo, a absorção diferencial também é proporcional à força rotacional, uma quantidade que depende dos momentos de transição dipolo elétrico e magnético. A sensibilidade da lateralidade de uma molécula em relação à luz polarizada circularmente resulta da forma da força rotacional. Um desenvolvimento teórico rigoroso de VCD foi desenvolvido simultaneamente pelo falecido Professor PJ Stephens, FRS, na University of Southern California , e pelo grupo do Professor AD Buckingham, FRS, na Cambridge University no Reino Unido, e implementado pela primeira vez analiticamente no Cambridge Analytical Derivative Package (CADPAC) de RD Amos. Desenvolvimentos anteriores de DP Craig e T. Thirmachandiman na Australian National University e Larry A. Nafie e Teresa B. Freedman na Syracuse University, embora teoricamente corretos, não puderam ser implementados diretamente, o que impediu seu uso. Somente com o desenvolvimento do formalismo de Stephens implementado no CADPAC, um cálculo teórico rápido, eficiente e teoricamente rigoroso dos espectros VCD de moléculas quirais se tornou viável. Isso também estimulou a comercialização de instrumentos VCD da Biotools, Bruker, Jasco e Thermo-Nicolet (hoje Thermo-Fisher).

Peptídeos e proteínas

Estudos extensivos de VCD foram relatados para polipeptídeos e várias proteínas em solução; várias análises recentes também foram compiladas. Uma lista extensa, mas não abrangente, de publicações VCD também é fornecida na seção "Referências". Os relatórios publicados nos últimos 22 anos estabeleceram o VCD como uma técnica poderosa com resultados aprimorados em relação aos obtidos anteriormente por dicroísmo circular visível / UV (CD) ou dispersão rotatória óptica (ORD) para proteínas e ácidos nucléicos.

Os efeitos devido ao solvente na estabilização das estruturas (conformadores e espécies zwitteriônicas) de aminoácidos e peptídeos e os efeitos correspondentes vistos no dicroísmo circular vibracional (VCD) e espectros de atividade óptica Raman (ROA) foram recentemente documentados por um teórico combinado e trabalho experimental em L-alanina e N-acetil L-alanina N'-metilamida. Efeitos semelhantes também foram observados nos espectros de ressonância magnética nuclear (RMN) pelos grupos de RMN de Weise e Weisshaar na Universidade de Wisconsin-Madison .

Ácidos nucleicos

Os espectros de VCD de nucleotídeos, polinucleotídeos sintéticos e vários ácidos nucleicos, incluindo DNA, foram relatados e atribuídos em termos do tipo e número de hélices presentes em A-, B- e Z-DNA.

Instrumentação

O VCD pode ser considerado uma técnica relativamente recente. Embora Vibrational Optical Activity e, em particular, Vibrational Circular Dichroism, sejam conhecidos há muito tempo, o primeiro instrumento VCD foi desenvolvido em 1973 e os instrumentos comerciais estavam disponíveis apenas a partir de 1997.

Para biopolímeros como proteínas e ácidos nucléicos, a diferença na absorbância entre as configurações levo e dextro- é cinco ordens de magnitude menor do que a absorbância correspondente (não polarizada). Portanto, o VCD de biopolímeros requer o uso de instrumentação especialmente construída, muito sensível, bem como a média de tempo em intervalos de tempo relativamente longos, mesmo com espectrômetros VCD sensíveis. A maioria dos instrumentos de CD produz luz polarizada circularmente à esquerda e à direita que é modulada por onda senoidal ou quadrada, com subsequente detecção sensível à fase e amplificação lock-in do sinal detectado. No caso do FT-VCD, um modulador fotoelástico (PEM) é empregado em conjunto com uma configuração de interferômetro FTIR. Um exemplo é o de um interferômetro FTIR Bomem modelo MB-100 equipado com ópticas / acessórios de polarização adicionais necessários para registrar espectros de VCD. Um feixe paralelo emerge através de uma porta lateral do interferômetro que passa primeiro por um polarizador linear de grade de fios e, em seguida, por um PEM de cristal de ZnSe em formato octogonal que modula o feixe polarizado em uma frequência fixa inferior, como 37,5 kHz. Um cristal estressado mecanicamente, como o ZnSe, exibe birrefringência quando estressado por um transdutor piezoelétrico adjacente. O polarizador linear está posicionado próximo e a 45 graus em relação ao eixo do cristal ZnSe. A radiação polarizada focada no detector é duplamente modulada, tanto pelo PEM quanto pela configuração do interferômetro. Um detector de ruído muito baixo, como MCT (HgCdTe), também é selecionado para a detecção sensível à fase do sinal do VCD. O primeiro espectrômetro VCD dedicado lançado no mercado foi o ChiralIR da Bomem / BioTools, Inc. em 1997. Hoje, Thermo-Electron, Bruker, Jasco e BioTools oferecem acessórios VCD ou instrumentação independente. Para evitar a saturação do detector, um filtro de passagem de onda longa apropriado é colocado antes do detector MCT de ruído muito baixo, que permite que apenas radiação abaixo de 1750 cm ⁻¹ alcance o detector MCT; o último, entretanto, mede a radiação apenas até 750 cm ⁻¹ . O acúmulo de espectros de FT-VCD da solução de amostra selecionada é então realizado, digitalizado e armazenado por um computador em linha. Também estão disponíveis análises publicadas que comparam vários métodos VCD.

Modelagem de espectros de VCD

Em 1994, pesquisadores da University of Southern California (USC) , do US Army Research Laboratory (USARL) e da Lorentzian Inc. relataram uma classificação de precisão de técnicas analíticas da mecânica quântica para determinar teoricamente as frequências vibracionais, as forças dipolo e as forças rotacionais de um molécula orgânica. Esta classificação reivindicou a teoria do funcional da densidade (DFT) no nível da teoria B3LYP / 6-31G * foi o cálculo mais preciso e eficaz usado para modelar e espectros de dicroísmo circular vibracional (VCD). Cálculos de estrutura eletrônica, resolvendo a equação de Schrödinger ou a equação de Kohn-Sham , podem ser usados ​​para obter informações sobre a energia do estado fundamental, a frequência vibracional da ligação e a densidade do elétron (Ψ ² ) e outras características.

Cálculos teóricos de energia vibracional freqüentemente envolvem a equação de Schrödinger com o operador hamiltoniano . Os computadores que processam esses cálculos massivos podem incorporar a energia cinética da molécula, bem como o grande número de repulsões e atrações colombianas entre as partículas subatômicas. Os cálculos são considerados muito caros, pois são difíceis e demoram muito para serem realizados. Isso ocorre parcialmente porque a integração das interações elétron-elétron na equação envolve a determinação das interações de troca de elétrons . Métodos como DFT e o método Hartree-Fock olham para um grupo de orbitais atômicos referidos como um conjunto de base para estimar a função de onda molecular. A função de onda pode ser usada para calcular propriedades quirópticas de interesse, como frequência, comprimento de onda, energia, etc. Hartree-Fock opera com um loop de feedback chamado campo autoconsistente que refina continuamente as estimativas da função de onda até que o valor caia dentro de uma mudança satisfatória no limiar de energia que o cálculo converge para uma solução de função de onda aproximada.

O estudo conduzido pela USC, USARL e Lorentzian Inc. analisou os espectros infravermelho ( FTIR ) e VCD da molécula quiral 4-metil-2-oxetanona. As bandas Lorentzianas foram ajustadas aos espectros de FTIR e VCD para obter sua intensidade de pico, largura de linha e frequência, que podem ser usadas para inferir propriedades como forças dipolo e rotacionais. Esses valores experimentais foram então comparados com os resultados teóricos. Os cientistas relataram que os cálculos DFT foram avaliados com os espectros FTIR e VCD melhor modelados funcionais do B3LYP. Para alcançar uma melhor relação custo-benefício, os pesquisadores recomendaram emparelhar este método com o conjunto base 6-31G * . O segundo melhor método relatado foi a teoria de perturbação de Møller-Plesset de segunda ordem (MP2). O terceiro e quarto melhores métodos de cálculo foram DFT com os funcionais BLYP e LSDA, respectivamente. Os pesquisadores afirmaram que os cálculos de campo autoconsistente (HF-SCF) Ab initio Hartree-Fock modelaram espectros de FTIR e VCD com a menor precisão em comparação com outras metodologias investigadas.

A significância na alegada melhoria na precisão dos cálculos DFT em relação às técnicas ab initio foi que os cálculos DFT foram relatados para acelerar a velocidade computacional. Ao avaliar um potencial efetivo usando densidade de elétrons, que pode ser especificada em três graus de liberdade, o DFT evita a avaliação de potenciais coulômbicos entre cada elétron, que é especificado em 3N graus de liberdade (onde N é o número de elétrons). O conjunto de base B3LYP é um híbrido entre termos de troca Hartree-Fock diretos, bem como correções locais e gradientes para interações de troca e correlação . Portanto, o funcional B3LYP é reivindicado para modelar de forma eficiente FTIR e VCD de algumas moléculas via DFT a uma fração do custo.

VCD magnético

Os espectros de VCD também foram relatados na presença de um campo magnético externo aplicado. Este método pode aumentar a resolução espectral do VCD para moléculas pequenas.

Atividade óptica Raman (ROA)

ROA é uma técnica complementar ao VCD especialmente útil na região espectral de 50–1600 cm ⁻¹ ; é considerada a técnica de escolha para determinar a atividade óptica para energias de fótons menores que 600 cm ⁻¹ .

Veja também

Referências