Novos protocolos teóricos utilizados nos estudos das ligações hidrogênio-hidrogênio, na estabilidade do tetraedrano, seus derivados e das reações de diels-alder e na quantificação da afinidade de fármacos

This thesis was performed in four chapters, at the theoretical level, focused mainly on electronic density. In the first chapter, we have applied an undergraduate minicourse of Diels-Alder reaction in Federal University of Rio Grande do Norte. By using computational chemistry tools students could build the knowledge by themselves and they could associate important aspects of physical-chemistry with Organic Chemistry. In the second chapter, we studied a new type of chemical bond between a pair of identical or similar hydrogen atoms that are close to electrical neutrality, known as hydrogen-hydrogen (H-H) bond. In this study performed with complexed alkanes, provides new and important information about their stability involving this type of interaction. We show that the H-H bond playing a secondary role in the stability of branched alkanes in comparison with linear or less branched isomers. In the third chapter, we study the electronic structure and the stability of tetrahedrane, substituted tetrahedranes and silicon and germanium parents, it was evaluated the substituent effect on the carbon cage in the tetrahedrane derivatives and the results indicate that stronger electron withdrawing groups (EWG) makes the tetrahedrane cage slightly unstable while slight EWG causes a greater instability in the tetrahedrane cage. We showed that the sigma aromaticity EWG and electron donating groups (EDG) results in decrease and increase, respectively, of NICS and D3BIA aromaticity indices. In addition, another factor can be utilized to explain the stability of tetra-tert-butyltetrahedrane as well as HH bond. GVB and ADMP were also used to explain the stability effect of the substituents bonded to the carbon of the tetrahedrane cage. In the fourth chapter, we performed a theoretical investigation of the inhibitory effect of the drug abiraterone (ABE), used in the prostate cancer treatment as CYP17 inhibitor, comparing the interaction energies and electron density of the ABE with the natural substrate, pregnenolone (PREG). Molecular dynamics and docking were used to obtain the CYP1ABE and CYP17-PREG complexes. From molecular dynamics was obtained that the ABE has higher diffusion trend water CYP17 binding site compared to the PREG. With the ONIOM (B3LYP:AMBER) method, we find that the interaction electronic energy of ABE is 21.38 kcal mol-1 more stable than PREG. The results obtained by QTAIM indicate that such stability is due a higher electronic density of interactions between ABE and CYP17

Esta tese foi realizada em quatro capítulos, todos a nível teórico, enfocados principalmente na densidade eletrônica. No primeiro capítulo, nos descrevemos a aplicação de um minicurso para estudo das reações de Diels-Alder na Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Utilizando ferramentas de química computacional, os estudantes puderam construir um determinado conhecimento e puderam associar importantes aspectos da físico-química e da química orgânica. No segundo capítulo, estudamos um novo tipo de interação química envolvendo átomos de hidrogênio de carga neutra, denominada de ligação hidrogênio-hidrogênio (H-H). Nesse estudo realizado com alcanos complexados, fornece novas e importantes informações acerca das suas estabilidades envolvendo esse tipo de interação. Mostramos que a ligação H-H desempenha um papel secundário na estabilidade de alcanos ramificados em comparação aos seus isômeros menos ramificados ou lineares. No terceiro capítulo, estudamos a estrutura eletrônica e a estabilidade do tetraedrano, de tetraedranos substituídos e seus parentes de silício e germânio. Avaliamos o efeito do substituinte na gaiola de carbono dos derivados do tetraedrano e os resultados indicam que fortes grupos retiradores de elétrons (GRE) causam pequena instabilidade na gaiola carbônica, em contrapartida, fracos GRE resulta em grande instabilidade. Mostramos que na aromaticidade-σ, GRE e grupos doadores de elétrons (GDE) resultam em um decréscimo e em aumento, respectivamente, dos índices de aromaticidade NICS e D3BIA. Em adição, outro fator pode ser utilizado para explicar a estabilidade do tetra-tert-butiltetraedrano, assim como a ligação H-H. GVB e ADMP também foram utilizados para avaliar o efeito de substituintes na gaiola do tetraedrano. No quarto capítulo, nós realizamos uma investigação teórica do efeito inibitório do fármaco abiraterona (ABE), utilizado no tratamento do câncer de próstata, frente à enzima CYP17, comparando as energias de interação e densidade eletrônica desse fármaco com o substrato natural, a pregnenolona (PREG). Dinâmica molecular e docking foram utilizados para obter os complexos CYP17-ABE e CYP17-PREG. Á partir da dinâmica molecular, foi obtido que a ABE possui uma maior tendência de difusão água à sítio de interação da enzima CYP17, quando com a mesma tendência da PREG. Com o método ONIOM (B3LYP:AMBER), encontramos que a energia de interação da ABE é 21,38 kcal mol-1 mais estávelem comparação à PREG. Os resultados obtidos através da QTAIM indicam que essa estabilidade se dá devido a uma maior densidade eletrônica das interações entre a ABE e a CYP17.