The correlation between electronic structure and antimalarial activity of tetrahydropyridines

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Efeito túnel multidimensional em reações nucleares

Pós-graduação em Física - IFT

A theoretical analysis of Sb5+ incorporation in highly doped SnO2 matrix

We have used the periodic quantum-mechanical method with density functional theory at the B3LYP hybrid functional level in order to study the doping of SnO2 with pentavalent Sb5+. The 72-atom 2x3x2 supercell SnO2 (Sn24O48) was employed in the calculations. For the SnO2:4%Sb , one atom of Sn was replaced by one Sb atom. For the SnO2:8%Sb, two atoms of Sn were replaced by two Sb atoms. The Sb doping leads to an enhancement in the electrical conductivity of this material, because these ions substitute Sn4+ in the SnO2 matrix, leading to an electronic density rise in the conduction band, due to the donor-like behavior of the doping atom. This result shows that the bandgap magnitude depends on the doping concentration, because the energy value found for SnO2:4%Sb was 2.8eV whereas for SnO2:8%Sb it was 2.7eV. It was also verified that the difference between the Fermi level and the bottom of the conduction band is directly related to the doping concentration. - See more at: http://www.eurekaselect.com/117255/article#sthash.Z5ezhCQD.dpuf

Conformational polymorphism of the antidiabetic drug chlorpropamide

In this paper, the main features of Raman spectroscopy, one of the first choice methods in the study of polymorphism in pharmaceuticals, are presented taking chlorpropamide as a case of study. The antidiabetic drug chlorpropamide (1-[4-chlorobenzenesulphonyl]-3-propyl urea), which belongs to the sulfonylurea class, is known to exhibit, at least, six polymorphic phases. These forms are characterized not only by variations in their molecular packing but also in their molecular conformation. In this study, the polymorphism of chlorpropamide is discussed on the basis of Raman scattering measurements and quantum mechanical calculations. The main spectroscopic features that fingerprint the crystalline forms are correlated with the corresponding crystalline structures. Using a theoretical approach on the energy dependence of the conformers, simulated molecular torsion angles are plotted versus the formation energy, which provides a satisfactory agreement between the torsion angles at the energy minima and the experimental values observed in the different solid forms of chlorpropamide. Copyright (C) 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

Hydrogen bond and the resonance effect on the formamide-water complexes

The interaction of formamide and the two transition states of its amide group rotation with one, two, or three water molecules was studied in vacuum. Great differences between the electronic structure of formamide in its most stable form and the electronic structure of the transition states were noticed. Intermolecular interactions were intense, especially in the cases where the solvent interacted with the amide and the carbonyl groups simultaneously. In the transition states, the interaction between the lone pair of nitrogen and the water molecule becomes important. With the aid of the natural bond orbitals, natural resonance theory, and electron localization function (ELF) analyses an increase in the resonance of planar formamide with the addition of successive water molecules was observed. Such observation suggests that the hydrogen bonds in the formamidewater complexes may have some covalent character. These results are also supported by the quantitative ELF analyses. (C) 2011 Wiley Periodicals, Inc. Int J Quantum Chem, 2012

Color Dependence on Thickness in Topaz Crystal from Brazil

It is well known that crystals of topaz from the Eastern Brazilian Pegmatite Province may turn blue by the irradiation with Co-60 gamma rays followed by heat treatment. Also, it is known that the sensation of color changes with the thickness of these crystals. The dependence of the color, given by 1931 CIE chromaticity coordinates, with the thickness of the crystal was analyzed. The absorbance used in the calculation of these coordinates was given by the sum of Gaussian lines. The parameters of these lines were determined through the decomposition of the optical absorption spectra in the ultraviolet and visible regions. The decomposition revealed several lines, whose assignment was made considering studies in spodumene and beryl crystals and highly accurate quantum mechanical calculations. The transmittance becomes very narrow with increasing thickness, and the CIE chromaticity coordinates converge to the borderline of the CIE Chromaticity Diagram at the wavelength of maximum transmittance. Furthermore, the purity of color increases with increasing thickness, and the dominant wavelength reaches the wavelength of maximum transmittance.

Electronic Properties of Water in Liquid Environment. A Sequential QM/MM Study Using the Free Energy Gradient Method

There is a continuous search for theoretical methods that are able to describe the effects of the liquid environment on molecular systems. Different methods emphasize different aspects, and the treatment of both the local and bulk properties is still a great challenge. In this work, the electronic properties of a water molecule in liquid environment is studied by performing a relaxation of the geometry and electronic distribution using the free energy gradient method. This is made using a series of steps in each of which we run a purely molecular mechanical (MM) Monte Carlo Metropolis simulation of liquid water and subsequently perform a quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) calculation of the ensemble averages of the charge distribution, atomic forces, and second derivatives. The MP2/aug-cc-pV5Z level is used to describe the electronic properties of the QM water. B3LYP with specially designed basis functions are used for the magnetic properties. Very good agreement is found for the local properties of water, such as geometry, vibrational frequencies, dipole moment, dipole polarizability, chemical shift, and spin-spin coupling constants. The very good performance of the free energy method combined with a QM/MM approach along with the possible limitations are briefly discussed.

Ionization of chlorophyll-c(2) in liquid methanol

The ionization of chlorophyll-c(2) in liquid methanol was investigated by a sequential quantum mechanical/Monte Carlo approach. Focus was placed on the determination of the first ionization energy of chlorophyll-c(2). The results show that the first vertical ionization energy (IE) is red-shifted by 0.47 +/- 0.24 eV relative to the gas-phase value. The red-shift of the chlorophyll-c(2) IE in the liquid phase can be explained by Mg center dot center dot center dot OH hydrogen bonding and long-ranged electrostatic interactions in solution. The ionization threshold for chlorophyll-c2 in liquid methanol is close to 6 eV. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

A comparative study of the purification of betanin

Betanin is a natural pigment with antioxidant properties used as a food colourant. This work describes the spectrophotometric and chromatographic quantification of betanin (2S/15S) and its epimer isobetanin (2S/15R) in fresh beetroot juice, food-grade beetroot powder and betanin standard diluted in dextrin. Absorption spectra of all three samples were deconvoluted using a mixed three-function model. Food-grade beetroot powder has the largest amount of violet-red impurities, probably formed during processing. The purification of betanin from these complex matrices was carried out by seven different methods. Ion exchange chromatography was the most efficient method for the purification of betanin from all samples; however, fractions contain high amounts of salt. Reversed-phase HPLC as well as reversed-phase column chromatography also produced good results at a much faster rate. The longer retention time of isobetanin when compared to betanin in reversed-phase conditions has been investigated by means of quantum-mechanical methods. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Very Intense Distinct Blue and Red Photoluminescence Emission in MgTiO3 Thin Films Prepared by the Polymeric Precursor Method: An Experimental and Theoretical Approach

MgTiO3 (MTO) thin films were prepared by the polymeric precursor method with posterior spin-coating deposition. The films were deposited on Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100) substrates and heat treated at 350 degrees C for 2 h and then heat treated at 400, 450, 500, 550, 600, 650 and 700 C for 2 h. The degree of structural order disorder, optical properties, and morphology of the MTO thin films were investigated by X-ray diffraction (XRD), micro-Raman spectroscopy (MR), ultraviolet-visible (UV-vis) absorption spectroscopy, photoluminescence (PL) measurements, and field-emission gun scanning electron microscopy (FEG-SEM) to investigate the morphology. XRD revealed that an increase in the annealing temperature resulted in a structural organization of MTO thin films. First-principles quantum mechanical calculations based on density functional theory (B3LYP level) were employed to study the electronic structure of ordered and disordered asymmetric models. The electronic properties were analyzed, and the relevance of the present theoretical and experimental results was discussed in the light of PL behavior. The presence of localized electronic levels and a charge gradient in the band gap due to a break in the symmetry are responsible for the PL in disordered MTO lattice.

Theoretical Study of the Molecules in Solution and Phospholipid Bilayers

Using Molecular Dynamics simulations and Quantum Mechanical calculations, we study the behavior of molecules with biophysical and pharmacological interest in solution and in phospholipid bilayer.

Effect of resonant tunneling on exciton dynamics in coupled dot-well nanostructures

Excitonic dynamics in a hybrid dot-well system composed of InAs quantum dots (QDs) and an InGaAs quantum well (QW) is studied by means of femtosecond pump-probe reflection and continuous wave (cw) photoluminescence (PL) spectroscopy. The system is engineered to bring the QW ground exciton state into resonance with the third QD excited state. The resonant tunneling rate is varied by changing the effective barrier thickness between the QD and QW layers. This strongly affects the exciton dynamics in these hybrid structures as compared to isolated QW or QD systems. Optically measured decay times of the coupled system demonstrate dramatically different response to temperature change depending on the strength of the resonant tunneling or coupling strength. This reflects a competition between purely quantum mechanical and thermodynamical processes.

2,3-Divinyl- und 2-Aryl-3-vinylindole als Bausteine zu Carbazolen und Versuche zur photochemischen und Ultraschall-induzierten 1,6-Elektrocyclisierung

Es wurden neue funktionalisierte Carbazole und anellierte Benzo[a]carbazole als potentielle pharmakologische Therapeutika durch 1,6-pi-Elektrocyclisierung auf photo-chemischem, thermischem und sonochemischem Weg synthetisiert und die Synthesemethoden der 1,6-pi-Elektrocyclisierung sowie der 2,3-Divinylindole und der 2-Aryl-3-vinylindole als entsprechende Ausgangsprodukte validiert und evaluiert. Es gelang weder das nach den Woodward-Hoffmann-Regeln erwartete primäre Cyclisierungsprodukt mit Indolochinodimethanstruktur noch die Existenz des in einer photochemischen Abfangreaktion daraus resultierenden Cycloprodukts NMR-spektroskopisch nachzuweisen, um den stereochemischen Verlauf der Cyclisierung vorherzusagen. Ergebnisse der quantenchemischen Berechnungen der Eduktmoleküle (AO-Koeffizienten der MO's, HOMO/LUMO-Energien) sowie der Übergangszustandsgeometrien der Cyclisierungen decken sich mit den experimentellen Daten. Divinyl- und 2-Aryl-3-vinylindole sind als Systeme mit Hexatriensymmetrie aufzufassen, deren Cyclisierungsverhalten sich mit den Woodward-Hoffmann-Regeln beschreiben läßt. Im Vergleich der verschiedenen 1,6-pi-Elektrocyclisierungsmethoden zeigte sich, daß die photochemische Variante eine elegante Synthesemethode darstellt, um funktionalisierte Carbazole und Benzo[a]carbazole mit unterschiedlichen pharmakologischen Aktivitäten unter schonenden Reaktionsbedingungen mit den vergleichbar höchsten Ausbeuten zu erhalten. Demgegenüber lieferten die Ultraschallreaktionen keine nachweisbaren Cyclisierungsprodukte. Die thermische Cyclisierung führte zur Gruppe der 1,2-Dihydrocarbazole. Sie bildeten sich in einer Folgereaktion durch [1,5s]-H-Verschiebung aus dem primär entstandenen Woodward-Hoffmann-Cyclisierungsprodukt. In abschließenden DNA-Bindestudien mit verschiedenen Testsystemen zeigte keine der synthetisierten Testsubstanzen DNA-Bindungsaktivität.

Quantenkorrekturen an magnetischen Domänenwänden auf Gitterstrukturen

Wir betrachten die eindimensionale Heisenberg-Spinkette aus einem neuen und aktuelleren Blickwinkel. Experimentelle Techniken der Herstellung und selbstverständlich auch experimentelle Meßmethoden erlauben nicht nur die Herstellung von Nanopartikeln und Nanodrähten, sondern gestatten es auch, Domänenwände in diesen Strukturen auszumessen. Die meisten heute verwendeten Theorien und Simulationsmethoden haben ihre Grundlage im mikromagnetischen Kontinuumsmodell, daß schon über Jahrzehnte hinweg erforscht und erprobt ist. Wir stellen uns jedoch die Frage, ob die innere diskrete Struktur der Substrate und die quantenmechanischen Effekte bei der Genauigkeit heutiger Messungen in Betracht gezogen werden müssen. Dazu wählen wir einen anderen Ansatz. Wir werden zunächst den wohlbekannten klassischen Fall erweitern, indem wir die diskrete Struktur der Materie in unseren Berechnungen berücksichtigen. Man findet in diesem Formalismus einen strukturellen Phasenübergang zwischen einer Ising-artigen und einer ausgedehnten Wand. Das führt zu bestimmten Korrekturen im Vergleich zum Kontinuumsfall. Der Hauptteil dieser Arbeit wird sich dann mit dem quantenmechanischen Fall beschäftigen. Wir rotieren das System zunächst mit einer Reihe lokaler Transformationen derart, daß alle Spins in die z-Richtung ausgerichtet sind. Im Rahmen einer 1/S-Entwicklung läßt sich der erhaltene neue Hamilton-Operator diagonalisieren. Setzt man hier die klassische Lösung ein, so erhält man Anregungsmoden in diesem Grenzfall. Unsere Resultate erweitern und bestätigen frühere Berechnungen. Mit Hilfe der Numerik wird schließlich der Erwartungswert der Energie minimiert und somit die Form der Domänenwand im quantenmechanischen Fall berechnet. Hieraus ergeben sich auch bestimmte Korrekturen zum kritischen Verhalten des Systems. Diese Ergebnisse sind vollkommen neu.

Computational modeling of surface interactions

Die Wechselwirkung zwischen Proteinen und anorganischen Oberflächen fasziniert sowohl aus angewandter als auch theoretischer Sicht. Sie ist ein wichtiger Aspekt in vielen Anwendungen, unter anderem in chirugischen Implantaten oder Biosensoren. Sie ist außerdem ein Beispiel für theoretische Fragestellungen betreffend die Grenzfläche zwischen harter und weicher Materie. Fest steht, dass Kenntnis der beteiligten Mechanismen erforderlich ist um die Wechselwirkung zwischen Proteinen und Oberflächen zu verstehen, vorherzusagen und zu optimieren. Aktuelle Fortschritte im experimentellen Forschungsbereich ermöglichen die Untersuchung der direkten Peptid-Metall-Bindung. Dadurch ist die Erforschung der theoretischen Grundlagen weiter ins Blickfeld aktueller Forschung gerückt. Eine Möglichkeit die Wechselwirkung zwischen Proteinen und anorganischen Oberflächen zu erforschen ist durch Computersimulationen. Obwohl Simulationen von Metalloberflächen oder Proteinen als Einzelsysteme schon länger verbreitet sind, bringt die Simulation einer Kombination beider Systeme neue Schwierigkeiten mit sich. Diese zu überwinden erfordert ein Mehrskalen-Verfahren: Während Proteine als biologische Systeme ausreichend mit klassischer Molekulardynamik beschrieben werden können, bedarf die Beschreibung delokalisierter Elektronen metallischer Systeme eine quantenmechanische Formulierung. Die wichtigste Voraussetzung eines Mehrskalen-Verfahrens ist eine Übereinstimmung der Simulationen auf den verschiedenen Skalen. In dieser Arbeit wird dies durch die Verknüpfung von Simulationen alternierender Skalen erreicht. Diese Arbeit beginnt mit der Untersuchung der Thermodynamik der Benzol-Hydratation mittels klassischer Molekulardynamik. Dann wird die Wechselwirkung zwischen Wasser und den [111]-Metalloberflächen von Gold und Nickel mittels eines Multiskalen-Verfahrens modelliert. In einem weiteren Schritt wird die Adsorbtion des Benzols an Metalloberflächen in wässriger Umgebung studiert. Abschließend wird die Modellierung erweitert und auch die Aminosäuren Alanin und Phenylalanin einbezogen. Dies eröffnet die Möglichkeit realistische Protein- Metall-Systeme in Computersimulationen zu betrachten und auf theoretischer Basis die Wechselwirkung zwischen Peptiden und Oberflächen für jede Art Peptide und Oberfläche vorauszusagen.