ETAPA 4. Aspectos operacionais dos softwares utilizados > Avogadro
O Avogadro é editor molecular livre (freeware), que possui implementação de algoritmos baseados na mecânica molecular, mas que funciona - fundamentalmente, como um programa para a elaboração de arquivos de entrada e para a visualização e análise de arquivos de saída. Os cálculos desenvolvidos pelo Avogadro são facilmente realizados por computadores modernos e, portanto, podem ser instalados nos computadores dos usuários (terminais de trabalho).
O Avogadro possui uma documentação sucinta no site e que merece ser conferida em caso de dúvidas: http://avogadro.cc/
As funcionalidades do Avogadro são muitas, aqui vamos listar apenas as mais importantes para os trabalhos desenvolvidos no LECiC/GIEESAA.
1. Desenhar uma estrutura
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Desenhar uma estrutura em três dimensões parece algo simples e, de fato, pode ser. Entretanto, é importante que o estudante tenha em mente que ao "desenhar uma estrutura no Avogadro" ele estará criando um modelo molecular que pretende representar um conjunto de moléculas reais. Em termos práticos, o desafio que se impõe é pegar uma estrutura em 2D (que pode estar em um artigo, por exemplo) e modelá-la em 3D com o auxílio do Avogadro. Neste sentido é necessário observar algumas questões importantes:
1.1. Conectividade entre os átomos
O primeiro passo para a criação de um modelo molecular fidedigno é reproduzir com exatidão a conectividade entre os átomos da molécula em questão. Pode parecer uma grande bobagem, mas a ausência de uma insaturação (por exemplo) conduz a estruturas distintas do ponto de vista espacial. Uma estratégia interessante é numerar átomo-a-átomo da estrutura, de forma a ter referência das conectividades (e.g. C3-C2; C5-H5; C7-H7a e C7-H7b, etc..).
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Para desenhar uma estrutura, pode-se usar o Chemstkech (uma ferramenta gratuita para Windows) ou o Chemspider (gratuito , multiplataforma e online).
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Os números referentes aos átomos devem ser, preferencialmente relacionados à nomenclatura IUPAC, à numeração do artigo de origem ou aleatória (na ausência de algo já definido). O importante, porém, é que o usuário consiga fazer a correlação dos números definidos com a estrutura desenhada no Avogadro.
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Por si só, descrever corretamente conectividade entre os átomos
não será suficiente para representar apropriadamente um determinado sistema. É importante lembrar que as distâncias e os ângulos entre os átomos do sistema não são aleatórios e precisam ser determinados com precisão.
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Grosso modo, a estereoquímica é a ramo da química que estuda as correlações espaciais dos sistemas. No caso específico da modelagem molecular desenvolvida no LECiC/GIEESAA, a estereoquímica merece atenção em dois aspectos centrais: a configuração absoluta dos centros assimétricos (carbonos quirais) e as conformações de uma determinada molécula.
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O vídeo ao lado demonstra como é o passo a passo para desenhar um a molécula de cafeína.
1.2. Configuração absoluta de centros assimétricos
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Embora seja uma questão negligenciada em diversos artigos (vide o artigo citado acima: Chaieb et al, 2009), a configuração absoluta dos centros assimétricos emerge como uma questão de primeira ordem para a obtenção de modelos teóricos realísticos. Formalmente, em um par enantiômeros têm-se duas moléculas distintas e isso é evidenciado em alguns casos com propriedades diferentes. No caso do limoneno, por exemplo, o isômero R tem odor semelhante à das laranjas, enquanto o enantiômero S tem cheiro que lembra limões. Para maiores detalhes, clique aqui.
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Em suma, ao propor a simulação de uma determinada molécula, o usuário da química computacional deverá estar atento aos centros assimétricos das moléculas, sob pena de simular outra estrutura que não a do seu interesse.
1.3. Conformações
Embora o interesse aqui não seja o de revisar o conteúdo mais fundamental da química, é importante ressaltar que as diferentes conformações de uma mesma molécula podem não ter a mesma energia.
No caso do ciclohexano, por exemplo, há 4 conformações principais:
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- Cadeira
- Meia-cadeira
- Barco torcido
- Barco
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Desse jeito, espera-se que em uma amostra real de ciclohexano, a maior parte das moléculas existam na conformação de cadeira, enquanto uma pequena fração exista na forma de meia-cadeira. Essa partição é entre as diferentes conformações são determinadas pelo fator de Boltzmann.
Essa relação entre a estabilidade e a conformação de uma molécula sempre influenciará na obtenção de resultados teóricos, em maior ou menor grau. Em outras palavras, dominar ferramentas de minimização de energia ajuda na obtenção de resultados mais confiáveis. No caso do ciclohexano, por exemplo, deve-se preferir simular SEMPRE a conformação cadeira.
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NOTA: Embora os cálculos de otimização por algoritmos de mecânica molecular sejam bons o suficientes para revelar a geometria
2. Otimização de geometria e busca conformacional por Mecânica Molecular
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Embora pareça simples, a teoria completa por de trás das otimizações de geometria por mecânica molecular não é nada trivial. No caso de simulações clássicas, sem contribuição da estrutura eletrônica do sistema - portanto, as forças envolvidas em determinadas ligações químicas são estimadas de forma a resultar em geometrias mais próximas às dos sistemas reais. Em termos práticos esses sistemas de forças são conhecidos como "campos de força" e funcionam bem para determinados 'tipos' moleculares. Por exemplo:
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- O MM3(96) é um campo de força específico para complexos de metais com amidas.
- O UFF (Universal Force Field) é um campo de força universal que pretende descrever a maior parte das ligações químicas.
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Feliz ou infelizmente não há uma 'receita de bolo' para determinar o melhor campo de força para um sistema. É necessário ler a respeito de todos, testar os que estão disponíveis e comparar os resultados obtidos com outros experimentais, caso haja.
2.1. Superfície de energia potencial
Grosso modo, todas as conformações nas quais uma molécula pode ser existir poderiam ser colocadas em uma superfície de energia potencial. Neste contexto, as moléculas de menor energia estariam em poços de energia potencial (zonas azuis), ao passo que as outras se distribuiriam em outra regiões (verdes, amarelas e vermelha).
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Quando o usuário pede ao Avogadro para realizar uma busca conformacional, o programa está, na verdade, "varrendo" essa superfície de energia potencial em busca da conformação de menor energia, i.e. o mínimo global.
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Em tese, a troca do método teórico de cálculo também significa a troca da superfície de energia potencial. Desta forma, toda fez que o método teórico mudar, deve-se realizar nova otimização de geometria
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A busca conformacional do Avogadro não é das melhores. Uma alternativa é o Avogadro 2, que implementa os algoritmos do OpenBabel.
3. Entrada e saída
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Além de ser um editor molecular o Avogadro também é capaz de auxiliar na montagem de arquivos de entrada e na visualização dos arquivos de saída de uma série de softwares. Na prática, ele viabiliza a integração entre diferentes programas de modelagem molecular. Vale a pena ressaltar, entretanto, que o Avogadro não é um programa completo nesse sentido, uma vez que as configurações de cálculo contempladas pela interface do programa são limitadas, quando comparadas a todas as possibilidades.
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Além disso, o Avogadro tem ferramentas que permitem medir distâncias, ângulos (torsionais e diedros).
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As possibilidades de trabalho com o GAMESS e com o GAUSSIAN serão trabalhados nas seções de cada um dos softwares.