JMFis 5, 13  (2024)

Computational Study of the Electronic and Polarizability Properties of the Dye Violacein

Autor

G. M. A. Pereira, E. H. N. S. Thaines, A. C. Oliveira, and R. G. Freitas

Resumo

Este estudo teve como objetivo investigar as propriedades estruturais e eletrônicas da violacein (VIO) por meio das metodologias de Dinâmica Molecular, DFT e TD-DFT. Os níveis de teoria B3LYP, CAM-B3LYP, PBE0 e M06-2X com a função de base 6-311++g(d,p) foram empregados para determinar as estruturas e propriedades energéticas da molécula de VIO. Os cálculos foram realizados em vácuo, ambiente implícito (IEF-PCM) juntamente com três moléculas de metanol ao redor da VIO para simular a solvatação explícita e, também, utilizou a estrutura após a dinâmica molecular ser realizada com a utilização de IEF-PCM. A abordagem implícita e explícita associada de solvatação levou a um aumento na distância de ligação e no ângulo de ligação para alguns grupos eletronegativos. Após a otimização, as propriedades eletrônicas foram calculadas para os três sistemas citados anteriormente, sendo que, para o XC B3LYP/6-311++g(d,p) associados a estrutura da VIO após ocorrer a dinâmica, encontrado a descrição que melhor condiz aos resultados experimentais. Além disso, foi realizada uma comparação estrutural entre as geometrias do primeiro e segundo estado excitado com o estado fundamental, sendo observado que ocorreu tanto variação nas distâncias de ligação, quanto nos ângulos dos grupos eletronegativos presentes na VIO. Após o mapeamento dos orbitais naturais de fronteira (NBO), foi possível concluir que o grupo O3 – H39 se caracteriza como injector de elétrons na estrutura do corante, fazendo com que, quando ela é excitada, ocorra um acúmulo de nuvem eletrônica na região do segundo anel indólico onde os grupos N4 – H28, C18 – O2, N6 – H31 estão localizados. A partir da otimização dos estados fundamentais foi possível encontrar os momentos de dipolo do corante, sendo observado que houve um aumento neste quando a transição eletrônica ocorre para o primeiro e segundo estado excitado. Este trabalho busca preencher uma lacuna a respeito das propriedades eletrônicas e estruturais da VIO, visto que poucos resultados são encontrados na literatura. Sendo assim, este se mostra de fundamental importância para que novas pesquisas sejam realizadas.

Abstract

This study aimed to investigate the structural and electronic properties of violacein (VIO) using molecular dynamics, DFT, and TD-DFT methodologies. The B3LYP, CAM-B3LYP, PBE0, and M06-2X levels of theory with a 6-311++g(d,p) basis set were employed to determine the structures and energetic properties of the VIO molecule. Calculations were performed in a vacuum, implicit solvent (IEF-PCM) with three methanol molecules around VIO to simulate explicit solvation, and also using the structure after molecular dynamics with IEF-PCM. The implicit and explicit solvation approach led to an increase in bond distance and bond angle for some electronegative groups. After optimization, electronic properties were calculated for the three systems mentioned above, and the XC B3LYP/6-311++g(d,p) associated with the VIO structure after dynamics was found to best describe the experimental results. Moreover, a comparison was made between the structures of the first and second excited states with the ground state, and it was observed that there were variations in both bond distances and angles of electronegative groups present in VIO. Mapping of natural bond orbital (NBO) frontiers showed that the O3 – H39 group acts as an electron injector in the dye structure, causing an accumulation of electron cloud in the region of the second indolic ring where N4 –H28, C18 –O2, N6 –H31 groups are located upon excitation. Dipole moments of the dye were found by optimizing the ground states and observed to increase upon electronic transition to the first and second excited states. This work aims to fill a gap regarding the electronic and structural properties of VIO, as few results are found in the literature. Thus, it is of fundamental importance for further research.

DOI

DOI: 10.59396/29651964JMFis.5.13.2024