Separação dinâmica de enantiômeros

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Físico-Química

Autores

Oliveira Junior, A.S. (UNIFESSPA) ; Silva, A.L. (UNIFESSPA) ; Mitome, T.T.O. (UNIFESSPA) ; Boscheto, E. (UNIFESSPA)

Resumo

Embora na natureza inanimada os enantiômeros de um composto quiral ocorram em iguais quantidades (simetria quiral), nos organismos vivos observa-se a predominância de aminoácidos com orientação quiral L e acúcares com orientação D. O debate sobre se este fenômeno, referido como biohomoquiralidade, foi decisivo para a origem da vida ou foi incorporado a ela durante a evolução continua aberto. Neste trabalho apresenta-se um estudo teórico que investiga a possibilidade da quebra dinâmica da simetria quiral baseando-se em uma modificação do conhecido modelo cinético Brusselator (I. Prigogine, G. Nicolis). Observou-se que, sob certas condições, é possível obter regiões do domínio reacional com predominância de uma forma enantiomérica sobre a outra.

Palavras chaves

Quiralidade; Cinética; Auto-organização

Introdução

Certas moléculas, conhecidas como estereoisômeros, embora sendo formadas pelos mesmos átomos e pelas mesmas ligações químicas, são entidades diferentes devido às distintas posições relativas de seus átomos. Se dois estereoisômeros são tais como imagens especulares um do outro, mas não possuem um plano de simetria interno, diz-se, então, que eles são quirais e formam um par de enantiômeros, cuja mistura equimolar é dita ser racêmica. A busca por mecanismos capazes de quebrar a simetria quiral em um sistema envolvendo um par de enantiômeros tem se tornado uma área de pesquisa ativa, seja para compreender a origem da homoquiralidade biomolecular ou para produzir substâncias que interagem funcionalmente com organismos vivos. O sucesso desta busca pode ser auxiliado por modelagens e simulações numéricas de redes reacionais candidatas a apresentar quebra de simetria quiral. Estas ferramentas possibilitam caracterizar os possíveis regimes de estabilidade destas redes e determinar as condições mais favoráveis para a observação da amplificação de excessos enantioméricos (EE). Neste trabalho, investiga-se via simulação numérica um modelo cinético que é uma modificação de outro já proposto na literatura (I. Prigogine, G. Nicolis),(Iwamoto, K.), de modo a levar em conta as flutuações estatísticas, que se mostraram capazes de quebrar a simetria quiral para sistemas finitos. Ademais, o modelo possui mecanismos de amplificação (autocatálise) do excesso enantiomérico, requisito essencial para a separação dinâmica dos enantiômeros.

Material e métodos

O método numérico das diferenças finitas foi utilizado para resolver as equações diferenciais parciais que descrevem a dinâmica das concentrações das espécies que participam do mecanismo. O método foi implementado em linguagem Fortran, e compilado e executado em computador equipado com sistema operacional Ubuntu. O tamanho do passo no tempo utilizado foi 10^(-4) e no espaço de 10^(-2).

Resultado e discussão

Em seu estudo, Iwamoto (Iwamoto, K.) assumiu casos de uniformidade espacial e dedicou-se a investigar as instabilidades temporais. Aqui se investigou o papel das instabilidades espaciais no processo de quebra da simetria quiral. As equações diferenciais parciais que descrevem a dinâmica das espécies envolvidas, incorporaram as correspondentes leis de velocidade e termos difusivos. As soluções destas equações exibem padrões espaciais de concentração que dependem fortemente de parâmetros, como valores das constantes de velocidade e dos coeficientes de difusão das espécies. As Figuras abaixo apresentam os padrões de concentração (valores em escala de cor) dos enantiômeros L e D, onde pode-se observar que cada um prevalece em domínios bem definidos do sistema reacional, ou seja, observa-se a separação dinâmica dos enantiômeros.

Conclusões

A formação espontânea de padrões de concentração em sistemas tipo reação-difusão provê uma alternativa à separação dinâmica de enantiômeros, levando à quebra da simetria quiral ao criar domínios locais com a predominância de uma forma enantiomérica sobre a outra.

Agradecimentos

ICE/UNIFESSPA LCC/UNIFESSPA

Referências

I. Prigogine, G. Nicolis, J. Chem. Phys. 1967, 46, 3542 – 3550;
Iwamoto, K., Spontaneous appearance of chirally asymmetric steady states in a reaction model including imperfectly stereoselective, chirally autocatalytic reactions. Physical Chemistry Chemical Physics, 2002. 4(16): p. 3975-3979.