Desenhando moléculas com programa Avogadro

Neste texto vamos ver como desenhar uma molécula, obter sua geometria de equilíbrio aproximada (usando mecânica molecular) e medir ângulos e distâncias de ligação, tudo usando o programa Avogadro.

O Avogadro é um visualizador e manipulador de moléculas poderoso. Ele é um programa multiplataforma livre e foi desenvolvido para uso em química computacional, modelagem molecular, bioinformática, ciência de materiais e áreas aparentadas. (Ele também tem um sistema avançado de plugins e gera imagens de muito alta qualidade.)

Baixar e instalar

Primeiro vamos instalar o programa. Se você usa o sistema operacional Ubuntu ou similar, o comando abaixo instala o necessário:

sudo apt install avogadro

Se você usa outro sistema operacional, vá até o site do programa, entre em Downloads e instale o pacote adequado para o seu sistema.

Desenho livre

(A partir daqui, parte deste conteúdo é inspirado no ótimo manual do Avogadro, que contém vários tutoriais, entre eles um de desenho, um de otimização e um de medição de parâmetros geométricos.)

A interface do programa Avogadro.

O Avogadro possui uma caixa de ferramentas bastante completa no topo da interface (veja na figura acima). Da esquerda para a direita, as ferramentas são de:

  • desenho (um lápis);
  • navegação (um sistema de coordenadas girando);
  • manipulação de ângulos e ligações (um ângulo de 90°);
  • manipulação livre (uma luva branca);
  • seleção (uma seta de mouse);
  • rotação automática (uma seta curvada);
  • otimização automática (uma letra “E” e uma seta para baixo);
  • medição (uma régua);
  • e alinhamento (duas setas alinhadas).

Cada ferramenta possui um painel de opções que aparece à esquerda. Moléculas são desenhadas e editadas com a primeira ferramenta, a de desenho (o botão com um lápis, que está selecionado na figura acima).

Com a ferramenta de desenho selecionada, você pode usar o botão esquerdo do mouse para adicionar átomos à tela. Um clique com o botão esquerdo irá adicionar um átomo de carbono e um clique com o botão direito irá deletar o átomo. Clicar com o botão esquerdo em um átomo e arrastar o mouse irá criar uma ligação química com outro átomo de carbono.

O Avogadro tem o carbono como elemento padrão. Um elemento diferente pode ser selecionado através do menu “elemento” (figura abaixo), mas você também pode digitar o símbolo atômico (N para nitrogênio ou Li para lítio, por exemplo) como forma de atalho para trocar o elemento selecionado. Clicando com o botão esquerdo em um átomo já existente também poderá substituir o elemento. Selecionar oxigênio e clicar em um átomo irá substituí-lo por oxigênio, por exemplo.

Detalhe do painel de desenho.

Assim como para os elementos, troca-se a ordem de ligação selecionada através do menu “ordem de ligação” (figura acima), ou pelos atalhos 1, 2 ou 3 (para ligações simples, duplas ou triplas, respectivamente). Ligações são criadas por arraste do mouse e substituídas por clique com o botão esquerdo em ligações que já foram criadas. Um clique com o botão direito deleta a ligação, juntamente com os átomos participantes da ligação.

Enquanto você vai desenhando, é possível que átomos de hidrogênio sejam automaticamente ajustados para satisfazer valências. Isso acontece quando a caixa “ajustar hidrogênios” está checada (figura anterior).

Agora estamos em posição de desenhar qualquer molécula. Tente com a de ácido acético:

Ácido acético logo após ser desenhado.

Otimização por mecânica molecular

Depois que você criou uma molécula, ela certamente não possuirá distâncias e ângulos de ligação comparáveis aos experimentais. Você pode porém otimizar a geometria molecular através da ferramenta de otimização automática (representada por uma letra “E”, de energia, e uma seta para baixo). Selecione a ferramenta e clique em “Iniciar” para prover à molécula ângulos e distâncias de ligação mais adequados (figura abaixo). A molécula será otimizada até que dE=0 (acima da molécula) ou até que o botão “Parar” seja clicado.

Painel da ferramenta de otimização de geometria.

A ferramenta irá otimizar a geometria molecular continuamente através de mecânica molecular. A interface é interativa, o que permite manipular a molécula enquanto sua geometria estiver sendo otimizada.

A ferramenta de otimização oferece uma gama de campos de força. O padrão do Avogadro é o UFF (Universal Force Field), que consegue reproduzir características estruturais ao longo de toda a tabela periódica. No entanto, dependendo da molécula sendo otimizada, outros campos de força podem ser mais adequados para a otimização dos parâmetros geométricos. A seleção do campo de força se dá no painel da ferramenta (figura anterior). Para mais informações sobre os campos de força disponíveis, veja a seção sobre otimização de geometria do manual do Avogadro.

Dica: A opção de “Passos por Atualização” é por padrão 4. Esse número pode ser diminuído ou aumentado. Se você estiver experienciando lentidão durante a otimização, considere diminuir esse número.

Abaixo a molécula de ácido acético que desenhamos acima sendo otimizada:

Interface durante processo de otimização estrutural.

(A minimização por mecânica molecular envolve uma série de parametrizações que podem ser imprecisas, especialmente para ligações envolvendo metais. Mais para frente eu vou escrever alguma coisa prática sobre outros métodos de otimização de geometria.)

Medindo ângulos e distâncias

A ferramenta de medição fica à direita da ferramenta de otimização e é representada por uma régua. Ela nos permite determinar distâncias de ligação, ângulos de ligação e ângulos de diedro (ângulos entre planos). A ferramenta nos permite selecionar e analisar até quatro átomos por vez.

Podemos selecionar átomos clicando neles com o botão esquerdo do mouse. Clicar com o botão direito na tela desfaz todas as seleções anteriores. À medida que você vai clicando nos átomos, o Avogadro vai calculando as distâncias de ligação de maneira automática e na ordem respectiva de seleção.

Ângulos entre ligações também são determinados se pelo menos três átomos forem selecionados. O segundo átomo é usado como vértice (isto é, o ângulo determinado será entre a primeira e a segunda ligações selecionadas, cujo átomo em comum é o segundo). Se quatro átomos forem selecionados, é determinado também um ângulo de diedro (que corresponde ao ângulo formado entre os planos compostos pelos primeiros e últimos três átomos selecionados, respectivamente).

Distâncias e ângulos sendo estimados.

Por exemplo, da figura acima vemos que a distância dos átomos oxigêncio e carbono da carbonila é 1,219 Å, enquanto que o ângulo entre a carbonila e a ligação carbono-oxigênio do grupo hidroxila é 121,8° (mostrado na figura acima).

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