Utilização de métodos computacionais para descrever a interação da quitosana com contaminantes
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Data de Publicação: | 2022 |
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Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFU |
Texto Completo: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36344 http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.579 |
Resumo: | In this work, computational methods based on classical and quantum dynamics simulation were used to obtain the molecular properties of the three distinct aggregates, which are formed by the chitosan biopolymer with the organic molecules of the herbicides dicylofop, methyldicylofop, and glyphosate. Chitosan, is a biodegradable material, 100% biocompatible with humans, with pharmaceutical and technological use, with high chelating potential of herbicides, dyes and even heavy metals. It was chosen to remove these herbicides from aquatic environments through the simulation of the biosorption process. This study used classical and quantum molecular dynamics simulations for the characterization of the interactions involved in these adsorption processes. The systems modeled by classical dynamics with the biopolymer and the herbicides were solvated with water and a small excess (neutralizing) of sodium (Na+ ) and chloride (Cl- ) ions were added to achieve the ionic strength of aquatic environments. The negative charges of the specific groups of glyphosate (CO2 - and PO3H - ) and dicylofop (CO2 - ) influenced the biosorption of these herbicides and increased the degree of attractive interactions, due to more numerous and stronger electrostatic interactions with the amino-proton groups (NH3 + ) of chitosan compared to the methyldicylofop herbicide. The binding free energies of glyphosate [-29 (3) kJ/mol] and methyldiclofop [-18 (7) kJ/mol] with chitosan, obtained by LIE method in equilibrium classical molecular dynamics (DM), confirmed the spontaneity of both biosorptions, with glyphosate showing a higher degree of adsorption. The mean force potentials (PMF) calculated from the directional molecular dynamics (DMP) with the umbrella sampling methodology revealed that dicyclofop (-110 (2) kJ/mol) also showed a higher degree of biosorption than methyldicyclofop (-48 (4) kJ/mol). Furthermore, through the Coulomb and Lenard-Jones potentials it was possible to observe a greater contribution of electrostatic interactions than Van der Waals interactions for diclofop. In contrast, the Van der Waals interactions contributed more to the formation of the complex methyldicyclofop-biopolymer. Furthermore, these intermolecular interactions were confirmed by the latest semiempirical quantum dynamics method in implicit solvent with the GFN2-xTB force field. This quantum method also confirmed the stability of this complex, which exhibited the lowest RMSD value = 0.5 (1) nm during the simulation compared to the classical RMSD which was equal to 1.1 (1) nm. The number of hydrogen bonds (of 44 (4), and standard deviation of 9.46%) around the aggregate stabilized this complex influenced the RMSD value obtained in DM. Based on all this information, chitosan is presented here as an excellent bioadsorbent material for herbicides due to its high degree of chelation of these compounds, besides being a biologically compatible material for humans. |
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Utilização de métodos computacionais para descrever a interação da quitosana com contaminantesUsing computational methods to describe the interaction of chitosan with contaminantsDinâmica molecular clássicaDinâmica molecular quânticabiossorçãoquitosanaherbicidasenergia livre de ligaçãomecanismo de interaçãoclassical molecular dynamicsquantum molecular dynamicsbiosorptionchitosanherbicidesbinding free energyinteraction mechanismCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::QUIMICA TEORICAQuímicaDinâmica molecularHerbicidasAplicações de computadoresIn this work, computational methods based on classical and quantum dynamics simulation were used to obtain the molecular properties of the three distinct aggregates, which are formed by the chitosan biopolymer with the organic molecules of the herbicides dicylofop, methyldicylofop, and glyphosate. Chitosan, is a biodegradable material, 100% biocompatible with humans, with pharmaceutical and technological use, with high chelating potential of herbicides, dyes and even heavy metals. It was chosen to remove these herbicides from aquatic environments through the simulation of the biosorption process. This study used classical and quantum molecular dynamics simulations for the characterization of the interactions involved in these adsorption processes. The systems modeled by classical dynamics with the biopolymer and the herbicides were solvated with water and a small excess (neutralizing) of sodium (Na+ ) and chloride (Cl- ) ions were added to achieve the ionic strength of aquatic environments. The negative charges of the specific groups of glyphosate (CO2 - and PO3H - ) and dicylofop (CO2 - ) influenced the biosorption of these herbicides and increased the degree of attractive interactions, due to more numerous and stronger electrostatic interactions with the amino-proton groups (NH3 + ) of chitosan compared to the methyldicylofop herbicide. The binding free energies of glyphosate [-29 (3) kJ/mol] and methyldiclofop [-18 (7) kJ/mol] with chitosan, obtained by LIE method in equilibrium classical molecular dynamics (DM), confirmed the spontaneity of both biosorptions, with glyphosate showing a higher degree of adsorption. The mean force potentials (PMF) calculated from the directional molecular dynamics (DMP) with the umbrella sampling methodology revealed that dicyclofop (-110 (2) kJ/mol) also showed a higher degree of biosorption than methyldicyclofop (-48 (4) kJ/mol). Furthermore, through the Coulomb and Lenard-Jones potentials it was possible to observe a greater contribution of electrostatic interactions than Van der Waals interactions for diclofop. In contrast, the Van der Waals interactions contributed more to the formation of the complex methyldicyclofop-biopolymer. Furthermore, these intermolecular interactions were confirmed by the latest semiempirical quantum dynamics method in implicit solvent with the GFN2-xTB force field. This quantum method also confirmed the stability of this complex, which exhibited the lowest RMSD value = 0.5 (1) nm during the simulation compared to the classical RMSD which was equal to 1.1 (1) nm. The number of hydrogen bonds (of 44 (4), and standard deviation of 9.46%) around the aggregate stabilized this complex influenced the RMSD value obtained in DM. Based on all this information, chitosan is presented here as an excellent bioadsorbent material for herbicides due to its high degree of chelation of these compounds, besides being a biologically compatible material for humans.FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisTese (Doutorado)Neste trabalho, os métodos computacionais de simulação por dinâmica clássica e quântica foram usados para a obtenção das propriedades moleculares dos três agregados distintos, que são formados pelo biopolímero de quitosana com as moléculas orgânicas dos herbicidas diclofop, metildiclofop e glifosato. A quitosana por ser um material biodegradável, 100% biocompatível com o ser humano, possuir uso farmacêutico e tecnológico, com alto potencial quelante de herbicidas, corantes e até mesmo de metais pesados, foi escolhida para remover esses herbicidas de ambientes aquáticos através da simulação do processo de biossorção. Este estudo utilizou de simulações por dinâmica molecular clássica e quântica para a caracterização das interações envolvidas nesses processos de adsorção. Os sistemas modelados por dinâmica clássica com o biopolímero e os herbicidas foram solvatados com água e também foram adicionados um pequeno excesso (neutralizante) de íons sódio (Na+ ) e cloretos (Cl- ) para atingir a força iônica de ambientes aquáticos. As cargas negativas dos grupos específicos do glifosato (CO2 - e PO3H - ) e do diclofop (CO2 - ) influenciaram na biossorção desses herbicidas e aumentaram o grau de interações atrativas, devido à interações eletrostáticas mais numerosas e mais fortes com os grupos aminoprotonados (NH3 + ) da quitosana em comparação com o herbicida metildiclofop. As energias livres de ligação do glifosato [-29 (3) kJ/mol] e do metildiclofop [-18 (7) kJ/mol] com a quitosana, obtidos pela metodologia LIE nas dinâmicas moleculares clássicas de equilíbrio (DM), confirmaram a espontaneidade de ambas biossorções, sendo que o glifosato apresentou um maior grau de adsorção. Os potenciais de força média (PMF) calculados a partir das dinâmicas moleculares direcionais (SMD) com a metodologia umbrela sampling (ou amostragem guarda chuva) revelaram que o diclofop [-110 (2) kJ/mol) também apresentou maior energia de ligação em módulo do que o metildiclofop [-48 (4) kJ/mol]. Além disso através dos potenciais de Coulomb e de Lenard-Jones foi possível observar a maior contribuição das interações eletrostáticas em relação as interações de Van der Waals para o diclofop. Em contrapartida, as interações de Van der Waals do metildiclofop com a quitosana contribuíram mais para a formação do complexo. Além disso, através do mais recente método de dinâmica quântica semiempírica em solvente implícito, com o campo de força GFN2-xTB, foi confirmado a formação das interações intermoleculares no sistema contendo o metildiclofop. Este método quântico também confirmou a estabilidade desse complexo, que exibiu o menor valor de RMSD = 0,5 (1) nm durante a simulação em comparação com o RMSD clássico que foi igual a 1,1 (1) nm. O número de ligações de hidrogênio [de 44 (4), e desvio padrão de 9,46%] ao redor do agregado estabilizaram esse complexo e influenciaram no valor do RMSD obtido na DM. Com base em todas essas informações, a quitosana é apresentada aqui como um excelente material bioadsorvente de herbicidas devido ao seu alto grau de quelação desses compostos, além de ser um material biologicamente compatível com o ser humano.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em QuímicaFranca, Eduardo de Fariahttp://lattes.cnpq.br/9096097972613963Lins Neto, Roberto diashttp://lattes.cnpq.br/0935712216945804Pasquini, Danielhttp://lattes.cnpq.br/6879704705300161Sousa Neto, Lourival Rodrigues de2022-10-27T18:03:19Z2022-10-27T18:03:19Z2022-08-26info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfSOUSA NETO, Lourival Rodrigues de. Utilização de métodos computacionais para descrever a interação da quitosana com contaminantes. 2022. 136 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.579.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36344http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.579porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/us/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2022-10-28T06:19:31Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/36344Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2022-10-28T06:19:31Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false |
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Utilização de métodos computacionais para descrever a interação da quitosana com contaminantes Sousa Neto, Lourival Rodrigues de Dinâmica molecular clássica Dinâmica molecular quântica biossorção quitosana herbicidas energia livre de ligação mecanismo de interação classical molecular dynamics quantum molecular dynamics biosorption chitosan herbicides binding free energy interaction mechanism CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::QUIMICA TEORICA Química Dinâmica molecular Herbicidas Aplicações de computadores |
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In this work, computational methods based on classical and quantum dynamics simulation were used to obtain the molecular properties of the three distinct aggregates, which are formed by the chitosan biopolymer with the organic molecules of the herbicides dicylofop, methyldicylofop, and glyphosate. Chitosan, is a biodegradable material, 100% biocompatible with humans, with pharmaceutical and technological use, with high chelating potential of herbicides, dyes and even heavy metals. It was chosen to remove these herbicides from aquatic environments through the simulation of the biosorption process. This study used classical and quantum molecular dynamics simulations for the characterization of the interactions involved in these adsorption processes. The systems modeled by classical dynamics with the biopolymer and the herbicides were solvated with water and a small excess (neutralizing) of sodium (Na+ ) and chloride (Cl- ) ions were added to achieve the ionic strength of aquatic environments. The negative charges of the specific groups of glyphosate (CO2 - and PO3H - ) and dicylofop (CO2 - ) influenced the biosorption of these herbicides and increased the degree of attractive interactions, due to more numerous and stronger electrostatic interactions with the amino-proton groups (NH3 + ) of chitosan compared to the methyldicylofop herbicide. The binding free energies of glyphosate [-29 (3) kJ/mol] and methyldiclofop [-18 (7) kJ/mol] with chitosan, obtained by LIE method in equilibrium classical molecular dynamics (DM), confirmed the spontaneity of both biosorptions, with glyphosate showing a higher degree of adsorption. The mean force potentials (PMF) calculated from the directional molecular dynamics (DMP) with the umbrella sampling methodology revealed that dicyclofop (-110 (2) kJ/mol) also showed a higher degree of biosorption than methyldicyclofop (-48 (4) kJ/mol). Furthermore, through the Coulomb and Lenard-Jones potentials it was possible to observe a greater contribution of electrostatic interactions than Van der Waals interactions for diclofop. In contrast, the Van der Waals interactions contributed more to the formation of the complex methyldicyclofop-biopolymer. Furthermore, these intermolecular interactions were confirmed by the latest semiempirical quantum dynamics method in implicit solvent with the GFN2-xTB force field. This quantum method also confirmed the stability of this complex, which exhibited the lowest RMSD value = 0.5 (1) nm during the simulation compared to the classical RMSD which was equal to 1.1 (1) nm. The number of hydrogen bonds (of 44 (4), and standard deviation of 9.46%) around the aggregate stabilized this complex influenced the RMSD value obtained in DM. Based on all this information, chitosan is presented here as an excellent bioadsorbent material for herbicides due to its high degree of chelation of these compounds, besides being a biologically compatible material for humans. |
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