Crystal molecular structure determination by X-ray diffraction and the development of a computational system of superposition of similar molecular fragments

O presente trabalho tem como dupla finalidade a determinação de algumas estruturas moleculares inéditas e o desenvolvimento de dois sistemas computacionais de uso em cristalografia. Primeiramente, determinamos quatro estruturas moleculares de complexos de ácido piridinacarboxílico ligados a íons metálicos (Co, Ni, Cu e Zn), os quais apresentam interesse farmacológico e se enquadram em uma das linhas de pesquisa do grupo de Cristalografia de São Carlos. Nesta Dissertação, a ênfase dada a esta parte do trabalho é a aprendizagem das técnicas relativamente complexas para a resolução e refinamento de estruturas moleculares obtidas através de difração de raios X, como uma motivação preliminar para o subseqüente trabalho computacional. Com relação ao desenvolvimento de sistemas computacionais, são apresentados dois programas que representam importantes ferramentas cristalográficas. O Xandrix realiza todos os cálculos matriciais necessários em transformações cristalográficas, tanto no espaço real como no recíproco, envolvendo tensores de até segunda ordem. O WinKabsch é uma implementação do algoritmo de Kabsch que melhor sobrepõe, utilizando mínimos quadrados, dois conjuntos de vetores e é usado para comparar moléculas inteiras ou fragmentos. Ambos foram desenvolvidos para ambiente Windows, oferecendo uma interface visual poderosa e amigável. O WinKabsch permite que o usuário gire, visualmente, duas moléculas dadas de maneira que elas se posicionem em orientações similares, para então selecionar, com o mouse, alguns átomos homólogos a partir dos quais é obtida uma primeira matriz de transformação. A seguir, o programa reconhece todos os outros pares de átomos homólogos para os cálculos finais. A transformação pode ser forçada a ser uma rotação própria quando as moléculas comparadas são suspeitas de possuir a mesma quiralidade.This work has the two-fold purpose of determining a few novel crystal structures and to develop two computational systems for crystallographic use. First, we determined four molecular structures of complexes of a derivative of the pyridinacarboxilic acid with a metal ion (Co, Ni, Cu and Zn), which are of pharmacological interest and belong to one of the research lines of the group. In the present contribution the emphasis of these studies is in mastering the somewhat involved techniques for solving and refining molecular structures by X-ray diffraction, as a preliminary motivation for the subsequent computational work. Second, two programs which turn out to be useful tools for crystallographic work were developed. Xandrix, permits all matrix calculations necessary in crystallography transformations, both in real and reciprocal space, involving tensors up to the second rank. WinKabsch is an implementation of the Kabsch algorithm for the best least squares superposition of two sets of vectors and is used to compare molecules or molecular fragments. Both programs were developed to run in a Windows environment with a powerful and friendly visual interface. WinKabsch allows the user to visually rotate two given molecules to achieve similar orientations to perform later a mouse selection of a few homologous atoms from which a first orthogonal transformation matrix is obtained, after which the program recognizes all other pairs of homologous atoms for the final calculation. The transformation may be forced to be a proper rotation when the compared molecules are known to be of the same chirality