Computational studies of the reactivity and fragmentation mechanism of butyrolactone and derivatives

Com o objetivo de explorar o sítio de reatividade molecular, o qual pode ser considerado como o ponto inicial para sugerir o possível mecanismo de fragmentação em espectrometria de massas, estudos computacionais foram realizados para a interpretação da reatividade e dos possíveis mecanismos de dissociação de butirolactonas e derivados. Inicialmente, foi realizado o teste para o modelo computacional tendo como compostos de referência a butirolactona e o butenolido, onde o modelo M06-2X/def2-TZVP foi o que melhor descreveu as propriedades físico-químicas de interesse. De posse dos resultados, os parâmetros computacionais foram determinados através dos modelos B3LYP/6-31+G(d,p) e M06-2X/def2-TZVP. A reatividade de 22 derivados da butirolactona foi explorada através das análises do mapa de potencial eletrostático molecular, orbitais de fronteira, cargas atômicas, índices de Fukui, afinidade protônica, basicidade em fase gasosa, acidez em fase gasosa e afinidade catiônica por sódio. Pela análise dos parâmetros supracitados, identificou-se a tendência da protonação ocorrer na carbonila lactônica e notou-se que o substituinte influência no sítio de reatividade. A entalpia de formação foi estimada através do uso de reações isodésmicas. Também, a energia de ionização e a afinidade eletrônica foram calculadas adiabaticamente e pelo teorema de Koopmans. Estudou-se as variações nas geometrias de equilíbrio e as análises topológicas da densidade eletrônica pelo método QTAIM (quantum theory of atoms in molecules). Através dessas análises foi possível sugerir a tendência do rompimento de certas ligações químicas durante o processo de dissociação. Em alguns casos, o enfraquecimento das ligações pode sugerir que fragmentos provindos dos substituintes seriam observados nos espectros de massas. A protonação foi o evento que mais influenciou nas variações da densidade eletrônica do anel lactônico e, na maioria dos casos, foi possível caracterizar a possibilidade de abertura desse anel pelo rompimento das ligações vizinhas ao átomo de oxigênio lactônico, o que corrobora com as observações experimentais dos fragmentos característicos CO, CO2 e H2O nos espectros de massas. Ao final, a química computacional foi utilizada para o estudo das possíveis vias de fragmentação para a enterolactona em ambos os modos de ionização. Algumas considerações puderam ser realizadas, como a indicação que em modo positivo deve ocorrer a migração do próton para possibilitar a abertura do anel lactônico.To explore the molecular reactivity site, which may be considered as the starting point to suggest the possible fragmentation mechanism in mass spectrometry, computational studies have been performed for the interpretation of the reactivity and possible mechanisms of dissociation of butyrolactone and derivatives. First, the test for the computational model was carried out with butyrolactone and butenolide as reference compounds, where the M06- 2X/def2-TZVP model was the best model to describe the physicochemical properties of interest. With this in mind, the computational parameters were obtained using the B3LYP/6-31+G(d,p) and M06-2X/def2-TZVP models. The reactivity of 22 butyrolactone derivatives was studied using the molecular electrostatic potential map, frontier orbitals, atomics charges, Fukui indices, proton affinity, gas-phase basicity, gas-phase acidity, and sodium cationic affinity. Through these aforementioned parameters, we could observe the tendency of protonation to occur in lactic carbonyl and noted that the substituent influences the reactivity site. Isodesmic reactions were proposed to obtain formation enthalpy. Moreover, ionization energy and electron affinity were calculated by adiabatic and Koopmans methods. In addition, variations in equilibrium geometries and topological analysis of electronic density were studied using the QTAIM (quantum theory of atoms in molecules) method. Through these analyses, it was possible to suggest fragmentation tendencies and specific bond cleavages during the dissociation process. In some cases, the weakening of the bonds may suggest that fragments from substituents would be observed in the mass spectra. The protonation was the event that most influenced the variations of the electronic density of the lactonic ring and it was possible to characterize the possibility of opening of this ring by breaking the neighboring bonds to the lactonic oxygen, which corroborates the experimental observations of the characteristic fragments CO, CO2 and H2O in the mass spectra. Finally, computational chemistry was used to predict the fragmentation pathways for enterolactone in both ionization modes. Some considerations could be performed, such as the indication that in a positive mode the proton migration should occur to allow the opening of the lactic ring