Introducción a la Química Computacional.

Este artículo pertenece al Monográfico: La Ciencia a las puertas del Tercer Milenio (I)

Estructura computacional i aplicacions de la semblança molecular quàntica

La tesis tracta diferents aspectes relacionats amb el càlcul de la semblança quàntica, així com la seva aplicació en la racionalització i predicció de l'activitat de fàrmacs. Es poden destacar dos progressos importants en el desenvolupament de noves metodologies que faciliten el càlcul de les mesures de semblança quàntica. En primer lloc, la descripció de les molècules mitjançant les funciones densitat aproximades PASA (Promolecular Atomic Shell Approximation) ha permès descriure amb suficient precisió la densitat electrònica dels sistemes moleculars analitzats, reduint substancialment el temps de càlcul de les mesures de semblança. En segon lloc, el desenvolupament de tècniques de superposició molecular específiques de les mesures de semblança quàntica ha permès resoldre el problema de l'alineament en l'espai dels compostos comparats. El perfeccionament d'aquests nous procediments i algoritmes matemàtics associats a les mesures de semblança molecular quàntica, ha estat essencial per poder progressar en diferents disciplines de la química computacional, sobretot les relacionades amb les anàlisis quantitatives entre les estructures moleculars i les seves activitats biològiques, conegudes amb les sigles angleses QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships). Precisament en l'àrea de les relacions estructura-activitat s'han presentat dues aproximacions fonamentades en la semblança molecular quàntica que s'originen a partir de dues representacions diferents de les molècules. La primera descripció considera la densitat electrònica global de les molècules i és important, entre altres, la disposició dels objectes comparats en l'espai i la seva conformació tridimensional. El resultat és una matriu de semblança amb les mesures de semblança de tots els parells de compostos que formen el conjunt estudiat. La segona descripció es fonamenta en la partició de la densitat global de les molècules en fragments. S'utilitzen mesures d'autosemblança per analitzar els requeriments bàsics d'una determinada activitat des del punt de vista de la semblança quàntica. El procés permet la detecció de les regions moleculars que són responsables d'una alta resposta biològica. Això permet obtenir un patró amb les regions actives que és d'evident interès per als propòsits del disseny de fàrmacs. En definitiva, s'ha comprovat que mitjançant la simulació i manipulació informàtica de les molècules en tres dimensions es pot obtenir una informació essencial en l'estudi de la interacció entre els fàrmacs i els seus receptors macromoleculars.

Desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica

La present Tesi Doctoral, titulada desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica, tracta, fonamentalment, els aspectes de càlcul de mesures de semblança basades en la comparació de funcions de densitat electrònica.El primer capítol, Semblança quàntica, és introductori. S'hi descriuen les funcions de densitat de probabilitat electrònica i llur significança en el marc de la mecànica quàntica. Se n'expliciten els aspectes essencials i les condicions matemàtiques a satisfer, cara a una millor comprensió dels models de densitat electrònica que es proposen. Hom presenta les densitats electròniques, mencionant els teoremes de Hohenberg i Kohn i esquematitzant la teoria de Bader, com magnituds fonamentals en la descripció de les molècules i en la comprensió de llurs propietats.En el capítol Models de densitats electròniques moleculars es presenten procediments computacionals originals per l'ajust de funcions densitat a models expandits en termes de gaussianes 1s centrades en els nuclis. Les restriccions físico-matemàtiques associades a les distribucions de probabilitat s'introdueixen de manera rigorosa, en el procediment anomenat Atomic Shell Approximation (ASA). Aquest procediment, implementat en el programa ASAC, parteix d'un espai funcional quasi complert, d'on se seleccionen variacionalment les funcions o capes de l'expansió, d'acord als requisits de no negativitat. La qualitat d'aquestes densitats i de les mesures de semblança derivades es verifica abastament. Aquest model ASA s'estén a representacions dinàmiques, físicament més acurades, en quant que afectades per les vibracions nuclears, cara a una exploració de l'efecte de l'esmorteïment dels pics nuclears en les mesures de semblança molecular. La comparació de les densitats dinàmiques respecte les estàtiques evidencia un reordenament en les densitats dinàmiques, d'acord al que constituiria una manifestació del Principi quàntic de Le Chatelier. El procediment ASA, explícitament consistent amb les condicions de N-representabilitat, s'aplica també a la determinació directe de densitats electròniques hidrogenoides, en un context de teoria del funcional de la densitat.El capítol Maximització global de la funció de semblança presenta algorismes originals per la determinació de la màxima sobreposició de les densitats electròniques moleculars. Les mesures de semblança molecular quàntica s'identifiquen amb el màxim solapament, de manera es mesuri la distància entre les molècules, independentment dels sistemes de referència on es defineixen les densitats electròniques. Partint de la solució global en el límit de densitats infinitament compactades en els nuclis, es proposen tres nivells de aproximació per l'exploració sistemàtica, no estocàstica, de la funció de semblança, possibilitant la identificació eficient del màxim global, així com també dels diferents màxims locals. Es proposa també una parametrització original de les integrals de recobriment a través d'ajustos a funcions lorentzianes, en quant que tècnica d'acceleració computacional. En la pràctica de les relacions estructura-activitat, aquests avenços possibiliten la implementació eficient de mesures de semblança quantitatives, i, paral·lelament, proporcionen una metodologia totalment automàtica d'alineació molecular. El capítol Semblances d'àtoms en molècules descriu un algorisme de comparació dels àtoms de Bader, o regions tridimensionals delimitades per superfícies de flux zero de la funció de densitat electrònica. El caràcter quantitatiu d'aquestes semblances possibilita la mesura rigorosa de la noció química de transferibilitat d'àtoms i grups funcionals. Les superfícies de flux zero i els algorismes d'integració usats han estat publicats recentment i constitueixen l'aproximació més acurada pel càlcul de les propietats atòmiques. Finalment, en el capítol Semblances en estructures cristal·lines hom proposa una definició original de semblança, específica per la comparació dels conceptes de suavitat o softness en la distribució de fonons associats a l'estructura cristal·lina. Aquests conceptes apareixen en estudis de superconductivitat a causa de la influència de les interaccions electró-fonó en les temperatures de transició a l'estat superconductor. En aplicar-se aquesta metodologia a l'anàlisi de sals de BEDT-TTF, s'evidencien correlacions estructurals entre sals superconductores i no superconductores, en consonància amb les hipòtesis apuntades a la literatura sobre la rellevància de determinades interaccions.Conclouen aquesta tesi un apèndix que conté el programa ASAC, implementació de l'algorisme ASA, i un capítol final amb referències bibliogràfiques.

Desenvolupament, implementació i aplicació de noves metodologies per a l'estudi de la reactivitat química i de les propietats òptiques no lineals

El coneixement de la superfície d'energia potencial (PES) ha estat essencial en el món de la química teòrica per tal de discutir tant la reactivitat química com l'estructura i l'espectroscòpia molecular. En el camp de la reactivitat química es hem proposat continuar amb el desenvolupament de nova metodologia dins el marc de la teoria del funcional de la densitat conceptual. En particular aquesta tesis es centrarà en els següents punts: a) El nombre i la naturalesa dels seus punts estacionaris del PES poden sofrir canvis radicals modificant el nivell de càlcul utilitzats, de tal manera que per estar segurs de la seva naturalesa cal anar a nivells de càlcul molt elevats. La duresa és una mesura de la resistència d'un sistema químic a canviar la seva configuració electrònica, i segons el principi de màxima duresa on hi hagi un mínim o un màxim d'energia trobarem un màxim o un mínim de duresa, respectivament. A l'escollir tot un conjunt de reaccions problemàtiques des del punt de vista de presència de punts estacionaris erronis, hem observat que els perfils de duresa són més independents de la base i del mètode utilitzats, a més a més sempre presenten el perfil correcte. b) Hem desenvolupat noves expressions basades en les integracions dels kernels de duresa per tal de determinar la duresa global d'una molècula de manera més precisa que la utilitzada habitualment que està basada en el càlcul numèric de la derivada segona de l'energia respecte al número d'electrons. c) Hem estudiat la validesa del principis de màxima duresa i de mínima polaritzabiliat en les vibracions asimètriques en sistemes aromàtics. Hem trobat que per aquests sistemes alguns modes vibracionals incompleixen aquests principis i hem analitzat la relació d'aquest l'incompliment amb l'efecte de l'acoblament pseudo-Jahn-Teller. A més a més, hem postulat tot un conjunt de regles molt senzilles que ens permetien deduir si una molècula compliria o no aquests principis sense la realització de cap càlcul previ. Tota aquesta informació ha estat essencial per poder determinar exactament quines són les causes del compliment o l'incompliment del MHP i MPP. d) Finalment, hem realitzat una expansió de l'energia funcional en termes del nombre d'electrons i de les coordenades normals dintre del conjunt canònic. En la comparació d'aquesta expansió amb l'expansió de l'energia del nombre d'electrons i del potencial extern hem pogut recuperar d'una altra forma diferent tot un conjunt de relacions ja conegudes entre alguns coneguts descriptors de reactivitat del funcional de la densitat i en poden establir tot un conjunt de noves relacions i de nous descriptors. Dins del marc de les propietats moleculars es proposa generalitzar i millorar la metodologia pel càlcul de la contribució vibracional (Pvib) a les propietats òptiques no lineals (NLO). Tot i que la Pvib no s'ha tingut en compte en la majoria dels estudis teòrics publicats de les propietats NLO, recentment s'ha comprovat que la Pvib de diversos polímers orgànics amb altes propietats òptiques no lineals és fins i tot més gran que la contribució electrònica. Per tant, tenir en compte la Pvib és essencial en el disseny dels nous materials òptics no lineals utilitzats en el camp de la informàtica, les telecomunicacions i la tecnologia làser. Les principals línies d'aquesta tesis sobre aquest tema són: a) Hem calculat per primera vegada els termes d'alt ordre de Pvib de diversos polímers orgànics amb l'objectiu d'avaluar la seva importància i la convergència de les sèries de Taylor que defineixen aquestes contribucions vibracionals. b) Hem avaluat les contribucions electròniques i vibracionals per una sèrie de molècules orgàniques representatives utilitzant diferents metodologies, per tal de poder de determinar quina és la manera més senzilla per poder calcular les propietats NLO amb una precisió semiquantitativa.

A formação inicial do professor de química e o uso das novas tecnologias para o ensino: um olhar através de suas necessidades formativas

La disertación, desarrollada en el Programa de PostGraduación en Enseñanza de las Ciencias Naturales y de la Matemática de la UFRN, estudia las necesidades formativas de licenciandos en Química sobre el uso de las nuevas tecnologías de la información y de las comunicaciones (NTIC), en especial, las relacionadas con la utilización de programas computacionales para la enseñanza de la química. En la actual sociedad del conocimiento, se torna imperativo la eclosión de nuevas formas de aprender y de enseñar, que requieren de nuevas concepciones del trabajo pedagógico. En ese sentido, se exige de los profesores el desarrollo de nuevas habilidades y competencias. El presente trabajo está comprometido con la búsqueda de elementos que puedan nortear los procesos formativos de profesores de química con el objetivo de contribuir con una mejor preparación de la formación inicial, tomando en cuenta sus necesidades de formación. Fue utilizado el cuestionario como instrumento de investigación para diagnosticar y caracterizar las necesidades fomativas, buscando establecer correlaciones entre diferentes variables que cacarterizan el estudio, con el fin de establecer semenazas y discrepancias entre las habilidades docentes en estudio y las necesidades formativas. Los analises de los datos tomo elementos de la estadistica descriptivo e inferencial, con analises multivariados, lo que posibilitó identificar las necesidades formativas. Los resultados muestran ue de forma general los licenciandos evaluan como de bajo, el grado de desarrollo de las habilidades para enseñar usando las NTIC, así como manifiestan sentir necesidades formativas en todas las habilidades referentes a esa esfera del trabajo docente

Computational analysis of quinoxalines N,N-Dioxide and ITS Derivates

A quinoxalina e seus derivativos são uma importante classe de compostos heterocíclicos, onde os elementos N, S e O substituem átomos de carbono no anel. A fórmula molecular da quinoxalina é C8H6N2, formada por dois anéis aromáticos, benzeno e pirazina. É rara em estado natural, mas a sua síntese é de fácil execução. Modificações na estrutura da quinoxalina proporcionam uma grande variedade de compostos e actividades, tais como actividades antimicrobiana, antiparasitária, antidiabética, antiproliferativa, anti-inflamatória, anticancerígena, antiglaucoma, antidepressiva apresentando antagonismo do receptor AMPA. Estes compostos também são importantes no campo industrial devido, por exemplo, ao seu poder na inibição da corrosão do metal. A química computacional, ramo natural da química teórica é um método bem desenvolvido, utilizado para representar estruturas moleculares, simulando o seu comportamento com as equações da física quântica e clássica. Existe no mercado uma grande variedade de ferramentas informaticas utilizadas na química computacional, que permitem o cálculo de energias, geometrias, frequências vibracionais, estados de transição, vias de reação, estados excitados e uma variedade de propriedades baseadas em várias funções de onda não correlacionadas e correlacionadas. Nesta medida, a sua aplicação ao estudo das quinoxalinas é importante para a determinação das suas características químicas, permitindo uma análise mais completa, em menos tempo, e com menos custos.

Theoretical study of the fluorinating power of SF6 to vanadocene

Màster Oficial en Química Teòrica i Computacional Curs: 2008-2009, Director: Juan J. Novoa Vide

Neutral atoms in ionic lattices: Excited states of KCl:Ag(0)

The optical-absorption spectrum of a cationic Ag0 atom in a KCl crystal has been studied theoretically by means of a series of cluster models of increasing size. Excitation energies have been determined by means of a multiconfigurational self-consistent field procedure followed by a second-order perturbation correlation treatment. Moreover results obtained within the density-functional framework are also reported. The calculations confirm the assignment of bands I and IV to transitions of the Ag-5s electron into delocalized states with mainly K-4s,4p character. Bands II and III have been assigned to internal transitions on the Ag atom, which correspond to the atomic Ag-4d to Ag-5s transition. We also determine the lowest charge transfer (CT) excitation energy and confirm the assignment of band VI to such a transition. The study of the variation of the CT excitation energy with the Ag-Cl distance R gives additional support to a large displacement of the Cl ions due to the presence of the Ag0 impurity. Moreover, from the present results, it is predicted that on passing to NaCl:Ag0 the CT onset would be out of the optical range while the 5s-5p transition would undergo a redshift of 0.3 eV. These conclusions, which underline the different character of involved orbitals, are consistent with experimental findings. The existence of a CT transition in the optical range for an atom inside an ionic host is explained by a simple model, which also accounts for the differences with the more common 3d systems. The present study sheds also some light on the R dependence of the s2-sp transitions due to s2 ions like Tl+.

Ground- and excited-state properties of M-center oxygen vacancy aggregates in the bulk and the surface of MgO

Aggregates of oxygen vacancies (F centers) represent a particular form of point defects in ionic crystals. In this study we have considered the combination of two oxygen vacancies, the M center, in the bulk and on the surface of MgO by means of cluster model calculations. Both neutral and charged forms of the defect M and M+ have been taken into account. The ground state of the M center is characterized by the presence of two doubly occupied impurity levels in the gap of the material; in M+ centers the highest level is singly occupied. For the ground-state properties we used a gradient corrected density functional theory approach. The dipole-allowed singlet-to-singlet and doublet-to-doublet electronic transitions have been determined by means of explicitly correlated multireference second-order perturbation theory calculations. These have been compared with optical transitions determined with the time-dependent density functional theory formalism. The results show that bulk M and M+ centers give rise to intense absorptions at about 4.4 and 4.0 eV, respectively. Another less intense transition at 1.3 eV has also been found for the M+ center. On the surface the transitions occur at 1.6 eV (M+) and 2 eV (M). The results are compared with recently reported electron energy loss spectroscopy spectra on MgO thin films.

Theoretical modeling of photon and electron-stimulated Na and K desorption from SiO2

The mechanism of generation of atomic Na and K from SiO2 samples has been studied using explicitly correlated wave function and density functional theory cluster calculations. Possible pathways for the photon and electron stimulated desorption of Na and K atoms from silicates are proposed, thus providing new insight on the generation of the tenuous Na and K atmosphere of the Moon.

Dreta i esquerra: les molècules quirals

Molècules de dretes i d'esquerres? Una història científica amb contribució de la UdG: investigadors de l'Institut de Química Computacional de la UdG van participar en una recerca que amb posterioritat va ser premiada amb el Nobel de química del 2001

Enhancing learning beyond the classroom: blogging and other social networking tools

Blogging has become one of the key ingredients of the so-called socials networks. This phenomenon has indeed invaded the world of education. Connections between people, comments on each other posts, and assessment of innovation are usually interesting characteristics of blogs related to students and scholars. Blogs have become a kind of new form of authority, bringing about (divergent) discussions which lead to creation of knowledge. The use of blogs as an innovative, educational tool is not at all new. However, their use in universities is not very widespread yet. Blogging for personal affairs is rather commonplace, but blogging for professional affairs – teaching, research and service, is scarce, despite the availability of ready-to-use, free tools. Unfortunately, Information Society has not reached yet enough some universities: not only are (student) blogs scarcely used as an educational tool, but it is quite rare to find a blog written by University professors. The Institute of Computational Chemistry of the University of Girona and the Department of Chemistry of the Universitat Autònoma de Barcelona has joined forces to create “InnoCiència”, a new Group on Digital Science Communitation. This group, formed by ca. ten researchers, has promoted the use of blogs, twitters. wikis and other tools of Web 2.0 in activities in Catalonia concerning the dissemination of Science, like Science Week, Open Day or Researchers’ Night. Likewise, its members promote use of social networking tools in chemistry- and communication-related courses. This communication explains the outcome of social-network experiences with teaching undergraduate students and organizing research communication events. We provide live, hands-on examples and interactive ground to show how blogs and twitters can be used to enhance the yield of teaching and research. Impact of blogging and other social networking tools on the outcome of the learning process is very depending on the target audience and the environmental conditions. A few examples are provided and some proposals to use these techniques efficiently to help students are hinted