Implementation and application of basis set superposition error-correction schemes to the theoretical modeling of weak intermolecular interactions

This thesis deals with the so-called Basis Set Superposition Error (BSSE) from both a methodological and a practical point of view. The purpose of the present thesis is twofold: (a) to contribute step ahead in the correct characterization of weakly bound complexes and, (b) to shed light the understanding of the actual implications of the basis set extension effects in the ab intio calculations and contribute to the BSSE debate. The existing BSSE-correction procedures are deeply analyzed, compared, validated and, if necessary, improved. A new interpretation of the counterpoise (CP) method is used in order to define counterpoise-corrected descriptions of the molecular complexes. This novel point of view allows for a study of the BSSE-effects not only in the interaction energy but also on the potential energy surface and, in general, in any property derived from the molecular energy and its derivatives A program has been developed for the calculation of CP-corrected geometry optimizations and vibrational frequencies, also using several counterpoise schemes for the case of molecular clusters. The method has also been implemented in Gaussian98 revA10 package. The Chemical Hamiltonian Approach (CHA) methodology has been also implemented at the RHF and UHF levels of theory for an arbitrary number interacting systems using an algorithm based on block-diagonal matrices. Along with the methodological development, the effects of the BSSE on the properties of molecular complexes have been discussed in detail. The CP and CHA methodologies are used for the determination of BSSE-corrected molecular complexes properties related to the Potential Energy Surfaces and molecular wavefunction, respectively. First, the behaviour of both BSSE-correction schemes are systematically compared at different levels of theory and basis sets for a number of hydrogen-bonded complexes. The Complete Basis Set (CBS) limit of both uncorrected and CP-corrected molecular properties like stabilization energies and intermolecular distances has also been determined, showing the capital importance of the BSSE correction. Several controversial topics of the BSSE correction are addressed as well. The application of the counterpoise method is applied to internal rotational barriers. The importance of the nuclear relaxation term is also pointed out. The viability of the CP method for dealing with charged complexes and the BSSE effects on the double-well PES blue-shifted hydrogen bonds is also studied in detail. In the case of the molecular clusters the effect of high-order BSSE effects introduced with the hierarchical counterpoise scheme is also determined. The effect of the BSSE on the electron density-related properties is also addressed. The first-order electron density obtained with the CHA/F and CHA/DFT methodologies was used to assess, both graphically and numerically, the redistribution of the charge density upon BSSE-correction. Several tools like the Atoms in Molecules topologycal analysis, density difference maps, Quantum Molecular Similarity, and Chemical Energy Component Analysis were used to deeply analyze, for the first time, the BSSE effects on the electron density of several hydrogen bonded complexes of increasing size. The indirect effect of the BSSE on intermolecular perturbation theory results is also pointed out It is shown that for a BSSE-free SAPT study of hydrogen fluoride clusters, the use of a counterpoise-corrected PES is essential in order to determine the proper molecular geometry to perform the SAPT analysis.

Interaccions moleculars: correcció de l'error de superposició de base i propietat de les funcions flotants

A primary interest of this thesis is to obtain a powerful tool for determining structural properties, electrical and reactivity of molecules. A second interest is the study of fundamental error based on complex overlay of bridge hydrogen. One way to correct this error, using Counterpoise correction proposed by Boys and Bernardi. Usually the Counterpoise correction is applied promptly on the geometries previously optimized. Our goal was to find areas of potential which had all the points fixed with CP. These surfaces have a minimum corresponding to a surface other than corrected, ie, the geometric parameters will be different. The curvature of this minimum will also be different, therefore the vibrational frequency will also change when they are corrected with BSSE. Once constructed these surfaces have been studied various complex. It has also been investigated as the method for calculating the error influenced on the basis superposition.

Isomerism and C-H, C-C, O-O, C-O bond activation studies by transition metals

Aquesta tesi és el reflex que de la cooperació entre grups experimentals i grups teòrics s'aconsegueix l'assoliment d'objectius inassolibles de forma individual. A partir de la DFT s'expliquen processos inorgànics i organometàl·lics de gran valor biològic i/o industrial. La tesi està enfocada especialment a l'estudi de complexos mononuclears i binuclears de coure, on té lloc l'activació d'enllaços C-H, C-C, i O-O. L'estudi de complexos octaèdrics de ruteni ha permès dur a terme extensos estudis isomèrics i racionalitzar les propietats espectroscòpiques dels mateixos. A més a més, estudis més puntuals respecte clusters de coure, l'estudi de la reacció de Pawson-Khand, l'estudi d'enllaços Pt-Pt en complexos trimèrics de platí, a més a més de l'estudi de la isomeria de complexos de Ni i Pt.

Mechanism of action of cyclic antimicrobial peptides

This PhD thesis is the result of the combination of experimental and computational techniques with the aim of understanding the mechanism of action of de novo cyclic decapeptides with high antimicrobial activity. By experimental techniques the influence of the replacement of the phenylalanine for tryptophan residue in their antimicrobial activity was tested and the stability in human serum was also analyzed, in order to evaluate their potential therapeutic application as antitumor agents. On the other hand, the interaction amongst the peptide BPC194 c(KKLKKFKKLQ), the best candidate from the whole library of cyclic peptides, and a model anionic membrane was simulated. The results showed a structure-function relationship derived from the stable conformation of the peptides involved in the membrane permeabilization. As a result, a rational design was performed being BPC490 the peptide with best antimicrobial activity compared with the best active peptide from the original library.

Molecular quantum similarity in QSAR: applications in computer-aided molecular design

La present tesi està centrada en l'ús de la Teoria de Semblança Quàntica per a calcular descriptors moleculars. Aquests descriptors s'utilitzen com a paràmetres estructurals per a derivar correlacions entre l'estructura i la funció o activitat experimental per a un conjunt de compostos. Els estudis de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat són d'especial interès per al disseny racional de molècules assistit per ordinador i, en particular, per al disseny de fàrmacs. Aquesta memòria consta de quatre parts diferenciades. En els dos primers blocs es revisen els fonaments de la teoria de semblança quàntica, així com l'aproximació topològica basada en la teoria de grafs. Ambdues teories es fan servir per a calcular els descriptors moleculars. En el segon bloc, s'ha de remarcar la programació i implementació de programari per a calcular els anomenats índexs topològics de semblança quàntica. La tercera secció detalla les bases de les Relacions Quantitatives Estructura-Activitat i, finalment, el darrer apartat recull els resultats d'aplicació obtinguts per a diferents sistemes biològics.

Theoretical studies of systems of biochemical interest containing Fe and Cu transition metals

La presència de la química teòrica i computacional està augmentant en quasi tots els camps de la recerca en química. Els càlculs teòrics poden ajudar a entendre millor l'estructura, les propietats i la reactivitat de compostos metàl·lics d'àrees tan diferents com la química inorgànica, organometàl·lica i bioinorgànica. No obstant això, és imprescindible utilitzar la metodologia adequada per obtenir resultats teòrics fiables. Els estudis d'aquesta tesi es poden dividir en dos grups diferents. El primer grup inclou l'estudi teòric del mecanisme de reacció de diversos sistemes que contenen coure i tenen diferents estructures Cun-O2. Aquests estudies s'han dut a terme amb l'objectiu de profunditzar en la natura dels processos oxidants químics i biològics promoguts per sistemes que contenen coure. En la segona part de la tesi, s'estudia la fiabilitat de diferents tècniques utilitzades per estudiar l'estructura electrònica i la reactivitat de sistemes que contenen coure, ferro i altres metalls de transició.

Theoretical studies of the exohedral reactivity of fullerene compounds

Des del descobriment del buckminster ful.lerè el 1985, s'ha despertat un interés enorme per entendre la reactivitat química així com les propietats d'aquests compostos. La funcionalització exoèdrica del ful.lerè més abundant, el C60, està força ben establerta. Tanmateix, la investigació en aquest camp encara continua oberta ja que s'han sintetitzat una gran varietat de derivats molt prometedors donades les seves futures aplicacions. La tesi comprèn quinze capítols que contenen set publicacions relacionades. Els primers dos estudis es basen en la reacció Diels-Alder sobre els anomenats metal.loful.lerens endoèdrics TNT X3N@C78, X= Sc, Y. Aquest projecte de investigació està motivat pel desconeixament existent sobre les possibles conseqüències de l'encapsulació del grup X3N. El tercer estudi descriu minuciosament els canvis detectats en la funcionalització exoèdrica un cop s'ha produït l'encapsulació dels diferents gasos nobles. En aquesta tesi s'estudia en detall l'ús de l'aproximació ONIOM per a estudiar reaccions de cicloaddició en compostos ful.lerènics. Els resultats d'aquest projecte són d'alt interès per a la realització dels estudis posteriors sobre la reacció de Diels-Alder i la 1,3-dipolar en ful.lerens i derivats. Finalment, l'última part d'aquesta tesi es basa en les propietats antioxidants de determinats ful.lerens. A l'últim treball inclòs en aquesta tesi s'estudia en detall el mecanismo de reacció per a la eliminació del ió superòxid en presència de ful.lerens.

Theoretical study of catalytic reactions of carbenes: haptotropic rearrangements and the Dötz reaction

En aquesta tesi s'han estudiat mecanismes de reaccions de cicloanulació en carbens de Fischer a través de mètodes teòrics, concretament fent servir el nivell de teoria B3LYP/(Wachters' basis / 6-31G**). Els alcoxi- i amino carbens de pentacarbonil crom, ja siguin vinílics o aromàtics, reaccionen amb acetilè per produir fenols, naftols o derivats ciclopentadiè o indè substituïts amb el Cr(CO)3 coordinat, d'una manera regioselectiva. L'objectiu d'aquest treball és discutir ambudes reaccions competitives particularment a la reacció de Dötz, la qual durant els darrers anys ha estat explorada experimentalment per W.D. Wulff, C.P. Casey, R. Aumann i J. Barluenga entre altres diferents propostes mecanístiques. A més K.H. Dötz va demostrar que la coordinació del Cr(CO)3, un cop l'anell ja està format, pot patir canvis haptotròpics, és a dir, la caminada del complex metàl·lic d'un anell a un altre -generalment almenys substituït- canviant la seva hapticitat (coordinació pi amb els membres de l'anell). Llavors, s'han estudiat les migracions haptotròpiques intramoleculars en petits hidrocarbons aromàtics policíclics amb l'objectiu d'analitzar les rutes de reacció per les quals aquestes reaccions es porten a terme

Avaluació dels efectes d'un programa d'exercici físic individualitzat sobre la Qualitat de Vida (QdV), la incontinència urinària, la fatiga i la resistència muscular amb malalts del càncer de pròstata

El cáncer de próstata es el cáncer más frecuente en los hombres en muchos países industrializados. Considerando el porcentaje de supervivencia relativa a los 5 años (76,5%) y el estado de morbilidad que generan los tratamientos vigentes, el concepto de Calidad de Vida (CdV) del hombre mayor con cáncer de próstata pasa a ser un objetivo prioritario en la intervención sociosanitaria. Clásicamente la evaluación del impacto que generan los síntomas se ha determinado por la frecuencia y el número de síntomas asociados a la enfermedad y al tratamiento. A nuestro parecer, lo más apropiado es realizar el análisis objetivando además el impacto que generan en la actividad de vida diaria de los afectados. Este artículo tiene un doble objetivo. Primero, evaluar los beneficios de un programa de ejercicio de fuerza adaptado a la enfermedad y al tratamiento de cáncer de próstata. Segundo, identificar los síntomas más relevantes del cáncer de próstata desde la perspectiva del paciente y el impacto que generan a la Calidad de Vida del hombre mayor. La propuesta metodológica se basa en la triangulación metodológica entre métodos secuencial, (cuantitativo y cualitativo). En los resultados se observa una mejora significativa de la Calidad de Vida del enfermo, mediado indirectamente por la mejora del síntoma de incontinencia y el dolor. Así mismo se observa una mejora de la capacidad de la fuerza y resistencia muscular más evidente en las extremidades inferiores. Queda científicamente demostrada la eficacia de un programa de ejercicio físico de fuerza adaptado a los síntomas que genera la enfermedad y el tratamiento de cáncer de próstata en la mejora de la Calidad de Vida de la persona mayor.

Cessació de l'hàbit tabàquic en pacients afectats de malaltia vascular cerebral aguda

S'han estudiat 1003 pacients amb el diagnòstic de Malaltia Vascular Cerebral (MVC) aguda ingressats a la unitat de neurologia de l'Hospital Josep Trueta de Girona en el període de gener de 2005 a juliol de 2007. S'ha realitzat un estudi de cohorts prospectiu d'un any en 110 pacients que eren fumadors en el moment de l'ictus. Un elevat percentatge dels pacients afectats de MVC aguda presenten factors de risc vascular que es poden evitar com el consum de tabac o d'alcohol, i factors de risc vascular que cal controlar com la hipertensió, la dislipèmia, la diabetis o la cardiopatia. Només 4 de cada 10 pacients fumadors diagnosticats d'ictus havien abandonat l'hàbit un any després de presentar la MVC aguda. Les variables que millor prediuen la cessació tabàquica en aquests pacients són la localització de la lesió a l'ínsula cerebral i la intenció de deixar de fumar prèvia a l'ictus.

Coneixements dels professionals de la salut de l'atenció primària sobre prevenció del consum de drogues

The aim of this research is to know the training of health professionals in health promotion and disease prevention, and to examine its manifestation among the actions and interventions for prevention of tobacco, alcohol or cannabis consumption. The sample includes 225 professionals. The study used a self-made design of quantitative methodology (survey study). The most important results are: the formative limitations in health education and prevention of substance use and the fact that professionals who have received specific training in substance use tap more health education as a prevention tool in their daily activities. It is also noted that 80% of professionals believe they should improve quality training, and 67% quantity, always in relation to the tobacco, alcohol and cannabis use. Generally, the overload care and the lack of time are cited as factors preventing the health education activities. Finally, the study also shows that secondary prevention activities are the most used, while community interventions are underutilized by professionals.

Cultures mediàtiques adolescents: Un estudi psicosocial centrat en el telèfon mòbil

Des de la perspectiva psicosocial s'analitzen alguns aspectes de les interaccions entre progenitors i fills/es adolescents entre 12 i 16 anys en relació a l'ús del telèfon mòbil en el marc de la societat acceleradament canviant. S'ha emprat un mètode plural o multimètode que s'ha articulat en dues fases d'investigació, una quantitativa i una qualitativa, per l'estudi dels fenòmens socials complexes com ho són les relacions intergeneracionals. Els resultats posen de manifest que existeixen interaccions entre les actituds dels adolescents i dels progenitors en l'ús del telèfon mòbil. També apunten que les tecnologies audiovisuals com el mòbil estan mediatitzant les relacions intergeneracionals. És a dir, no només els adolescents utilitzen molt més les tecnologies que els adults, sinó que a més sobre el context social que té impacte aquest ús és fonamentalment amb els amics. Cal un major apropament intergeneracional pel que fa a mantenir converses entre adults i adolescents al voltant dels temes que els motiven i interessen, com és el cas de les TICs.

Factors relacionats amb l'ús del casc en adolescents i aspectes canviants després d'un accident amb ciclomotor

Les lesions cerebrals per traumatismes craniencefàlics són la causa més freqüent de defunció en els accidents de trànsit en els que estan implicats vehicles de dues rodes. Malgrat la provada eficàcia de l'ús del casc per amortir les lesions en cas d'accidents, molts adolescents i joves no el fan servir o fan un ús incorrecte. El principal objectiu d'aquesta investigació és identificar les variables que millor prediuen l'ús del casc entre els adolescents. En la recerca es combinen la metodologia quantitativa i qualitativa i consta de dues fases. A la primera fase participen 876 estudiants de secundària (46,8% nois) amb edats compreses entre 14 i 18 anys. A la segona fase, s'estudien quatre casos d'adolescents que han patit un accident greu circulant amb ciclomotor i que no portaven el casc o feien un ús incorrecte. Els resultats suggereixen que l'edat i la influència social són les variables més rellevants per predir l'ús continuat del casc entre els adolescents. De l'estudi se'n deriven estratègies d'intervenció per incrementar l'ús del casc entre els dolescents.

La participació social dels adolescents en el context escolar i el seu benestar personal: estudi psicosocial d'una experiència participativa

The aim of this research is to gain greater understanding of the psychosocial implications of adolescents’ social participation at school and how this relates to their personal well-being. We designed this research from the perspective of methodological pluralism, articulating quantitative and qualitative methodology. The data obtained allow us to identify key elements of the relationship between social participation and personal well-being in adolescents and led us to elaborate a theoretical model that explains how the relationship between social participation and personal well-being is concerned with three interrelating factors: (a) adolescents’ stance with regard to social participation, (b) their aspirations for change, and (c) the attitudes and expectations of key adults in the adolescents’ lives with regard to them and their social participation.

Advances in animal blood processing: development of a biopreservation system and insights on the functional properties of plasma

La sang és un subproducte amb un alt potencial de valorització que s'obté en quantitats importants en els escorxadors industrials. Actualment, la majoria de sistemes de recollida de la sang no segueixen unes mesures d'higiene estrictes, pel que esdevé un producte de baixa qualitat microbiològica. Conseqüentment, l'aprofitament de la sang és una sortida poc estimulant des del punt de vista econòmic, ja que acostuma a perdre les qualitats que permetrien l'obtenció de productes d'alt valor afegit. El capítol I del present treball s'inclou dins d'un projecte que proposa la inoculació de bacteris de l'àcid làctic (LAB) com un cultiu bioconservador de la sang, un sistema senzill i de baix cost que cerca l'estabilitat de la sang, tant microbiològica com fisicoquímica, durant el període del seu emmagatzematge. El capítol II s'emmarca dins d'un projecte que cerca la millora de l'aprofitament integral de la sang que, en el cas de la fracció plasmàtica, es centra en l'estudi de la funcionalitat dels seus principals constituents. Conèixer la contribució dels components majoritaris ha de permetre la millora de la funcionalitat dels ingredients alimentaris derivats. Els resultats presentats en aquesta tesi poden ajudar a la valorització de la sang porcina d'escorxadors industrials, mitjançant els coneixements adquirits pel que fa a la millora del seu sistema de recollida i del desenvolupament d'ingredients alimentaris amb interessants propietats funcionals.