Índexos de localització i deslocalització derivats de la densitat bielectrònica: anàlisi i aplicacions en estructura molecular, reactivitat química i aromaticitat

La present tesi doctoral s'emmarca dins el camp de la química teòrica i computacional. El primer objectiu, que va ser el de partida, consistia a veure si els índexos bielectrònics derivats de la teoria AIM podien ser útils per estudiar la reorganització electrònica al llarg d'una reacció. De forma paral·lela es va plantejar un objectiu metodològic, el càlcul dels índexos mencionats a altres nivells de teoria, com podia ser DFT o CI. CI. Aquests dos objectius varen portar a molts d'altres, tot i que els principals són: Objectiu 1. Estudi de la reorganització de parells d'electrons al llarg d'una reacció. Objectiu 2. Efecte de la solvatació sobre l'estructura de parells d'electrons d'una molècula. Objectiu 3. Càlcul dels índexos de localització i deslocalització als nivells de teoria del funcional de la densitat i post-Hartree-Fock. Objectiu 4. Caracterització de l'enllaç per pont d'hidrogen per mitjà de l'estructura dels parells d'electrons. Objectiu 5. L'índex de deslocalització: nou criteri electrònic d'aromaticitat.

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.

Sobre les relacions lineals d'energia lliure: mesures de semblança molecular quàntica sobre funcions de densitat electrònica modificad

En aquest treball es presenta l'ús de funcions de densitat electrònica de forat de Fermi per incrementar el paper que pren una regió molecular concreta, considerada com a responsable de la reactivitat molecular, tot i mantenir la mida de la funció de densitat original. Aquestes densitats s'utilitzen per fer mesures d'autosemblança molecular quàntica i es presenten com una alternativa a l'ús de fragments moleculars aillats en estudis de relació entre estructura i propietat. El treball es complementa amb un exemple pràctic, on es correlaciona l'autosemblanca molecular a partir de densitats modificades amb l'energia d'una reacció isodòsmica

Negative Fukui functions: new insights based on electronegativity equalization

The occurrence of negative values for Fukui functions was studied through the electronegativity equalization method. Using algebraic relations between Fukui functions and different other conceptual DFT quantities on the one hand and the hardness matrix on the other hand, expressions were obtained for Fukui functions for several archetypical small molecules. Based on EEM calculations for large molecular sets, no negative Fukui functions were found

Critical thoughts on computing atom condensed Fukui functions

Different procedures to obtain atom condensed Fukui functions are described. It is shown how the resulting values may differ depending on the exact approach to atom condensed Fukui functions. The condensed Fukui function can be computed using either the fragment of molecular response approach or the response of molecular fragment approach. The two approaches are nonequivalent; only the latter approach corresponds in general with a population difference expression. The Mulliken approach does not depend on the approach taken but has some computational drawbacks. The different resulting expressions are tested for a wide set of molecules. In practice one must make seemingly arbitrary choices about how to compute condensed Fukui functions, which suggests questioning the role of these indicators in conceptual density-functional theory

The mapping of the local contributions of Fermi and Coulomb correlation into intracule and extracule density distributions

The contributions of the correlated and uncorrelated components of the electron-pair density to atomic and molecular intracule I(r) and extracule E(R) densities and its Laplacian functions ∇2I(r) and ∇2E(R) are analyzed at the Hartree-Fock (HF) and configuration interaction (CI) levels of theory. The topologies of the uncorrelated components of these functions can be rationalized in terms of the corresponding one-electron densities. In contrast, by analyzing the correlated components of I(r) and E(R), namely, IC(r) and EC(R), the effect of electron Fermi and Coulomb correlation can be assessed at the HF and CI levels of theory. Moreover, the contribution of Coulomb correlation can be isolated by means of difference maps between IC(r) and EC(R) distributions calculated at the two levels of theory. As application examples, the He, Ne, and Ar atomic series, the C2-2, N2, O2+2 molecular series, and the C2H4 molecule have been investigated. For these atoms and molecules, it is found that Fermi correlation accounts for the main characteristics of IC(r) and EC(R), with Coulomb correlation increasing slightly the locality of these functions at the CI level of theory. Furthermore, IC(r), EC(R), and the associated Laplacian functions, reveal the short-ranged nature and high isotropy of Fermi and Coulomb correlation in atoms and molecules

The relevance of the Laplacian of intracule and extracule density distributions for analyzing electron-electron interactions in molecules

A topological analysis of intracule and extracule densities and their Laplacians computed within the Hartree-Fock approximation is presented. The analysis of the density distributions reveals that among all possible electron-electron interactions in atoms and between atoms in molecules only very few are located rigorously as local maxima. In contrast, they are clearly identified as local minima in the topology of Laplacian maps. The conceptually different interpretation of intracule and extracule maps is also discussed in detail. An application example to the C2H2, C2H4, and C2H6 series of molecules is presented

Nuclear magnetic resonance chemical shifts with the statistical average of orbital-dependent model potentials in Kohn-Sham density functional theory

The performance of the SAOP potential for the calculation of NMR chemical shifts was evaluated. SAOP results show considerable improvement with respect to previous potentials, like VWN or BP86, at least for the carbon, nitrogen, oxygen, and fluorine chemical shifts. Furthermore, a few NMR calculations carried out on third period atoms (S, P, and Cl) improved when using the SAOP potential

A chemical Hamiltonian approach study of the basis set superposition error changes on electron densities and one- and two-center energy components

A comparision of the local effects of the basis set superposition error (BSSE) on the electron densities and energy components of three representative H-bonded complexes was carried out. The electron densities were obtained with Hartee-Fock and density functional theory versions of the chemical Hamiltonian approach (CHA) methodology. It was shown that the effects of the BSSE were common for all complexes studied. The electron density difference maps and the chemical energy component analysis (CECA) analysis confirmed that the local effects of the BSSE were different when diffuse functions were present in the calculations

Effect of basis set superposition error on the electron density of molecular complexes

The effect of basis set superposition error (BSSE) on molecular complexes is analyzed. The BSSE causes artificial delocalizations which modify the first order electron density. The mechanism of this effect is assessed for the hydrogen fluoride dimer with several basis sets. The BSSE-corrected first-order electron density is obtained using the chemical Hamiltonian approach versions of the Roothaan and Kohn-Sham equations. The corrected densities are compared to uncorrected densities based on the charge density critical points. Contour difference maps between BSSE-corrected and uncorrected densities on the molecular plane are also plotted to gain insight into the effects of BSSE correction on the electron density

Energy partitioning for "fuzzy" atoms

The total energy of molecule in terms of 'fuzzy atoms' presented as sum of one- and two-atomic energy components is described. The divisions of three-dimensional physical space into atomic regions exhibit continuous transition from one to another. The energy components are on chemical energy scale according to proper definitions. The Becke's integration scheme and weight function determines realization of method which permits effective numerical integrations

C-H···O H-bonded complexes: how does basis set superposition error change their potential-energy surfaces?

Geometries, vibrational frequencies, and interaction energies of the CNH⋯O3 and HCCH⋯O3 complexes are calculated in a counterpoise-corrected (CP-corrected) potential-energy surface (PES) that corrects for the basis set superposition error (BSSE). Ab initio calculations are performed at the Hartree-Fock (HF) and second-order Møller-Plesset (MP2) levels, using the 6-31G(d,p) and D95++(d,p) basis sets. Interaction energies are presented including corrections for zero-point vibrational energy (ZPVE) and thermal correction to enthalpy at 298 K. The CP-corrected and conventional PES are compared; the unconnected PES obtained using the larger basis set including diffuse functions exhibits a double well shape, whereas use of the 6-31G(d,p) basis set leads to a flat single-well profile. The CP-corrected PES has always a multiple-well shape. In particular, it is shown that the CP-corrected PES using the smaller basis set is qualitatively analogous to that obtained with the larger basis sets, so the CP method becomes useful to correctly describe large systems, where the use of small basis sets may be necessary

A comparative analysis by means of quantum molecular similarity measures of density distributions derived from conventional ab initio and density functional methods

A procedure based on quantum molecular similarity measures (QMSM) has been used to compare electron densities obtained from conventional ab initio and density functional methodologies at their respective optimized geometries. This method has been applied to a series of small molecules which have experimentally known properties and molecular bonds of diverse degrees of ionicity and covalency. Results show that in most cases the electron densities obtained from density functional methodologies are of a similar quality than post-Hartree-Fock generalized densities. For molecules where Hartree-Fock methodology yields erroneous results, the density functional methodology is shown to yield usually more accurate densities than those provided by the second order Møller-Plesset perturbation theory

A new all-round density functional based on spin states and SN2 barriers

We report here a new empirical density functional that is constructed based on the performance of OPBE and PBE for spin states and SN 2 reaction barriers and how these are affected by different regions of the reduced gradient expansion. In a previous study [Swart, Sol̀, and Bickelhaupt, J. Comput. Methods Sci. Eng. 9, 69 (2009)] we already reported how, by switching between OPBE and PBE, one could obtain both the good performance of OPBE for spin states and reaction barriers and that of PBE for weak interactions within one and the same (SSB-sw) functional. Here we fine tuned this functional and include a portion of the KT functional and Grimme's dispersion correction to account for π- π stacking. Our new SSB-D functional is found to be a clear improvement and functions very well for biological applications (hydrogen bonding, π -π stacking, spin-state splittings, accuracy of geometries, reaction barriers)