Ab initio benchmark study for the oxidative addition of CH4 to Pd: importance of basis-set flexibility and polarization

To obtain a state-of-the-art benchmark potential energy surface (PES) for the archetypal oxidative addition of the methane C-H bond to the palladium atom, we have explored this PES using a hierarchical series of ab initio methods (Hartree-Fock, second-order Møller-Plesset perturbation theory, fourth-order Møller-Plesset perturbation theory with single, double and quadruple excitations, coupled cluster theory with single and double excitations (CCSD), and with triple excitations treated perturbatively [CCSD(T)]) and hybrid density functional theory using the B3LYP functional, in combination with a hierarchical series of ten Gaussian-type basis sets, up to g polarization. Relativistic effects are taken into account either through a relativistic effective core potential for palladium or through a full four-component all-electron approach. Counterpoise corrected relative energies of stationary points are converged to within 0.1-0.2 kcal/mol as a function of the basis-set size. Our best estimate of kinetic and thermodynamic parameters is -8.1 (-8.3) kcal/mol for the formation of the reactant complex, 5.8 (3.1) kcal/mol for the activation energy relative to the separate reactants, and 0.8 (-1.2) kcal/mol for the reaction energy (zero-point vibrational energy-corrected values in parentheses). This agrees well with available experimental data. Our work highlights the importance of sufficient higher angular momentum polarization functions, f and g, for correctly describing metal-d-electron correlation and, thus, for obtaining reliable relative energies. We show that standard basis sets, such as LANL2DZ+ 1f for palladium, are not sufficiently polarized for this purpose and lead to erroneous CCSD(T) results. B3LYP is associated with smaller basis set superposition errors and shows faster convergence with basis-set size but yields relative energies (in particular, a reaction barrier) that are ca. 3.5 kcal/mol higher than the corresponding CCSD(T) values

Relations among several nuclear and electronic density functional reactivity indexes

A set of connections among several nuclear and electronic indexes of reactivity in the framework of the conceptual Density Functional Theory by using an expansion ofthe energy functional in terms of the total number of electrons and the normal coordinates within a canonical ensemble was derived. The relations obtained provided explicit links between important quantities related to the chemical reactivity of a system. This paper particularly demonstrates that the derivative of the electronic energy with respect to the external potential of a system in its equilibrium geometry was equal to the negative of the nuclear repulsion derivative with respect to the external potential

Density functional energy decomposition into one- and two-atom contributions

The present work provides a generalization of Mayer's energy decomposition for the density-functional theory (DFT) case. It is shown that one- and two-atom Hartree-Fock energy components in Mayer's approach can be represented as an action of a one-atom potential VA on a one-atom density ρ A or ρ B. To treat the exchange-correlation term in the DFT energy expression in a similar way, the exchange-correlation energy density per electron is expanded into a linear combination of basis functions. Calculations carried out for a number of density functionals demonstrate that the DFT and Hartree-Fock two-atom energies agree to a reasonable extent with each other. The two-atom energies for strong covalent bonds are within the range of typical bond dissociation energies and are therefore a convenient computational tool for assessment of individual bond strength in polyatomic molecules. For nonspecific nonbonding interactions, the two-atom energies are low. They can be either repulsive or slightly attractive, but the DFT results more frequently yield small attractive values compared to the Hartree-Fock case. The hydrogen bond in the water dimer is calculated to be between the strong covalent and nonbonding interactions on the energy scale

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.

Funcions densitat i semblança molecular quàntica: nous desenvolupaments i aplicacions

La present tesi, tot i que emmarcada dins de la teoria de les Mesures Semblança Molecular Quántica (MQSM), es deriva en tres àmbits clarament definits: - La creació de Contorns Moleculars de IsoDensitat Electrònica (MIDCOs, de l'anglès Molecular IsoDensity COntours) a partir de densitats electròniques ajustades. - El desenvolupament d'un mètode de sobreposició molecular, alternatiu a la regla de la màxima semblança. - Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR, de l'anglès Quantitative Structure-Activity Relationships). L'objectiu en el camp dels MIDCOs és l'aplicació de funcions densitat ajustades, ideades inicialment per a abaratir els càlculs de MQSM, per a l'obtenció de MIDCOs. Així, es realitza un estudi gràfic comparatiu entre diferents funcions densitat ajustades a diferents bases amb densitats obtingudes de càlculs duts a terme a nivells ab initio. D'aquesta manera, l'analogia visual entre les funcions ajustades i les ab initio obtinguda en el ventall de representacions de densitat obtingudes, i juntament amb els valors de les mesures de semblança obtinguts prèviament, totalment comparables, fonamenta l'ús d'aquestes funcions ajustades. Més enllà del propòsit inicial, es van realitzar dos estudis complementaris a la simple representació de densitats, i són l'anàlisi de curvatura i l'extensió a macromolècules. La primera observació correspon a comprovar no només la semblança dels MIDCOs, sinó la coherència del seu comportament a nivell de curvatura, podent-se així observar punts d'inflexió en la representació de densitats i veure gràficament aquelles zones on la densitat és còncava o convexa. Aquest primer estudi revela que tant les densitats ajustades com les calculades a nivell ab initio es comporten de manera totalment anàloga. En la segona part d'aquest treball es va poder estendre el mètode a molècules més grans, de fins uns 2500 àtoms. Finalment, s'aplica part de la filosofia del MEDLA. Sabent que la densitat electrònica decau ràpidament al allunyar-se dels nuclis, el càlcul d'aquesta pot ser obviat a distàncies grans d'aquests. D'aquesta manera es va proposar particionar l'espai, i calcular tan sols les funcions ajustades de cada àtom tan sols en una regió petita, envoltant l'àtom en qüestió. Duent a terme aquest procés, es disminueix el temps de càlcul i el procés esdevé lineal amb nombre d'àtoms presents en la molècula tractada. En el tema dedicat a la sobreposició molecular es tracta la creació d'un algorisme, així com la seva implementació en forma de programa, batejat Topo-Geometrical Superposition Algorithm (TGSA), d'un mètode que proporcionés aquells alineaments que coincideixen amb la intuïció química. El resultat és un programa informàtic, codificat en Fortran 90, el qual alinea les molècules per parelles considerant tan sols nombres i distàncies atòmiques. La total absència de paràmetres teòrics permet desenvolupar un mètode de sobreposició molecular general, que proporcioni una sobreposició intuïtiva, i també de forma rellevant, de manera ràpida i amb poca intervenció de l'usuari. L'ús màxim del TGSA s'ha dedicat a calcular semblances per al seu ús posterior en QSAR, les quals majoritàriament no corresponen al valor que s'obtindria d'emprar la regla de la màxima semblança, sobretot si hi ha àtoms pesats en joc. Finalment, en l'últim tema, dedicat a la Semblança Quàntica en el marc del QSAR, es tracten tres aspectes diferents: - Ús de matrius de semblança. Aquí intervé l'anomenada matriu de semblança, calculada a partir de les semblances per parelles d'entre un conjunt de molècules. Aquesta matriu és emprada posteriorment, degudament tractada, com a font de descriptors moleculars per a estudis QSAR. Dins d'aquest àmbit s'han fet diversos estudis de correlació d'interès farmacològic, toxicològic, així com de diverses propietats físiques. - Aplicació de l'energia d'interacció electró-electró, assimilat com a una forma d'autosemblança. Aquesta modesta contribució consisteix breument en prendre el valor d'aquesta magnitud, i per analogia amb la notació de l'autosemblança molecular quàntica, assimilar-la com a cas particular de d'aquesta mesura. Aquesta energia d'interacció s'obté fàcilment a partir de programari mecanoquàntic, i esdevé ideal per a fer un primer estudi preliminar de correlació, on s'utilitza aquesta magnitud com a únic descriptor. - Càlcul d'autosemblances, on la densitat ha estat modificada per a augmentar el paper d'un substituent. Treballs previs amb densitats de fragments, tot i donar molt bons resultats, manquen de cert rigor conceptual en aïllar un fragment, suposadament responsable de l'activitat molecular, de la totalitat de l'estructura molecular, tot i que les densitats associades a aquest fragment ja difereixen degut a pertànyer a esquelets amb diferents substitucions. Un procediment per a omplir aquest buit que deixa la simple separació del fragment, considerant així la totalitat de la molècula (calcular-ne l'autosemblança), però evitant al mateix temps valors d'autosemblança no desitjats provocats per àtoms pesats, és l'ús de densitats de Forats de fermi, els quals es troben definits al voltant del fragment d'interès. Aquest procediment modifica la densitat de manera que es troba majoritàriament concentrada a la regió d'interès, però alhora permet obtenir una funció densitat, la qual es comporta matemàticament igual que la densitat electrònica regular, podent-se així incorporar dins del marc de la semblança molecular. Les autosemblances calculades amb aquesta metodologia han portat a bones correlacions amb àcids aromàtics substituïts, podent així donar una explicació al seu comportament. Des d'un altre punt de vista, també s'han fet contribucions conceptuals. S'ha implementat una nova mesura de semblança, la d'energia cinètica, la qual consisteix en prendre la recentment desenvolupada funció densitat d'energia cinètica, la qual al comportar-se matemàticament igual a les densitats electròniques regulars, s'ha incorporat en el marc de la semblança. A partir d'aquesta mesura s'han obtingut models QSAR satisfactoris per diferents conjunts moleculars. Dins de l'aspecte del tractament de les matrius de semblança s'ha implementat l'anomenada transformació estocàstica com a alternativa a l'ús de l'índex Carbó. Aquesta transformació de la matriu de semblança permet obtenir una nova matriu no simètrica, la qual pot ser posteriorment tractada per a construir models QSAR.

A case of four-coordinate silver(I) adopting a high energy planar geometry. Experiment and theory

The ligands PhL and MeL are obtained by condensing 2-formylpyridine with benzil dihydrazone and diacetyl dihydrazone, respectively, in 2: 1 molar proportion. With silver( I), PhL yields a double-stranded dinuclear cationic helicate 1 in which the metal is tetrahedral but MeL gives a cationic one-dimensional polymeric complex 2 where silver( I) is distorted square planar and the ligand backbone is nearly planar. In both complexes, metal: ligand ratio is 1: 1. Ab initio calculations on the ligands at the HF/6-31+G* level reveal that while PhL strongly prefers a helical conformation, MeL has a natural inclination to remain in a planar conformation. Density functional theory calculations on model silver( I) complexes show that formation of the linear polymer in the case of MeL is also an important factor in imposing the planar geometry of Ag(I) in 2.

Probability density estimation with tunable kernels using orthogonal forward regression

A generalized or tunable-kernel model is proposed for probability density function estimation based on an orthogonal forward regression procedure. Each stage of the density estimation process determines a tunable kernel, namely, its center vector and diagonal covariance matrix, by minimizing a leave-one-out test criterion. The kernel mixing weights of the constructed sparse density estimate are finally updated using the multiplicative nonnegative quadratic programming algorithm to ensure the nonnegative and unity constraints, and this weight-updating process additionally has the desired ability to further reduce the model size. The proposed tunable-kernel model has advantages, in terms of model generalization capability and model sparsity, over the standard fixed-kernel model that restricts kernel centers to the training data points and employs a single common kernel variance for every kernel. On the other hand, it does not optimize all the model parameters together and thus avoids the problems of high-dimensional ill-conditioned nonlinear optimization associated with the conventional finite mixture model. Several examples are included to demonstrate the ability of the proposed novel tunable-kernel model to effectively construct a very compact density estimate accurately.

Determination of the density of the multiple access interference of a CDMA system from its moments

A standard CDMA system is considered and an extension of Pearson's results is used to determine the density function of the interference. The method is shown to work well in some cases, but not so in others. However this approach can be useful in further determining the probability of error of the system with minimal computational requirements.

The sample autocorrelation function and the detection of long-memory processes

The detection of long-range dependence in time series analysis is an important task to which this paper contributes by showing that whilst the theoretical definition of a long-memory (or long-range dependent) process is based on the autocorrelation function, it is not possible for long memory to be identified using the sum of the sample autocorrelations, as usually defined. The reason for this is that the sample sum is a predetermined constant for any stationary time series; a result that is independent of the sample size. Diagnostic or estimation procedures, such as those in the frequency domain, that embed this sum are equally open to this criticism. We develop this result in the context of long memory, extending it to the implications for the spectral density function and the variance of partial sums of a stationary stochastic process. The results are further extended to higher order sample autocorrelations and the bispectral density. The corresponding result is that the sum of the third order sample (auto) bicorrelations at lags h,k≥1, is also a predetermined constant, different from that in the second order case, for any stationary time series of arbitrary length.

Adaptive nonlinear equalizer using a mixture of gaussians based on-line density estimator

This paper introduces a new adaptive nonlinear equalizer relying on a radial basis function (RBF) model, which is designed based on the minimum bit error rate (MBER) criterion, in the system setting of the intersymbol interference channel plus a co-channel interference. Our proposed algorithm is referred to as the on-line mixture of Gaussians estimator aided MBER (OMG-MBER) equalizer. Specifically, a mixture of Gaussians based probability density function (PDF) estimator is used to model the PDF of the decision variable, for which a novel on-line PDF update algorithm is derived to track the incoming data. With the aid of this novel on-line mixture of Gaussians based sample-by-sample updated PDF estimator, our adaptive nonlinear equalizer is capable of updating its equalizer’s parameters sample by sample to aim directly at minimizing the RBF nonlinear equalizer’s achievable bit error rate (BER). The proposed OMG-MBER equalizer significantly outperforms the existing on-line nonlinear MBER equalizer, known as the least bit error rate equalizer, in terms of both the convergence speed and the achievable BER, as is confirmed in our simulation study

On-line Gaussian mixture density estimator for adaptive minimum bit-error-rate beamforming receivers

We develop an on-line Gaussian mixture density estimator (OGMDE) in the complex-valued domain to facilitate adaptive minimum bit-error-rate (MBER) beamforming receiver for multiple antenna based space-division multiple access systems. Specifically, the novel OGMDE is proposed to adaptively model the probability density function of the beamformer’s output by tracking the incoming data sample by sample. With the aid of the proposed OGMDE, our adaptive beamformer is capable of updating the beamformer’s weights sample by sample to directly minimize the achievable bit error rate (BER). We show that this OGMDE based MBER beamformer outperforms the existing on-line MBER beamformer, known as the least BER beamformer, in terms of both the convergence speed and the achievable BER.

DFT study of the electronic, vibrational, and optical properties of SnO(2)

We report results on the electronic, vibrational, and optical properties of SnO(2) obtained using first-principles calculations performed within the density functional theory. All the calculated phonon frequencies, real and imaginary parts of complex dielectric function, the energy-loss spectrum, the refractive index, the extinction, and the absorption coefficients show good agreement with experimental results. Based on our calculations, the SnO(2) electron and hole effective masses were found to be strongly anisotropic. The lattice contribution to the low-frequency region of the SnO(2) dielectric function arising from optical phonons was also determined resulting the values of E > (1aSyen) (latt) (0) = 14.6 and E > (1ayen) (latt) (0) = 10.7 for directions perpendicular and parallel to the tetragonal c-axis, respectively. This is in excellent agreement with the available experimental data. After adding the electronic contribution to the lattice contribution, a total average value of E >(1)(0) = 18.2 is predicted for the static permittivity constant of SnO(2).

Hyperfine interaction studies with (181)Ta and (111)Cd probes in the compound Ti(2)Ag

By using the time-differential perturbed angular correlation technique, the electric field gradients (EFG) at (181)Hf/(181)Ta and (111)In/(111)Cd probe sites in the MoSi(2)-type compound Ti(2)Ag have been measured as a function of temperature in the range from 24 to 1073 K. Ab initio EFG calculations have been performed within the framework of density functional theory using the full-potential augmented plane wave + local orbitals method as implemented in the WIEN2k package. These calculations allowed assignments of the probe lattice sites. For Ta, a single well-defined EFG with very weak temperature dependence was established and attributed to the [4(e)4mm] Ti site. For (111)Cd probes, two of the three measured EFGs are well defined and correlated with substitutional lattice sites, i.e. both the [4(e)4mm] Ti site and the [2(a)4/mmm] Ag site.

sigma- and pi-defects at graphene nanoribbon edges: Building spin filters

The presence of certain kinds of defects at the edges of monohydrogenated zigzag graphene nanoribbons changes dramatically the charge transport properties inducing a spin-polarized conductance. Using an approach based on density functional theory and nonequilibrium Green`s function formalism to calculate the transmittance, we classify the defects in different classes depending on their distinct transport properties: (i) sigma-defects, which do not affect the transmittance close to the Fermi energy (E(F)); and (ii) pi-defects, which cause a spin polarization of the transmittance and that can be further divided into either electron or hole defects if the spin transport polarization results in larger transmittance for the up or down spin channel, respectively.

Ab initio study of the electronic and optical properties of sillimanite (Al(2)SiO(5)) crystal

Ab initio calculations based on the density functional theory (DFT) are used to investigate the electronic and optical properties of sillimanite. The geometrical parameters of the unit cell, which contain 32 atoms, have been fully optimized and are in good agreement with the experimental data. The electronic structure shows that sillimanite has an indirect band gap of 5.18 eV. The complex dielectric function and optical constants, such as extinction coefficient, refractive index, reflectivity and energy-loss spectrum, are calculated. The optical properties of sillimanite are discussed based on the band structure calculations. It is shown that the O-2p states and Al-3s, Si-3s states play the major role in optical transitions as initial and final states, respectively. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.