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.

Geostatistics for constrained variables: positive data, compositions and probabilities. Applications to environmental hazard monitoring

Aquesta tesi estudia com estimar la distribució de les variables regionalitzades l'espai mostral i l'escala de les quals admeten una estructura d'espai Euclidià. Apliquem el principi del treball en coordenades: triem una base ortonormal, fem estadística sobre les coordenades de les dades, i apliquem els output a la base per tal de recuperar un resultat en el mateix espai original. Aplicant-ho a les variables regionalitzades, obtenim una aproximació única consistent, que generalitza les conegudes propietats de les tècniques de kriging a diversos espais mostrals: dades reals, positives o composicionals (vectors de components positives amb suma constant) són tractades com casos particulars. D'aquesta manera, es generalitza la geostadística lineal, i s'ofereix solucions a coneguts problemes de la no-lineal, tot adaptant la mesura i els criteris de representativitat (i.e., mitjanes) a les dades tractades. L'estimador per a dades positives coincideix amb una mitjana geomètrica ponderada, equivalent a l'estimació de la mediana, sense cap dels problemes del clàssic kriging lognormal. El cas composicional ofereix solucions equivalents, però a més permet estimar vectors de probabilitat multinomial. Amb una aproximació bayesiana preliminar, el kriging de composicions esdevé també una alternativa consistent al kriging indicador. Aquesta tècnica s'empra per estimar funcions de probabilitat de variables qualsevol, malgrat que sovint ofereix estimacions negatives, cosa que s'evita amb l'alternativa proposada. La utilitat d'aquest conjunt de tècniques es comprova estudiant la contaminació per amoníac a una estació de control automàtic de la qualitat de l'aigua de la conca de la Tordera, i es conclou que només fent servir les tècniques proposades hom pot detectar en quins instants l'amoni es transforma en amoníac en una concentració superior a la legalment permesa.

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.

Diplomacia transfronteriza en tiempos de revolución: el Alto Río Negro iberoamericano, 1815-1820 (Estudios)

This article studies the impacts of the independence war in the regional border of the High Negro River, taking as it’s object of analysis the existing multiples connections between the inhabitants of both sides of the imaginary boundary line. From July 1817, the independence war in Venezuela changed the coordinates: the struggles between the republican patriots and those obedient to the King (Realistas), faithful to the restoration of the Spanish monarchy of Fernando VII, managed the great border region, and influenced the political, social and local dynamics, mainly the existing cross-border relations between both, impacted the ordinary life of the local population and affected the diplomacy between the Portuguese and Spanish American authorities, those faithful to the King (Realistas) and patriots.

Efficient evaluation of highly oscillatory acoustic scattering surface integrals

We consider the approximation of some highly oscillatory weakly singular surface integrals, arising from boundary integral methods with smooth global basis functions for solving problems of high frequency acoustic scattering by three-dimensional convex obstacles, described globally in spherical coordinates. As the frequency of the incident wave increases, the performance of standard quadrature schemes deteriorates. Naive application of asymptotic schemes also fails due to the weak singularity. We propose here a new scheme based on a combination of an asymptotic approach and exact treatment of singularities in an appropriate coordinate system. For the case of a spherical scatterer we demonstrate via error analysis and numerical results that, provided the observation point is sufficiently far from the shadow boundary, a high level of accuracy can be achieved with a minimal computational cost.

Algorithm for generating defective graphene sheets

An algorithm is presented for the generation of molecular models of defective graphene fragments, containing a majority of 6-membered rings with a small number of 5- and 7-membered rings as defects. The structures are generated from an initial random array of points in 2D space, which are then subject to Delaunay triangulation. The dual of the triangulation forms a Voronoi tessellation of polygons with a range of ring sizes. An iterative cycle of refinement, involving deletion and addition of points followed by further triangulation, is performed until the user-defined criteria for the number of defects are met. The array of points and connectivities are then converted to a molecular structure and subject to geometry optimization using a standard molecular modeling package to generate final atomic coordinates. On the basis of molecular mechanics with minimization, this automated method can generate structures, which conform to user-supplied criteria and avoid the potential bias associated with the manual building of structures. One application of the algorithm is the generation of structures for the evaluation of the reactivity of different defect sites. Ab initio electronic structure calculations on a representative structure indicate preferential fluorination close to 5-ring defects.

The Representative Soil Sampling Scheme of England and Wales: the spatial variation of topsoil nutrient status and pH between 1971 and 2001

The Representative Soil Sampling Scheme (RSSS) has monitored the soil of agricultural land in England and Wales since 1969. Here we describe the first spatial analysis of the data from these surveys using geostatistics. Four years of data (1971, 1981, 1991 and 2001) were chosen to examine the nutrient (available K, Mg and P) and pH status of the soil. At each farm, four fields were sampled; however, for the earlier years, coordinates were available for the farm only and not for each field. The averaged data for each farm were used for spatial analysis and the variograms showed spatial structure even with the smaller sample size. These variograms provide a reasonable summary of the larger scale of variation identified from the data of the more intensively sampled National Soil Inventory. Maps of kriged predictions of K generally show larger values in the central and southeastern areas (above 200 mg L-1) and an increase in values in the west over time, whereas Mg is fairly stable over time. The kriged predictions of P show a decline over time, particularly in the east, and those of pH show an increase in the east over time. Disjunctive kriging was used to examine temporal changes in available P using probabilities less than given thresholds of this element. The RSSS was not designed for spatial analysis, but the results show that the data from these surveys are suitable for this purpose. The results of the spatial analysis, together with those of the statistical analyses, provide a comprehensive view of the RSSS database as a basis for monitoring the soil. These data should be taken into account when future national soil monitoring schemes are designed.

An adaptive finite element water column model using the Mellor-Yamada level 2.5 turbulence closure scheme

A one-dimensional water column model using the Mellor and Yamada level 2.5 parameterization of vertical turbulent fluxes is presented. The model equations are discretized with a mixed finite element scheme. Details of the finite element discrete equations are given and adaptive mesh refinement strategies are presented. The refinement criterion is an "a posteriori" error estimator based on stratification, shear and distance to surface. The model performances are assessed by studying the stress driven penetration of a turbulent layer into a stratified fluid. This example illustrates the ability of the presented model to follow some internal structures of the flow and paves the way for truly generalized vertical coordinates. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Calibrating flood inundation models: identifying and addressing uncertainty in satellite observed flood extents

Improvements in the resolution of satellite imagery have enabled extraction of water surface elevations at the margins of the flood. Comparison between modelled and observed water surface elevations provides a new means for calibrating and validating flood inundation models, however the uncertainty in this observed data has yet to be addressed. Here a flood inundation model is calibrated using a probabilistic treatment of the observed data. A LiDAR guided snake algorithm is used to determine an outline of a flood event in 2006 on the River Dee, North Wales, UK, using a 12.5m ERS-1 image. Points at approximately 100m intervals along this outline are selected, and the water surface elevation recorded as the LiDAR DEM elevation at each point. With a planar water surface from the gauged upstream to downstream water elevations as an approximation, the water surface elevations at points along this flooded extent are compared to their ‘expected’ value. The pattern of errors between the two show a roughly normal distribution, however when plotted against coordinates there is obvious spatial autocorrelation. The source of this spatial dependency is investigated by comparing errors to the slope gradient and aspect of the LiDAR DEM. A LISFLOOD-FP model of the flood event is set-up to investigate the effect of observed data uncertainty on the calibration of flood inundation models. Multiple simulations are run using different combinations of friction parameters, from which the optimum parameter set will be selected. For each simulation a T-test is used to quantify the fit between modelled and observed water surface elevations. The points chosen for use in this T-test are selected based on their error. The criteria for selection enables evaluation of the sensitivity of the choice of optimum parameter set to uncertainty in the observed data. This work explores the observed data in detail and highlights possible causes of error. The identification of significant error (RMSE = 0.8m) between approximate expected and actual observed elevations from the remotely sensed data emphasises the limitations of using this data in a deterministic manner within the calibration process. These limitations are addressed by developing a new probabilistic approach to using the observed data.

Harmonic force fields from scaled SCF calculations: Program ASYM40

We report an extended version of our normal coordinate program ASYM40, which may be used to transform Cartesian force constants from ab initio calculations to a force field in nonredundant internal (symmetry) coordinates. When experimental data are available, scale factors for the theoretical force field may then be optimized by least-squares refinement. The alternative of refining an empirical force field to fit a wide variety of data, as with the previous version ASYM20, has been retained. We compare the results of least-squares refinement of the full harmonic force field with least-squares refinement of only the scale factors for an SCF calculated force field and conclude that the latter approach may be useful for large molecules where more sophisticated calculations are impractical. The refinement of scale factors for a theoretical force field is also useful when there are only limited spectroscopic data. The program will accept ab initio calculated force fields from any program that presents Cartesian force constants as output. The program is available through Quantum Chemistry Program Exchange.

Anharmonic force constant calculations

The relationship of the anharmonic force constants in curvilinear internal coordinates to the observed vibration-rotation spectrum of a molecule is reviewed. A simplified method of setting up the required non-linear coordinate transformations is described: this makes use of an / tensor, which is a straightforward generalization of the / matrix used in the customary description of harmonic force constant calculations. General formulae for the / tensor elements, in terms of the familiar L matrix elements, are presented. The use of non-linear symmetry coordinates and redundancies are described. Sample calculations on the water and ammonia molecules are reported.

Vibrational intensities VI: ethylene and its deutero-isotopes

Absolute intensity measurements have been made on the fundamental vibrations of ethylene and four of its deuteroisotopes. The bands were pressure broadened with nitrogen at 50 atmos, and the intensities were determined by the method of Wilson and Wells except that the observed optical density was integrated against logv rather than v. Normal coordinates have been calculated, and the intensities have been interpreted in terms of quantities (∂p/∂Si) giving the change in dipole moment with respect to each internal symmetry coordinate. Data from the different isotopic species have been used to eliminate ambiguities in the interpretation. Effective bond moments are calculated for each symmetry coordinate.

Vibration–rotation variational calculations: precise results on HCN up to 25 000 cm−1

Variation calculations of the vibration–rotation energy levels of many isotopomers of HCN are reported, for J=0, 1, and 2, extending up to approximately 8 quanta of each of the stretching vibrations and 14 quanta of the bending mode. The force field, which is represented as a polynomial expansion in Morse coordinates for the bond stretches and even powers of the angle bend, has been refined by least squares to fit simultaneously all observed data on the Σ and Π state vibrational energies, and the Σ state rotational constants, for both HCN and DCN. The observed vibrational energies are fitted to roughly ±0.5 cm−1, and the rotational constants to roughly ±0.0001 cm−1. The force field has been used to predict the vibration rotation spectra of many isotopomers of HCN up to 25 000 cm−1. The results are consistent with the axis‐switching assignments of some weak overtone bands reported recently by Jonas, Yang, and Wodtke, and they also fit and provide the assignment for recent observations by Romanini and Lehmann of very weak absorption bands above 20 000 cm−1.

Microwave spectrum of 2-aminopyridine

The microwave spectra of 2-aminopyridine-NH2, -ND2, and of both of the two possible -NHD molecules have been observed and assigned in the 0+ vibrational state of the amino group inversion vibration; the assignment for three of the molecules in the 0− state is also made. From intensity measurements the 0+-0− splitting is estimated to be 135 ± 25 cm−1 for the -NH2 molecule and 95 ± 30 cm−1 for the -ND2 molecule. The rotational constants are interpreted in terms of a structure in which the amino group is bent about 32° out of the molecular plane, the c coordinates of the two amino H atoms being 0.21 and 0.28 Å. Stark effect measurements give a dipole moment of about 0.9 D which is almost entirely in the b axis, and which changes quite significantly between the 0+ and 0− states.

Vibrational intensities VII: ethane and ethane-d6

Absolute intensity measurements have been made on the fundamental vibrations of C2H6 and C2D6, using the extrapolation method of Wilson and Wells and using nitrogen at pressures up to 50 atmospheres to broaden the bands. The absorption coefficient was integrated against the logarithm of the frequency. Normal coordinates were calculated from the potential function of Hansen and Dennison, and were used to interpret the results in terms of quantities (∂p/∂Si) giving the change of dipole moment with respect to the symmetry coordinates Si. Consistency of data between the isotopes was used both to eliminate ambiguities in the interpretation, and as a criterion in separating overlapping pairs of absorption bands. The results have been interpreted in terms of bond effective moments.