Anharmonicity contributions to the vibrational second hyperpolarizability of conjugated oligomers

Restricted Hartree-Fock 6-31G calculations of electrical and mechanical anharmonicity contributions to the longitudinal vibrational second hyperpolarizability have been carried out for eight homologous series of conjugated oligomers - polyacetylene, polyyne, polydiacetylene, polybutatriene, polycumulene, polysilane, polymethineimine, and polypyrrole. To draw conclusions about the limiting infinite polymer behavior, chains containing up to 12 heavy atoms along the conjugated backbone were considered. In general, the vibrational hyperpolarizabilities are substantial in comparison with their static electronic counterparts for the dc-Kerr and degenerate four-wave mixing processes (as well as for static fields) but not for electric field-induced second harmonic generation or third harmonic generation. Anharmonicity terms due to nuclear relaxation are important for the dc-Kerr effect (and for the static hyperpolarizability) in the σ-conjugated polymer, polysilane, as well as the nonplanar π systems polymethineimine and polypyrrole. Restricting polypyrrole to be planar, as it is in the crystal phase, causes these anharmonic terms to become negligible. When the same restriction is applied to polymethineimine the effect is reduced but remains quantitatively significant due to the first-order contribution. We conclude that anharmonicity associated with nuclear relaxation can be ignored, for semiquantitative purposes, in planar π-conjugated polymers. The role of zero-point vibrational averaging remains to be evaluated

Basis set superposition error-counterpoise corrected potential energy surfaces : application to hydrogen peroxide ... X (X=F-, Cl-, Br-, Li+, Na+) complexes

Møller-Plesset (MP2) and Becke-3-Lee-Yang-Parr (B3LYP) calculations have been used to compare the geometrical parameters, hydrogen-bonding properties, vibrational frequencies and relative energies for several X- and X+ hydrogen peroxide complexes. The geometries and interaction energies were corrected for the basis set superposition error (BSSE) in all the complexes (1-5), using the full counterpoise method, yielding small BSSE values for the 6-311 + G(3df,2p) basis set used. The interaction energies calculated ranged from medium to strong hydrogen-bonding systems (1-3) and strong electrostatic interactions (4 and 5). The molecular interactions have been characterized using the atoms in molecules theory (AIM), and by the analysis of the vibrational frequencies. The minima on the BSSE-counterpoise corrected potential-energy surface (PES) have been determined as described by S. Simón, M. Duran, and J. J. Dannenberg, and the results were compared with the uncorrected PES

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

The aromatic fluctuation index (FLU): a new aromaticity index based on electron delocalization

In this work, the aromatic fluctuation index (FLU) that describes the fluctuation of electronic charge between adjacent atoms in a given ring is introduced as a new aromaticity measure. This new electronic criterion of aromaticity is based on the fact that aromaticity is related to the cyclic delocalized circulation of π electrons. It is defined not only considering the amount of electron sharing between contiguous atoms, which should be substantial in aromatic molecules, but also taking into account the similarity of electron sharing between adjacent atoms. For a series of rings in 15 planar polycyclic aromatic hydrocarbons, we have found that, in general, FLU is strongly correlated with other widely used indicators of local aromaticity, such as the harmonic-oscillator model of aromaticity, the nucleus independent chemical shift, and the para-delocalization index (PDI). In contrast to PDI, the FLU index can be applied to study the aromaticity of rings with any number of members and it can be used to analyze both the local and global aromatic character of rings and molecules

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

Two complementary molecular energy decomposition schemes: the Mayer and Ziegler-Rauk methods in comparison

In the present paper we discuss and compare two different energy decomposition schemes: Mayer's Hartree-Fock energy decomposition into diatomic and monoatomic contributions [Chem. Phys. Lett. 382, 265 (2003)], and the Ziegler-Rauk dissociation energy decomposition [Inorg. Chem. 18, 1558 (1979)]. The Ziegler-Rauk scheme is based on a separation of a molecule into fragments, while Mayer's scheme can be used in the cases where a fragmentation of the system in clearly separable parts is not possible. In the Mayer scheme, the density of a free atom is deformed to give the one-atom Mulliken density that subsequently interacts to give rise to the diatomic interaction energy. We give a detailed analysis of the diatomic energy contributions in the Mayer scheme and a close look onto the one-atom Mulliken densities. The Mulliken density ρA has a single large maximum around the nuclear position of the atom A, but exhibits slightly negative values in the vicinity of neighboring atoms. The main connecting point between both analysis schemes is the electrostatic energy. Both decomposition schemes utilize the same electrostatic energy expression, but differ in how fragment densities are defined. In the Mayer scheme, the electrostatic component originates from the interaction of the Mulliken densities, while in the Ziegler-Rauk scheme, the undisturbed fragment densities interact. The values of the electrostatic energy resulting from the two schemes differ significantly but typically have the same order of magnitude. Both methods are useful and complementary since Mayer's decomposition focuses on the energy of the finally formed molecule, whereas the Ziegler-Rauk scheme describes the bond formation starting from undeformed fragment densities

One- and two-center physical space partitioning of the energy in the density functional theory

A conceptually new approach is introduced for the decomposition of the molecular energy calculated at the density functional theory level of theory into sum of one- and two-atomic energy components, and is realized in the "fuzzy atoms" framework. (Fuzzy atoms mean that the three-dimensional physical space is divided into atomic regions having no sharp boundaries but exhibiting a continuous transition from one to another.) The new scheme uses the new concept of "bond order density" to calculate the diatomic exchange energy components and gives them unexpectedly close to the values calculated by the exact (Hartree-Fock) exchange for the same Kohn-Sham orbitals

Sobre els mapes de semblança quàntica molecular

Partint de les definicions usuals de Mesures de Semblança Quàntica (MSQ), es considera la dependència d'aquestes mesures respecte de la superposició molecular. Pel cas particular en qnè els sistemes comparats siguin una molècula i un Àtom i que les mesures es calculin amb l'aproximació EASA, les MSQ esdevenen funcions de les tres coordenades de l'espai. Mantenint fixa una de les tres coordenades, es pot representar fàcilment la variació del valor de semblança en un pla determinat, i obtenir els anomenats mapes de semblança. En aquest article, es comparen els mapes de semblança obtinguts amb diferents MSQ per a sistemes senzills

Relacions estructura-propietat per un conjunt d'hidrocarburs a partir de nous descriptors tridimensionals derivats de la semblança molecular quàntica

En aquest article es defineixen uns nous índexs tridimensionals per a la descripció de les molècules a partir de paràmetres derivats de la Teoria de la Semblança Molecular i de les distàncies euclidianes entre els àtoms i les càrregues atòmiques efectives. Aquests indexs, anomenats 3D, s'han aplicat a l'estudi de les relacions estructura-propietat d'una família d'hidrocarburs, i han demostrat una capacitat de descripció de tres propietats de la família (temperatura d'ebullició, temperatura de fusió i densitat) molt més acurada que quan s'utilitzen els indexs 2D clàssics

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.

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.

Development, implementation and application of electronic structural descriptors to the analysis of the chemical bonding, aromaticity and chemical reactivity

En la literatura sobre mecànica quàntica és freqüent trobar descriptors basats en la densitat de parells o la densitat electrònica, amb un èxit divers segons les aplicacions que atenyin. Per tal de que tingui sentit químic un descriptor ha de donar la definició d'un àtom en una molècula, o ésser capaç d'identificar regions de l'espai molecular associades amb algun concepte químic (com pot ser un parell solitari o zona d'enllaç, entre d'altres). En aquesta línia, s'han proposat diversos esquemes de partició: la teoria d'àtoms en molècules (AIM), la funció de localització electrònica (ELF), les cel·les de Voroni, els àtoms de Hirshfeld, els àtoms difusos, etc. L'objectiu d'aquesta tesi és explorar descriptors de la densitat basats en particions de l'espai molecular del tipus AIM, ELF o àtoms difusos, analitzar els descriptors existents amb diferents nivells de teoria, proposar nous descriptors d'aromaticitat, així com estudiar l'habilitat de totes aquestes eines per discernir entre diferents mecanismes de reacció.

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.

Adsorption, orientation and thermal decomposition of copper(II) hexafluoroacetylacetonate on rutile TiO2(110)

We have investigated the adsorption and thermal decomposition of copper hexafluoroacetylacetonate (Cu-11(hfaC)(2)) on single crystal rutile TiO2(110). Low energy electron diffraction shows that room temperature saturation coverage of the Cu-II(hfac)(2) adsorbate forms an ordered (2 x 1) over-layer. X-ray and ultra-violet photoemission spectroscopy of the saturated surface were recorded as the sample was annealed in a sequential manner to reveal decomposition pathways. The results show that the molecule dissociatively adsorbs by detachment of one of the two ligands to form hfac and Cu-1(hfac) which chemisorb to the substrate at 298 K. These ligands only begin to decompose once the surface temperature exceeds 473 K where Cu core level shifts indicate metallisation. This reduction from Cu(I) to Cu(0) takes place in the absence of an external reducing agent and without disproportionation and is accompanied by the onset of decomposition of the hfac ligands. Finally, C K-edge near edge X-ray absorption fine structure experiments indicate that both the ligands adsorb aligned in the < 001 > direction and we propose a model in which the hfac ligands adsorb on the 5-fold coordinated Ti atoms and the Cu-1(hfac) moiety attaches to the bridging O atoms in a square planar geometry. The calculated tilt angle for these combined geometries is approximately 10 degrees to the surface normal.