MODELOS Y MODELAMIENTO EN QUÍMICA TEÓRICA Jovanny Arlés Gómez Castaño Químico, Universidad del Quindio, Colombia PhD, Universidad Nacional de la Plata, Argentina MODELOS Y MODELAMIENTO EN QUIMICA TEORICA • Introducción a los fundamentos •Algunos ejercicios ilustrativos • Conclusiones MODELOS Y MODELAMIENTO EN QUIMICA TEORICA • Introducción a los fundamentos •Algunos ejercicios ilustrativos • Conclusiones MODELOS Y MODELAMIENTO EN QUIMICA TEORICA ¿ QUE ES UN MODELO ? De acuerdo a la RAE: Esquema teórico, generalmente en forma matemática, de un sistema o de una realidad compleja, como la evolución económica de un país, que se elabora para facilitar su comprensión y el estudio de su comportamiento. ¿ QUE ES UN MODELO ? De acuerdo a la RAE: Esquema teórico, generalmente en forma matemática, de un sistema o de una realidad compleja, como la evolución económica de un país, que se elabora para facilitar su comprensión y el estudio de su comportamiento. “Un modelo es una forma simple de describir y/o predecir algo”. ¿ QUE ES UN MODELO ? De acuerdo a la RAE: Esquema teórico, generalmente en forma matemática, de un sistema o de una realidad compleja, como la evolución económica de un país, que se elabora para facilitar su comprensión y el estudio de su comportamiento. “Un modelo es una forma simple de describir y/o predecir algo”. - Descripciones matemáticas. - Descripciones completamente no matemáticas MODELOS Y MODELAMIENTO EN QUIMICA TEORICA MODELOS Y MODELAMIENTO EN QUIMICA TEORICA EJEMPLOS DE ALGUNOS MODELOS USADOS FRECUENTEMENTE EN QUÍMICA Modelo del budín de pasas Modelo del mar de electrones Modelo RPECV Modelos moleculares Modelo de barras y esferas para la molécula de metano MODELOS Y MODELAMIENTO EN QUIMICA TEORICA MODELOS Y MODELAMIENTO EN QUIMICA TEORICA Química teórica Descripción matemática de la Química Cuando un método matemático esta lo suficientemente bien desarrollado que puede ser automatizado para su implementación en un ordenador Química computacional Modelar un sistema químico previo a su síntesis en el laboratorio A priori Como ayuda para entender un problema químico más completamente. Post facto Métodos (o cálculos) teóricocomputacionales de estructuras moleculares Métodos (o cálculos) teóricocomputacionales de estructuras moleculares DOS GRANDES LINEAS MECÁNICA MOLECULAR (MM) MECÁNICA CUANTICA (QM) CON AMBOS METODOS SE PUEDEN REALIZAR LOS SIGUIENTES CÁLCULOS Energía de una estructura molecular particular (SPEC) Distribución de Carga, Momento dipolar, Orbitales Moleculares, RMN. Optimizaciones geométricas Superficie(s) de Energía Potencial (SEP) Frecuencias vibracionales Propiedades termoquímicas MECÁNICA MOLECULAR (MM) Usa las leyes de la física clásica Existen diferentes métodos, MM2, MM3, MMX, MMFF94, cada uno caracterizado por un campo de fuerza en particular - Un conjunto de ecuaciones - Tipos de átomos - Conjuntos de parámetros Efectos electrónicos no son tratados explícitamente - Computacionalmente “económicos” - Pueden ser usados en sistemas muy grandes LIMITACIONES DE LA (MM) Con cada campo de fuerza se logran buenos resultados solo para una limitada clase de moléculas No se pueden describir procesos en los cuales los efectos electrónicos son predominantes - Formación o rompimiento de enlaces ALCHEMY, AMBER MECANICA CUANTICA (QM) H E - Métodos Semi-empíricos - Métodos ab initio (o de los primeros principios) - Métodos de los funcionales de la densidad (DFT) MÉTODOS SEMI-EMPIRICOS Metódos mecanico-cuanticos que usan parametros derivados de datos experimentales o de cálculos ab-initio AM1, MINDO/3, PM3 MOPAC, AMPAC, Hyperchem, Gaussian MÉTODOS ab initio Metodos mecanico-cuanticos que no utilizan parámetros experimentales Sus calculos se basan exlusivamente en las leyes de la mecanica cuantica y algunos valores de un numero pequeño de constantes fisicas (la velocidad de la luz, masas y cargas electronicas y nucleares, constante de Planck.) Usa una serie de aproximaciones matematicas rigurosas para resolver la ecuación de Schrödinger TEORIA DE LOS FUNCIONALES DE LA DENSIDAD (DFT) No calcula la función de onda molecular, sino la densidad de probabilidad electrónica molecular, ρ, a partir de la cual obtiene la energía electrónica molecular. Pero.., en la practica ¿cómo son implementados estos cálculos químico-computacionales? Programas computacionales: Construir Procesar Visualizar Programas computacionales: Construir HyperChem Spartan PCModel Chem3D GaussView WebMO MOE Cache Otros Procesar Visualizar Programas computacionales: Construir HyperChem Spartan PCModel Chem3D GaussView WebMO MOE Cache Otros Procesar HyperChem Spartan PCModel Chem3D Gaussian ADF Jaguar Gamess Otros Visualizar Programas computacionales: Construir HyperChem Spartan PCModel Chem3D GaussView WebMO MOE Cache Otros Procesar HyperChem Spartan PCModel Chem3D Gaussian ADF Jaguar Gamess Otros Visualizar HyperChem Spartan PCModel Chem3D GaussView Molekel gOpenMol T3D, MOE Otros MODELOS Y MODELAMIENTO EN QUIMICA TEORICA • Introducción a los fundamentos •Algunos ejercicios ilustrativos • Conclusiones MODELOS Y MODELAMIENTO EN QUIMICA TEORICA • Introducción a los fundamentos •Algunos ejercicios ilustrativos • Conclusiones Ejemplo: Conformaciones de la molécula CHF2C(O)SeH Ejemplo: Conformaciones de la molécula CHF2C(O)SeH Ejemplo: Conformaciones de la molécula CHF2C(O)SeH CONSTRUIR PROCESAR VIZUALIZAR GaussView Gaussian GaussView J. A. Gómez, R. M. Romano, H. Beckers, H. Willner, R. Boese, y C. O. Della Védova. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 10114-10118. Ejemplo: Mecanismos reacción fotoquimica entre OCSe y F2 Absorbancia 0,08 0,04 1 min. 0,00 1860 0 min. 1840 1820 1800 -1 N ú m e r o s d e o n d a s [ cm ] Absorbancia 0,08 0,04 3 min. 1 min. 0,00 1860 0 min. 1840 1820 1800 -1 N ú m e r o s d e o n d a s [ cm ] Absorbancia 0,08 0,04 8 min. 3 min. 1 min. 0,00 1860 0 min. 1840 1820 1800 -1 N ú m e r o s d e o n d a s [ cm ] Absorbancia 0,08 15 min. 0,04 8 min. 3 min. 1 min. 0,00 1860 0 min. 1840 1820 1800 -1 N ú m e r o s d e o n d a s [ cm ] syn-FC(O)SeF 0,10 Absorbancia 1845,7 cm syn-FC(O)SeF anti-FC(O)SeF -1 1117,5 cm -1 0,05 -1 678,9 cm (x4) 0,00 0 20 0,08 t / min. 40 0,15 anti-FC(O)SeF 0,10 1808,0 cm -1 1089,0 cm -1 15 min. 0,04 8 min. 3 min. 1 min. 0,00 1860 Absorbancia Absorbancia 45 min. 0,05 0 min. 1840 1820 1800 -1 667,9 cm (x2) 0,00 -1 N ú m e r o s d e o n d a s [ cm ] 0 20 t / min. 40 0,4 Absorbancia -1 2011,4 cm 0,2 -1 851,7 cm (x10) 0,0 0 OCSe OCSe···F2 0,012 3 2 1 tiempo/minutos OCSe···F2 Absorbancia 1,0 0,006 0,5 2020 2010 2000 -1 Número de ondas (cm ) 0,000 900 880 860 840 820 -1 Número de ondas (cm ) 800 0,4 Absorbancia -1 2011,4 cm 0,2 -1 851,7 cm (x10) 0,0 0 OCSe OCSe···F2 0,012 3 2 1 tiempo/minutos OCSe···F2 Absorbancia 1,0 0,006 0,5 2020 2010 2000 -1 Número de ondas (cm ) 0,000 900 880 860 840 820 -1 Número de ondas (cm ) 800 CO 0,12 Absorbancia CO···SeF2 0,06 CO libre 0,00 2170 2160 2150 2140 2130 -1 N ú m e r o s d e o n d a s [cm ] 2120 O C Se + F F F h O C Se h F F h Se C O O F F h Se C O C + F F Se F O C Se + F F F h O C Se h F F h Se C O O F F h Se C O C + F F J. A. Gómez , A. L. Picone, R. M. Romano, H. Willner, y C. O. Della Védova. Chem. Eur. J. 2007, 13, 9355-9361. Se F Algunas conclusiones La Química Computacional se ha convertido en una poderosa herramienta de la Química Moderna Para la interpretación de los resultados experimentales, y en sí misma constituye un área de investigación independiente que crece día a día a pasos agigantados. Puede ser implementada tambien como un valioso complemento didactico de la enseñanza de la Quimica Una conclusión final: Hoy, con la implementación de programas cada vez más fáciles de utilizar – “más amigables” - y con la accesibilidad a computadoras personales de alta velocidad – disponibles en una de las tiendas de tecnología del centro comercial más cercano - cualquier químico puede llevar en su mochila o maletín todo un laboratorio de química computacional, listo para ejecutar en él estudios químicos teóricos del más alto nivel investigativo. ¡Gracias por su atención!