modelamiento en qca teorica

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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!
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