articulo en formato PDF - Coordinación General de Estudios de

2014 Volumen 6, No 11.
Revista Científica de la Universidad Autónoma de Coahuila
Métodos y Usos de la Química Computacional
Computational Chemistry Methods and its Applications
Alberto Valles-Sánchez, *Lucero Rosales-Marines, Lilia Eugenia Serrato-Villegas y Lorena FaríasCepeda
Maestría en Ciencia y Tecnología Química. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Autónoma de Coahuila. Blvd. Venustiano Carranza,
25280. Saltillo, Coahuila, México.
Correo electrónico: [email protected]
Resumen
La química computacional es todo aquel aspecto de la química el cual es explicado mediante el uso de un ordenador y un software.
Principalmente, se puede decir que es la evolución de la química teórica ya que su principal uso se centra en la aplicación de los
métodos de cálculo para resolver ecuaciones y calcular propiedades a nivel molecular. Dado que la química computacional es útil
en la comprensión de sistemas químicos, es utilizada como herramienta de aprendizaje y de respaldo en investigaciones
experimentales. Ésta comprende dos grandes métodos, la mecánica molecular y la mecánica cuántica, siendo ésta última de
reciente uso en la química computacional (década de los setentas) al ser incluida en los modelos teóricos y basada en la ecuación
de Erwin Schrödinger. De la química computacional se puede obtener la información molecular necesaria para describir un
sistema, dado que es utilizada para conocer estados intermediarios de reacción, ángulos de enlace, propiedades electrónicas de la
molécula, etc. En la actualidad existen programas específicos para realizar cálculos de química computacional, los cuales difieren
en el método de cálculo, así como en la exactitud y recursos computacionales necesarios.
Palabras clave: Química computacional, mecánica molecular, mecánica cuántica, diseño molecular.
Abstract
Computational chemistry is any aspect of chemistry that is explained by a computer and a software. Mainly, we can say it is the
evolution of theoretical chemistry because its main use is focused on the application of theoretical methods to solve equations and
calculate molecular level properties. Since computational chemistry is useful in understanding chemical systems, it is used as a
learning and support tool for experimental research. This includes two main methods, molecular mechanics and quantum
mechanics. From the computational chemistry calculations, molecular properties of the system such as, reaction intermediate state,
bond angles or electronic properties of the molecule can be obtained. Currently, there are specific computational chemistry
software that allow make calculations, these programs differ in the method of calculus, precision and computational resources.
Keywords: Computational chemistry, molecular mechanics, quantum mechanics, molecular design.
INTRODUCCIÓN
La química computacional nace con la necesidad de
comprender aspectos importantes que no se pueden resolver
de forma práctica, como lo es conocer estados intermediarios
en reacciones que se efectúan rápidamente, conocer el
comportamiento de un material a temperaturas muy altas que
son muy difíciles de alcanzar en un laboratorio, o
simplemente calcular propiedades en sistemas de alto costo.
Tomando en cuenta estos aspectos, la química
computacional es una aplicación de las nuevas tecnologías
electrónicas y las matemáticas para comprender un sistema y
es utilizada, por estudiantes y profesionistas en áreas afines,
como método de estudio y aprendizaje debido a que es parte
de los materiales educativos computacionales en donde se
aprovechan los recursos tecnológicos para la comprensión de
la química (Cataldi y col. 2009).
Anteriormente, la química teórica explicaba fenómenos
químicos mediante la física clásica, sin embargo, su
investigación y su desarrollo fue innovándose hasta incluir
en ella la física cuántica, la cual se basa en las ecuaciones de
Erwin Schrödinger, incluyendo cálculos y matemáticas
avanzadas que requerían el uso de herramientas para su
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resolución. Pero fue hasta inicios de los años setentas cuando
los modelos cuánticos fueros utilizados para resolver y
calcular propiedades moleculares (Cuevas y col. 2003).
La química computacional es una disciplina relativamente
joven, dando que antes de que las computadoras fueran de
acceso general, los cálculos teóricos eran resueltos por
aproximaciones analíticas los cuales carecían de precisión
para ser predicciones fiables. Fue hasta inicios de 1960
cuando las computadoras estuvieron disponibles para la
comunidad científica (Schuster y col). Gracias al aumento y
desarrollo de tecnología en el área informática, la química
teórica ha evolucionado a un aspecto computacional, de ahí
el nombre de química computacional, que trata de resolver
los problemas clásicos de la química teórica, asi como los
problemas que surgen con los avances de la misma, mediante
el uso de un ordenador y un software.
El papel jugado por la química computacional ha sido
referenciado desde la concesión del premio Nobel de
Química a Rudolph A. Marcus en 1992 y a Walter Kohn y
John A. Pople en 1998 (Borondo 2007). Rudolph A. Marcus
obtuvo el premio nobel por su trabajo “Electron transfer
reactions in chemistry. Theory an experiment” en 1992,
dando un gran paso en el avance de lo que es hoy la química
computacional (Marcus 1993). Walter Kohn junto con Jhon
Pople obtuvieron el premio nobel por su trabajo
“Development of the density functional theory (DFT)” el
cual revolucionó los métodos cuánticos de la química
computacional (Kohn 1999). Los resultados obtenidos
mediante química computacional la han llevado a usarse no
solo en los aspectos básicos de la química teórica, sino
también en campos como la farmacología, biología
molecular, y química orgánica e inorgánica, por mencionar
algunos. El último premio nobel que se obtuvo por trabajos
de química computacional reafirma la importancia de esta
área de las ciencias. Éste fue otorgado en el 2013, a los
investigadores Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh
Warshel por el desarrollo de modelos computacionales para
la descripción de sistemas químicos complejos
(“Development of Multiscale Models for Complex Chemical
Systems”), quienes combinaron adecuadamente las teorías
clásicas y cuánticas de la física y química para dicha
investigación (García 2013).
GENERALIDADES DE LA QUÍMICA
COMPUTACIONAL
La química computacional es una parte de la ciencia que
comprende las áreas de química, biología y física unidas a la
computación, la cual permite la investigación de átomos,
moléculas y macromoléculas mediante un sistema de
ordenadores. Este tipo de análisis generalmente se llevan a
cabo cuando la investigación de laboratorio es inapropiada,
impracticable o imposible, debido a las condiciones extremas
de dichos experimentos (altas temperaturas, condiciones de
vacío, etc.), o bien a los altos costo que se generan. En
términos generales, se puede decir que es una disciplina que
comprende todos aquellos aspectos de la investigación en
química que se benefician con la aplicación de las
computadoras (Cuevas y col. 2003). Esta disciplina incluye
aspectos como, el modelado molecular, métodos
computacionales, diseño molecular asistido por ordenador,
las bases de datos químicas, el diseño de síntesis orgánica, la
búsqueda de datos en bases químicas o control de equipo
para análisis químico (Suárez 2012).
El objetivo principal de la química computacional es
predecir todo tipo de propiedades moleculares de sistemas
químicos utilizando la fisicoquímica, la física molecular y la
física cuántica, y emplea una gran variedad de técnicas
teóricas en constante desarrollo. Muchas herramientas de la
química computacional pueden ser aplicadas por todo tipo de
científicos, no solo por especialistas en el área. Para poder
aplicarla es necesario contar con conocimientos básicos de
los fundamentos de los métodos teórico, capacidad de
análisis crítico de los resultados, habilidad en manejo de
software y acceso a recursos de hardware optimizados para
el cálculo (Sax 2008).
MÉTODOS COMPUTACIONALES
Como ya se mencionó anteriormente la química
computacional abarca un amplio rango de métodos
matemáticos que pueden dividirse en dos grandes categorías:


Mecánica Molecular: Aplica las leyes de la física
clásica al núcleo molecular sin considerar
explícitamente a los electrones.
Mecánica cuántica: Se basa en la ecuación de
Shrödinger para describir una molécula con un
tratamiento directo de la estructura electrónica y
que se subdivide a su vez en dos clases según el
tratamiento realizado, métodos semiempíricos y
métodos de ab initio (“desde el principio”).
Los métodos computacionales están basados en el cálculo de
las Superficies de Energías Potenciales, las cuales se
describen cómo las fuerzas de interacción entre sus átomos,
y es así como los métodos computacionales difieren en la
manera de calcularla (Levine 2001).
Mecánica molecular
Este método se basa en el modelado matemático de una
molécula compuesta por átomos que se mantienen unidos
por enlaces. Utiliza los parámetros de fuerza de tensión y
flexión de enlace, lo cual permite interacciones entre los
átomos no enlazados. El método construye una expresión de
la energía potencial que es la unión de las posiciones
atómicas. Las funciones de energía potencial y los
parámetros usados para su evaluación se conocen como
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“campo de fuerza”. Los métodos de la mecánica molecular
se basan en los siguientes principios:








El núcleo y los electrones de un átomo están juntos,
es decir, se trata como una partícula única.
Las partículas son tratadas como si fueran esferas.
Los enlaces entre partículas se comportan como
osciladores armónicos.
Las interacciones no enlazantes entre partículas se
tratan utilizando la mecánica clásica.
Se utilizan funciones de potencial individuales para
describir las diferentes interacciones.
Las funciones de energía potencial se relacionan
con parámetros derivados empíricamente que
describen las interacciones entre los átomos.
La suma de todas las interacciones determina la
distribución espacial de un conjunto de átomos.
Las energías obtenidas en la mecánica molecular no
son cantidades absolutas sino que sólo se pueden
utilizar para comparar energías estéricas relativas
entre dos o más conformaciones de la misma
molécula.
(Leach A. 2001, Young D. 2001)
Mecánica cuántica
Los métodos de la mecánica cuántica describen las
moléculas en términos de interacciones explícitas entre
núcleos y electrones y se basan en los siguientes principios.








Los núcleos y los electrones se distinguen unos de
otros.
Las interacciones electrón-electrón y electrónnúcleo son explícitas.
Dichas interacciones están dirigidas por el
movimiento y las cargas de los electrones.
Las interacciones determinan la distribución
espacial del núcleo, los electrones y sus energías.
Los métodos de la mecánica cuántica resuelven
mediante aproximaciones la ecuación de onda de
Shrödinger.
Las distintas soluciones describen un conjunto de
posibles estados para un electrón.
La función de probabilidad normalizada indica la
probabilidad de encontrar un electrón en ese estado.
El propósito de la mecánica cuántica en una
molécula con muchos electrones y núcleos es
describir sus orbitales y energías de manera análoga
a la ecuación de Shrödinger.
(Leach A. 2001, Young D. 2001)
Dentro de los métodos de cálculo de mecánica cuántica se
han citado dos principales, los semiempíricos y los ab initio,
y ahora también se incluirá en ellos el método de la teoría del
funcional de la densidad (DFT), que es un método químico
cuántico. Los tres métodos anteriormente mencionados junto
al método de mecánica molecular son los más utilizados en
la química computacional y existen muchas derivaciones,
correcciones, colaboraciones y mejoras de ellos, pero el
principio es el mismo. Los métodos de ab initio resuelven de
modo aproximado la ecuación de Shrödinger para obtener la
energía y función de onda electrónica del sistema de interés,
se denominan “desde el principio” porque sólo utilizan
información de las constantes físicas fundamentales. Los
métodos semiempíricos emplean parámetros cuyos valores
se ajustan para concordar con los datos experimentales de
cálculos ab initio; el método del funcional de la densidad no
intenta calcular la función de onda molecular como los dos
métodos anteriores sino que calcula la densidad de
probabilidad electrónica molecular y la energía electrónica
molecular a partir de ella. La ventaja de este método es que
si se exporta bien el funcional de densidad al sistema a
resolver es muy eficiente y más rápido que los métodos ab
initio. Por último, los métodos de mecánica molecular no
calculan una función de onda molecular sino que visualizan
las moléculas como un conjunto de átomos que se mantienen
unidos por enlaces y expresa la energía molecular en
términos de constantes de fuerzas de flexión y tensión de
enlace (Leach A. 2001, Levine 2001, Ramachandran K y col
2008, Young D. 2001). Una comparación entre los cuatro
métodos puede observarse en la tabla 1.
Es importante aclarar que no existe un “mejor” método, todo
dependerá del sistema a analizar, del tipo de recursos del
ordenador o equipos disponibles, y de la exactitud que se
requiera, por lo cual cada método tiene sus ventajas y
desventajas como se puede observar en la tabla 1. Algunos
de los factores más importantes a la hora de elegir un método
de cálculo son la naturaleza de la molécula, la información
necesaria y parámetros conocidos de la molécula, así como
el tamaño del modelo, ya que los métodos están clasificados
por la cantidad de átomos a utilizar en el cálculo.
USOS DE LA QUIMICA COMPUTACIONAL
Como ya se mencionó, el principal uso de la química
computacional es poder comprender la química en sistemas
de difícil estudio. Su desarrollo ha logrado que numerosas
investigaciones tengan el respaldo matemático o modelado
del sistema lo que lleva a poder explicarlo de una forma más
precisa.
El uso de la química computacional no hace que se desligue
la parte práctica de la química, debido a que la forma de
comprobar que los modelos son los adecuados o que las
propiedades calculadas son cercanas o correctas a las
propiedades reales es el trabajo experimental. Esto quiere
decir que sin el trabajo de laboratorio la química
computacional no existiría.
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Tabla 1. Comparación de los métodos de cálculo más utilizados en química computacional.
Método
Fundamento
Mecánica
molecular
Potenciales de
física clásica.
interacción,
Rango de
Ventajas
aplicación
Se requiere poca potencia del
1-105
ordenador Gran rapidez, muy
átomos
eficientes
en
fases
condensadas.
Exactitud
y
precisión
1-102
controlable,
no
requiere
átomos
parámetros experimentales
1-103
Más rápido que ab initio pero
átomos
aplicación limitada
Ecuación de Shrödinger y
función de onda, utiliza
matemáticas rigurosas.
Teorema de Kohn Sham y
DFT
densidad electrónica
Ecuación de Shrödinger y
función de onda o Teorema de
1-104
Semiempíricos Kohn Sham y densidad
átomos
electrónica (utilizando forma
de ajuste)
Fuente: Suárez D. 2012
Ab initio
Gran rapidez, fácil de usar,
bastante fiable en moléculas
orgánicas,
utiliza
aproximaciones
Desventajas
Aplicación delimitada por el
potencial del cálculo seleccionado,
requiere datos experimentales.
Lentos,
los
métodos
más
avanzados son muy complicados
de usar
Exceso de métodos, No hay pautas
para mejorar los resultados
Errores no sistemáticos. Escasa
fiabilidad en moléculas con
metales y especies inestables,
requiere datos experimentales.
Tabla 2. Programas utilizados para química computacional.
Nombre del
programa
Distribuidor
Funciones del programa
Asp TM
Oxford
Molecular
Paquete del que se obtienen medidas cuantitativas de similaridad entre dos moléculas
basándose en una serie de propiedades físicas. Diseña fármacos mediante comparación de
propiedades.
Hardvard
University
Columbia
DelPhi
University
Daresbury
DL POLY
Laboratory
University
of
Fantom
Texas
Gaussian
Gaussian, Inc.
University
of
GETAREA
Texas
University
of
Gromacs
Groningen
CAOS/CAMM
MOLDEN
Center
the
Netherlands
University
of
MOLPRO
Birmingham
Beckman
NAMD
Institute
Wavefunction,
Spartan
Inc.
Fuente http://www.science.oas.org
CHARMM
Mecánica y dinámica molecular para macromoléculas.
Soluciona la ecuación de Poisson-Boltxmann. Calcula energías de enlace de fármacos
potenciales para su optimización.
Paquete de simulación de dinámica molecular paralelo para sistemas iónicos y
macromoléculas.
Calcula conformaciones de polipéptidos y proteínas de baja energía con experimentos de
RMN. Modelado molecular.
Paquete de programas ab initio para cálculos de estructura electrónica molecular
Calcula el área superficial accesible en solventes y la energía de solvatación atómica para
macromoléculas.
Dinámica molecular en Paralelo para proteínas, lípidos y ácidos nucleicos
Es un programa que despliega densidades moleculares calculadas desde paquetes Ab Initio
como GAMMES-UK, GAMME-US, y GAUSSIAN, además de paquetes semi-empíricos
como Mopac/Ampac.
Paquete de programas ab initio para cálculos de estructura electrónica molecular
Dinámica molecular de sistemas biológicos
Modelado molecular: ab initio HF y MP2, funcionales de la densidad, semiempíricos
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Para el uso de la química computacional es necesario utilizar
software que tenga incluidos los métodos de cálculo.
Algunos software de química computacional se mencionan
en la tala 2 y todos se encuentran disponible para
plataformas UNIX. En ella se observa que existen una gran
variedad de programas especializados, lo que difiere en ellos
son el método y objetivo a calcular. La eficiencia de cada
programa está dada por la elección correcta del método con
el cual se analizará el sistema. Con la creación de las
aplicaciones web, actualmente muchos software de química
computacional operan en línea lo que permite no tener que
almacenar datos localmente, reduciendo de esta forma la
necesidad de instalación y administración local. Por lo tanto
en la química computacional la disposición de datos de
entrada, cálculos, representación gráfica e interpretación de
datos puede realizarse en un servidor (Entzian y col 2009).

Un procedimiento general utilizado en la química
computacional se muestra en la Figura 1 (Cjuno y col 2003).

La implementación y aplicación de la química
computacional nos permite investigar múltiples propiedades
y comportamientos moleculares como los siguientes (Lewars
2011):



La geometría molecular en un sentido amplio,
además de distancias y ángulos de enlace, es posible
caracterizar la forma y tamaños relativos de todo
tipo de moléculas y macromoléculas.
La energía de todo tipo de especies químicas,
incluyendo intermedios, estados de transición,
estados excitados, etc. Es posible estimar
magnitudes termodinámicas tanto en fase gas como
en fases condensadas.
La reactividad química. La química computacional
dispone de herramientas sofisticadas para el cálculo
de todo tipo de propiedades cinéticas como
constantes de velocidad, efectos científicos
isotópicos, secciones eficaces de reacción, etc.
Las propiedades espectroscópicas, pero también
todo tipo de propiedades eléctricas y magnéticas de
moléculas individuales.
Las propiedades físicas de las fases condensadas.
La descripción correcta de las interacciones
intermoleculares es un desafío que es posible
afrontar con éxito con la ayuda de varios métodos.
Figura 1. Procedimiento general de la química computacional
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CONCLUSIONES
La química computacional es la actualización de la química
teórica, y es todo aquello que se calcula y se explica
mediante el uso de ordenadores y software orientados a la
química, por lo cual depende directamente de los avances
tecnológicos en el área de informática y electrónica. En la
actualidad la química computacional juega un papel
importante en las áreas de aprendizaje e investigación porque
con ella se pueden analizar sistemas a condiciones extremas,
como lo son altas temperaturas o presiones de vacío, además
permite analizar sistemas que experimentalmente generarían
un alto costo.
Existen dos grandes divisiones en los métodos de la química
computacional que lo son la mecánica molecular y la
mecánica cuántica, de los cuales la diferencia son los
principios y leyes físicas que se aplican. En general un
algoritmo de química computacional comprende cuatro
etapas: diseño molecular, elección del método de cálculo,
resultados y parámetros, cálculo de propiedades.
De la química computacional se puede obtener mucha
información de un sistema, desde propiedades globales,
como temperaturas y energía, a particulares de cada
molécula, como ángulos de enlace o energías
conformacionales. Por lo cual representa una rama de gran
importancia en la química moderna y actual.
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