Introducción a la Química Computacional

Introducción a la Química Computacional y al Diseño Molecular

• La Química computacional es una herramienta esencial en las ciencias, la informática y, a menudo, en las humanidades.

Áreas de aplicación

• La química computacional se utiliza en una amplia gama de disciplinas, incluyendo:
  • Bioinformática
  • Quiminformática
  • Quimiometría
  • Biología computacional
  • Matemática computacional
  • Economía
  • Ingeniería
  • Mecánica computacional
  • Física computacional
  • Ingeniería computacional
  • Computación de alto rendimiento
  • Electromagnetismo computacional
  • Dinámica de fluidos computacional
  • Economía computacional
  • Simulación medioambiental
  • Epidemiología
  • Clima
  • Modelamiento financiero
  • Sistema de Información Geográfica
  • Aprendizaje Automático
  • Análisis de red
  • Predicción numérica de tiempo atmosférico
  • Reconocimiento de patrones
  • Machine Learning
  • Redes Neuronales

Historia y ejemplos de la Química Computacional

• La química computacional ha evolucionado significativamente a lo largo de los años.
• Deep Blue (1996) logró procesar 100 millones de posiciones por segundo con una capacidad de ~ 5 gigaflops.
• Deeper Blue (1997) mejoró su velocidad a 200 millones de posiciones por segundo, alcanzando ~11 gigaflops.
• Deeper Blue fue la computadora 259 más potente del mundo en su momento, aunque no se basaba en métodos ab initio.

Aproximación de Born-Oppenheimer

• La aproximación de Born-Oppenheimer simplifica la ecuación de Schrödinger para moléculas poliatómicas.
• Se divide la ecuación en dos partes:
  • La ecuación de Schrödinger electrónica (núcleos fijos)
  • La ecuación de Schrödinger nuclear

Optimización

• Los métodos de optimización se utilizan para determinar la geometría de equilibrio de una molécula.
• Algunos métodos populares:
  • Steepest descent
  • Newton-Raphson
• Estos métodos iterativos buscan el mínimo de la energía potencial.

Estudio de la Vibración

• Los modos normales de vibración describen los movimientos atómicos en una molécula vibrante.
• Los modos normales se pueden visualizar como las frecuencias de vibración de una molécula.
• La energía vibracional se puede determinar mediante la constante de fuerza.
• Las funciones de onda vibracionales se pueden calcular para cada modo normal.

Estados de transición

• Los estados de transición representan el punto de silla en la superficie de energía potencial.
• Los estados de transición son importantes para determinar las rutas de reacción.
• La teoría del estado de transición se utiliza para calcular las velocidades de reacción.
• La energía de activación es la diferencia de energía entre el estado de transición y los reactivos.

Metodología de la química computacional

• Para desarrollar una aproximación, se requiere una descripción específica de la interacción entre los núcleos y los electrones.
• Es necesario definir la interacción entre cada núcleo y electrón, incluyendo la fuerza o energía debida a la repulsión núcleo-núcleo y la atracción núcleo-electrón.
• La interacción se puede definir mediante la ecuación de Schrödinger para la parte electrónica.
• Los principios de mecánica cuántica se utilizan para describir la interacción.

Ejemplo: Agua (H2O)

• La molécula de agua tiene 3 átomos.
• Tiene 3 grados de libertad por átomo, lo que implica 9 grados de libertad en total.
• 6 grados de libertad son rotacionales y traslacionales, dejando solo 3 grados de libertad internos.
• La geometría de la molécula de agua se puede describir mediante coordenadas internas, como las distancias H-O y el ángulo HOH.
• La energía potencial de la molécula de agua se puede representar mediante una superficie de energía potencial (SEP).
• El punto de equilibrio se determina mediante un método de optimización, como el método de descenso más pronunciado o el método de Newton-Raphson.
• Los métodos de optimización minimizan la energía potencial de la molécula.
• El método de descenso más pronunciado puede conducir a un mínimo local, no al mínimo global.
• El método de Newton-Raphson se basa en la derivada segunda de la función de energía potencial.
• Este método puede ser más eficiente para encontrar el mínimo global
• Para el agua, el ángulo óptimo HOH está alrededor de los 104,5°
• El número de grados de libertad internos se puede calcular mediante la fórmula: 3N-6, donde N es el número de átomos en la molécula.

Modelos aproximados y ab initio

• Los modelos aproximados simplifican las ecuaciones de mecánica cuántica, incluyendo los métodos de campo autoconsistente, los métodos de Hartree-Fock, y los métodos de teoría de la función de densidad.
• Los métodos ab initio se basan en principios cuánticos fundamentales.
• Estos métodos son más precisos pero computacionalmente más costosos

Consideraciones clave:

• La química computacional es una herramienta poderosa para estudiar sistemas químicos.
• El método computacional apropiado depende de la complejidad del sistema y los objetivos de la investigación.
• La precisión de los cálculos depende de la calidad de la base de datos utilizada.
• La química computacional puede proporcionar información útil sobre:
  • Estructura molecular
  • Propiedades químicas
  • Reacciones químicas
  • Diseño de fármacos

Conclusiones

• La química computacional es una herramienta invaluable para la investigación científica.
• Ofrece las herramientas y cálculos para comprender comportamientos químicos, procesos y propiedades de diferentes sustancias.
• Los métodos ab initio son más precisos que los métodos aproximados, pero requieren más tiempo de computación.
• La química computacional avanza constantemente con nuevos métodos y técnicas.
• La química computacional está desempeñando un papel cada vez más importante en el diseño y desarrollo de nuevos materiales, fármacos y procesos químicos.