Información general del curso

Objetivos del curso

Aplicar la metodología de la Química Teórica al estudio de sistemas químicos
Dar al estudiante experiencia directa con los programas de cálculo de propiedades electrónicas
Resolver problemas complicados de estructura electrónica y nuclear, en sistemas realistas, tomados de la literatura

Conocimientos previos requeridos

Es conveniente haber realizado el curso de Mecánica Cuántica (QFM201) y el de Química Cuántica (QFM202, puede hacerse simultáneamente) o poseer conocimientos equivalentes. El mínimo absoluto requerido es tener aprobadas Química General I y II, Física 101, Matemática 01 y FQMB o Modelado Molecular.

Estructura del curso

El curso está estructurado en dos hemisemestres de 7 semanas de duración, con una carga de laboratorio computacional de 6 horas por semana. Cada clase de 6 horas estará dedicada al desarrollo de un minitrabajo especial individual o por grupos, donde se ilustren cada uno de los puntos del programa analítico. Hay además una hora adicional de repaso teórico y consultas. El curso tiene una asignación de 11 créditos. En caso de aprobarse su realización en 2020 se lo llevará a cabo en modalidad a distancia.

Programa Analítico (revisado 2020)

1. Introducción al sistema Unix/Linux
   Ingreso al cluster del grupo. Usuarios y permisos. Comandos básicos. El editor VI. Preparación de archivos de datos y comandos. Gerenciamiento de colas usando SLURM. Memoria, cpus y tiempo para los cálculos. Demostración de la creación de un archivo de datos, un archivo de comandos y la corrida de un trabajo en el cluster del grupo. Esta unidad es una versión sumamente condensada del curso de Introducción a Linux y Trabajo en el Cluster dictado por el Prof. Adj. Kenneth Irving.

2. Programas de cálculo empleados frecuentemente
   Introducción a los programas de cálculo empleados en el curso: Hyperchem, Gaussian16, Molpro2019, Gamess. Ventajas y desventajas. Lógica de los programas y estructura de los archivos de E/S. Archivos intermedios,. Requerimientos de memoria RAM y espacio en disco.

3. Enfoque global sobre la investigación en Química Computacional.
   Diseño de una investigación computacional. Organización de un "cuaderno" de laboratorio. Selección de métodos de cálculo. Restricción de las moléculas reales a modelos manejables. Predicción de propiedades de moléculas aisladas. Moléculas en interacción y ambiente químico. Interacción entre aproximaciones teóricas y experimentales.

4. Trabajo con campos de fuerza (mecánica molecular)

5. Trabajo con métodos de estructura electrónica
   Los primeros pasos, cálculo simple de una molécula. Archivos de entrada para diferentes programas. Información contenida en los archivos de salida. Análisis de energías y orbitales. Optimización de energía de mínimos. Cálculo de frecuencias y propiedades termodinámicas.Métodos para grandes sistemas. El arte de combinar métodos y funciones de base. Comparación de precisión y exactitud de resultados.

6. Superficies de Energía Potencial (PES) y reactividad química
   PES. Métodos de optimización de geometría. Localización de mínimos. Localización de estados de transición. . Casos difíciles. Cálculo de frecuencias y análisis de modos normales.

7. Superficies de Energía Potencial (PES) y reactividad química
   Visualización de superficies. Coordenadas de reacción (distinguida e intrínseca, SCAN e IRC). Propiedades termoquímicas (entalpías de reacción y formación). Reacciones isodésmicas. Cálculos simples de velocidad de reacción.

8. Espectroscopía
   Espectors IR y Raman, frecuencias, intensidad, polarizabilidad. Armonicidad y anarmonicidad. Espectros NMR. Efecto de las conformaciones y promedios de Boltzmann. Corrimiento químico y tensores de apantallamiento. OCD y ORD. Espectroscopía de microondas y constantes de acoplamiento hiperfino.

9. Estrutura y reactividad en solventes
   Fase gaseosa vs. disolución. Modelos de solvatación (microscópico, bulk y mixtos). Propiedades en un disolvente. Energías libres en disolución (SMD). ONIOM.

10. Estados excitados y espectroscopía UV-Vis
    Modelos para el estudio de estados excitados. Métodos dependientes del tiempo. Transiciones verticales y espectros UV-Vis. Fuerza de oscilador. Dicroísmo circular electrónico. Optimización de geometría de estados excitados y fluorescencia. Análisis de Franck-Condon. Emisión y solvatación específica de estados excitados. Aplicación de métodos multiconfiguracionales (CASSCF, CASPT2). Localización de intersecciones cónicas.

11. Tópicos especiales.
    QM/MM para sistemas grandes en química y biología. Complejos débilmente enlazados. Energía de dispersión y corrección counterpoise. Organización de espìnes en sistemas moleculares. Acoplamiento antiferromagnético. Efectos relativistas.

12. Simulación molecular.
    

Bibliografía útil

Estos libros sirven para profundizar ideas o para cubrir material que no se ve en el curso.

1. Molecular Mechanics across Chemistry
   Anthony K. Rappé and Carla J. Casewit (University Science Books, Sausalito, CA, 1997)
   El autor tiene un sitio dedicado a este libro en la Web.

2. Chemical Applications of Molecular Modelling
   Jonathan M. Goodman (Royal Society of Chemistry, London, 1998)
   Puede encontrar el el sitio Web del autor aquí.

3. Molecular Modeling of Inorganic Compounds
   Peter Comba and Trevor W. Hambley (VCH, Wiley, Weinheim, 1995)
   El sitio Web del Prof. Comba se encuentra aquí.

4. Molecular Modelling, Principles and Applications
   Andrew R. Leach (Longman, Edinburgh Gate, 1995)

5. A Guide to Molecular Mechanics and Quantum Chemical Calculations
   Warren J. Hehre (Wavefunction, Inc, Irvine, CA, 2003)

6. Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods, 3rd Ed.
   James B. Foresman, Æleen Frisch (Gaussian Inc, Wallingford, CT, USA, 2015)

7. Computer Modeling of Chemical Reactions in Enzymes and Solutions
   Arieh Warshel (J. Wiley & Sons, New York, 1997)

8. The molecular modeling workbook for organic chemistry
   Warren J. Hehre, Alan J. Shusterman, Janet E. Nelson (Wavefunction, Inc, Irvine, CA, 1998)

9. Introduction to computational chemistry
   Frank Jensen (J. Wiley & Sons, Chichester, 2001)

10. Computational chemistry: A practical guide for applying techniques to real-world problems
    David C. Young (J. Wiley & Sons, New York, 2001)