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Aplicación de la Química Computacional y el Modelado
Molecular a la Solución de Problemas de Interés Industrial
*******
Proyectos CIMAV - COMEX
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Programa Académico Institucional
de Nanotecnología• Simulación Computacional de la Estructura y
Propiedades Moleculares de Nanomateriales• Nanotecnología Computacional (CAN)• Síntesis de Materiales Nanoestructurados• Caracterización Química y Física de
Nanoestructuras• Aplicaciones Industriales de la
Nanotecnología
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Herramientas de la Nanotecnología
• Herramientas para medir nanoestructuras
• Herramientas para fabricar nanoestructuras
• Herramientas para modelar nanoestructuras
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Química ComputacionalEs una parte de la química a través de la cual se busca la solución a problemas químicos, mediante cálculos realizados en una computadora.
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Nanotecnología Computacional (CAN)• Diseño de Nanomateriales con Ayuda de Computadoras
• Caracterización Computacional de la Estructura Molecular de los Nanomateriales
• Predicción de los Espectros IR, Raman, UV-Vis y RMN de las Nanoestructuras
• Determinación de las Propiedades Eléctricas y Magnéticas de los Nanomateriales
• Simulación Computacional de las Propiedades Termoquímicas de los Nanomateriales en Fase Gaseosa, Sólida y Solución
• Análisis de la Reactividad Química de los Nanomateriales
• Simulación de Procesos Químicos y Físicos de Nanoestructuras
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Caracterización químico-computacional de la estructura molecular, propiedades y reactividad química de materiales
Funcional
Propiedades Estructura
DFT Conceptual
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La industria dedica gran parte de sus esfuerzos en diseñar materiales con características específicas para determinados usos. Esto ocupa a equipos de científicos tratando de encontrar los arreglos en las moléculas que generen las propiedades deseadas.
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Actualmente, la química computacional, ha alcanzado un alto nivel de predictibilidad y disponibilidad, que la convierte en una valiosa herramienta para el diseño de nuevos materiales.
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Además, al trabajar con química computacional, podemos modelar un sistema molecular una y otra vez sin tener que utilizar reactivos ni generar basura o desechos químicos, lo cual se traduce en un ahorro de insumos y energía, mientras se cuida el medio ambiente.
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Utilizan las leyes básicas
de la física
Se basan en las leyes de la mecánica cuántica
Química
Computacional
Mecánica
Molecular
Teoría de estructura
electrónica
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Métodos de Estructura Electrónica
Métodos Semiempíricos
Métodos Ab Initio
Métodos DFT
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OBJETIVOS
Modelado computacional de la estructura y propiedades moleculares, espectrocopía, termoquímica y reactividad química de moléculas y (bio)nanomateriales, así como de la síntesis y procesos de caracterización, que puedan ser de interés académico o para la solución de problemas industriales.
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Nano-Oportunidades en Química
Computacional*********
Dr. Daniel Glossman-Mitnik
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Estructura
Funcional
Propiedades
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Teoría de funcionales de la densidad para sistemas heterocíclicos (DFT-HS)
Nueva Química Modelo: CHIH
Funcional PBEg + Bases: CBSB7 y CBSB1
CBSB7 para estructuras y espectros IRCBSB1 para energías, propiedades electrónicas, espectroscópicas y reactividad química
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g = factor de estructura
g = 0.02 + 0.14 x FH x FV + 0.03 X HA
FH = primer heteroátomo (S > O > N)
FV = factor de valencia de FH (1, 2, 3,…)
HA = heteroátomos adicionales
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PROYECTOS CIP-COMEX CIMAV – CONACYT
******************
Dr. Daniel Glossman-Mitnik
Grupo NANOCOSMOS - CIMAV
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Programa de Consorcios CONACYT
******Costo total del proyecto
$ 765,000.-
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Proyecto CIP-CIMAV #1
Simulación Computacional de Nuevos Cromóforos Luminiscentes Derivados
de la Maleiperinona
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Objetivos
• Desarrollar nuevos cromóforos basados en la maleiperinona
• Determinar la estabilidad molecular del estado excitado correspondiente a la absorción en el UV de los nuevos cromóforos
• Determinar la reactividad con monómeros acrílicos de los nuevos cromóforos
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Primera Etapa
Simulación Computacional de la Estructura y Propiedades Espectroscópicas de Nuevos Cromóforos Basados en la Maleiperinona
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Sistemas estudiados• Maleiperinona y derivados:
– p-nitro, p’-nitro– p-amino, p’-amino– p-ciano, p’-ciano– p-metilo, p’-metilo– p-etilo, p’-etilo– p-propilo, p’-propilo– p-isopropilo, p’-isopropilo– p-vinilo, p’-vinilo
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Metodología utilizada
• Optimización de estructuras y cálculos de frecuencias vibracionales: DFT (CHIH-DFT)
• Espectros UV: TDDFT (CHIH-DFT) y ZINDO
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Resultados
• Estructuras moleculares de energía mínima de la maleiperinona y derivados
• Espectros IR de la maleiperinona y derivados
• Espectros UV de la maleiperinona y derivados (en presencia de solventes, DMF, Piridina y Anhidrido acético)
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Siguiente Etapa
Determinación computacional de las propiedades ópticas, eléctricas y
magnéticas de los nuevos cromóforos,Incluyendo el espectro RMN
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Resultados
• Estructuras moleculares de energía mínima de la maleiperinona y derivados en presencia de tres solventes: DMF, Piridina y Anhidrido acético
• Espectros IR de la maleiperinona y derivados
• Espectros UV de la maleiperinona y derivados (en presencia de solventes, DMF, Piridina y Anhidrido acético)
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Proyecto CIP-CIMAV #2
Simulación Computacional de la Solubilidad del Complejo
Co[(etilendiamino)(2etilhexanoato)2] en una Mezcla de Disolventes
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Objetivos
• Caracterizar el complejo metálico Co[(etilendiamino)(2-Etilhexanoato)2] determinando computacionalmente su solubilidad en diferentes solventes
• Determinar el solvente (o la mezcla de solventes) más adecuada para mantener la estabilidad de la solución y del complejo con la temperatura
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Primera Etapa
Simulación computacional de la estructura y propiedades espectroscópicas del complejo
metálico Co[(Etilendiamino)(2-Etilhexanoato)2]
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Sistema estudiado
Complejo metálico Co[(etilendiamino)
(2-etilhexanoato)2]
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Metodología utilizada
• Determinación de estructuras y cálculos de frecuencias: DFT (B3LYP)
• Cálculo de espectros UV: DFT (B3LYP)
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Resultados
• Estructura molecular de energía mínima del complejo metálico de Co
• Espectro IR del complejo metálico de Co
• Espectro UV del complejo metálico de Co (en vacío)
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Segunda Etapa
Determinación del espectro UV-Vis en presencia de diferentes solventes y termoquímica computacional del
complejo metálico de Co, incluyendo calor de solvatación, a fin de relacionarlo con solubilidad
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Calor de solvatación del Complejo de Co(II) (en kcal/mol)
• Tolueno 7.72
• THF 5.66
• Propanol -2035.56
• MIBK -1480.38
• Metanol -5.32
• Isopropanol -2000.34
• Agua 6.92
• Etilenglicol -2935.98
• Etanol -3.67
• Butanol -1770.14
• Butilcellosolve -2374.18
• Acetona -3.07
• 2-Metil-2-Propanol -1935.92
• Hexano -4311.95
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Proyecto CIP-CIMAV #3
Determinación de las Relaciones de Reactividad de Monómeros de Uso
Frecuente en la Industria de Pinturas a Partir de la Química Computacional
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Objetivos
• Determinar las constantes de velocidad para la polimerización de diversos pares de monómeros de uso frecuente y especiales para la polimerización utilizados en la industria de pinturas
• Determinar las relaciones de reactividad química de los diferentes pares de monómeros, ya sea en forma aislada, como en presencia de agua o de disolventes polares y no polares
• Obtención de parámetros termoquímicos y determinación de las relaciones de reactividad a 3 diferentes temperaturas (25, 50 y 80 °C)
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Primera Etapa
Simulación computacional de la estructura y propiedades
espectroscópicas de los diferentes monómeros
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Sistemas estudiados
• Acrilato de butilo• Metacrilato de metilo• Acetato de vinilo• COPS-1• PAM 200• TREM LF 40• MAXEMUL 5011• MEM NP 50
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Metodología utilizada
• Determinación de estructuras y cálculos de frecuencias: DFT (B3LYP)
• Cálculo de espectros UV: DFT (B3LYP)
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Resultados
• Estructuras moleculares de energía mínima de los monómeros estudiados
• Espectros IR de los monómeros estudiados
• Espectros UV de los monómeros estudiados
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Siguiente Etapa
Determinación computacional de los estados de transición para los
diferentes pares de monómeros en varios solventes
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Siguiente Etapa y Final
Determinación computacional de los estados de transición para los monómeros especiales
Repetición de los cálculos en presencia de otros solventes diferentes al xyleno
Repetición de los cálculos a diferentes temperaturasDeterminación computacional de las relaciones de
reactividad de los diferentes monómeros
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Tabla 1 – Energía libre de Gibbs G (en Hartrees) de los monómeros estudiados a 25, 50 y 80 °C
Energía libre de Gibbs G (Hartrees)
Molécula 25°C 50°C 80°C
AB -418.6568 -418.6610 -418.6662
AV -302.0006 -302.0039 -302.0080
MM -340.7407 -340.7444 -340.7488
TREM-LF 40 -1806.0970 -1806.1062 -1806.1176
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Tabla 2 – Energía libre de Gibbs G (en Hartrees) de cada uno de los radicales estudiados a 25, 50 y 80 °C
Energía libre de Gibbs G (Hartrees)
Radical 25°C 50°C 80°C
PB-AB* -647.2865 -647.2924 -647.2991
PB-AV* -530.3751 -530.3797 -530.3854
PB-MM* -569.1323 -569.1371 -569.1430
PB-TREM-LF40* -2034.4785 -2034.4890 -2034.5022
PT-AB* -686.6038 -686.6098 -686.6175
PT-AV* -570.3634 -570.3685 -570.3750
PT-MM* -609.1211 -609.1265 -609.1334
PT-TREM-LF40* -2074.4670 -2074.4780 -2074.4918
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Tabla 3 – Constantes de velocidad de cada uno de las reacciones estudiadas a 25, 50 y 80 °C
Constantes de velocidad de reacción (s-1)
Reacciones 25°C 50°C 80°C
PB-ESTEST (k11) 0.029936 0.083585 0.240294
PB-ESTMM (k12) 0.936877 1.001806 0.418907
PB-MMMM(k22) 0.004045 0.009528 0.023016
PB-MMEST(k21) 0.010651 0.022294 0.047785
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Tabla 4 – Relaciones de reactividad para el par de monómeros AB y MM, a 25, 50 y 80 °C
Relaciones de reactividad
Reacciones 25°C 50°C 80°C
PB-ESTMM (r1) 0.032 0.083 0.574
PB-MMEST (r2) 0.380 0.427 0.482
PB - r1 . r2 0.01216 0.03544 0.27667
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Determinación de Parámetros de Solubilidad de Polímeros de
Interés en la Industria de Pinturas usando Dinámica
Molecular
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• Luz María Rodríguez-Valdez• Norma Flores-Holguín• Marco Gallo-Estrada• Amelia Valdez-Aguirre• Erika López-Martínez• Alejandra Favila-Pérez• Mónica Alvarado-Beltrán• Isis Rodríguez-Sánchez• Ana María Mendoza-Wilson• Diana Barraza Jiménez• Teresita Ruiz-Anchondo• Hazel J. Morales-Rodríguez• Alberto Flores-Hidalgo
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Muchas gracias por su atención !!!