Aplicación de la Química Computacional y el Modelado

Molecular a la Solución de Problemas de Interés Industrial

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Proyectos CIMAV - COMEX

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

Herramientas de la Nanotecnología

• Herramientas para medir nanoestructuras

• Herramientas para fabricar nanoestructuras

• Herramientas para modelar nanoestructuras

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.  

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

Caracterización químico-computacional de la estructura molecular, propiedades y reactividad química de materiales

Funcional

Propiedades Estructura

DFT Conceptual

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.

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.

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.

Utilizan las leyes básicas

de la física

Se basan en las leyes de la mecánica cuántica

Química

Computacional

Mecánica

Molecular

Teoría de estructura

electrónica

Métodos de Estructura Electrónica

Métodos Semiempíricos

Métodos Ab Initio

Métodos DFT

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.

Nano-Oportunidades en Química

Computacional*********

Dr. Daniel Glossman-Mitnik

Estructura

Funcional

Propiedades

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

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

PROYECTOS CIP-COMEX CIMAV – CONACYT

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Dr. Daniel Glossman-Mitnik

Grupo NANOCOSMOS - CIMAV

Programa de Consorcios CONACYT

******Costo total del proyecto

$ 765,000.-

Proyecto CIP-CIMAV #1

Simulación Computacional de Nuevos Cromóforos Luminiscentes Derivados

de la Maleiperinona

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

Primera Etapa

Simulación Computacional de la Estructura y Propiedades Espectroscópicas de Nuevos Cromóforos Basados en la Maleiperinona

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

Metodología utilizada

• Optimización de estructuras y cálculos de frecuencias vibracionales: DFT (CHIH-DFT)

• Espectros UV: TDDFT (CHIH-DFT) y ZINDO

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)

Siguiente Etapa

Determinación computacional de las propiedades ópticas, eléctricas y

magnéticas de los nuevos cromóforos,Incluyendo el espectro RMN

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)

Proyecto CIP-CIMAV #2

Simulación Computacional de la Solubilidad del Complejo

Co[(etilendiamino)(2etilhexanoato)2] en una Mezcla de Disolventes

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

Primera Etapa

Simulación computacional de la estructura y propiedades espectroscópicas del complejo

metálico Co[(Etilendiamino)(2-Etilhexanoato)2]

Sistema estudiado

Complejo metálico Co[(etilendiamino)

(2-etilhexanoato)2]

Metodología utilizada

• Determinación de estructuras y cálculos de frecuencias: DFT (B3LYP)

• Cálculo de espectros UV: DFT (B3LYP)

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)

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

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

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

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)

Primera Etapa

Simulación computacional de la estructura y propiedades

espectroscópicas de los diferentes monómeros

Sistemas estudiados

• Acrilato de butilo• Metacrilato de metilo• Acetato de vinilo• COPS-1• PAM 200• TREM LF 40• MAXEMUL 5011• MEM NP 50

Metodología utilizada

• Determinación de estructuras y cálculos de frecuencias: DFT (B3LYP)

• Cálculo de espectros UV: DFT (B3LYP)

Resultados

• Estructuras moleculares de energía mínima de los monómeros estudiados

• Espectros IR de los monómeros estudiados

• Espectros UV de los monómeros estudiados

Siguiente Etapa

Determinación computacional de los estados de transición para los

diferentes pares de monómeros en varios solventes

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

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

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

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

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

Determinación de Parámetros de Solubilidad de Polímeros de

Interés en la Industria de Pinturas usando Dinámica

Molecular

• 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

Muchas gracias por su atención !!!