Métodos de la Química Computacional

La química computacional tiene como objeto  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. 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 (Valles-Sánchez,  Rosales-Marines, Serrato-Villegas & Lorena FaríasCepeda, 2014)

A continuación se describe el procedimiento general de la Química Computacional

Procedimiento general de la Química Computacional. Tomado de Métodos y Usos de la Química Computacional. (2014). Alberto Valles-Sánchez.

Los métodos empleados pueden dividirse en dos grandes categorías: 

Mecánica Molecular

Aplica las leyes de la física clásica al núcleo molecular sin considerar explícitamente a los electrones. 

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 “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.

Mecánica cuántica

Se basa en la ecuación de Shrödinger para describir una molécula con un tratamiento directo de la estructura electrónica. 

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 electrón-núcleo 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. 

No existe un “mejor” método, todo depende 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. 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. (Bedolla &  Olvera, 2017)

A continuación se presenta un vídeo en forma de introducción al modelado de moléculas de la Universidad San Francisco de Quito (USFQ):

Modelando moléculas: nuevas fronteras en la experimentación química. Tomado de https://www.youtube.com/watch?v=6aOFwUAuQJg 

Referencias

(1) Métodos y Usos de la Química Computacional. (2014). Alberto Valles-Sánchez, Lucero Rosales-Marines, Lilia Eugenia Serrato-Villegas y Lorena FaríasCepeda.  Revista Científica de la Universidad Autónoma de Coahuila.   Recuperado de http://www.posgradoeinvestigacion.uadec.mx/AQM/No.%2011/3.pdf

(2) Didáctica de la química 1. Departamento de Física y Química Teórica. Facultad de Química. Universidad Nacional Autónoma de México. La química computacional en el salón de clase.  Carlos Amador Bedolla.  Carlos Octavio Olvera Bermúdez

https://compartirpalabramaestra.org/recursos/libros/uso-de-la-quimica-computacional-como-herramienta-para-la-ensenanza