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Aplicación de la Química Computacional y el Modelado Molecular a la Solución de Problemas de Interés Industrial ******* Proyectos CIMAV - COMEX. Simulación Computacional de la Estructura y Propiedades Moleculares de Nanomateriales Nanotecnología Computacional (CAN) - PowerPoint PPT Presentation
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Aplicación de la Química Computacional y el Modelado
Molecular a la Solución de Problemas de Interés Industrial
*******
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
******************
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 !!!