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La química computacional es una rama de la química teórica y de la química
cuántica. El objetivo de la química computacional es producir y utilizar programas
informáticos para el estudio de las propiedades (como energía, momento dipolar,
frecuencias de vibración) de moléculas y, en...

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Instituto tecnológico de Tijuana

Introducción al modulado por computadora o química computacional Dr. Domingo madrigal Samuel Villatoro Martínez Izabal Eleazar Primera unidad

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índice introducción …. 3 que es?

….4

antecedentes ..4 área de utilidad y función …5 métodos matemáticos …6 uso de métodos … 7 aplicaciones …8 bibliografía ….8

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Introducción La química computacional es una rama de la química teórica y de la química cuántica. El objetivo de la química computacional es producir y utilizar programas informáticos para el estudio de las propiedades (como energía, momento dipolar, frecuencias de vibración) de moléculas y, en menor medida, sólidos extendidos. También se usa para cubrir áreas de solapamiento entre la informática y la química. En química teórica, los químicos y los físicos desarrollan algoritmos y teorías que permiten predicciones precisas de propiedades atómicas o moleculares, o caminos para las reacciones químicas. Los químicos computacionales usan los programas y metodologías existentes y los aplican a problemas químicos específicos. Hay dos aproximaciones diferentes a esto: estudios computacionales para encontrar un punto de partida para la síntesis en laboratorio; estudios computacionales para explorar mecanismos de reacción y explicar observaciones en reacciones ya vistas en el laboratorio. Hay varias areas en este campo: la representación computacional de átomos y moléculas almacenamiento, organización y búsqueda de datos sobre entidades químicas (Bases de datos) identificación de patrones, tendencias y correlaciones entre estructuras químicas y sus propiedades ( QSPR ) elucidación de estructuras basadas en la simulación de campos de fuerzas modelos para ayudar a la síntesis eficiente de compuestos diseño de moléculas que interaccionen con otras de forma efectiva, especialmente en diseño de fármacos Los programas usados en química computacional se basan en diferentes métodos mecanocuánticos que resuelven la ecuación de Schrödinger molecular. Los métodos que no incluyen parámetros empíricos ni semi-empíricos en sus ecuaciones se llaman métodos ab initio. Las clases más populares de métodos ab initio son: Hartree-Fock, teoría de perturbaciones de Moller-Plesset, interacción de configuraciones, coupled cluster, matrices de densidad reducidas y teoría del funcional de la densidad (existen ciertas diferencias de opinión sobre si la teoría del funcional de la densidad ha de considerarse puramente ab initio o semiempírico).

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¿Qué es? La química digital o computacional, es una disciplina de la química que se vale de ordenadores para la resolución de problemas químicos mediante la incorporación de los fundamentos teóricos a un software determinado para realizar los cálculos de las estructuras, también de las propiedades de las moléculas y de la materia sólida. De forma sencilla, se puede decir que es una conversión de la química teórica y su objetivo de análisis se basa en la aplicación de operaciones de cálculo para resolver ecuaciones y evaluar propiedades a nivel molecular.

Antecedentes a finales de los años setenta apareció un nuevo campo del conocimiento, impulsado por los químicos dedicados a la obtención de medicamentos. Con el fin de desarrollar moléculas que tuvieran posibilidades elevadas de mostrar la actividad biológica deseada, y con la ayuda de computadoras, se originó la química computacional, que fue impulsada por las compañías farmacéuticas importantes del mundo y que coincidió con el vertiginoso desarrollo del cómputo. De este modo la revolución computacional, comparable con la revolución industrial del siglo XIX, iniciaba su impacto en la química. Esto cambió la idea fundamental de que para obtener conocimiento en esta disciplina científica es necesario hacer experimentos. El concepto de química como una ciencia puramente experimental perdió cierta validez. En varias áreas de la química, la predicción teórica de propiedades químicas rivaliza, incluso con ventaja, frente a las determinaciones experimentales. Aun cuando el término “química computacional” es muy empleado, no ha habido interés en definirlo. Es más, el uso del término “química teórica” se emplea en forma errónea como su sinónimo. Aun cuando la definición de química computacional puede parecer arbitraria y subjetiva (ya que cada persona puede tener una definición propia), se puede proponer una muy general: es la disciplina que comprende todos aquellos aspectos de la investigación en química que se benefician de la aplicación de las computadoras. Esta definición incluye desde la aplicación del cómputo para controlar los equipos con los que se realiza investigación, como un espectrómetro de resonancia magnética nuclear o un espectrofotómetro de infrarrojo, hasta el manejo de bancos de información, 4

pasando por supuesto por las aplicaciones que impactan la descripción de la estructura de moléculas. En un sentido más restrictivo, el núcleo de la química computacional implica el uso de modelos matemáticos para la predicción de propiedades químicas y físicas de compuestos, empleando computadoras.

Área de utilidad y función La química computacional es de gran utilidad para el entendimiento de métodos químicos, por tal motivo es utilizada como instrumento de aprendizaje y de apoyo en investigaciones experimentales. Comprende dos técnicas fundamentales, la mecánica molecular y la mecánica cuántica, también guarda relación con áreas como la biología, la mecánica y la física. A través de la química computacional se puede obtener la especificación molecular necesaria para detallar un sistema, ya que se emplea para definir los estados intermedios de reacción, los ángulos de enlace y las características electrónicas de las moléculas. actualmente existen programas específicos para desarrollar cálculos de química, los cuales son diferentes a los procesos de cálculo básicos tanto en la precisión como en los recursos computacionales. El análisis que realiza la química computacional, se pone en práctica cuando la experimentación de laboratorio es inadecuada, inviable o imposible debido a los factores externos que influyen en algunos experimentos: temperaturas elevadas, cualidades de vacío, etc. o bien a los altos costos que producen. A partir de esto se puede comprender que, la química computacional es una rama científica que abarca todas aquellas etapas de la investigación en química que se agilizan y se benefician con la utilización de las computadoras. Todos los métodos químicos computacionales están relacionados con la medición de los espacios de energías de potencia, las cuales son definidas como las fuerzas que interrelacionan a los átomos, manera en que los cálculos químicos procesados por ordenadores se diferencian de los demás al momento de evaluarlas. Este campo de estudio y análisis comprende las siguientes etapas de cálculo: la estructuración molecular, técnicas de análisis computacionales, la diagramación molecular computarizada, las bases de datos químicas, sistematización de las estructuras orgánicas y el seguimiento de datos en base a fundamentos químicos.

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Métodos matemáticos la química computacional engloba una variada categoría de métodos matemáticos que pueden dividirse en dos grupos: o La mecánica Molecular: implica la utilización de las leyes de la física clásica, las que son aplicadas al núcleo molecular desestimando a los electrones. Se aplican ecuaciones de la mecánica clásica de acuerdo a la manifestación de fuerzas para definir los espacios de energía potencial y las cualidades físicas de las moléculas. Más específicamente, las moléculas suelen describirse como un grupo de átomos que interactúan entre sí, noción comúnmente conocida como “campo de fuerzas”. o La mecánica cuántica: es un procedimiento que se lleva a cabo partiendo de la ecuación de Schrödinger para identificar a una clase de molécula, aplicando un proceso directo a su estructura electrónica. Se ramifica a su vez según el método efectuado en: técnicas semi empíricas y técnicas de ab initio (técnica de Hartree-Fock sobre moléculas diatómicas). La mecánica cuántica, es un campo de estudio científico de la física que analiza y describe el desplazamiento de las partículas más pequeñas llamadas “microobjetos”. Entre las relaciones de estrechez que guarda la química computacional con otras ramas científicas, está la que mantiene con la biología molecular. En tal sentido se mencionan por ejemplo los valiosos aportes en materia de biomoléculas, en los cuales desarrolla investigaciones sobre la configuración de sus características y la dinámica de su reactividad química.

uso de métodos En principio, es posible usar un método considerado "exacto" y aplicarlo a todas las moléculas. No obstante, aunque se trata de métodos suficientemente conocidos y disponibles en muchos paquetes de aplicaciones de software, el coste computacional aumenta de forma factorial (es decir, aún más rápido que de forma exponencial) en función del número de electrones de la molécula. Por tal motivo existen métodos aproximados que buscan el equilibrio entre precisión y coste computacional. La Química Computacional puede calcular con mucha precisión y costos moderados las propiedades de aquellas moléculas que tienen hasta 10 electrones. El estudio de moléculas con algunas docenas de electrones 6

METODOS MATEMATICOS. MECANICA CUANTICA. Qué aplica las leyes de la física clásica al núcleo molecular sin considerar explícitamente a los electrones. MECANICA MOLECULAR Se basa en la ecuación de Schrödinger para describir una molécula con un tratamiento directo de la estructura electrónica y que se subdivide a su vez en dos clases, según el tratamiento realizado, métodos semiempíricos y métodos ab initio ("desde el principio"). 9 únicamente se puede abordar mediante métodos basados en la aproximación, como es el caso de la "teoría del funcional de la densidad". Los sistemas aún mayores, como moléculas que contienen metales pesados, sistemas tridimensionales o enzimas, únicamente se pueden manejar de forma diversa, concentrando el interés en alguna zona determinada del espacio o en algunos electrones en particular, y permitiendo que el resto de ellos se reproduzca mediante pseudopotenciales, por cargas eléctricas puntuales, o por campos de fuerzas clásicos: son los llamados métodos híbridos QM/MM (anglicismo que significa "Quantum Mechanics / Molecular Mechanics" o, en español, "Mecánica Cuántica / Mecánica Molecular").

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Aplicaciones La química computacional se puede aplicar a: ◊ La representación computacional de estructuras tales como los átomos y las moléculas. ◊ El almacenamiento, estructuración y búsqueda de información sobre entidades químicas. ◊ La identificación de pautas, tendencias y relaciones entre las diferentes estructuras químicas y sus propiedades. ◊ El estudio de estructuras basadas en la simulación de campos de fuerzas. ◊ Los modelos para favorecer una síntesis eficiente de compuestos. ◊ El diseño de moléculas que interactúen entre ellas, sobre todo para el diseño de fármacos.

BIBLIOGRAFIA. ฀ https://www.ecured.cu/Qu%C3%ADmica_Computacional ฀ http://www.cibernetia.com/enciclopedia/quimica_computacional ฀ https://www.amc.edu.mx/revistaciencia/images/revista/56_2/quimic a_comutacional.pdf ฀ Boker, J. D. y R. B. Hermann (1994), “The development of computational chemistry in the United States”, en Lipkowitz, K. B. y D. B. Boyd, (eds.), Reviews in computational chemistry, VCH Publishers, vol. 5, pág. 1. ฀ Clementi, E. (1980), Int. J. Quant. Chem., 16, 409. Clementi, E. (1980), J. Phys. ฀ Chem., 84, 2122. Cortés-Guzmán, F., J. Hernández-Trujillo y G. Cuevas (2003), 107, 9253. Cuevas, G. y F. Cortés-Guzmán (2003), Introducción a la

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química computacional, México, Fondo de Cultura Económica. FernándezAlonso, M. C. J. L.

฀ Asensio, F. J. Cañada, J. Jiménez-Barbero y G. Cuevas (2003), Chem. Phys. Chem. 4, 748-753. Foresman, J. B. y A. E. Frisch (1995), Exploring Chemistry with Electronic ฀ Structure Methods, Gaussian, Inc. Pittssburg. Hopfinger, A.J. (1985), J. Med. Chem., 28, 1133. Juaristi, E.; G. Cuevas y A. Vela (1994), J. Am. Chem. Soc.,

116, 5796- 5804. Martínez-Mayorga, K.; M. C. Fernández-Alonso, N. LópezMora, C. L. Perrin, J.

฀ Jiménez-Barbero, E. Juarista y G. Cuevas (2005), Angew. Chem. Int. Ed. Engl., en prensa. Pople, J. A. (1998), “Foreword” en Schleyer, P.v.R.; N.L. Allinger; T. Clark, ฀ J. Gasteiger, P. A. Kollman, H.F. Schaefer III y P. R. Schreiner (eds.), Encyclopedia of computational chemistry, Wiley: Chichester, vol. 1, pág. VIII. Schreiner, P.R. (1998), ฀ “The Concept”, en Schleyer, P.v.R.; N.L. Allinger; T. Clark, J. Gasteiger, P. A. Kollman, H.F. Schaefer III y P. R. Schreiner (eds.), Encyclopedia of computational chemistry, Wiley: Chichester, vol. 1, pág. XI.

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