Química computacional, su función, historia y métodos.

1. UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE FILOSOFIA,
LETRAS Y CIENCIAS DE LA
EDUCACIÒN
PEDAGOGIA DE LAS CIENCIAS EXPERIMENTALES
DE LA QUÌMICA Y BÌOLOGIA
CURSO: A1
DOCENTE: ING. JOSE ALVARADO BARCIA. MSC
INTEGRANTES:
 ALVARADO ALVAREZ ANTHONY
 ARTEAGA PORTOCARRERO CARLOS
 DELGADO GONZALEZ NICOLE
 MITE LEON YOSSELYN
TEMA: QUÌMICA COMPUTACIONAL

2. i
Índice General
Índice General...............................................................................................i
Índice de grafico...........................................................................................ii
Química computacional................................................................................1
Historia de la química computacional..........................................................4
Conceptos de quimica computacional.........................................................7
Métodos de la química computacional.........................................................9
Métodos cuánticos ab initio (HF SCF)...................................................10
Métodos cuánticos basados en la teoría del funcional de la densidad..11
Métodos cuánticos semi-empíricos........................................................12
Métodos para cuerpos sólidos...............................................................13
Bibliografía.................................................................................................14

3. ii
Índice de grafico
GRÁFICO 1 MOLÉCULAS – PROPIEDADES DE LA MATERIA.............................................................................1
GRÁFICO 2 QUÍMICA COMPUTACIONAL....................................................................................................3
GRÁFICO 3 LA ECUACIÓN DE SCHRÖDINGER..............................................................................................4
GRÁFICO 4 JOHN A. POPE....................................................................................................................4
GRÁFICO 5 SOFTWARE LIBRE GABEDIT PARA VISUALIZACIÓN Y DISEÑO MOLECULAR..........................................6
GRÁFICO 6 QUÍMICA COMPUTACIONAL CONCEPTOS...................................................................................7
GRÁFICO 7 APORTES QUÍMICA COMPUTACIONAL.......................................................................................8
GRÁFICO 8 MÉTODOS DE LA QUÍMICA COMPUTACIONAL...........................................................................10
GRÁFICO 9 AB INITIO.........................................................................................................................11
GRÁFICO 10 TEORÍA DE LA DENSIDAD...................................................................................................12
GRÁFICO 11 SEMI - EMPÍRICOS............................................................................................................13
GRÁFICO 12 CUERPOS SOLIDOS............................................................................................................13

4. Química computacional
No toda la química se hace en laboratorios llenos de matraces y
disoluciones de colores. La química computacional es todo aquel aspecto
de la química el cual es explicado mediante el uso de un ordenador y un
software para calcular dónde están y cómo se comportan los electrones
de los átomos y las moléculas. Principalmente, se puede decir que es la
evolución de la química teórica ya que su principal uso se centra en la
aplicación de los métodos de cálculo para resolver ecuaciones y calcular
propiedades a nivel molecular. Dado que la química computacional es útil
en la comprensión de sistemas químicos, es utilizada como herramienta
de aprendizaje y de respaldo en investigaciones experimentales. Ésta
comprende dos grandes métodos, la mecánica molecular y la mecánica
cuántica, siendo ésta última de reciente uso en la química computacional
(década de los setentas) al ser incluida en los modelos teóricos y basada
en la ecuación de Erwin Schrödinger. De la química computacional se
puede obtener la información molecular necesaria para describir un
sistema, dado que es utilizada para conocer estados intermediarios de
reacción, ángulos de enlace, propiedades electrónicas de la molécula y
gracias a la capacidad y velocidad de cálculo de los ordenadores pueden
predecirse el comportamiento de las reacciones químicas y las
propiedades de los nuevos materiales.
En la actualidad existen programas específicos para realizar cálculos de
química computacional, los cuales difieren en el método de cálculo, así
como en la exactitud y recursos computacionales necesarios.
1
Gráfico 1 Moléculas – propiedades de la materia

5. La química computacional nace con la necesidad de comprender
aspectos importantes que no se pueden resolver de forma práctica, como
lo es conocer estados intermediarios en reacciones que se efectúan
rápidamente, conocer el comportamiento de un material a temperaturas
muy altas que son muy difíciles de alcanzar en un laboratorio, o
simplemente calcular propiedades en sistemas de alto costo. Tomando en
cuenta estos aspectos, la química computacional es una aplicación de las
nuevas tecnologías electrónicas y las matemáticas para comprender un
sistema y es utilizada, por estudiantes y profesionistas en áreas afines,
como método de estudio y aprendizaje debido a que es parte de los
materiales educativos computacionales en donde se aprovechan los
recursos tecnológicos para la comprensión de la química.
Anteriormente, la química teórica explicaba fenómenos químicos
mediante la física clásica, sin embargo, su investigación y su desarrollo
fue innovándose hasta incluir en ella la física cuántica, la cual se basa en
las ecuaciones de Erwin Schrödinger, incluyendo cálculos y matemáticas
avanzadas que requerían el uso de herramientas para su resolución. Pero
fue hasta inicios de los años setentas cuando los modelos cuánticos
fueros utilizados para resolver y calcular propiedades moleculares.
La química computacional es una disciplina relativamente joven, dado que
antes de que las computadoras fueran de acceso general, los cálculos
teóricos eran resueltos por aproximaciones analíticas los cuales carecían
de precisión para ser predicciones fiables. Fue hasta inicios de 1960
cuando las computadoras estuvieron disponibles para la comunidad
científica (Schuster y col). Gracias al aumento y desarrollo de tecnología
en el área informática, la química teórica ha evolucionado a un aspecto
computacional, de ahí el nombre de química computacional, que trata de
resolver los problemas clásicos de la química teórica, así como los
problemas que surgen con los avances de la misma, mediante el uso de
un ordenador y un software.
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6. Una de las grandes ventajas de la química computacional es el gran
ahorro de tiempo y dinero que supone. Repetir experimentos en el
laboratorio supone un enorme gasto de reactivos y disolventes, además
de grandes quebraderos de cabeza para dar con las condiciones de
reacción idóneas. Preguntarle al ordenador suele ser más sencillo.
Introduciendo unas cuantas fórmulas y parámetros, los programas de
química computacional pueden predecir qué funciona mejor. Y,
generalmente, aciertan.
También son muy útiles para explicar qué pasa dentro de los matraces de
los químicos experimentales. Muchas veces podemos conocer los
reactivos de partida y analizar la composición de los productos pero,
¿cómo se han formado estos últimos a partir de los primeros? Podemos
enseñar a los ordenadores las reglas básicas de la química para que,
después, calculen cuáles son los intermedios de reacción más probables.
Un ejemplo práctico: podemos enseñarle al ordenador unos huevos,
harina, azúcar, aceite y un bizcocho. Él será capaz de explicar que para
formar el producto (el bizcocho), hemos batido los huevos, hemos
mezclado los otros ingredientes, y hemos horneado la mezcla media hora.
La química computacional también desentraña los mecanismos de las
reacciones, algo fundamental para comprender cómo se comportan las
diferentes sustancias y para poder avanzar en el desarrollo de nuevas
metodologías y productos.
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7. Historia de la química computacional
El desarrollo de la Química Computacional surge cuando en 1925 el físico
austríaco Erwin Schrödinger formula su famosa ecuación, capaz de
explicar el espectro de los sistemas hidrogenoides dando origen a la
Química Cuántica. Lo anterior, dio origen a la formulación de métodos
para la Aproximación a la solución de la ecuación de Schrödinger, con la
finalidad de poder aplicarse a sistemas que no fueran mono electrónicos,
lo cual forzaba al uso de la experimentación para que los resultados
pudieran ser validados. Debido a la complejidad de los cálculos, fue
necesario el desarrollo de métodos computacionales consisten en el
diseño y la elaboración de algoritmos mediante modelos y herramientas
matemáticas como el análisis numérico que puedan simular o recrear
procesos más complejos de la realidad, que pudieran desarrollar las
aproximaciones necesarias hasta la exactitud que se requería para poder
llevarse a la experimentación. Fue entonces que, en los años 40 se
desarrollan los primeros sistemas que podían dar aproximaciones
valiosas a un método que llamaron ab initio; a esto.
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Gráfico 2 Química computacional

8. Gráfico 4 John A. Pope
John A. Pope expreso Con la ayuda de la
Química computacional se pueden obtener
diversos cálculos, que han ayudado al
desarrollo de nuevos materiales, fármacos,
entre otros, sin involucrar costos o
experimentación innecesaria. Algunos ejemplos
son los siguientes:
I. os arreglos geométricos de los átomos que corresponden a
moléculas estables y a estados de transición.
II. Las energías relativas de varias moléculas.
III. Momento dipolar, polarizabilidad.
IV. Propiedades espectroscópicas como corrimientos químicos y
constantes de acoplamiento, frecuencias vibracionales.
V. Propiedades termoquímicas.
VI. La rapidez con la que sucede una reacción.
VII. La dependencia de algunas propiedades, como la estructura
molecular con el tiempo. La Química computacional como apoyo
que existen experimentos que podrían llegar a ser sumamente
peligrosos e incluso imposibles de llevar a cabo en un laboratorio, o
muy costoso o que requiera mucho tiempo y por lo tanto no podrían
ser estudiados con métodos de laboratorio como los conocemos. la
Química computacional se ha extendido al diseño de compuestos
5
Gráfico 3 La ecuación de Schrödinger

9. que presenten no sólo una elevada afinidad por su receptor, sino
también una optimización de sus propiedades farmacéuticas, que
aseguran un balance en la absorción, distribución y metabolismo
del fármaco, junto a su excreción y toxicidad.
La Química Computacional es un área multidisciplinaria que incluye a
expertos de diversas áreas del conocimiento. Visualización y Diseño
Molecular
El programa Gabedit es uno de los más empleados para quienes trabajan
en la Química computacional, ya que además de ser libre, es el más
compatible con otros programas que trabajan con los algoritmos más
conocidos y es capaz de proporcionar una interfaz gráfica al usuario. La
Química computacional se ha convertido en una poderosa herramienta
capaz de realizar y predecir comportamiento de los compuestos que con
la Química teórica no se podría haber logrado; a pesar de ser únicamente
una herramienta complementaria para los profesionales de la Química
que se desempeñan en las áreas en donde ha intervenido como la
Química Cuántica, la espectroscopia, fenómenos de astroquímica, el
estudio del ADN, entre otros, se ha convertido también, en una tarea
multidisciplinaria, en la cual los profesionales en el área de Computación,
tienen grandes campos de trabajo en la que pueden aportar sus
conocimientos para mejorar lo que ya existe o crear algo nuevo. Para que
un profesional de la Ingeniería pueda participar en la creación, adaptación
o diseño de un programa que realice tareas novedosas y ayude a los
Químicos Computacionales en sus diversas tareas, se necesita que
conozca al menos los conceptos básicos de Química tal como se imparte
actualmente para los alumnos de Ingeniería en Computación de nuestra
Facultad; lo anterior, es una muestra clara de que actualmente no existe
una disciplina o profesión que se desempeñe de forma aislada a todas las
demás, pues los nuevos retos a los que se enfrentan las diferentes
instituciones que realizan el desarrollo científico del país, requieren de los
conocimientos de profesionales de diferentes áreas de conocimiento.
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10. Conceptos de quimica computacional
El término química computacional es usualmente usado cuando un
método físico-matemático está lo suficientemente bien desarrollado para
su aplicación a sistemas moleculares en forma relativamente
automatizada, implementado en un paquete computacional. Si bien muy
pocos aspectos de la química pueden ser calculados de manera exacta,
estas metodologías tienen errores bastante bien definidos contra los datos
experimentales existentes, que permiten la determinación de propiedades
moleculares dentro de lo que se conoce como "precisión química". Sin
embargo, casi cualquier aspecto de la química puede ser descrito de
manera cualitativa, semi-cuantitativa o incluso cuantitativamente mediante
un esquema computacional.
7
Gráfico 5 Software libre Gabedit para visualización y diseño molecular

11. La química computacional actual permite calcular con exactitud de
manera rutinaria las propiedades de las moléculas que contienen cientos
de átomos (y los electrones correspondientes), con errores para la
energía que pueden estar por debajo de 1 kcal/mol. En cuanto a los
aspectos estructurales a nivel atómico (la geometría molecular) es posible
predecir longitudes de enlace con errores de unos pocos picómetros (pm)
y los ángulos de enlace con errores del orden de . El tratamiento de
grandes moléculas es computacionalmente abordable mediante otros
métodos aproximados tales como los basados en la teoría del funcional
de la densidad. Existe alguna controversia en el campo sobre si los
métodos teóricos son suficientemente exactos para describir reacciones
químicas complejas, como las involucradas en problemas de
la bioquímica. Las macromoléculas pueden ser estudiadas por medio de
métodos cuánticos semi-empíricos o por métodos de la mecánica clásica,
también llamados métodos de mecánica molecular. (MM).
En la química teórica, químicos, físicos, matemáticos e informáticos
desarrollan modelos, algoritmos y software para predecir propiedades
atómicas y moleculares y para encontrar mecanismos de reacciones
químicas. Por el contrario, los químicos computacionales emplean
programas y metodologías existentes para dar respuesta a preguntas
químicas específicas.
8
Gráfico 6 Química computacional conceptos

12. Así, la química computacional puede ayudar a los químicos
experimentales en su trabajo o los puede desafiar a encontrar objetos
químicos totalmente nuevos.
La predicción de la estructura molecular a nivel atómico mediante el uso
de métodos clásicos o llegando al detalle electrónico a través de los
métodos de la química cuántica. Esto se realiza localizando puntos
estacionarios (gradiente nulo) sobre la hipersuperficie de energía
potencial correspondiente al sistema que se explora variando la posición
9
Gráfico 7 Aportes química computacional

13. de los núcleos atómicos (procedimiento conocido como optimización de
geometría).
Almacenamiento y búsqueda de datos en entidades químicas.
Determinación de correlaciones entre la estructura química y propiedades
de interés químico y/o biológico que permiten construir modelos
predictivos cuantitativos (QSPR y QSAR).
Labor de modelización computacional para ayudar a una eficiente síntesis
de componentes.
Labor de diseño en silico de moléculas capaces de interactuar de forma
específica con otras moléculas (diseño de fármacos).
Métodos de la química computacional
Una misma fórmula molecular puede representar un número amplio de
isómeros. Cada isómero se corresponde con un mínimo local de la
superficie de energía potencial del sistema molecular (resultante de
considerar la energía de los electrones más la energía de repulsión
nuclear) como una función de las coordenadas nucleares. Un punto
estacionario corresponde a una geometría tal que la derivada de la
energía con respecto a todos los desplazamientos de los núcleos vale
cero. Un mínimo local (de energía potencial molecular) es un punto
estacionario para el que todos los desplazamientos nucleares conducen a
un aumento de la energía, por lo tanto se asocian con formas estables del
sistema. El mínimo local de más baja energía es llamado mínimo global y
corresponde al isómero más estable. Cuando un cambio en una
coordenada en particular de la estructura lleva a una disminución de la
energía total en ambas direcciones, el punto estacionario corresponde a
un estado de transición y la coordenada para la que es un máximo, es la
10

14. coordenada de reacción. Este proceso de determinar los puntos
estacionarios es llamado optimización geométrica.
Métodos cuánticos ab initio (HF SCF)
Los programas utilizados en química computacional están basados en
diferentes métodos de la química cuántica que resuelven la ecuación de
Schrödinger asociada al Hamiltoniano molecular. Los métodos que no
incluyen ningún parámetro empírico o semi-empírico en sus ecuaciones
(siendo derivadas directamente de principios teóricos, sin la inclusión de
datos experimentales), son llamados métodos ab initio. Esto no implica
que la solución sea exactamente una; son todos cálculos aproximados de
mecánica cuántica. Esto significa que una aproximación se define
rigurosamente en función de los primeros principios (teoría cuántica) y su
resolución es con un margen de error que es cualitativamente conocido
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Gráfico 8 Métodos de la química computacional

15. de antemano. Si métodos numéricos iterativos han sido empleados, la
meta es iterar hasta obtener la máxima precisión que la máquina pueda
dar (lo mejor que es posible con un tamaño de palabra del computador
finito y con las aproximaciones matemáticas y/o físicas realizadas).
El tipo más simple de cálculo de estructura electrónica ab initio es el
método de Hartree-Fock (HF), una extensión de la teoría de orbitales
moleculares, en la cual la correlación electrónica, correspondiente a la
repulsión electrón-electrón, no es tomada en cuenta en forma instantánea,
sino que su efecto promedio es incluido en los cálculos. Como el tamaño
de las bases de conjunto es incrementado, la energía y la función de onda
tienden a un límite llamado el límite Hartree-Fock. Muchos tipos de
cálculos, conocidos como métodos Pos Hartree-Fock, comienzan con un
cálculo Hartree-Fock para corregir posteriormente la repulsión electrón-
electrón, conocida también como correlación electrónica. Ya que estos
métodos son llevados al límite, la solución entregada se aproxima a la
solución exacta de la ecuación no relativista de Schrödinger. Con el fin de
obtener un total acuerdo con los experimentos, se hace necesario incluir
términos relativistas y la interacción órbita-espín, ambos solamente
importantes para átomos pesados.
Métodos cuánticos basados en la teoría del funcional de la densidad
Los métodos de la teoría del funcional de la densidad (DFT, del inglés
Density Functional Theory) son a menudo considerados por los métodos
12
Gráfico 9 Ab initio

16. ab initio para determinar la estructura electrónica molecular, incluso
aunque muchos de los más comunes funcionales usen parámetros
derivados de datos empíricos, o de cálculos más complejos. Por tanto,
también podrían ser llamados métodos semi-empíricos, aunque es más
adecuado tratarlos como una clase por sí solos. En DFT, la energía total
es expresada en términos de la densidad total en lugar de la función de
onda. En este tipo de cálculos, hay un Hamiltoniano aproximado y una
expresión aproximada para la densidad electrónica total. Los métodos
DFT pueden ser muy precisos por un coste computacional muy bajo. El
inconveniente es que, a diferencia de los métodos ab initio, no hay una
manera sistemática de mejorar los métodos mejorando la forma del
funcional. Algunos métodos combinan el intercambio de densidad del
funcional con el intercambio de términos Hartree-Fock y son conocidos
como métodos de funcional híbrido.
13
Gráfico 10 Teoría de la densidad

17. Métodos cuánticos semi-empíricos
Los métodos semi-empíricos de química cuántica están basados en el
formalismo de Hartree-Fock, pero hacen muchas aproximaciones y
obtienen algunos parámetros de datos empíricos. Son muy importantes
en química computacional por tratar grandes moléculas donde el método
completo de Hartree-Fock sin aproximaciones es muy caro. El uso de
parámetros empíricos aparece para permitir la inclusión de algunos
efectos de correlación en los métodos.
Los métodos semi-empíricos se basan a menudo en los métodos
llamados empíricos donde la parte de dos electrones del Hamiltoniano no
es explícitamente incluida. Para sistemas {displaystyle pi}pi-electrón, el
método utilizado es el de Hückel, propuesto por Erich Hückel, y para
todos los sistemas de electrones de valencia, el método extendido Hückel,
propuesto por Roald Hoffmann.
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Gráfico 11 Semi - empíricos

18. Métodos para cuerpos sólidos
Método de química computacional pueden ser aplicados a problemas
de física de estado sólido. La estructura electrónica de un cristal es en
general descrita por una estructura de banda, la cual define la energía de
los orbitales electrónicos por cada punto en la zona Brillouin. Cálculos ab
initio y semi-empíricos proporcionan energía orbital, por lo tanto pueden
ser aplicados a cálculos de estructuras de banda. Dado que se trata del
consumo de tiempo para calcular la energía en una molécula, es aún más
el tiempo de consumo para calcularlo para la lista completa de puntos en
la zona de Brillouin.
15
Gráfico 12 Cuerpos solidos

19. Bibliografía
Carles, B., Lopez , N., & Maserias, F. (s.f.). ICIQ VIRTUAL LAB. .
Obtenido de ICIQ VIRTUAL LAB. :
http://labvirtual.iciq.es/es/quimica-computacional/
Román García, A. S. (2008). Química computacional . N A T U R A L I S ,
4.
Valles Sánchez, A., Rosales Marines, L., Serrato Villegas, L. E., & Farías
Cepeda, L. (2014). Métodos y Usos de la Química Computacional.
Revista Científica de la Universidad Autónoma de Coahuila, 21.
Wikipedia. (2 de octubre de 2019). Wikipedia. Obtenido de Wikipedia:
https://es.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmica_computacional
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