Carlos Romero Muñiz »
Resumen
En este Trabajo Fin de Grado se describe un método teórico basado en cálculos cuánticos de primeros principios que permite obtener los modos de vibración tanto de moléculas como de sóli- dos cristalinos, incluso para sistemas grandes que contienen cientos de átomos. Este método tiene importantes aplicaciones en algunas técnicas de caracterización de materiales relacionadas con las vibraciones moleculares, como la espectroscopía Raman. Aparte de una breve introducción a dicha técnica experimental y a los compuestos químicos objeto de este estudio, este trabajo presenta una descripción detallada del método teórico ilustrada por medio de un ejemplo sencillo: la molécula de benzamida. Posteriormente se demuestra que con el método descrito es posible reproducir con gran precisión el espectro Raman experimental de un sólido molecular tan complejo como el [2]catenano amidobencílico, un ejemplo de sistema molecular enlazado mecánicamente. Gracias a estos cálculos se puede realizar una asignación de los modos de vibración más relevantes del espectro dando una descripción geométrica de los mismos. Esta asignación, que es bastante difícil desde el punto de vis- ta experimental, aporta información relevante sobre la estructura a escala molecular del compuesto, dando lugar a algunas conclusiones en concordancia con diferentes observaciones experimentales publicadas en la bibliografía y en el grupo de investigación de Microscopía Raman e Infrarroja de la UNED.
Conclusiones
A lo largo de este trabajo hemos visto cómo es posible calcular los modos normales de vibración de moléculas o sólidos cristalinos mediante el uso exclusivo de cálculos cuánticos basados en la Teoría del Funcional de la Densidad. La obtención de estos modos nos permite mediante cálculos posteriores obtener espectros vibracionales directamente comparables con los experimentales, tanto de espec- troscopía infrarroja como Raman, aunque en el trabajo nos hemos limitado a esta segunda técnica. Se ha ilustrado este tipo de cálculos tanto con un ejemplo relativamente sencillo (la molécula de ben- zamida) como con un ejemplo mucho más complejo (el cristal de [2]catenano amidobencílico). Este segundo caso, que no había sido abordado previamente desde métodos cuánticos, ha sido comparado con resultados experimentales obtenidos previamente por el grupo de investigación en donde se ha realizado este trabajo y el acuerdo con los cálculos ha sido excelente. Los resultados obtenidos nos permiten concluir que el método presentado en este trabajo es, por un lado, más preciso que aquellos métodos basados en dinámica molecular clásica e incluso que otros métodos similiares, también de naturaleza cuántica, donde es necesario corregir las frecuencias obtenidas para comparar con las ex- perimentales obtenidas por espectroscopía. Y por otro lado, que se pueden llevar a cabo cálculos en sistemas significativamente más grandes que los que eran posibles hace pocos años gracias al desa- rrollo de códigos de computación más eficientes y al empleo de ordenadores potentes en la realización del cálculo.
Este Trabajo de Fin de Grado de Ciencias Químicas fue defendido por su autor, Carlos Romero Muñiz, en la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) en el curso escolar 2017-18.
Los resultados de esta investigación se publicaron en:
Carlos Romero-Muñiz, Denís Paredes-Roibás, Concepción López, Antonio Hernanz y José María Gavira-Vallejo: Assignment of the Raman Spectrum of Benzylic Amide [2]Catenane: Raman Microscopy Experiments and First-Principles; J. Phys. Chem. C 2018, 122, 31, 18102–18109; https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b04904 .
