Aplicación de la Química Computacional y el Modelado Molecular a la Solución de Problemas de Interés Industrial ******* Proyectos CIMAV - COMEX.

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1 Aplicación de la Química Computacional y el Modelado Molecular a la Solución de Problemas de Interés Industrial ******* Proyectos CIMAV - COMEX

2 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

3 Herramientas de la Nanotecnología
Herramientas para medir nanoestructuras Herramientas para fabricar nanoestructuras Herramientas para modelar nanoestructuras

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5 Química Computacional
Es una parte de la química a través de la cual se busca la solución a problemas químicos, mediante cálculos realizados en una computadora.  

6 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

7 Caracterización químico-computacional de la estructura molecular, propiedades y reactividad química de materiales DFT Conceptual

8 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.

9 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.

10 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.

11 Se basan en las leyes de la mecánica cuántica
Química Computacional Mecánica Molecular Teoría de estructura electrónica Se basan en las leyes de la mecánica cuántica Utilizan las leyes básicas de la física

12 Métodos de Estructura Electrónica
Métodos Semiempíricos Métodos DFT Métodos Ab Initio

13 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.

14 Nano-Oportunidades en Química Computacional
********* Dr. Daniel Glossman-Mitnik

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16 Estructura Propiedades Funcional

17 Funcional PBEg + Bases: CBSB7 y CBSB1
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 IR CBSB1 para energías, propiedades electrónicas, espectroscópicas y reactividad química

18 g = factor de estructura
g = x FH x FV X HA FH = primer heteroátomo (S > O > N) FV = factor de valencia de FH (1, 2, 3,…) HA = heteroátomos adicionales

19 PROYECTOS CIP-COMEX CIMAV – CONACYT
****************** Dr. Daniel Glossman-Mitnik Grupo NANOCOSMOS - CIMAV

20 Programa de Consorcios CONACYT
****** Costo total del proyecto $ 765,000.-

21 Proyecto CIP-CIMAV #1 Simulación Computacional de Nuevos Cromóforos Luminiscentes Derivados de la Maleiperinona

22 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

23 Primera Etapa Simulación Computacional de la Estructura y Propiedades Espectroscópicas de Nuevos Cromóforos Basados en la Maleiperinona

24 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

25 Metodología utilizada
Optimización de estructuras y cálculos de frecuencias vibracionales: DFT (CHIH-DFT) Espectros UV: TDDFT (CHIH-DFT) y ZINDO

26 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)

27 Incluyendo el espectro RMN
Siguiente Etapa Determinación computacional de las propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas de los nuevos cromóforos, Incluyendo el espectro RMN

28 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)

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42 Proyecto CIP-CIMAV #2 Simulación Computacional de la Solubilidad del Complejo Co[(etilendiamino)(2etilhexanoato)2] en una Mezcla de Disolventes

43 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

44 Primera Etapa Simulación computacional de la estructura y propiedades espectroscópicas del complejo metálico Co[(Etilendiamino)(2-Etilhexanoato)2]

45 Complejo metálico Co[(etilendiamino) (2-etilhexanoato)2]
Sistema estudiado Complejo metálico Co[(etilendiamino) (2-etilhexanoato)2]

46 Metodología utilizada
Determinación de estructuras y cálculos de frecuencias: DFT (B3LYP) Cálculo de espectros UV: DFT (B3LYP)

47 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)

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54 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

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57 Calor de solvatación del Complejo de Co(II) (en kcal/mol)
Tolueno 7.72 THF Propanol MIBK Metanol Isopropanol Agua Etilenglicol Etanol Butanol Butilcellosolve Acetona 2-Metil-2-Propanol Hexano

58 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

59 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)

60 Primera Etapa Simulación computacional de la estructura y propiedades espectroscópicas de los diferentes monómeros

61 Sistemas estudiados Acrilato de butilo Metacrilato de metilo
Acetato de vinilo COPS-1 PAM 200 TREM LF 40 MAXEMUL 5011 MEM NP 50

62 Metodología utilizada
Determinación de estructuras y cálculos de frecuencias: DFT (B3LYP) Cálculo de espectros UV: DFT (B3LYP)

63 Resultados Estructuras moleculares de energía mínima de los monómeros estudiados Espectros IR de los monómeros estudiados Espectros UV de los monómeros estudiados

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67 Siguiente Etapa Determinación computacional de los estados de transición para los diferentes pares de monómeros en varios solventes

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73 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 temperaturas Determinación computacional de las relaciones de reactividad de los diferentes monómeros

74 Energía libre de Gibbs G (Hartrees)
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 AV MM TREM-LF 40

75 Energía libre de Gibbs G (Hartrees)
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* PB-AV* PB-MM* PB-TREM-LF40* PT-AB* PT-AV* PT-MM* PT-TREM-LF40*

76 Constantes de velocidad de reacción (s-1)
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) PB-ESTMM (k12) PB-MMMM(k22) PB-MMEST(k21)

77 Relaciones de reactividad
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

78 Determinación de Parámetros de Solubilidad de Polímeros de Interés en la Industria de Pinturas usando Dinámica Molecular

79 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

80 Muchas gracias por su atención !!!