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Máster Universitario en Química y Desarrollo Sostenible

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Química Computacional

Código asignatura
MQDESO01-1-004
Curso
Primero
Temporalidad
Primer Semestre
Carácter
Obligatoria
Créditos
3
Pertenece al itinerario Bilingüe
No
Actividades
  • Clases Expositivas (10 Horas)
  • Prácticas de Aula/Semina (13 Horas)
Guía docente

La Química Computacional es una asignatura del Primer Módulo de Química Avanzada incluido en el programa del Máster en Química y Desarrollo Sostenible. Su objetivo global es introducir los fundamentos teóricos de los principales métodos de la Química Computacional y su aplicación práctica para la predicción y/o racionalización de las propiedades y actividad de compuestos orgánicos, organometálicos y biomoléculas.


Los estudiantes aprenderán a plantear y resolver computacionalmente problemas simples relacionados con las propiedades moleculares y la reactividad química, manejando para ello software y técnicas que gozan de una amplia difusión. Para asegurar un correcto aprovechamiento de la información generada por las técnicas teóricas, los estudiantes adquirirán el hábito de valorar la fiabilidad de los resultados usando diversos criterios y basándose siempre en el conocimiento de los fundamentos de los métodos y aproximaciones teóricas, así como en la correcta aplicación de conceptos propios de la Química Cuántica, Termodinámica Estadística, Cinética Química, etc. En este sentido, la Química Computacional complementa y amplía los contenidos de asignaturas de grado o licenciatura con contenidos propios de la Química Física y promueve la capacidad crítica e investigadora de los estudiantes. Por otro lado, el contacto con la asignatura permitirá a los estudiantes apreciar su carácter complementario con respecto a las técnicas de determinación estructural que se estudian en el Segundo Módulo del Máster.

Esta asignatura no tiene ningún prerrequisito administrativo o académico. En cualquier caso, para progresar en su desarrollo es necesario que los alumnos dominen previamente una serie de conocimientos de Matemáticas y especialmente de Química Física, normalmente adquiridos en asignaturas impartidas durante un Grado o una Licenciatura en Química. Más en particular, durante la impartición de esta asignatura del Máster se asumirá un conocimiento previo de los siguientes contenidos y conceptos quimicofísicos:

  • La ecuación de Schrödinger y las propiedades genéricas de sus soluciones cuantizadas.
  • La interpretación del cuadrado de la función de onda como una densidad de probabilidad, el principio de incertidumbre de Heisenberg y el principio de exclusión de Pauli.
  • La solución mecanocuántica del problema del átomo de hidrógeno.
  • Las soluciones mecanocuánticas de los modelos del oscilador armónico y rotor rígido.
  • Nociones sobre el método de variaciones y el método de perturbaciones.
  • Notación de los Grupos Puntuales de Simetría.
  • Funciones de estado termodinámicas.
  • Función de distribución de Boltzmann y funciones de partición moleculares del gas ideal.
  • Ley de Arrhenius y Teoría del Estado de Transición.

Por ejemplo, habiendo superado las asignaturas de Química Física I, II y III contempladas en el Grado en Química de la Universidad de Oviedo (plan 2009), los estudiantes dispondrán de una buena base de conocimientos para progresar en la Química Computacional. Por supuesto, también es importante la comprensión y un manejo ágil de las formas matemáticas necesarias para presentar esta clase de contenidos.

Por otro lado, se asume igualmente que los estudiantes están familiarizados con herramientas informáticas de uso común (editor de textos, hoja de cálculo, etc.), contando así con las habilidades necesarias para comenzar a utilizar programas informáticos de Química Computacional. Por último, aunque la asignatura se imparte en español, también es muy recomendable un buen conocimiento del inglés técnico, leído y escrito, para consultar la bibliografía e interpretar la información generada por los programas de cálculo.

Mediante el trabajo personal de los alumnos, la asignatura de Química Computacional contribuye a alcanzar especialmente las siguientes competencias generales enumeradas en la memoria de verificación del máster:

  • CG2    Relacionar el método de síntesis, la estructura y la composición de las especies químicas con sus propiedades.
  • CG3    Interpretar y analizar datos complejos que contribuyan a la caracterización de especies químicas.
  • CG4    Reconocer y evaluar la calidad de los resultados teóricos y prácticos utilizando las herramientas adecuadas.
  • CG6    Establecer hipótesis razonadas sobre el resultado de la investigación realizada.
  • CG9    Presentar informes de modo oral y escrito.
  • CG11  Relacionar la Química con otras disciplinas.
  • CG12  Interpretar datos procedentes de observaciones y medidas de laboratorio en términos de significado y la teoría que soporta.

Por otro lado, la memoria del máster asigna directamente las siguientes competencias específicas propias de la Química Computacional:

  • CE10  Conocer, discernir y aplicar las técnicas avanzadas de Química Computacional y usarlas de manera adecuada para la resolución de problemas químicos.
  • CE11  Entender e interpretar los resultados obtenidos en las modelizaciones.
  • CE15  Diseñar los diferentes experimentos y condiciones de análisis para elucidar la estructura de nuevas especies químicas y para la detección y caracterización de intermedios de reacción.

Adicionalmente, el desarrollo de la asignatura puede contribuir a reforzar de modo transversal otras competencias específicas del máster relacionadas con el conocimiento de la estructura y actividad de los compuestos químicos.

Las anteriores competencias y objetivos se concretan en los siguientes resultados de aprendizaje del Primer módulo del máster:

  • R1 Demostrar conocimiento y comprensión de la estructura, enlace y propiedades de los compuestos moleculares y no moleculares.
  • R2 Demostrar conocimiento y comprensión de los mecanismos de reacción y procesos de síntesis de especies químicas moleculares y no moleculares.
  • R3 Demostrar conocimientos básicos de los métodos teóricos y utilización de programas de uso habitual en Química Computacional para resolver problemas de estructura, espectroscopía o reactividad.
  • R4 Elaborar y presentar correctamente un informe, tanto de forma oral como escrita.
  • R5 Exponer y debatir ideas relacionadas con los contenidos del módulo.

 Además, en esta guía docente, se contempla más particularmente que los estudiantes alcancen los siguientes resultados de aprendizaje o adquieran las siguientes habilidades:

  • RE1 Utilizar herramientas informáticas de edición molecular para la preparación de cálculos quimicocuánticos y la visualización de los resultados.
  • RE2 Ser capaces de exponer los fundamentos básicos de los métodos y aproximaciones teóricas y conocer su escalado formal con el tamaño de los sistemas moleculares.
  • RE3 Ser capaces de comparar entre sí los distintos métodos resaltando las ventajas y limitaciones de los mismos.
  • RE4 Proponer y aplicar un nivel de cálculo adecuado para distintos problemas (análisis conformacional, energías de reacción, propiedades moleculares), siendo capaces de valorar a priori la calidad de los resultados.
  • RE5 Extraer los resultados más relevantes o necesarios para cada problema de entre toda la información generada por las técnicas teóricas.
  • RE6 Reunir y presentar correctamente los datos cuantitativos en forma tabulada así como generar representaciones gráficas de buena calidad.

Clases Expositivas y Prácticas de Aula

 Los contenidos se agrupan en 10 Temas:

  1. Introducción. La Química Computacional. Herramientas y Aplicaciones. Comando básicos de Linux. Editor gedit. Entornos gráficos de edición y visualización molecular. Ejemplos de aplicación.
     
  2. Superficies de Energía Potencial. Origen y concepto de superficie de energía potencial (SEP). SEP y sistemas de coordenadas moleculares. Localización de puntos críticos sobre la SEP. Interpretación química. Representación gráfica e interpretación de SEP en sistemas moleculares sencillos.
     
  3. Mecánica Molecular. Fundamento teórico. Campos de fuerza. Estudio químico-computacional de la estructura y energía de aminoácidos con diferentes campos de fuerza.
     
  4. Método Hartree-Fock. Método autoconsistente Hartree-Fock. Aproximación CLOA. Ecuaciones Roothaan. Funciones de base. Pseudopotenciales. Nivel de cálculo. Análisis de población electrónica. Realización de cálculos Hartree-Fock con diferentes bases sobre carbocationes: interpretación y visualización de orbitales moleculares.
     
  5. Métodos Semiempíricos. Método NDDO. Métodos semiempíricos basados en la aproximación NDDO. Optimización PM6 de estructuras de compuestos organometálicos.
     
  6. Métodos post-Hartree-Fock. Limitaciones del método Hartree-Fock. Correlación electrónica. Método MØller-Plesset. Método Coupled Cluster. Análisis comparativo de los métodos anteriores aplicado al cálculo de geometrías, energías de disociación y energías de correlación electrónica.
     
  7. Métodos del Funcional de la Densidad Electrónica. Bases de la Teoría del Funcional de la Densidad. Ecuaciones Kohn-Sham. Tipos de funcionales. Comparación de funcionales y aplicación computacional al cálculo de energías de reacción.
     
  8. Propiedades Moleculares. Potencial electrostático y momentos multipolares. Propiedades moleculares y derivadas de la SEP. Predicción de espectros IR y desplazamientos químicos RMN. Obtención de propiedades moleculares de intermedios de reacción.
     
  9. Propiedades Termodinámicas y Constantes Cinéticas. Termodinámica Estadística del gas ideal. Determinación de magnitudes termodinámicas. Teoría del Estado de Transición y constantes cinéticas. Estudio químico-computacional de la constante de equilibrio de la reacción de desplazamiento del gas de agua mediante métodos post-Hartree-Fock y del funcional de la densidad.
     
  10. Tratamiento Teórico de los Efectos del Disolvente. Introducción. Modelos del disolvente continuo. Método PCM. Estudio químico-computacional de los efectos del disolvente sobre el mecanismo de bromación del etileno.

Para la consecución de los objetivos y competencias propuestos, la actividad presencial del estudiante tendrá lugar en clases expositivas y de prácticas de aula, programadas en un aula de informática adecuada para el desarrollo de la asignatura.

  1. Clases Expositivas (8 h): El profesor presentará de modo resumido los contenidos teóricos, haciendo hincapié en aquellos aspectos de especial complejidad cuya comprensión plena sea esencial para el correcto uso de las técnicas de la Química Computacional. Las presentaciones se apoyarán en distintos recursos docentes (apuntes del profesor, presentaciones gráficas, demostraciones de uso, etc.).
  2. Clases de Práctica de Aula (13 h):En esta modalidad, los estudiantes deben adoptar un rol activo para reforzar su comprensión de los conceptos expuestos por el profesor y para adquirir habilidades y competencias en el manejo de las herramientas informáticas de la Química Computacional. Para ello, el profesor propone a los estudiantes la realización de ejercicios computacionales, siguiendo una serie de pautas recogidas en breves guiones de trabajo y contando con la supervisión y apoyo del profesor.

La actividad no presencial de los estudiantes se articula en torno a dos ejes: Por un lado, en el estudio continuo, individual y en grupo, de los conceptos y fundamentos teóricos expuestos en los distintos Temas. Por otra parte, durante los ejercicios y casos tratados en las prácticas de aula se propondrá la realización de cálculos adicionales, que los estudiantes deberán acometer como tarea no presencial. En los primeros temas estas tareas serán individuales, pero en los últimos temas se constituirán grupos de trabajo para su realización y la presentación posterior de resultados. El profesor promoverá y apoyará activamente las tareas no presenciales configurando recursos informáticos para que los estudiantes lleven a cabo sus actividades mediante conexiones remotas, resolviendo sus dudas a través del foro electrónico de la asignatura, proporcionando ejemplos y plantillas para la elaboración de informes de resultados, etc.

Todos los materiales que se emplearán en el desarrollo de las distintas actividades de que consta la asignatura (tablas, gráficas, apuntes, guiones de ejercicios, etc.) estarán a disposición de los alumnos en formato electrónico (material incorporado en el Campus Virtual de la Universidad de Oviedo).

La siguiente Tabla resume la metodología y plan de trabajo de la asignatura.

TRABAJO PRESENCIAL

TRABAJO NO PRESENCIAL

Temas

Clase Expo-
sitiva

Práct.
de Aula

Eval.

Total

Trab. grupo

Trab. autó-nomo

Total

1) Introducción

0.5

1

2

-

1

2) Superficies de Energía Potencial

1

1

1

2

3) Mecánica molecular

0.5

1

1

1

4) Método Hartree-Fock

1

1

1

2

5) Métodos semiempíricos

0.5

1

1

2

6) Métodos post-Hartree-Fock

1

1

2

2

7) Métodos del Funcional de la Densidad Electrónica

1

1

2

2

8) Propiedades moleculares

0.5

1.5

2

2

9) Propiedades Termodinámicas y Constantes Cinética

1

3

3

3

10) Tratamiento Teórico de los Efectos del Disolvente

1

1.5

2

3

Total

8

13

2

23

15

20

35

Convocatoria ordinaria

La evaluación de las actividades a desarrollar durante el curso previstas en la guía docente se realizará mediante los siguientes criterios e instrumentos de evaluación:

Aspectos

Criterios

Instrumentos

Peso

Contenidos de los temas 1-10  tratados en las clases expositivas y las prácticas de aula (R3, RE2, RE3)(a) .

Responder correctamente cuestiones sobre los fundamentos teóricos y supuestos de aplicación de los métodos de la Química Computacional

Prueba individual escrita de respuesta corta

50%

Resolución de problemas simples de estructura y actividad molecular mediante técnicas computacionales (RE1, RE4, RE5, RE6)(a).

Realización correcta de las acciones necesarias para editar y realizar los cálculos, la extracción y presentación de datos, y la interpretación y reporte gráfico/tabulado de los datos.

Evaluación continua de la actividad en el aula y presentación de resultados (tablas, figuras, etc.)

30%

Elaboración de un informe escrito breve y presentación oral sobre la resolución de un ejercicio computacional y debate de ideas relacionadas con los contenidos (R3, R4, R5, RE2, RE3, RE6)(a).

Claridad y organización del informe escrito y la presentación oral. Capacidad de debate y análisis crítico de los resultados.

Evaluación del informe escrito y presentación oral conjunta de los resultados de la resolución de un problema computacional en grupo

20%

(a) Resultados de aprendizaje más directamente relacionados.

Para superar la asignatura es preciso obtener una calificación mínima de 4 sobre 10 en cada uno de los aspectos evaluables.

Convocatorias extraordinarias

De acuerdo con el reglamento de evaluación de los resultados de aprendizaje y de las competencias adquiridas por el alumnado de la Universidad de Oviedo, para que el alumno pueda superar la asignatura en convocatorias extraordinarias se realizará un examen final que constará de una prueba escrita de respuestas cortas y la resolución de ejercicio computacional.

Aspectos

Criterios

Instrumentos

Peso

Contenidos de los temas 1-10  tratados en las clases expositivas y las prácticas de aula (R3, RE2, RE3)(a) .

Responder correctamente cuestiones sobre los fundamentos teóricos y supuestos de aplicación de los métodos de la Química Computacional

Prueba individual escrita de respuesta corta

50%

Resolución de problemas simples de estructura y actividad molecular mediante técnicas computacionales (RE1, RE4, RE5, RE6)(a).

Realización correcta de las acciones necesarias para editar y realizar los cálculos, la extracción y presentación de datos, y la interpretación y reporte gráfico/tabulado de los datos.

Prueba individual de resolución de un ejercicio computacional y presentación escrita resumida de resultados.

50%

Para superar la asignatura en un examen extraordinario es preciso obtener una calificación mínima de 5 sobre 10 en ambos aspectos. 

El temario de la asignatura se encuentra ampliado en los siguientes textos disponibles en la biblioteca de la Facultad de Química en las mismas ediciones o en otras inmediatamente anteriores.

  • Cramer, C. J. Essentials of Computational Chemistry: Theories and Models, 2nd Edition, John Wiley & Sons, 2004.
  • Jensen, F. Introduction to Computational Chemistry, 2nd Edition. John Wiley & Sons, 2007.
  • Engel, T. y Reid. P. Physical Chemistry 2nd Edition. Pearson. 2010. (Existe una versión en español de la primera edición publicada en 2006 por Pearson Educación).
  • Lewars, Errol G. Computational Chemistry: Introduction to the Theory and Applications of Molecular and Quantum Mechanics. 2nd Edition. Springer-Verlag. 2011.
  • Young, D. C. Computational Chemistry: A Practical Guide for Applying Techniques to Real-World Problems. Wiley-Interscience. 2001.
  • Bertrán Rusca, J., Branchadell Gallo, V., Moreno Ferrer, M., Sodupe Roure, M. Química Cuántica. Colección Química Básica. Síntesis, 2000.

Es muy importante que, además de los materiales elaborados por el profesor y disponibles en el Campus Virtual, los estudiantes manejen alguno de los textos de referencia como material de apoyo para el estudio de la asignatura.

Obviamente, los recursos en forma de programas informáticos son imprescindibles para la asignatura de Química Computacional. Se facilitará el acceso y la utilización de los mismos a los estudiantes mediante el material colocado en el Campus Virtual (enlaces, ejemplos, etc.), así como en la propia aula de informática en la que se desarrollarán las actividades presenciales y, también, mediante conexión remota a un servidor informático durante las actividades no presenciales. Entre las herramientas más destacadas para la asignatura están:

• Gaussian09 (http://www.gaussian.com): Programa químico-cuántico con numerosas prestaciones, fácil de usar y que goza de una amplísima difusión. La Universidad de Oviedo dispone de una licencia de uso institucional y será la herramienta más utilizada por los estudiantes.

• ORCA (http://www.thch.uni-bonn.de/tc/orca/): Programa químico-cuántico con numerosas prestaciones, fácil de usar y distribuido libremente a usuarios académicos. Constituye una opción interesante para aquellos alumnos que deseen ampliar su experiencia en el uso de las herramientas de la Química Computacional.

• Molden (http://www.caos.kun.nl/~schaft/molden/molden.html): Programa de dibujo de moléculas y de su función de onda (mapas de densidad electrónica y de orbitales moleculares). Funciona en un entorno X-Windows. Lee ficheros de salida de la mayoría de programas de cálculo químico-cuántico tales como Gaussian, Gamess, etc. Existen versiones para estaciones de trabajo y para PC (Windows y Linux).

• Avogadro (http://avogadro.openmolecules.net): Programa GNU de edición y visualización molecular. Es una herramienta recomendable para los estudiantes porque es sencillo de usar, incorpora un motor de mecánica molecular, posee una interfaz sencilla con programas como Gaussian y tiene una calidad gráfica alta.