The work in this thesis mainly focuses on the assessment of density functional methods for computing structures and energies of organic and bioorganic molecules. Previous studies found dramatic conformational and stability changes from B3LYP to MP2 geometry optimization for some Tyr-Gly conformers. Possible reasons could be large intramolecular basis set superposition errors (BSSEs) in the MP2 calculations and the lack of dispersion in the B3LYP calculations. The fragmentation method and three kinds of rotation methods were used to investigate intramolecular BSSE. It is concluded that the rotation method cannot be used to correct intramolecular BSSE along a rotation profile. Another methodology is to employ modern density functionals. We focused on M06-L with the Tyr-Gly conformer ‘book6’. Potential energy profiles were determined by computing the energy for geometries optimized at various fixed values of a distance that controls the degree of foldedness of the structure. M06-L manifested itself as a very promising method to investigate the potential energy surface of small peptides containing aromatic residues. To predict Tyr-Gly structures, 108 potential conformers were created with a Fortran program. The geometry optimizations were done using M06-L/6-31G(d) and M05-2X/6-31+G(d). Two schemes were employed and the most stable conformers were compared to the 20 stable conformers found by B3LYP. Both schemes found 10 conformers similar to one of the B3LYP stable conformers, as well as several newly found conformers. The study of a missing B3LYP stable conformer showed that the possible reason of missing conformers may be the lack in dispersion in B3LYP theory. To study the hydration effect, we studied the conformations of neutral and zwitterionic 3-fluoro-γ-aminobutyric acid (3F-GABA) in solution using different solvation models, mainly the explicit water molecule models. Zwitterionic forms of 3F-GABA are preferred in solution. M06-2X performs better in calculating transition energy profiles than MP2.

Longa vida útil, alta densidade de energia, segurança ambiental, baixo custo, por-tabilidade e confiabilidade são requisitos exigidos pela moderna sociedade na produção das baterias. As baterias recarregáveis de lítio usando soluções eletrolíticas com solventes apróticos atendem, em princípio, estes requisitos. Ao se usar uma solução eletrolítica for-mada por LiPF6, etilenocarbonato (EC) e dietilcarbonato (DEC) a separação de fase começa em cerca de –220C. Se o DEC for substituído pelo metiletilcarbonato (MEC) o início da separação de fase cai para –400C. Este é um bom resultado para aplicações tecnológicas, especialmente em baterias de lítio. A presente tese relata, do ponto de vista teórico, a formação do par iônico LiPF6, a estrutura de solvatação do cátion lítio pelo MEC e a coordenação competitiva do cátion lítio em um mistura formada pelos solventes EC e MEC. Todos os cálculos foram feitos a nível MP2, Hartree-Fock e DFT usando o programa Gaussian 98. As estruturas geométricas dos complexos Li+MEC, Li+(MEC)2, Li+(MEC)3, Li+(MEC)4, e Li+(MEC)5 foram obtidas usan-do vários níveis de teoria. Os espectros de infravermelho e Raman e seus respectivos assi-nalamentos foram obtidos para os compostos PF6¯, LiPF6 (nas simetrias C4V, C3V e C2V), MEC, Li+MEC, Li+(MEC)2. O número máximo de coordenação do cátion lítio pelo MEC obtidos nos cálculos de DFT situa-se entre 3 e 4. Os resultados dos cálculos mecânico-quânticos apontam para uma coordenação seletiva do Li+ em uma mistura de EC e MEC. Na formação do par iônico, a estrutura energeticamente mais favorável encontrada nos cál-culos foi a C3V(tridentada). As ftalocianinas (Pc) constituem outro grupo de moléculas com grandes possibili-dades para aplicações tecnológicas. Algumas ftalocianinas exibem fotossensibilidade no infravermelho próximo e podem ser usadas em conjunto com os diodos de laser nas impres-soras de alta velocidade. Outras ftalocianinas estão sendo testadas para aplicações em tera-pia fotodinâmica contra alguns tipos de câncer. A segunda parte da presente tese relata os resultados realizados sobre as proprie-dades geométricas e eletrônicas das ftalocianinas de alumínio (AlPc+1, OAlPc-1, FAlPc, ClAlPc, BrAlPc, IAlPc, F2AlPc, Cl2AlPc, (CO)AlPc+1, (CO)2AlPc+1, N2AlPc+1, (N2)2AlPc+1), ftalocianinas de silício (SiPc+2, OSiPc, FSiPc+1, ClSiPc+1, F2SiPc, Cl2SiPc, COSiPc+2) e as metal-ftalocianinas, com o metal pertencente à primeira fila dos elementos de transição. Os espectros vibracionais de infravermelho para as ftalocianinas acima men-cionadas também foram investigados. O ligante axial apresenta influência na posição da banda Q (banda de mais baixa energia) no espectro de UV/visível dos derivados ftalocianí-nicos. As geometrias e os espectros de infravermelho foram obtidos usando a teoria do fun-cional da densidade com o método híbrido B3LYP. Os espectros das transições eletrônicas foram obtidos usando o programa ZINDO/S.

Longa vida útil, alta densidade de energia, segurança ambiental, baixo custo, por-tabilidade e confiabilidade são requisitos exigidos pela moderna sociedade na produção das baterias. As baterias recarregáveis de lítio usando soluções eletrolíticas com solventes apróticos atendem, em princípio, estes requisitos. Ao se usar uma solução eletrolítica for-mada por LiPF6, etilenocarbonato (EC) e dietilcarbonato (DEC) a separação de fase começa em cerca de –220C. Se o DEC for substituído pelo metiletilcarbonato (MEC) o início da separação de fase cai para –400C. Este é um bom resultado para aplicações tecnológicas, especialmente em baterias de lítio. A presente tese relata, do ponto de vista teórico, a formação do par iônico LiPF6, a estrutura de solvatação do cátion lítio pelo MEC e a coordenação competitiva do cátion lítio em um mistura formada pelos solventes EC e MEC. Todos os cálculos foram feitos a nível MP2, Hartree-Fock e DFT usando o programa Gaussian 98. As estruturas geométricas dos complexos Li+MEC, Li+(MEC)2, Li+(MEC)3, Li+(MEC)4, e Li+(MEC)5 foram obtidas usan-do vários níveis de teoria. Os espectros de infravermelho e Raman e seus respectivos assi-nalamentos foram obtidos para os compostos PF6¯, LiPF6 (nas simetrias C4V, C3V e C2V), MEC, Li+MEC, Li+(MEC)2. O número máximo de coordenação do cátion lítio pelo MEC obtidos nos cálculos de DFT situa-se entre 3 e 4. Os resultados dos cálculos mecânico-quânticos apontam para uma coordenação seletiva do Li+ em uma mistura de EC e MEC. Na formação do par iônico, a estrutura energeticamente mais favorável encontrada nos cál-culos foi a C3V(tridentada). As ftalocianinas (Pc) constituem outro grupo de moléculas com grandes possibili-dades para aplicações tecnológicas. Algumas ftalocianinas exibem fotossensibilidade no infravermelho próximo e podem ser usadas em conjunto com os diodos de laser nas impres-soras de alta velocidade. Outras ftalocianinas estão sendo testadas para aplicações em tera-pia fotodinâmica contra alguns tipos de câncer. A segunda parte da presente tese relata os resultados realizados sobre as proprie-dades geométricas e eletrônicas das ftalocianinas de alumínio (AlPc+1, OAlPc-1, FAlPc, ClAlPc, BrAlPc, IAlPc, F2AlPc, Cl2AlPc, (CO)AlPc+1, (CO)2AlPc+1, N2AlPc+1, (N2)2AlPc+1), ftalocianinas de silício (SiPc+2, OSiPc, FSiPc+1, ClSiPc+1, F2SiPc, Cl2SiPc, COSiPc+2) e as metal-ftalocianinas, com o metal pertencente à primeira fila dos elementos de transição. Os espectros vibracionais de infravermelho para as ftalocianinas acima men-cionadas também foram investigados. O ligante axial apresenta influência na posição da banda Q (banda de mais baixa energia) no espectro de UV/visível dos derivados ftalocianí-nicos. As geometrias e os espectros de infravermelho foram obtidos usando a teoria do fun-cional da densidade com o método híbrido B3LYP. Os espectros das transições eletrônicas foram obtidos usando o programa ZINDO/S.

The formation and patterns of a monolayer are determined by the interplay of two fundamental interactions, adsorbate-substrate and intermolecular interactions. The binding strength between adsorbate and substrate affects the mobility of the adsorbate at the surface and the stability of the complex. The intermolecular interaction plays a significant role in the monolayer patterns on the epitaxial layer of the substrate. A monolayer can be formed either by a spontaneous self-assembly, or by fabrication via atomic-layer deposition (ALD). The physical and chemical properties of the resulting monolayer have a broad array of applications in fabricating functional materials for hydrophobic or hydrophilic surfaces, biological sensors, alternating the properties of the substrate, catalysis and forming ordered layered structures. In this dissertation, the investigation focuses primarily on the influence of the surface topology on the binding behaviour of adsorbate-surface complexes. The state of the art DFT-TS method is used to simulate the sulfur-containing amino acids at complex gold surfaces and examine the relationship between the binding strengths and the binding sites with various nearest neighbouring environments. The same method is also used to determine if a chemical reaction will take place for various catalytic silicon precursors at a silicon oxide surface. Simulating surface chemistry using the DFT-TS method requires intensive com- puting resources, including CPU use and computing time. Another focus of this dissertation is to increase the data generating speed by reducing the size of the sim- ulated systems without altering the outcome. A relatively small gold cluster is used to study the binding behaviours of small organic molecules on the cluster. The same strategy is also used to simulate the chemical reactions between various self-catalying silicon precursors and a water molecule. / Graduate / 2021-10-21