Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2017-08-01T13:42:24Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) JDiogo_Tese Final_Quimica.pdf: 8861608 bytes, checksum: b9ce8a33624820a531c0a5c298600d94 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-01T13:42:24Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) JDiogo_Tese Final_Quimica.pdf: 8861608 bytes, checksum: b9ce8a33624820a531c0a5c298600d94 (MD5) Previous issue date: 2017-01-26 / CNPQ / Metodologias te´oricas s˜ao ´uteis para complementar investigac¸˜oes experimentais e guiar novos experimentos envolvendo compostos luminescentes de lantan´ıdeos. A ausˆencia de uma ferramenta computacional contendo tais m´etodos motivou o desenvolvimento do LUMPAC. Se por um lado o LUMPAC difundiu o uso dessas metodologias, por outro as suas limitac¸˜oes tamb´em foram evidenciadas. Nesse sentido, pˆode-se conhecer melhor quais m´etodos merecem uma atenc¸˜ao especial, a saber: c´alculo dos parˆametros de intensidade (Ωλ), c´alculo da energia dos estados excitados dos ligantes e c´alculo da taxa de emiss˜ao n˜ao-radiativa (Anrad). O objetivo geral do presente trabalho de doutoramento consiste em corrigir algumas dessas limitac¸˜oes. Quantoaoc´alculodosΩλ,conseguimosatenuaroproblemacomumanovaformadeajustedos fatores de carga e das polarizabilidades atrav´es de um procedimento que foi denominado de Modelo da UnicidadeQDC, o qual faz uso de um conjunto bastante reduzido de parˆametros (Q,D eC). A importˆancia do ajusteQDC ´e que todas as quantidades derivadas se tornam tamb´em ´unicas para uma dada geometria do complexo, incluindo um esquema proposto de partic¸˜ao qu´ımico da taxa de emiss˜ao radiativa (Arad) em termos dos efeitos dos ligantes. Para demonstrar uma das poss´ıveis aplicac¸˜oes dessa partic¸˜ao, foi considerado o caso de complexos tern´arios de Eu3+ de ligantes n˜ao-iˆonicos repetidos e com os ligantes betadicetonatos DBM, TTA e BTFA. A partic¸˜ao ordenou perfeitamente a combinac¸˜ao n˜ao ´obvia de pares de ligantes n˜ao-iˆonicos que levam aos compostos misturados com os maiores valores deAexp rad. Quanto ao c´alculo dos estados excitados dos ligantes, ´e proposta uma parametrizac¸˜ao do m´etodo CIS baseadonaaproximac¸˜aoNDDO,exclusivamenteparasistemaslantan´ıdicos. Al´emdisso,realizamosumestudoavaliativodemetodologiasTDDFTaplicadasaoc´alculodeestadosexcitados de ligantes em complexos de lantan´ıdeos. Dentre os funcionais e func¸˜oes de base avaliados, a combinac¸˜ao LC-ωPBE/6-31G(d) foi aquela que forneceu as energias tripleto mais concordantes com os dados obtidos na literatura, sendo o erro m´edio absoluto correspondente em torno de 1600 cm−1. Atrav´es da parametrizac¸˜ao do modelo NDDO-CIS implementado no programa ORCA foi poss´ıvel obter um modelo semiemp´ırico para o c´alculo da energia tripleto de complexosdelantan´ıdeocom qualidade bem superiora da melhormetodologiaTDDFT avaliada. / Theoretical methodologies are useful to complement experimental investigations, and to guide new experiments involving luminescent lanthanide compounds. The lack of a software containing these methods motivated us to the development of the user friendly software package LUMPAC. And indeed, LUMPAC is slowly popularising the use of these theoretical methodologies - methodologies that are being put to more frequent tests, and are, consequently, slowly revealing their limitations. In this sense, we identified which aspects of the methods would deserve a more special attention, namely: intensity parameters calculations (Ωλ), calculation of the excited state energies of the ligands, and the calculation of the non-radiative decay rate (Anrad). The overall objective of this doctoral work is to correct some of these limitations as wellastoadvancenewdevelopments. RegardingtheΩλ calculation,wemitigatedthisproblem with a new way to adjust the charge factors and polarizabilities through a procedure we called theQDC Uniqueness Model, which makes use of a fairly small set of adjustaeble parameters (Q,D, andC). The importance of theQDC adjustment is that all derived quantities become also unique for a given complex geometry, including the chemical partition of the radiative emission rate (Arad) in terms of the effects of the ligands, which is being advanced here. To demonstrate one of the possible applications of this chemical partition, we address the case of repeating non-ionic ligand ternary complexes of europium(III) with DBM, TTA, and BTFA. The chemical partition perfectly ordered the non-obvious combination of pairs of non-ionic ligands that led to the mixed ligand compounds with the highest values ofAexp rad . Regarding the calculation of the excited states of the ligands, a new parametrization of the CIS method based on the NDDO approximation is being proposed, exclusively for lanthanide complexes. In addition, we carried out a study to evaluate some TDDFT methodologies for the calculation of excited states of ligands in lanthanide complexes. Among the functionals and basis sets evaluated, the combination LC-ωPBE/6-31G(d) was the one that led to the lowest UME (unsigned mean error), of around 1600 cm−1, for the triplet energies in comparison with data from the literature. The parametrization of the NDDO-CIS model implemented into ORCA provided a semiempirical method for the triplet energy calculation of lanthanide complexes with better predictionpower thanthebestassessed TDDFT method.

Lanthanide-containing systems have many applications, which extend from the biomedical field to optical images areas. Because of that, such systems have attracted the attention of several research groups around the world. It is indisputable that theoretical tools can provide useful information for the understanding of the phenomena that are not easily explained by using only experimental data. Moreover, the theoretical tools are useful for design new systems. Although several tools for the study of lanthanide complexes have been developed since the early 90 s, their use is still limited on account of these tools not being implemented into a userfriendly, free of charge computational package for the scientific community. In this context, the development of LUMPAC (LUMinescence PACkage) is inserted. With this new tool, we hope to enable experimental research groups to use theoretical tools on projects involving systems that contain lanthanide ions. In this dissertation, the methods implemented into LUMPAC are described in detail, given the user a good understanding of them. A short description on LUMPAC is introduced to provide an overview of the features that are implemented in the package. Furthermore, a detailed manual treating all the modulus of LUMPAC is available as an appendix. The LUMPAC project started in 2008. During its development, the program was applied in many different kinds of study involving lanthanide systems, as will be shown in a chapter of this dissertation. The network of collaboration among the Pople Laboratory with some research groups of prestigious universities allowed all these applications. This way, it is then possible to have an idea about some kinds of study in which the program can be applied. So far, LUMPAC is the only software that enables the study of luminescent properties of lanthanide-containing systems, being available free of charge at the following site: http://www.lumpac.pro.br. / Os sistemas contendo íons lantanídeos apresentam diversas aplicações, as quais se estendem desde a área biomédica até a de imagem ótica. Em decorrência disso, a busca por tais sistemas tem atraído a atenção dos mais diversos grupos de pesquisa em todo o mundo. É incontestável que as ferramentas teóricas podem fornecer informações úteis para o entendimento de fenômenos que não são explicados simplesmente com base em dados experimentais. Além disso, as ferramentas teóricas são úteis para o planejamento de novos sistemas. Apesar de diversas ferramentas para o estudo de compostos lantanídicos terem sido desenvolvidas desde o início da década de 90, o seu uso ainda é limitado devido ao fato dessas ferramentas não estarem implementadas em um pacote computacional de fácil uso e disponível gratuitamente para a comunidade científica. É nesse contexto em que o desenvolvimento do LUMPAC (LUMinescence PACkage) está inserido. Com o LUMPAC espera-se difundir o uso de tais métodos teóricos por grupos de pesquisa, sobretudo os experimentais, que concentram seus esforços em entender e projetar novos dispositivos luminescentes a base de lantanídeos. Nesta dissertação, as metodologias que estão implementadas no LUMPAC encontram-se apresentadas de maneira pormenorizada, conferindo ao usuário do software uma maior transparência com relação aos métodos. Uma descrição geral do LUMPAC é apresentada com a finalidade de fornecer uma ideia geral dos recursos que já estão implementados no pacote. Além do mais, um manual bastante detalhado tratando todos os módulos que compreendem o programa é disponibilizado como anexo. O projeto de desenvolvimento do LUMPAC teve início em 2008. Durante o processo de desenvolvimento do pacote, o programa encontrou uma vasta área de aplicação decorrente da rede de colaboração entre o laboratório Pople com alguns grupos de pesquisa de universidades renomadas do país. Através da apresentação dessas aplicações é possível ter uma ideia acerca dos diversos tipos de estudos em que o programa pode ser aplicado. Até o momento, o LUMPAC é o único software desenvolvido que permite o estudo de propriedades luminescentes de sistemas contendo íons lantanídeos, sendo disponibilizado gratuitamente no seguinte endereço eletrônico: http://www.lumpac.pro.br.