Neste trabalho estudamos as propriedades estruturais e eletrônicas do CO2 supercrítico, iniciando com a avaliação de campos de força balizados por aplicações anteriores de simulação quântica do tipo Dinâmica Molecular de Born-Oppenheimer (BOMD). A aplicação principal é a descrição do espectro de absorção da paranitroanilina (pNA) em CO2 supercrítico. O CO2 supercrítico pode ser considerado como uma ``alternativa verde para os solventes orgânicos convencionais e a busca por solventes mais seguros, juntamente com a crescente consciência sobre a questão ambiental, tem levado a uma ``química verde com o intuito de se buscar soluções sustentáveis. A princípio estudamos três campos de força tradicionais para o CO2, aplicados na região supercrítica. Estes campos de força podem ser validados por meio de simulação de primeiros principios. Iniciamos considerando a condição supercrítica para o CO2 como T = 315 K, = 0.81 g/cm³ e o campo de força clássico de Zhang e Duan. Depois fizemos uma análise consistindo de uma alteração de cargas e também da geometria do CO2, que seria um caso não linear no qual foi considerado um ângulo (O-C-O) = 176° . O estudo do solvatocromismo da pNA em CO2 supercrítico foi feito considerando todas estas situações descritas para o campo de força, avaliando os resultados experimentais e teóricos já existentes. A simulação gera estruturas usando Monte Carlo e são usadas em cálculos de Mecânica Quântica do tipo DFT (CAM-B3LYP). Por fim, para verificar a importância da geometria do sistema, ou seja, a propriedade estrutural, consideramos uma outra geometria para a pNA, diferente da geometria que utilizamos a princípio nas simulações com o CO2 supercrítico. Essa ``geometria modificada\" da pNA foi obtida de uma simulação existente de Born-Oppenheimer e a utilizamos numa simulação Monte Carlo com o caso não linear para o CO2 supercrítico. Os resultados de todas essas simulações nos indicaram que a alteração das cargas e por consequência a alteração da polarização do solvente, não possui muita importância na mudança do espectro de absorção da pNA. Ao se considerar o CO2 não linear, obtivemos resultados um pouco melhor, mas não muito, comparados com a previsão teórica. Mas os resultados mais significativos são os obtidos para a situação em que utilizamos a geometria modificada da pNA. Uma parte do deslocamento do máximo da banda de absorção no espectro da pNA vem com a contribuição eletrostática da interação soluto-solvente e a outra parte vem da mudança estrutural. / In this work we study the structural and electronic properties of CO2 supercritical starting with the evaluation of force fields based on previous ab initio Born-Oppenheimer molecular dynamics (BOMD). The main application is the description of the absorption spectrum of paranitroanilina (pNA) in supercritical CO2. The supercritical CO2 is considered a ``green alternative\" to conventional organic solvents and the search for safer solvents, along with the increasing awareness of environmental issues has led to the interest in ``green chemistry\", seeking sustainable solutions. At first we studied three traditional force fields for CO2, applied in the supercritical region. These force fields can be validated by first principles simulation. We considered the supercritical condition for CO2 as T=315K, =0.81g/cm³ and the classical force field of Zhang and Duan. We also did an analysis consisting of a change of the atomic point charges and the geometry of CO2, including a non-linear case in which an angle (O-C-O)=176° was considered. The study of the solvatochromism of pNA in supercritical CO2 was made considering all these situations, evaluating the theoretical outcome and the experimental results. The simulation generates structures using Monte Carlo and are used in quantum mechanics calculations of DFT (CAM-B3LYP). To verify the importance of geometry in the system, that is, the structural property, we considered another geometry for the pNA geometry different from that we used initially in the simulations with supercritical CO2. This ``modified geometry\" of pNA was obtained from a previous Born-Oppenheimer simulation and was used in a Monte Carlo simulation with the non-linear case for supercritical CO2. The results of all these simulations indicated that the alterations of charge and thus the change in the polarization of the solvent, has no great importance in the change of the absorption spectrum of the pNA. When considering the nonlinear CO2, we obtained slightly better results. But the most significant results are obtained for the situation in which we use the modified geometry of pNA. Part of the shift in the absorption spectrum of the pNA comes with the electrostatic contribution of solute-solvent interaction and the other part comes from the structural change.

Neste trabalho estudamos as propriedades estruturais e eletrônicas do CO2 supercrítico, iniciando com a avaliação de campos de força balizados por aplicações anteriores de simulação quântica do tipo Dinâmica Molecular de Born-Oppenheimer (BOMD). A aplicação principal é a descrição do espectro de absorção da paranitroanilina (pNA) em CO2 supercrítico. O CO2 supercrítico pode ser considerado como uma ``alternativa verde para os solventes orgânicos convencionais e a busca por solventes mais seguros, juntamente com a crescente consciência sobre a questão ambiental, tem levado a uma ``química verde com o intuito de se buscar soluções sustentáveis. A princípio estudamos três campos de força tradicionais para o CO2, aplicados na região supercrítica. Estes campos de força podem ser validados por meio de simulação de primeiros principios. Iniciamos considerando a condição supercrítica para o CO2 como T = 315 K, = 0.81 g/cm³ e o campo de força clássico de Zhang e Duan. Depois fizemos uma análise consistindo de uma alteração de cargas e também da geometria do CO2, que seria um caso não linear no qual foi considerado um ângulo (O-C-O) = 176° . O estudo do solvatocromismo da pNA em CO2 supercrítico foi feito considerando todas estas situações descritas para o campo de força, avaliando os resultados experimentais e teóricos já existentes. A simulação gera estruturas usando Monte Carlo e são usadas em cálculos de Mecânica Quântica do tipo DFT (CAM-B3LYP). Por fim, para verificar a importância da geometria do sistema, ou seja, a propriedade estrutural, consideramos uma outra geometria para a pNA, diferente da geometria que utilizamos a princípio nas simulações com o CO2 supercrítico. Essa ``geometria modificada\" da pNA foi obtida de uma simulação existente de Born-Oppenheimer e a utilizamos numa simulação Monte Carlo com o caso não linear para o CO2 supercrítico. Os resultados de todas essas simulações nos indicaram que a alteração das cargas e por consequência a alteração da polarização do solvente, não possui muita importância na mudança do espectro de absorção da pNA. Ao se considerar o CO2 não linear, obtivemos resultados um pouco melhor, mas não muito, comparados com a previsão teórica. Mas os resultados mais significativos são os obtidos para a situação em que utilizamos a geometria modificada da pNA. Uma parte do deslocamento do máximo da banda de absorção no espectro da pNA vem com a contribuição eletrostática da interação soluto-solvente e a outra parte vem da mudança estrutural. / In this work we study the structural and electronic properties of CO2 supercritical starting with the evaluation of force fields based on previous ab initio Born-Oppenheimer molecular dynamics (BOMD). The main application is the description of the absorption spectrum of paranitroanilina (pNA) in supercritical CO2. The supercritical CO2 is considered a ``green alternative\" to conventional organic solvents and the search for safer solvents, along with the increasing awareness of environmental issues has led to the interest in ``green chemistry\", seeking sustainable solutions. At first we studied three traditional force fields for CO2, applied in the supercritical region. These force fields can be validated by first principles simulation. We considered the supercritical condition for CO2 as T=315K, =0.81g/cm³ and the classical force field of Zhang and Duan. We also did an analysis consisting of a change of the atomic point charges and the geometry of CO2, including a non-linear case in which an angle (O-C-O)=176° was considered. The study of the solvatochromism of pNA in supercritical CO2 was made considering all these situations, evaluating the theoretical outcome and the experimental results. The simulation generates structures using Monte Carlo and are used in quantum mechanics calculations of DFT (CAM-B3LYP). To verify the importance of geometry in the system, that is, the structural property, we considered another geometry for the pNA geometry different from that we used initially in the simulations with supercritical CO2. This ``modified geometry\" of pNA was obtained from a previous Born-Oppenheimer simulation and was used in a Monte Carlo simulation with the non-linear case for supercritical CO2. The results of all these simulations indicated that the alterations of charge and thus the change in the polarization of the solvent, has no great importance in the change of the absorption spectrum of the pNA. When considering the nonlinear CO2, we obtained slightly better results. But the most significant results are obtained for the situation in which we use the modified geometry of pNA. Part of the shift in the absorption spectrum of the pNA comes with the electrostatic contribution of solute-solvent interaction and the other part comes from the structural change.

Absorção e Emissão de radiação eletromagnética por moléculas na região do UV-Vis fornece informações sobre os estados eletrônicos excitados, sendo propriedades de grande interesse devido a sua relação com processos biológicos, bem como suas possíveis aplicações em diagnósticos e tecnologia. Essas propriedades são sensíveis ao meio em que as moléculas se encontram, tornando-se assim natural a busca por métodos teóricos que possibilitam descrever essas interações. Neste trabalho, nós usamos a metodologia Sequential-Quantum Mechanics/Molecular Mechanics para estudar o espectro de absorção e de emissão de moléculas de relevância biológica, quando em solução. Simulações clássicas Monte Carlo foram usadas pra construir uma configuração eletrostática média do líquido para posterior cálculo das propriedades, feito através dos métodos multiconfiguracionais CASSCF e CASPT2. Cuidados especiais foram tomados para incluir a polarização eletrônica que o soluto sofre devido à presença do solvente. Nossa contribuição é a adaptação do método do Gradiente de Energia Livre para permitir a obtenção de geometrias de estados excitados do soluto em solução. A técnica foi implementada em um programa e aplicada com sucesso nos sistemas estudados. As perspectivas agora se abrem para a obtenção de intersecções cônicas em meio solvente, permitindo assim o estudo de decaimentos não-radiativos em sistemas solvatados. / Absorption and emission of electromagnetic radiation by molecules in the UV-Vis region yields information about the electronic excited states, being properties of great interest due its relation with biological process, as well as its possible applications in diagnostics and technology. These properties are sensible to the environment in which the molecules are, making natural the search for theoretical methods that describe these interactions. In this work, we have used the Sequential-Quantum Mechanics/Molecular Mechanics methodology to study the spectrum of absorption and emission of molecules of biological relevance, when in solution. Classical Monte Carlo simulations were carried out to construct an average solvent electrostatic configuration and used to represent the liquid in posterior quantum mechanics calculation of the properties, performed by using the multiconfigurational methods CASSCF and CASPT2. Special cares were taken to include the electronic polarization of the solute due the solvent. Our contribution is the adaptation of the Free Energy Gradient method to allow the determination of the solute excited states geometries in solution. The method was implemented in a computer program and successfully applied in the systems studied. The perspectives are now open to the calculation of conical intersection in solvent environment, enabling the study of nonradioactive decays in solvated systems.

Neste trabalho estudamos o espectro de absorção da clorofila d, incluindo os efeitos do solvente metanol, utilizando a Teoria do Funcional da Densidade Dependente do Tempo em combinação com o método s-QM/MM. Diferentes abordagens para a descrição do meio solvente, que vão desde o modelo contínuo polarizável até a inclusão de moléculas explícitas do solvente, são utilizadas. Observamos que a inclusão do solvente desloca o espectro, em relação ao calculado em vácuo, para o vermelho. A inclusão de 20 moléculas explícitas de metanol e 880 representadas como as cargas pontuais do seus átomos para a descrição do meio solvente foi a que melhor concordou com os valores experimentais. Mediante cálculos de mecânica quântica obtivemos para o complexo composto por a molécula de clorofila d e apenas uma de metanol explícita um deslocamento do átomo de magnésio da clorofila d em relação ao anel de 0,31 Å. Mediante a analise da função de distribuição radial de pares obtida da simulação clássica comprovamos que esse átomo de magnésio é penta-coordenado. Além disso, é usada uma estrutura simplificada da clorofila d baseado na localização dos orbitais moleculares participantes das transições eletrônicas com o objetivo de diminuir o custo computacional dos cálculos de mecânica quântica. Os espectros calculados para a clorofila d não apresentaram diferenças significativas com os calculados para a simplificação proposta. Como complementação o espectro Raman da clorofila d isolada é calculado mediante DFT e alguns dos modos normais são caracterizados. / In this work we study the absorption spectrum of chlorophyll d, including the effects of the solvent methanol, using the Time Dependent Density Functional Theory in combination with the method s-QM/MM. Different approaches for the description of the solvent medium, ranging from the polarizable continuum model to the inclusion of explicit solvent molecules, are used. We note that the inclusion of solvent shifts the spectrum, relative to that calculated in vacuum, to the red side of the spectrum. The inclusion of 20 explicit molecules of methanol and 880 represented as point charges of their atoms for the description of the solvent medium was the one that best agreed with the experimental values. By quantum mechanics calculations we obtained for the complex composed of the molecule of chlorophyll d and only one explicit methanol molecule a displacement of the magnesium atom of chlorophyll d in relation to the ring of 0,31 Å. By means of the analysis of the radial distribution function obtained from the classic simulation we can see that this atom of magnesium is penta-coordinated. In addition, a simplified structure of chlorophyll d is used based on the location of the molecular orbitals involved in the electronic transitions in order to reduce the computational cost of quantum mechanics calculations. The spectra calculated for chlorophyll d did not show significant differences with those calculated for the proposed simplification. As a complement the Raman spectrum of isolated chlorophyll d is calculated by DFT and some of the normal modes are characterized.

Neste trabalho estudamos o espectro de absorção da clorofila d, incluindo os efeitos do solvente metanol, utilizando a Teoria do Funcional da Densidade Dependente do Tempo em combinação com o método s-QM/MM. Diferentes abordagens para a descrição do meio solvente, que vão desde o modelo contínuo polarizável até a inclusão de moléculas explícitas do solvente, são utilizadas. Observamos que a inclusão do solvente desloca o espectro, em relação ao calculado em vácuo, para o vermelho. A inclusão de 20 moléculas explícitas de metanol e 880 representadas como as cargas pontuais do seus átomos para a descrição do meio solvente foi a que melhor concordou com os valores experimentais. Mediante cálculos de mecânica quântica obtivemos para o complexo composto por a molécula de clorofila d e apenas uma de metanol explícita um deslocamento do átomo de magnésio da clorofila d em relação ao anel de 0,31 Å. Mediante a analise da função de distribuição radial de pares obtida da simulação clássica comprovamos que esse átomo de magnésio é penta-coordenado. Além disso, é usada uma estrutura simplificada da clorofila d baseado na localização dos orbitais moleculares participantes das transições eletrônicas com o objetivo de diminuir o custo computacional dos cálculos de mecânica quântica. Os espectros calculados para a clorofila d não apresentaram diferenças significativas com os calculados para a simplificação proposta. Como complementação o espectro Raman da clorofila d isolada é calculado mediante DFT e alguns dos modos normais são caracterizados. / In this work we study the absorption spectrum of chlorophyll d, including the effects of the solvent methanol, using the Time Dependent Density Functional Theory in combination with the method s-QM/MM. Different approaches for the description of the solvent medium, ranging from the polarizable continuum model to the inclusion of explicit solvent molecules, are used. We note that the inclusion of solvent shifts the spectrum, relative to that calculated in vacuum, to the red side of the spectrum. The inclusion of 20 explicit molecules of methanol and 880 represented as point charges of their atoms for the description of the solvent medium was the one that best agreed with the experimental values. By quantum mechanics calculations we obtained for the complex composed of the molecule of chlorophyll d and only one explicit methanol molecule a displacement of the magnesium atom of chlorophyll d in relation to the ring of 0,31 Å. By means of the analysis of the radial distribution function obtained from the classic simulation we can see that this atom of magnesium is penta-coordinated. In addition, a simplified structure of chlorophyll d is used based on the location of the molecular orbitals involved in the electronic transitions in order to reduce the computational cost of quantum mechanics calculations. The spectra calculated for chlorophyll d did not show significant differences with those calculated for the proposed simplification. As a complement the Raman spectrum of isolated chlorophyll d is calculated by DFT and some of the normal modes are characterized.

Absorção e Emissão de radiação eletromagnética por moléculas na região do UV-Vis fornece informações sobre os estados eletrônicos excitados, sendo propriedades de grande interesse devido a sua relação com processos biológicos, bem como suas possíveis aplicações em diagnósticos e tecnologia. Essas propriedades são sensíveis ao meio em que as moléculas se encontram, tornando-se assim natural a busca por métodos teóricos que possibilitam descrever essas interações. Neste trabalho, nós usamos a metodologia Sequential-Quantum Mechanics/Molecular Mechanics para estudar o espectro de absorção e de emissão de moléculas de relevância biológica, quando em solução. Simulações clássicas Monte Carlo foram usadas pra construir uma configuração eletrostática média do líquido para posterior cálculo das propriedades, feito através dos métodos multiconfiguracionais CASSCF e CASPT2. Cuidados especiais foram tomados para incluir a polarização eletrônica que o soluto sofre devido à presença do solvente. Nossa contribuição é a adaptação do método do Gradiente de Energia Livre para permitir a obtenção de geometrias de estados excitados do soluto em solução. A técnica foi implementada em um programa e aplicada com sucesso nos sistemas estudados. As perspectivas agora se abrem para a obtenção de intersecções cônicas em meio solvente, permitindo assim o estudo de decaimentos não-radiativos em sistemas solvatados. / Absorption and emission of electromagnetic radiation by molecules in the UV-Vis region yields information about the electronic excited states, being properties of great interest due its relation with biological process, as well as its possible applications in diagnostics and technology. These properties are sensible to the environment in which the molecules are, making natural the search for theoretical methods that describe these interactions. In this work, we have used the Sequential-Quantum Mechanics/Molecular Mechanics methodology to study the spectrum of absorption and emission of molecules of biological relevance, when in solution. Classical Monte Carlo simulations were carried out to construct an average solvent electrostatic configuration and used to represent the liquid in posterior quantum mechanics calculation of the properties, performed by using the multiconfigurational methods CASSCF and CASPT2. Special cares were taken to include the electronic polarization of the solute due the solvent. Our contribution is the adaptation of the Free Energy Gradient method to allow the determination of the solute excited states geometries in solution. The method was implemented in a computer program and successfully applied in the systems studied. The perspectives are now open to the calculation of conical intersection in solvent environment, enabling the study of nonradioactive decays in solvated systems.