O diamante, juntamente com o germânio e o silício, é um importante material para área de tecnologia de semicondutores e sua superfície C(100) é considerada a de maior interesse devido às várias possibilidades de aplicações tecnológicas. Neste trabalho, seguindo uma linha similar de estudos teóricos envolvendo clusters de silício, já estudados em nosso grupo, e utilizando o estado da arte em termos de cálculos de estrutura eletrônica, realizou-se uma investigação detalhada englobando aspectos estruturais e energéticos do aglomerado C9H12 nos estados singleto e tripleto, bem como as novas características dos mesmos frente à incorporação de átomos de oxigênio e enxofre. Para o sistema limpo, C9H12 , foi dado grande enfoque à ligação dímera bem como ao processo de reconstrução que a envolve. Esta forma limpa, preferencialmente, sofre reconstrução adquirindo característica de uma dupla ligação C=C. Para os sistemas C9H12 + O e C9H12 + S foram estudados duas estruturas principais, a bridge e a top, também enfocando seus aspectos estruturais e energéticos e em cada estado de spin abordado. Para a estrutura mais estável dos sistemas, bridge-singleto, foi explorada a energia de quimissorção envolvida no processo, bem como as restrições necessárias para descrevê-la corretamente. Concluiu-se que o átomo de oxigênio interage de maneira mais efetiva com a superfície exigindo uma energia maior para se dissociar. Para a forma oxigenada, os cálculos CASSCF e MRCI forneceram um valor de 140,67 kcal.mol-1 e 150,78 kcal.mol-1, respectivamente; para a estrutura contendo enxofre, estes resultados foram de 102,45 e 112,49 kcal.mol-1, respectivamente / Diamond, like germanium and silicon, is an important material in the semiconductor area, and its C (100) surface is considered the most interesting, due to the various possibilities of technological applications. In this work, following a similar line of theoretical studies involving silicon clusters, also studied in our group, and using a high level of electronic structure calculations, we carried out a detailed investigation on structural and energetic aspects of the C9H12 cluster both in singlet and triplet states, as well as, their new characteristics arising from incorporation of oxygen and sulfur atoms. For the clean system, C9H12, a great emphasis was given to the dimer bond, as well as its reconstruction process. This clean structure undergoes reconstruction acquiring a double bond C = C character. For the systems C9H12 + O and C9H12 + S, we studied two main structures, bridge and top, also focusing on their structures and energetic, for each spin state. For the most stable structure described, bridge-singlet, we also estimated the energy involved in the chemisorption process and the restrictions necessary to carry out the calculations. We found out that the oxygen atom interacts more effectively with the surface requiring a greater energy to dissociate. For the oxygenated form, the CASSCF and MRCI calculations have provided values of 140.67 kcal.mol-1 and 150.78 kcal.mol-1, respectively; for the structure containing sulfur, these results are 102.45 kcal.mol-1 and 112.49 kcal.mol-1, respectively

A fotodegradação de pesticidas, como os derivados de carbamatos orgânicos, possui um papel importante do ponto de vista ambiental, pois estes são extensivamente utilizados e comumente encontrados como contaminantes da água e do solo. O Rearranjo Foto-Fries (PFR) - a conversão fotoquímica de aril ésteres para orto- e para-hidroxifenonas - desempenha um importante papel na fotodegradação de drogas e pesticidas carbamatos, além de ser um passo chave para a síntese de um grande número de compostos e polímeros funcionais. Embora exista um grande número de estudos experimentais a respeito desse rearranjo, alguns pontos dessa reação ainda estão sob debate. O objetivo deste trabalho é estudar o processo de fotodissociação em carbamatos aromáticos e derivados e, particularmente, fornecer uma visão geral do mecanismo do Rearranjo Foto-Fries, utilizando metodologias computacionais. Entre essas metodologias estão TDDFT, cálculos multiconfiguracionais e Surface Hopping. A superfície de energia potencial para o PFR foi estudada no vácuo gasosa e utilizando solvatação implícita e explícita. Nessa última, a distribuição do solvente foi obtida por simulações de Monte Carlo. Um modelo envolvendo três estados é proposto para o PFR, baseado em cálculos CASSCF(14,12)/CASPT2(14,12). Este modelo fornece uma visão global de todos os passos envolvidos na reação, da fotodissociação até a tautomerização final. O papel do solvente ainda não foi esclarecido, pois a sua adição (implícita ou explícita) não alterou significativamente o comportamento do caminho dissociativo. / The photodegradation of pesticides, such as carbamate derivatives, has an environmentally important role, since they are extensively used and commonly found as contaminants in water and soils. The Photo-Fries rearrangement (PFR) - a photochemical conversion of aryl esters to ortho- and para-hydroxyphenones - plays an important role in the photodegradation of drugs and carbamate pesticides, besides being a key step in the synthesis of a large number of compounds and functional polymers. Although there is a large number of experimental studies about the mechanism of PFR, some points of this reaction are still under debate. The goal of this work is to study the photodissociation process in aromatic carbamates and derivatives and, particularly, is to provide a comprehensive picture of PFR, based on computational methods. Several methodologies were used, such as TDDFT, multiconfigurational methods and Trajectory Surface Hopping simulations. Comprehensive explorations of the potential energy surfaces were done in the gas phase and with implicit and explicit solvent, whose distribution was obtained from sequential Monte Carlo sampling. A three-state model for the Photo-Fries Rearrangement is proposed based on CASSCF(14,12)/CASPT2(14,12) calculations. It provides a comprehensive mechanistic picture of all steps of the reaction, from the photoabsorption to the final tautomerization. The role of the solvent is still not understood since the addition of solvent (implicit or explicit) do not change the dissociative pathway significantly.

O diamante, juntamente com o germânio e o silício, é um importante material para área de tecnologia de semicondutores e sua superfície C(100) é considerada a de maior interesse devido às várias possibilidades de aplicações tecnológicas. Neste trabalho, seguindo uma linha similar de estudos teóricos envolvendo clusters de silício, já estudados em nosso grupo, e utilizando o estado da arte em termos de cálculos de estrutura eletrônica, realizou-se uma investigação detalhada englobando aspectos estruturais e energéticos do aglomerado C9H12 nos estados singleto e tripleto, bem como as novas características dos mesmos frente à incorporação de átomos de oxigênio e enxofre. Para o sistema limpo, C9H12 , foi dado grande enfoque à ligação dímera bem como ao processo de reconstrução que a envolve. Esta forma limpa, preferencialmente, sofre reconstrução adquirindo característica de uma dupla ligação C=C. Para os sistemas C9H12 + O e C9H12 + S foram estudados duas estruturas principais, a bridge e a top, também enfocando seus aspectos estruturais e energéticos e em cada estado de spin abordado. Para a estrutura mais estável dos sistemas, bridge-singleto, foi explorada a energia de quimissorção envolvida no processo, bem como as restrições necessárias para descrevê-la corretamente. Concluiu-se que o átomo de oxigênio interage de maneira mais efetiva com a superfície exigindo uma energia maior para se dissociar. Para a forma oxigenada, os cálculos CASSCF e MRCI forneceram um valor de 140,67 kcal.mol-1 e 150,78 kcal.mol-1, respectivamente; para a estrutura contendo enxofre, estes resultados foram de 102,45 e 112,49 kcal.mol-1, respectivamente / Diamond, like germanium and silicon, is an important material in the semiconductor area, and its C (100) surface is considered the most interesting, due to the various possibilities of technological applications. In this work, following a similar line of theoretical studies involving silicon clusters, also studied in our group, and using a high level of electronic structure calculations, we carried out a detailed investigation on structural and energetic aspects of the C9H12 cluster both in singlet and triplet states, as well as, their new characteristics arising from incorporation of oxygen and sulfur atoms. For the clean system, C9H12, a great emphasis was given to the dimer bond, as well as its reconstruction process. This clean structure undergoes reconstruction acquiring a double bond C = C character. For the systems C9H12 + O and C9H12 + S, we studied two main structures, bridge and top, also focusing on their structures and energetic, for each spin state. For the most stable structure described, bridge-singlet, we also estimated the energy involved in the chemisorption process and the restrictions necessary to carry out the calculations. We found out that the oxygen atom interacts more effectively with the surface requiring a greater energy to dissociate. For the oxygenated form, the CASSCF and MRCI calculations have provided values of 140.67 kcal.mol-1 and 150.78 kcal.mol-1, respectively; for the structure containing sulfur, these results are 102.45 kcal.mol-1 and 112.49 kcal.mol-1, respectively

A fotodegradação de pesticidas, como os derivados de carbamatos orgânicos, possui um papel importante do ponto de vista ambiental, pois estes são extensivamente utilizados e comumente encontrados como contaminantes da água e do solo. O Rearranjo Foto-Fries (PFR) - a conversão fotoquímica de aril ésteres para orto- e para-hidroxifenonas - desempenha um importante papel na fotodegradação de drogas e pesticidas carbamatos, além de ser um passo chave para a síntese de um grande número de compostos e polímeros funcionais. Embora exista um grande número de estudos experimentais a respeito desse rearranjo, alguns pontos dessa reação ainda estão sob debate. O objetivo deste trabalho é estudar o processo de fotodissociação em carbamatos aromáticos e derivados e, particularmente, fornecer uma visão geral do mecanismo do Rearranjo Foto-Fries, utilizando metodologias computacionais. Entre essas metodologias estão TDDFT, cálculos multiconfiguracionais e Surface Hopping. A superfície de energia potencial para o PFR foi estudada no vácuo gasosa e utilizando solvatação implícita e explícita. Nessa última, a distribuição do solvente foi obtida por simulações de Monte Carlo. Um modelo envolvendo três estados é proposto para o PFR, baseado em cálculos CASSCF(14,12)/CASPT2(14,12). Este modelo fornece uma visão global de todos os passos envolvidos na reação, da fotodissociação até a tautomerização final. O papel do solvente ainda não foi esclarecido, pois a sua adição (implícita ou explícita) não alterou significativamente o comportamento do caminho dissociativo. / The photodegradation of pesticides, such as carbamate derivatives, has an environmentally important role, since they are extensively used and commonly found as contaminants in water and soils. The Photo-Fries rearrangement (PFR) - a photochemical conversion of aryl esters to ortho- and para-hydroxyphenones - plays an important role in the photodegradation of drugs and carbamate pesticides, besides being a key step in the synthesis of a large number of compounds and functional polymers. Although there is a large number of experimental studies about the mechanism of PFR, some points of this reaction are still under debate. The goal of this work is to study the photodissociation process in aromatic carbamates and derivatives and, particularly, is to provide a comprehensive picture of PFR, based on computational methods. Several methodologies were used, such as TDDFT, multiconfigurational methods and Trajectory Surface Hopping simulations. Comprehensive explorations of the potential energy surfaces were done in the gas phase and with implicit and explicit solvent, whose distribution was obtained from sequential Monte Carlo sampling. A three-state model for the Photo-Fries Rearrangement is proposed based on CASSCF(14,12)/CASPT2(14,12) calculations. It provides a comprehensive mechanistic picture of all steps of the reaction, from the photoabsorption to the final tautomerization. The role of the solvent is still not understood since the addition of solvent (implicit or explicit) do not change the dissociative pathway significantly.

A fotodegradação de pesticidas, como os derivados de carbamatos orgânicos, possui um papel importante do ponto de vista ambiental, pois estes são extensivamente utilizados e comumente encontrados como contaminantes da água e do solo. O Rearranjo Foto-Fries (PFR) - a conversão fotoquímica de aril ésteres para orto- e para-hidroxifenonas - desempenha um importante papel na fotodegradação de drogas e pesticidas carbamatos, além de ser um passo chave para a síntese de um grande número de compostos e polímeros funcionais. Embora exista um grande número de estudos experimentais a respeito desse rearranjo, alguns pontos dessa reação ainda estão sob debate. O objetivo deste trabalho é estudar o processo de fotodissociação em carbamatos aromáticos e derivados e, particularmente, fornecer uma visão geral do mecanismo do Rearranjo Foto-Fries, utilizando metodologias computacionais. Entre essas metodologias estão TDDFT, cálculos multiconfiguracionais e Surface Hopping. A superfície de energia potencial para o PFR foi estudada no vácuo gasosa e utilizando solvatação implícita e explícita. Nessa última, a distribuição do solvente foi obtida por simulações de Monte Carlo. Um modelo envolvendo três estados é proposto para o PFR, baseado em cálculos CASSCF(14,12)/CASPT2(14,12). Este modelo fornece uma visão global de todos os passos envolvidos na reação, da fotodissociação até a tautomerização final. O papel do solvente ainda não foi esclarecido, pois a sua adição (implícita ou explícita) não alterou significativamente o comportamento do caminho dissociativo. / The photodegradation of pesticides, such as carbamate derivatives, has an environmentally important role, since they are extensively used and commonly found as contaminants in water and soils. The Photo-Fries rearrangement (PFR) - a photochemical conversion of aryl esters to ortho- and para-hydroxyphenones - plays an important role in the photodegradation of drugs and carbamate pesticides, besides being a key step in the synthesis of a large number of compounds and functional polymers. Although there is a large number of experimental studies about the mechanism of PFR, some points of this reaction are still under debate. The goal of this work is to study the photodissociation process in aromatic carbamates and derivatives and, particularly, is to provide a comprehensive picture of PFR, based on computational methods. Several methodologies were used, such as TDDFT, multiconfigurational methods and Trajectory Surface Hopping simulations. Comprehensive explorations of the potential energy surfaces were done in the gas phase and with implicit and explicit solvent, whose distribution was obtained from sequential Monte Carlo sampling. A three-state model for the Photo-Fries Rearrangement is proposed based on CASSCF(14,12)/CASPT2(14,12) calculations. It provides a comprehensive mechanistic picture of all steps of the reaction, from the photoabsorption to the final tautomerization. The role of the solvent is still not understood since the addition of solvent (implicit or explicit) do not change the dissociative pathway significantly.

Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse peuvent être divisés en deux parties. Dans une première partie, nous nous sommes intéressé à une extension multiconfigurationnelle de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) par l'intermédiaire d'une séparation de portée permettant un traitement hybride entre DFT et fonction d'onde multiconfigurationnelle « state-averaged ». Ainsi, nous récupérons en même temps la corrélation dynamique et la corrélation statique. De plus, cette étude est réalisée en considérant la DFT pour les ensembles afin de considérer une alternative à la méthode usuelle utilisée (DFT dépendante du temps) pour la détermination des états excités d'une molécule, évitant ainsi certains problèmes théoriques rencontrés avec cette approche. En particulier, les intersections coniques entre états excités nous intéressent particulièrement car il s'agit de cas pour lesquels une approche multiconfigurationnelle est primordiale. Dans une seconde partie, le développement de nouvelles fonctionnelles est réalisé sur le dimère de Hubbard asymétrique afin de tester de nouvelles approximations et d'étudier plus en détail les processus auto-cohérents. De plus, des couplages non-adiabatiques sont calculés en utilisant des énergies déterminées dans le cadre de la DFT pour les ensembles ayant la particularité de ne pas être dépendant du temps. / This thesis manuscript can be divided in two parts. In the first one, we are interested in a multiconfigurational extension for the density functional theory (DFT) including a range separation to deal with a hybrid theory between DFT and state-averaged wave function theory. In this case, we recover, at the same time, the dynamical correlation and the static correlation. Moreover, this study is performed considering the ensemble DFT to use an alternative to the usual method (time-dependent DFT) to describe the excited states of a molecule, avoiding some theoretical problems known with this approach. Particularly, conical intersections between excited states are interesting because a multiconfigurational approach is necessary. In the second part, new functionals development are performed and applied on the non-symmetric Hubbard dimer in order to test new approximations and to study more in detail self-consistency processes. In addition, non-adiabatic couplings are calculated using energies from ensemble DFT framework without time-dependence.

The main focus of this thesis is ab initio modeling of core level spectra with a high-level quantum chemical description both of the chemical interactions and of local atomic multiplet effects. In particular, the combination of calculations and synchrotron-based core-level spectroscopy aims at understanding the local structure of the electronic valence in transition metal complexes, and the details of the solvation mechanisms of electrolyte solutions, systems relevant for the dye-sensitized solar cell. Configurational sampling in solution is included through molecular dynamics simulations. Transition metal complexes are studied with x-ray absorption (XA) and resonant inelastic scattering (RIXS) spectroscopy, characterizing excited states with atomic site specificity. The theoretical multiconfigurational method, applying an active-space partitioning of the molecular orbitals (RASSCF), is used to assign the transitions observed in spectra of hydrated Ni2+ explicitly, including charge transfer and multiplet effects. Furthermore, the solvent-induced binding energy properties of the I- and I3- anions in aqueous, ethanol, and acetonitrile solutions are analyzed using photoelectron spectroscopy (XPS). The study shows that specific ion–solvent interactions are important for the core-level binding energy shifts in solution. The special case with I3- dissolved in water, where hydrogen bonding causes breaking of the molecular symmetry, is treated and proves that the geometry changes influence the photoelectron spectrum of aqueous I3- directly.

In this thesis, a method to calculate eigenpairs is implemented for the Multipsi library. While the standard implemtentations use the Davidson method with Rayleigh-Ritz extraction to calculate the eigenpairs with the lowest eigenvalues, the new method uses the harmonic Davidson method with the harmonic Rayleigh-Ritz extraction to calculate eigenpairs with eigenvalues near a chosen target. This is done for Configuration Interaction calculations and for Multiconfigurational methods. From calculations, it seems the new addition to the Multipsi library is worth investigating further as convergence for difficult systems with a lot of near-degeneracy was improved. / I denna avhandling implementeras en metod för att beräkna egenpar för Multipsi-biblioteket. Medan standardimplementeringarna använder Davidson-metoden med Rayleigh-Ritz-extraktion för att beräkna egenparen med de lägsta egenvärdena, använder den nya metoden den harmoniska Davidson-metoden med den harmoniska Rayleigh-Ritz-extraktionen för att beräkna egenparen med egenvärden nära ett valt mål. Detta görs för konfigurationsinteraktionsberäkningar och för multikonfigurationsmetoder. Utifrån beräkningarna verkar det nya tillskottet till Multipsi-biblioteket vara värt att undersöka vidare eftersom konvergensen för svåra system med mycket nära degenerering förbättrades.

This work describes theoretical studies on molecular and electronic structures of lanthanide-based single-molecule magnets focusing on their magnetic properties. In this work, two main problems are covered: the structural ordering of endohedral fullerenes in different supramolecular arrangements, and the magnetic anisotropy of lanthanides in different charge coordinations. The basic methodes used in this work are density functional theory and multiconfigurational self-consistent field.:CHAPTER 1. THEORETICAL FOUNDATIONS OF RARE-EARTH MAGNETISM 12 1.1. Single-molecule magnetism and 4f-elements 14 1.1.1. Electronic structure of 4f-elements 16 1.1.2. LS-coupling scheme 19 1.1.3. Parameterization of the Crystal-Field splitting effect. 20 1.1.4. Zeeman splitting for a free ion 24 1.1.5. Spin Hamiltonian and pseudospin approximation 24 1.1.6. Kramers theorem 25 1.1.7. Weak and strong molecular interactions. 26 1.2. Computational methods in application to Ln-based SMMs 27 1.2.1. Density functional theory (DFT). 28 1.2.2. Multiconfigurational methods in quantum chemistry 33 1.3. Role of molecular structure in single-molecular magnetism 41 1.3.1. Complexes of SMMs with organic molecules 45 1.3.2. SMMs deposited on surfaces 46 CHAPTER 2. STRUCTURAL ORDERING IN COCRYSTALS OF EMFs AND Ni(OEP) 49 2.1. Ordering in endohedral metallofullerenes 49 2.2. Modeling details 51 2.3. Conformer analysis 54 2.4. Electrostatic potential 58 CHAPTER 3. ISOMERISM OF Dy2ScN@C80 DEPOSITED ON SURFACES 61 3.1. Modeling details 62 3.2. Cluster conformation analysis 69 3.3. Charge density analysis 75 CHAPTER 4. Ho|MgO AS A SINGLE-ATOMIC MAGNET. FV-MAGNETISM. 80 4.1. DFT description of Ln|MgO 85 4.2. Ho|MgO system: ab initio calculations 92 4.3. Magnetic properties of lanthanides with FV magnetism 99 4.4. Generalized ligand field and spin Hamiltonians for FV systems. 101 CHAPTER 5. FV-MAGNETISM IN [Ln2+] METALLOCENE COMPLEXES 107 5.1. TbII(CpiPr5)2 DFT-model 108 5.2. FV-interaction in terms of ab initio multiconfigurational approach 113 5.3. Point-charge model 115