Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, 2007. / Submitted by mariana castro (nanacastro0107@hotmail.com) on 2009-12-16T16:59:07Z No. of bitstreams: 1 2007_LarissaTunesdaSilva.PDF: 2246515 bytes, checksum: c55b0b4eb66a07b4d649159f2e313ee0 (MD5) / Approved for entry into archive by Joanita Pereira(joanita) on 2010-01-06T18:34:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2007_LarissaTunesdaSilva.PDF: 2246515 bytes, checksum: c55b0b4eb66a07b4d649159f2e313ee0 (MD5) / Made available in DSpace on 2010-01-06T18:34:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2007_LarissaTunesdaSilva.PDF: 2246515 bytes, checksum: c55b0b4eb66a07b4d649159f2e313ee0 (MD5) Previous issue date: 2007 / Neste trabalho, propriedades moleculares e termodinâmicas dos líquidos tetrahidrofurano (THF) e tetrahidropirano (THP) e de suas misturas com água foram estudadas por meio de métodos quânticos (Hartree-Fock) e clássicos. Propriedades termodinâmicas tais como densidade e entalpia de vaporização dos líquidos puros e de suas misturas com água em várias proporções foram calculadas por meio de simulações de Monte Carlo. Funções de distribuição radial obtidas nessas simulações permitiram a análise estrutural das misturas, em especial a caracterização de ligações de hidrogênio. Também se calculou a energia livre de solvatação das moléculas, por meio do método da perturbação termodinâmica. Paralelamente, o método de Hartree-Fock foi utilizado para otimização de geometrias e obtenção de curvas de energia potencial dos dímeros THF-THF e THP-THP. O potencial de Lennard-Jones 6-12 foi ajustado a essas curvas por dois métodos distintos, o método de Powell e o algoritmo genético. Os novos parâmetros de Lennard-Jones ajustados foram utilizados em novas simulações de Monte Carlo. Além disso, a partir das curvas ajustadas, foram obtidas constantes espectroscópicas vibracionais dos dois dímeros. _________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / In this work, molecular and thermodynamic properties of tetrahydrofuran (THF) and tetrehydropyran (THP) and of their mixtures with water have been studied via quantum mechanic methods and classical methods. Thermodynamic properties such as density and vaporization enthalpy of the pure liquids and of their mixtures with water have been calculated by means of Monte Carlo simulations. Solvation free energy of both molecules has also been calculated by thermodynamic perturbation method. Parallelly, Hartree-Fock method was used to optimize geometries and to build potential energy curves of the dimmers THF-THF and THP-THP. Two distinct methods were used to fit Lennard-Jones potencial to those curves: Powell’s method and genetic algorithm. The fitted Lennard-Jones parameters were used in new Monte Carlo simulations of the liquids. Besides that, rovibrational spectroscopic constants and spectra were obtained from the fitted curves.

Os cianopoliinos (HCnN, n = 1, 3, 5, ...) e seus isômeros, os isocianopoliinos (HCn-1NC), constituem duas famílias de moléculas já identificadas no meio interestelar. No intuito de auxiliar a detecção e investigar a formação destas moléculas neste ambiente, foram obtidas as geometrias, as constantes rotacionais, os momentos de dipolo, as frequências vibracionais e as intensidades fundamentais de infravermelho em níveis MP2/cc-pVTZ (n = 1 a 17), CCSD/cc-pVDZ (n = 1 a 13) e CCSD/cc-pVTZ (n = 1 a 7). Além disso, foi empregado o modelo de partição em carga - fluxo de carga - fluxo de dipolo, CFCFD, em termos dos multipolos atômicos advindos da Teoria Quântica de Átomos em Moléculas, QTAIM, para compreender os efeitos do tamanho da cadeia sobre as propriedades elétricas destas moléculas, como suas intensidades de infravermelho. Os resultados indicam que o nível CCSD/cc-pVTZ é o que melhor descreve as propriedades mencionadas para os menores cianopoliinos e isocianopoliinos. Contudo, devido à demanda computacional, é preciso optar entre os níveis MP2/cc-pVTZ e CCSD/cc-pVDZ para abordar espécies maiores. Assim, os momentos de dipolo destes maiores cianopoliinos são mais bem descritos pelo nível MP2/cc-pVTZ, enquanto CCSD/cc-pVDZ é mais indicado para tal propriedade em respectivos isocianopoliinos. Por sua vez, as intensidades de infravermelho destas famílias apresentam melhor concordância com dados experimentais quando determinadas em nível CCSD/cc-pVDZ. Além disso, tanto para cianopoliinos quanto para isocianopoliinos, o aumento do tamanho das cadeias resulta num incremento das intensidades do estiramento CH, o que é explicado por variações no fluxo de carga eletrônica. O estiramento das ligações triplas CC centrais é o modo mais intenso em grandes cianopoliinos, o que também se deve ao fluxo de carga observado. Ademais, o espectro dos isocianopoliinos apresenta um número maior de bandas relevantes na região de estiramento de ligações triplas CC. Um estudo também foi conduzido, onde foram estimados os dados termodinâmicos, as geometrias do estado de transição e as constantes de velocidade da reação HCnN → HCn-1NC (n = 1 a 9) para temperaturas entre 298,15 e 3000 K. Os níveis B3LYP/aug-cc-pVsZ, MPW1K/aug-cc-pVsZ (s = Q) e CCSD(T)/aug-cc-pVmZ (m = T e Q) foram adotados em um tratamento composto para as reações com n = 1, 3 e 5, enquanto as reações com n = 7 e 9 foram investigadas de forma semelhante, porém com s = T e m = D e T. O método B3LYP foi o que apresentou melhor desempenho comparado ao MPW1K na determinação de frequências e geometrias. Os resultados indicam que esta reação é exotérmica no sentido em que os cianopoliinos são formados e, portanto, é mais fácil de ocorrer em ambientes mais frios do meio interestelar. Por outro lado, suas constantes de velocidade no sentido direto e inverso tendem a ser de mesma magnitude em temperaturas elevadas, indicando que estes ambientes mais quentes são mais propícios para detecção de isocianopoliinos. Por fim, equações parametrizadas foram ajustadas para reproduzir nossos dados de constantes de velocidade das reações com n = 1 até 9 dentro do intervalo de temperaturas considerado. / Cyanopolyynes (HCnN, n = 1, 3, 5, ...) and their isomers, isocyanopolyynes (HCn-1NC), constitute two families of molecules already identified in the interstellar medium. In order to provide data for their detection and to investigate the formation of these molecules in this environment, geometries, rotational constants, dipole moments, vibrational frequencies and infrared fundamental intensities were obtained at MP2/cc-pVTZ (n = 1 to 17), CCSD/cc-pVDZ (n = 1 to 13) and CCSD/cc-pVTZ (n = 1 to 7) levels. Furthermore, the partition model in charge - charge flux - dipole flux, CFCFD, from atomic multipoles given by the Quantum Theory of Atoms in Molecules, QTAIM, was applied to understand the effects of chain size on electrical properties of these molecules, such as intensities. Results indicate that the best description of the properties mentioned is achieved at the CCSD/cc-pVTZ level for smaller cyanopolyynes and isocyanopolyynes. However, due to computational demand, one needs to choose between MP2/cc-pVTZ and CCSD/cc-pVDZ levels to deal with larger species. In this sense, the dipole moments of large cyanopolyynes are better described by the MP2/cc-pVTZ level, while CCSD/cc-pVDZ is indicated for such property in respective isocyanopolyynes. In addition, the infrared intensities of both families from CCSD/cc-pVDZ calculations are in better accordance with experimental data. Moreover, chain size increases of cyanopolyynes and isocyanopolyynes result in intensity increments of CH stretching, which is explained by electronic charge flux changes. The stretching of central CC triple bonds is the strongest mode for large cyanopolyynes and this is also due to charge flux. A study was also conducted, in which thermodynamic data, transition state geometries and rate constants of the reaction HCnN → HCn-1NC (n = 1 to 9) were estimated for temperatures between 298.15 and 3000 K. B3LYP/aug-cc-pVsZ, MPW1K/aug-cc-pVsZ (s = Q) and CCSD(T)/aug-cc-pVmZ (m = T and Q) were adopted in a combined treatment for reactions with n = 1, 3 and 5, while reactions with n = 7 and 9 were investigated in a similar way, but with s = T and m = D and T. Frequencies and geometry data from the B3LYP method exhibited a better performance than MPW1K. The results indicated that this reaction is exothermic in the direction that leads to cyanopolyynes, and therefore it is easier to occur in colder environments of the interstellar medium. On the other hand, rate constants of forward and reverse reactions tend to show the same magnitude at higher temperatures, indicating these warmer environments are more amenable to detection of isocyanopolyynes. Finally, parameterized equations were fitted to reproduce our rate constant data for reactions with n = 1 to 9 in the temperature range considered.

Os cianopoliinos (HCnN, n = 1, 3, 5, ...) e seus isômeros, os isocianopoliinos (HCn-1NC), constituem duas famílias de moléculas já identificadas no meio interestelar. No intuito de auxiliar a detecção e investigar a formação destas moléculas neste ambiente, foram obtidas as geometrias, as constantes rotacionais, os momentos de dipolo, as frequências vibracionais e as intensidades fundamentais de infravermelho em níveis MP2/cc-pVTZ (n = 1 a 17), CCSD/cc-pVDZ (n = 1 a 13) e CCSD/cc-pVTZ (n = 1 a 7). Além disso, foi empregado o modelo de partição em carga - fluxo de carga - fluxo de dipolo, CFCFD, em termos dos multipolos atômicos advindos da Teoria Quântica de Átomos em Moléculas, QTAIM, para compreender os efeitos do tamanho da cadeia sobre as propriedades elétricas destas moléculas, como suas intensidades de infravermelho. Os resultados indicam que o nível CCSD/cc-pVTZ é o que melhor descreve as propriedades mencionadas para os menores cianopoliinos e isocianopoliinos. Contudo, devido à demanda computacional, é preciso optar entre os níveis MP2/cc-pVTZ e CCSD/cc-pVDZ para abordar espécies maiores. Assim, os momentos de dipolo destes maiores cianopoliinos são mais bem descritos pelo nível MP2/cc-pVTZ, enquanto CCSD/cc-pVDZ é mais indicado para tal propriedade em respectivos isocianopoliinos. Por sua vez, as intensidades de infravermelho destas famílias apresentam melhor concordância com dados experimentais quando determinadas em nível CCSD/cc-pVDZ. Além disso, tanto para cianopoliinos quanto para isocianopoliinos, o aumento do tamanho das cadeias resulta num incremento das intensidades do estiramento CH, o que é explicado por variações no fluxo de carga eletrônica. O estiramento das ligações triplas CC centrais é o modo mais intenso em grandes cianopoliinos, o que também se deve ao fluxo de carga observado. Ademais, o espectro dos isocianopoliinos apresenta um número maior de bandas relevantes na região de estiramento de ligações triplas CC. Um estudo também foi conduzido, onde foram estimados os dados termodinâmicos, as geometrias do estado de transição e as constantes de velocidade da reação HCnN → HCn-1NC (n = 1 a 9) para temperaturas entre 298,15 e 3000 K. Os níveis B3LYP/aug-cc-pVsZ, MPW1K/aug-cc-pVsZ (s = Q) e CCSD(T)/aug-cc-pVmZ (m = T e Q) foram adotados em um tratamento composto para as reações com n = 1, 3 e 5, enquanto as reações com n = 7 e 9 foram investigadas de forma semelhante, porém com s = T e m = D e T. O método B3LYP foi o que apresentou melhor desempenho comparado ao MPW1K na determinação de frequências e geometrias. Os resultados indicam que esta reação é exotérmica no sentido em que os cianopoliinos são formados e, portanto, é mais fácil de ocorrer em ambientes mais frios do meio interestelar. Por outro lado, suas constantes de velocidade no sentido direto e inverso tendem a ser de mesma magnitude em temperaturas elevadas, indicando que estes ambientes mais quentes são mais propícios para detecção de isocianopoliinos. Por fim, equações parametrizadas foram ajustadas para reproduzir nossos dados de constantes de velocidade das reações com n = 1 até 9 dentro do intervalo de temperaturas considerado. / Cyanopolyynes (HCnN, n = 1, 3, 5, ...) and their isomers, isocyanopolyynes (HCn-1NC), constitute two families of molecules already identified in the interstellar medium. In order to provide data for their detection and to investigate the formation of these molecules in this environment, geometries, rotational constants, dipole moments, vibrational frequencies and infrared fundamental intensities were obtained at MP2/cc-pVTZ (n = 1 to 17), CCSD/cc-pVDZ (n = 1 to 13) and CCSD/cc-pVTZ (n = 1 to 7) levels. Furthermore, the partition model in charge - charge flux - dipole flux, CFCFD, from atomic multipoles given by the Quantum Theory of Atoms in Molecules, QTAIM, was applied to understand the effects of chain size on electrical properties of these molecules, such as intensities. Results indicate that the best description of the properties mentioned is achieved at the CCSD/cc-pVTZ level for smaller cyanopolyynes and isocyanopolyynes. However, due to computational demand, one needs to choose between MP2/cc-pVTZ and CCSD/cc-pVDZ levels to deal with larger species. In this sense, the dipole moments of large cyanopolyynes are better described by the MP2/cc-pVTZ level, while CCSD/cc-pVDZ is indicated for such property in respective isocyanopolyynes. In addition, the infrared intensities of both families from CCSD/cc-pVDZ calculations are in better accordance with experimental data. Moreover, chain size increases of cyanopolyynes and isocyanopolyynes result in intensity increments of CH stretching, which is explained by electronic charge flux changes. The stretching of central CC triple bonds is the strongest mode for large cyanopolyynes and this is also due to charge flux. A study was also conducted, in which thermodynamic data, transition state geometries and rate constants of the reaction HCnN → HCn-1NC (n = 1 to 9) were estimated for temperatures between 298.15 and 3000 K. B3LYP/aug-cc-pVsZ, MPW1K/aug-cc-pVsZ (s = Q) and CCSD(T)/aug-cc-pVmZ (m = T and Q) were adopted in a combined treatment for reactions with n = 1, 3 and 5, while reactions with n = 7 and 9 were investigated in a similar way, but with s = T and m = D and T. Frequencies and geometry data from the B3LYP method exhibited a better performance than MPW1K. The results indicated that this reaction is exothermic in the direction that leads to cyanopolyynes, and therefore it is easier to occur in colder environments of the interstellar medium. On the other hand, rate constants of forward and reverse reactions tend to show the same magnitude at higher temperatures, indicating these warmer environments are more amenable to detection of isocyanopolyynes. Finally, parameterized equations were fitted to reproduce our rate constant data for reactions with n = 1 to 9 in the temperature range considered.

Made available in DSpace on 2015-03-03T15:16:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RicardoGS_TESE.pdf: 1607151 bytes, checksum: 892ba8afc1733edc8e855073b58ee05c (MD5) Previous issue date: 2012-05-28 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / In this thesis, we study the thermo-electronic properties of the DNA molecule. For this purpose, we used three types of models with the DNA, all assuming a at geometry (2D), each built by a sequence of quasiperiodic (Fibonacci and / or Rudin-Shapiro) and a sequence of natural DNA, part of the human chromosome Ch22. The first two models have two types of components that are the nitrogenous bases (guanine G, cytosine C, adenine A and thymine T) and a cluster sugar-phosphate (SP), while the third has only the nitrogenous bases. In the first model we calculate the density of states using the formalism of Dyson and transmittance for the time independent Schr odinger equation . In the second model we used the renormalizationprocedure for the profile of the transmittance and consequently the I (current) versus V (voltage). In the third model we calculate the density of states formalism by Dean and used the results together with the Fermi-Dirac statistics for the chemical potential and the quantum specific heat. Finally, we compare the physical properties found for the quasi-periodic sequences and those that use a portion of the genomic DNA sequence (Ch22). / Nesta tese, estudamos as propriedades termo-eletr?nicas da mol?cula de DNA. Para tal prop?sito, fizemos uso de tr?s tipos de modelos com o DNA, todos assumindo uma geometria plana (2D), constru?dos cada um atrav?s das sequ?ncias quase-peri?dicas (Fibonacci e/ou Rudin-Shapiro) e de uma sequ?ncia de DNA natural, parte do cromossomo humano Ch22 . Os dois primeiros modelos apresentam dois tipos de componentes que s?o: as bases nitrogenadas (Guanina G, citosina C, Adenina A e Timina T) e um grupamento a??car-fosfato (SP), enquanto o terceiro modelo apresenta somente as bases nitrogenadas. No primeiro modelo calculamos as densidades de estados utilizando o formalismo de Dyson e as transmit?ncias pela equac?o de Schr?dinger independente do tempo. No segundo modelo fizemos uso do processo de renormalizac?o para obtemos os perfis das transmit?ncias e consequentemente as curvas I (corrente) _ V (voltagem). No terceiro modelo calculamos as densidades de estados pelo formalismo de Dean e utilizamos os resultados juntamente com a estat?stica de Fermi-Dirac para obtemos os potenciais qu?micos e os calores espec?ficos qu?nticos. Finalmente, comparamos as propriedades f?sicas encontradas para as sequ?ncias quase-peri?dicas e para aqueles que utilizam um trecho da sequ?ncia gen?mica do DNA (Ch22)

Desde o início do uso de ferramentas computacionais na química, pesquisadores notaram a necessidade de um adequado tratamento da correlação eletrônica para a acurada descrição da estrutura eletrônica. Algum tempo depois, perceberam que, além da correlação, haviam ainda deficiências nos resultados obtidos, as quais estavam relacionadas com efeitos relativísticos, principalmente quando tentavam tratar moléculas com átomos pesados. Um terceiro aspecto a ser levado em consideração nestes estudos diz respeito ao uso de um conjunto acurado de funções de base. No caso específico de cálculos relativísticos, se possível, tais conjuntos ainda precisam garantir a eliminação do prolapso variacional, um problema que está relacionado com uma descrição deficiente da região mais próxima dos núcleos. Com esse propósito, o conjunto RPF-4Z foi desenvolvido recentemente. Sendo assim, este projeto foi voltado para a análise comparativa da qualidade do conjunto RPF-4Z. Desta forma, foram avaliadas propriedades fundamentais das moléculas como, por exemplo, geometrias, momentos de dipolo e constantes espectroscópicas. Simultaneamente, uma propriedade desafiadora, o gradiente de campo elétrico na posição de núcleos de xenônio, também foi considerada. Os resultados obtidos até agora reforçam a eficiência do conjunto RPF-4Z, que é capaz de fornecer valores comparáveis àqueles dados por conjuntos de base de mesma qualidade, mas com menor demanda por recursos computacionais. / Early in the application of computational framework in chemistry, researchers noticed the need for an adequate electronic correlation treatment in order to accurately describe electronic structures. Some years later they realized that, besides correlation, there were also deficiencies in the results, which were related to relativistic effects, especially when dealing with molecules containing heavy atoms. A third aspect to be taken into account is related to the use of an accurate basis set. Specifically for relativistic calculations, these basis sets must also ensure the elimination of variational prolapse if possible, which is a problem related to a poor description of the innermost region close to the nuclei. Thus, the RPF-4Z basis set was recently developed for this aim. This project is focused on a comparative analysis regarding the RPF-4Z basis set\'s quality. Thereby, fundamental properties of molecules were evaluated, such as geometries, dipole moments and spectroscopic constants. At the same time, a challenging property, the electric field gradient at the xenon nuclei, was considered as well. The results obtained so far reinforce the efficiency of the RPF-4Z basis set, which is capable of providing comparable values to those obtained by same quality basis sets but with a lower demand for computational resources.

Desde o início do uso de ferramentas computacionais na química, pesquisadores notaram a necessidade de um adequado tratamento da correlação eletrônica para a acurada descrição da estrutura eletrônica. Algum tempo depois, perceberam que, além da correlação, haviam ainda deficiências nos resultados obtidos, as quais estavam relacionadas com efeitos relativísticos, principalmente quando tentavam tratar moléculas com átomos pesados. Um terceiro aspecto a ser levado em consideração nestes estudos diz respeito ao uso de um conjunto acurado de funções de base. No caso específico de cálculos relativísticos, se possível, tais conjuntos ainda precisam garantir a eliminação do prolapso variacional, um problema que está relacionado com uma descrição deficiente da região mais próxima dos núcleos. Com esse propósito, o conjunto RPF-4Z foi desenvolvido recentemente. Sendo assim, este projeto foi voltado para a análise comparativa da qualidade do conjunto RPF-4Z. Desta forma, foram avaliadas propriedades fundamentais das moléculas como, por exemplo, geometrias, momentos de dipolo e constantes espectroscópicas. Simultaneamente, uma propriedade desafiadora, o gradiente de campo elétrico na posição de núcleos de xenônio, também foi considerada. Os resultados obtidos até agora reforçam a eficiência do conjunto RPF-4Z, que é capaz de fornecer valores comparáveis àqueles dados por conjuntos de base de mesma qualidade, mas com menor demanda por recursos computacionais. / Early in the application of computational framework in chemistry, researchers noticed the need for an adequate electronic correlation treatment in order to accurately describe electronic structures. Some years later they realized that, besides correlation, there were also deficiencies in the results, which were related to relativistic effects, especially when dealing with molecules containing heavy atoms. A third aspect to be taken into account is related to the use of an accurate basis set. Specifically for relativistic calculations, these basis sets must also ensure the elimination of variational prolapse if possible, which is a problem related to a poor description of the innermost region close to the nuclei. Thus, the RPF-4Z basis set was recently developed for this aim. This project is focused on a comparative analysis regarding the RPF-4Z basis set\'s quality. Thereby, fundamental properties of molecules were evaluated, such as geometries, dipole moments and spectroscopic constants. At the same time, a challenging property, the electric field gradient at the xenon nuclei, was considered as well. The results obtained so far reinforce the efficiency of the RPF-4Z basis set, which is capable of providing comparable values to those obtained by same quality basis sets but with a lower demand for computational resources.