Estudio teórico de los efectos de isótopo en puentes de hidrógeno y su aplicación a agregados de agua mediante metodología no Born-Oppenheimer

Abstract

A pesar que las simulaciones basadas en la aproximación de Born-Oppenheimer (ABO) resultan adecuadas para describir un amplio número de sistemas moleculares, cada vez es más evidente que dichas simulaciones deben incorporar efectos cuánticos diferentes a los electrónicos. Esto se hace patente si se pretenden estudiar fenómenos como el cambio que experimenta densidad electrónica de las moléculas en función de su entorno (por ejemplo debido al movimiento nuclear o las sustituciones isotópicas), o la transferencia de núcleos de hidrógeno en sistemas enlazados por puentes de hidrógeno. Para corregir las falencias de métodos Born-Oppenheimer para el estudio de los fenómenos antes mencionados, se han propuesto métodos que van más allá de la ABO como el método del Orbital Molecular Nuclear y Electrónico (OMNE). En este trabajo se implementó computacionalmente el método OMNE a niveles de teoría Hartree-Fock(HF) y Moller-Plesser de segundo orden (MP2). El programa desarrollado fue aplicado al estudio de efectos de isótopo en dímeros de agua, lográndose reproducir exitosamente los resultados y tendencias experimentales. Los resultados de este trabajo serán claves en investigaciones posteriores sobre efectos de isótopo en agregados de agua de mayor tamaño, al igual que en estudios de la dinámica molecular del agua y de especies solvatadas. / Abstract. Despite that the simulations based on the Born-Oppenheimer approximation are appropriate to describe a large number of molecular systems, is evident that those simulations should consider quantum effects different to quantum electronic effects. That is important if we wish to study phenomena as the change on the electronic density of the molecules, in function of its surrounding (i.e. due to nuclear movement or due to isotope substitution), or the hydrogen nuclei transfer between systems bonded by hydrogen bonds. To correct the failures of the Born-Oppenheimer methodologies to study the phenomena before referred, have been proposed methodologies beyond of the Born-Oppenheimer approximation, as the Nuclear and Electronic Molecular Orbital Method (NEMO). We have coded the NEMO method at Hartree-Fock (HF) and second order Moller-Plesser (MP2) levels of theory. The developed code was applied to study isotope effects on water dimers. We have reproduced results and experimental trends. The results of this work will be key to investigate isotope effects on larger water aggregates and to study the molecular dynamics of the water and solvated species.