Química computacional
Mientras sus resultados complementan la información que puede obtenerse en experimentos químicos, pueden, en otros casos, predecir fenómenos químicos no observados a la fecha, orientando el diseño de nueva actividad experimental o sustituyendo la ausencia de otro conocimiento empírico en problemas donde el diseño experimental tiene asociado un alto costo económico y/o el experimento empírico resulta impracticable en los términos actuales.
La química computacional es ampliamente utilizada desde hace varias décadas en el diseño de nuevos medicamentos y materiales.
Ejemplos de propiedades moleculares estudiadas en este campo son la estructura molecular a nivel atómico (i.e.
Una muy detallada descripción de ese uso en el Reino Unido está dado por Smith y Sutcliffe.
[3] En 1971, cuando una bibliografía de cálculos ab initio fue publicada,[4] las moléculas más grandes incluidas fueron la naftalina y el azuleno.
[9] A comienzos de los 70, eficientes programas computacionales ab initio tales como ATMOL, Gaussian, IBMOL y POLYAYTOM comienzan a ser utilizados para acelerar los cálculos ab initio de órbitas moleculares.
Al mismo tiempo, los métodos de mecánica molecular, tales como MM2, fueron desarrollados principalmente por Norman Allinger.
[10] Una de las primeras veces que el término "química computacional" fue mencionado puede ser encontrado en el libro Computers and Their Role in the Physical Sciences de 1970, escrito por Sidney Fernbach y Abraham Haskell Taub, donde dicen: "Parece, por lo tanto, que la 'química computacional' puede finalmente ser más y más una realidad".
Lo más frecuente es que los químicos computacionales planteen y resuelvan la ecuación de Schrödinger no relativista, incorporando a posteriori correcciones relativistas cuando esto es indispensable para obtener una correcta descripción del sistema.
El tratamiento de grandes moléculas es computacionalmente abordable mediante otros métodos aproximados tales como los basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT, del inglés density functional theory).
Existe alguna controversia en el campo sobre si los métodos teóricos son suficientemente exactos para describir reacciones químicas complejas, como las involucradas en problemas de la bioquímica.
Un mínimo local (de energía potencial molecular) es un punto estacionario para el que todos los desplazamientos nucleares conducen a un aumento de la energía, por lo tanto se asocian con formas estables del sistema.
Si un valor propio es negativo (una frecuencia imaginaria), el punto estacionario es un estado de transición.
Una notable excepción la constituyen los enfoques llamados química cuántica directa, los cuales tratan a los electrones y los núcleos por igual.
Para cada sistema grande, la energía total relativa puede ser comparada utilizando mecánica molecular.
Los métodos que no incluyen ningún parámetro empírico o semi-empírico en sus ecuaciones (siendo derivadas directamente de principios teóricos, sin la inclusión de datos experimentales), son llamados métodos ab initio.
Esto no implica que la solución sea exactamente una; son todos cálculos aproximados de mecánica cuántica.
Si métodos numéricos iterativos han sido empleados, la meta es iterar hasta obtener la máxima precisión que la máquina pueda dar (lo mejor que es posible con un tamaño de palabra del computador finito y con las aproximaciones matemáticas y/o físicas realizadas).
Con el fin de obtener un total acuerdo con los experimentos, se hace necesario incluir términos relativistas y la interacción órbita-espín, ambos solamente importantes para átomos pesados.
En todos estos enfoques, además de la elección del método, es necesario elegir un conjunto base.
Existen muchos casos en los que la descripción uniconfiguracional HF es inadecuada para representar la estructura electrónica del sistema, o para estudiar la evolución del sistema químico en diferentes regiones de las superficies de energía potencial.
El empleo de métodos uniconfiguracionales en situaciones que requieren descripciones multiconfiguracionales da lugar, en general, a graves defectos en los resultados.
Por tanto, también podrían ser llamados métodos semi-empíricos, aunque es más adecuado tratarlos como una clase por sí solos.
Son muy importantes en química computacional por tratar grandes moléculas donde el método completo de Hartree-Fock sin aproximaciones es muy caro.
En muchos casos, grandes sistemas moleculares pueden ser modelados satisfactoriamente evitando por completo los cálculos requeridos por la mecánica cuántica.
Todas las constantes que aparecen en las ecuaciones deberían ser obtenidas de antemano mediante datos experimentales o cálculos ab initio.
DM combinada con la teoría del funcional de la densidad conduce al método Car-Parrinello.
