Química computacional

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La química computacional es una rama de la química teórica y de la química cuántica. El objetivo de la química computacional es producir y utilizar programas informáticos para el estudio de las propiedades (como energía, momento dipolar, frecuencias de vibración) de moléculas y, en menor medida, sólidos extendidos. También se usa para cubrir áreas de solapamiento entre la informática y la química.

En química teórica, los químicos y los físicos desarrollan algoritmos y teorías que permiten predicciones precisas de propiedades atómicas o moleculares, o caminos para las reacciones químicas. Los químicos computacionales usan los programas y metodologías existentes y los aplican a problemas químicos específicos.

Hay dos aproximaciones diferentes a esto:

estudios computacionales para encontrar un punto de partida para la síntesis en laboratorio; estudios computacionales para explorar mecanismos de reacción y explicar observaciones en reacciones ya vistas en el laboratorio.

Hay varias areas en este campo: la representación computacional de átomos y moléculas almacenamiento, organización y búsqueda de datos sobre entidades químicas (Bases de datos) identificación de patrones, tendencias y correlaciones entre estructuras químicas y sus propiedades ( QSPR ) elucidación de estructuras basadas en la simulación de campos de fuerzas modelos para ayudar a la síntesis eficiente de compuestos diseño de moléculas que interaccionen con otras de forma efectiva, especialmente en diseño de fármacos Los programas usados en química computacional se basan en diferentes métodos mecanocuánticos que resuelven la ecuación de Schrödinger molecular. Los métodos que no incluyen parámetros empíricos ni semi-empíricos en sus ecuaciones se llaman métodos ab initio. Las clases más populares de métodos ab initio son: Hartree-Fock, teoría de perturbaciones de Moller-Plesset, interacción de configuraciones, coupled cluster, matrices de densidad reducidas y teoría del funcional de la densidad (existen ciertas diferencias de opinión sobre si la teoría del funcional de la densidad ha de considerarse puramente ab initio o semiempírico). Cada clase contiene diversos métodos que usan diferentes variantes de la teoría, típicamente orientados a una propiedad molecular concreta, o a un conjunto especial de moléculas. La abundancia de estos métodos es una prueba de que no hay un método único que sea adecuado para todos los propósitos.

En principio, sería posible usar un método "exacto" (por ejemplo, interacción completa de configuraciones con una base lo suficientemente grande) y aplicarlo a todas las moléculas. Sin embargo, aunque estos métodos son bien conocidos y están disponibles en muchos programas, el coste computacional crece factorialmente (más rápido que exponencialmente) con el número de electrones de la molécula. Por este motivo, hay un gran número de métodos aproximados que buscan el mejor compromiso en cada caso entre exactitud y coste computacional. Actualmente, la química computacional puede calcular con gran precisión y sin grandes costes las propiedades de moléculas de hasta una decena de electrones. El tratamiento de moléculas que contienen unas pocas docenas de electrones prácticamente sólo es abordable por métodos más aproximados, como la teoría del funcional de la densidad. Los sistemas mayores, como moléculas con varios metales pesados, superficies, sistemas tridimensionales o enzimas, sólo se pueden tratar de forma heterogénea, focalizando el interés en una zona del espacio o en algunos de los electrones, y dejando que el resto se reproduzca por pseudopotenciales, cargas eléctricas puntuales, o campos de fuerzas clásicos.

Hay cierta polémica en el campo sobre si los métodos más aproximados son suficientemente precisos como para describir adecuadamente reacciones químicas complejas, como las que se dan en bioquímica.

Hay un gran número de paquetes informáticos disponibles que son autosuficientes y que implementan muchos métodos mecanocuánticos. Entre los más usados se encuentran GAUSSIAN, GAMESS, Q-Chem, MOLCAS, ACES, MOLPRO, DALTON, Spartan y PSI.