New perspectives in IQA: from biochemical applications to controversial chemical bonds

Abstract

Desde su surgimiento unos quince años atrás, el método de descomposición de la energía de átomos cuánticos interaccionantes (IQA) ha demostrado ser un útil descriptor del enlace químico. Sin embargo, la aplicación de dicho método libre de referencias e invariante orbital se ha visto fuertemente impedida por su alto coste computacional, así como la ausencia de la matriz densidad reducida de segundo orden en varios métodos de cálculo de la estructura electrónica muy populares. Estos problemas, no obstante, han comenzado a ser recientemente solucionados, abriendo nuevas puertas para la aplicación de este genuino método a campos que hasta la fecha esperaban a ser explorados. Siguiendo esta línea, la presente tesis doctoral pretende sentar las bases para una futura aplicación sistemática, a la par que consistente, de IQA en bioquímica computacional utilizando los métodos tanto de Hartree-Fock (HF) como la teoría del funcional de la densidad (DFT). En este sentido, se presenta en primer lugar un estudio sobre la efectividad de la descomposición IQA de las energías DFT siguiendo la implementación basada en la técnica de escalado desarrollada en la Universidad de Oviedo. Por otra parte, se comprueba el desempeño de la metodología combinada IQA-D3 (dentro de un marco HF-D3 que permite el tratamiento separado de la dispersión) en la descripción de diversos compuestos y con diferentes aplicaciones. Además, su variante de fragmentos cuánticos interaccionantes (IQF) se muestra como una alternativa atractiva desde el punto de vista químico al complicado análisis atómico al que uno se enfrenta cuando el número de átomos comienza a ser sustancial. Este análisis grupal, que proporciona contribuciones energéticas asociadas a grupos funcionales o fragmentos moleculares más generales, se pone a prueba en la determinación de los efectos que subyacen bajo las preferencias conformacionales de sistemas que contienen flúor, prestando especial atención al llamado efecto gauche del flúor. Pero la conformación y la actividad de las biomoléculas está muy influida por el entorno que las rodea, pudiendo contribuir decisivamente a la preferente disposición espacial de una gran macromolécula y determinar su actividad. Por este motivo, y como un primer paso hacia descripciones más sofisticadas, se presenta una primera incorporación de las contribuciones del disolvente a las energías atómicas y grupales IQA a partir de un modelo electrostático de disolvente continuo: COSMO. Las energías IQA-COSMO permiten diseccionar la contribución electrostática a la energía de solvatación en componentes atómicas y de fragmento, observándose una adecuada correspondencia entre los átomos/grupos funcionales seleccionados y el valor de sus respectivas energías de solvatación.