Metodi computazionali per la Chimica Industriale

Anno accademico 2013/2014

Obiettivi formativi del corso

- Conoscenze:
Il corso intende fornire le basi teoriche della chimica computazionale, attraverso la descrizione dei metodi classici e quantistici utilizzati per il calcolo delle proprietà dei sistemi molecolari. Gli studenti impareranno una serie di metodi di uso comune nella chimica computazionale quali, ad esempio, ottimizzazione di geometria, localizzazione di stati di transizione, analisi conformazionale, previsione di proprietà molecolari e spettroscopiche.

- Capacità di Comprensione:
Il corso fornisce gli strumenti e le conoscenze per comprendere le potenzialitè, le limitazioni e gli ambiti di applicazione dei moderni metodi di calcolo della chimica computazionale.
Inoltre, il linguaggio e i formalismi utilizzati consentiranno di comprendere la letteratura scientifica specialistica.

- Applicazione delle conoscenze:
Il corso fornisce agli studenti gli strumenti di base per affrontare attraverso metodi teorici problemi di interesse chimico quali, ad esempio, problemi di struttura, di spettroscopia o di reattività. Gli studenti sapranno scegliere le tecniche opportune, sapranno effettuare i calcoli e le simulazioni, e sapranno valutare in modo critico la qualità dei risultati ottenuti.

Risultati dell'apprendimento

Per verificare l'apprendimento dei concetti e delle tecniche svolti durante il corso, agli studenti verra' assegnato un problema di interesse chimico da risolvere con i metodi della chimica computazionale seguito da un colloquio orale in cui si spiegano e si analizzano i passaggi affrontati.

Attività di supporto

Lezioni frontali affiancate da esercitazioni al computer su alcuni argomenti di maggior interesse per gli studenti.

Programma

PARTE I. METODI CLASSICI

- Concetti di meccanica molecolare.
Interazioni covalenti, elettrostatiche, e di Van der Waals. Campi di forza disponibili e loro applicabilità. Algoritmi di minimizzazione e metodi per l'analisi conformazionale.
- Cenni di dinamica molecolare (moto classico dei nuclei).

PARTE II. METODI QUANTISTICI

- Richiami di meccanica quantistica.

- Approssimazione di Born-Oppenheimer.

- Approssimazione orbitalica.
Funzione d'onda elettronica come determinante di Slater. Equazioni di Hartree-Fock. Espansione degli orbitali molecolari su funzioni di base e cenni sui principali "basis set" disponibili: orbitali atomici di Slater, funzioni di base di tipo gaussiano, funzioni di polarizzazione e funzioni diffuse.
Cenni sui metodi post-Hartree-Fock per il trattamento delle correlazioni elettroniche tramite
interazione di configurazione.

- Proprietà elettroniche: energie orbitaliche, potenziale elettrostatico molecolare, momento di dipolo elettrico, distribuzione della carica elettronica secondo Mulliken.

- Analisi delle superficie di energia potenziale (ESP)
Punti stazionari: Ottimizzazione della geometria, localizzazione degli stati di transizione,
coordinata di reazione intrinseca (IRC), studio delle proprità vibrazionali.

- Metodi del funzionale densità (DFT).
Teorema di Hoenberg e Kohn. Metodo di Kohn-Sham. Cenni sui principali funzionali disponibili.

- Calcolo degli spettri infrarossi e degli spettri NMR.

Testi consigliati e bibliografia

- F. Jensen "Introduction to Computational Chemistry" (Wiley)

- J. M. Goodman "Chemical Application if Molecular Modelling" (Royal Soc. of Chemistry)

Orario lezioni