Computational design of molecular tweezers and cranes with enhanced ion-pi interactions

Resumo

El objetivo principal de esta tesis ha sido diseño computacional de pinzas y grúas moleculares. Las pinzas y grúas moleculares son motores a escala molecular que permiten el ensamblaje de estructuras complejas, como circuitos eléctricos, manipulando moléculas individuales de forma ordenada. En esta tesis se llevó a cabo el diseño de nuevas pinzas y grúas moleculares con una gran especificidad hacia el sustrato y que posean un mecanismo sencillo de control externo de su operatividad. Un aspecto fundamental para determinar la especificidad es el conocimiento de los factores que regulan las interacciones entre las moléculas estudiadas y el sustrato, para lo cual se realizaron una serie de estudios estructurales y dinámicos del proceso de complejación. También es deseable que estas grúas dispongan de un control externo lumínico. Para ello realizamos el estudio fotofísico del sistema molecular espiropirano-merocianina que puede funcionar como interruptor molecular en presencia o ausencia de radiación. Además de ello, adquieren especial relevancia las interacciones de estos complejos con disolventes, para lo cual se llevaron a cabo estudios en diferentes disolventes. Para la realización de la tesis se llevaron a cabo varias etapas: optimización de las estructuras de las pinzas y grúas diseñadas, optimización de las estructuras y cálculo de la densidad electrónica de los sustratos, estudio estructural estático de los complejos receptor-sustrato, estudio estructural de receptores similares a los anteriores que incluyan unidades estructurales susceptibles de un cambio conformacional (fotointerruptores), caracterización de las propiedades estructurales y energéticas de los complejos a lo largo del tiempo mediante métodos dinámicos y, finalmente, un análisis de todos los resultados anteriores y elaboración de un patrón de comportamiento que permita explicar las características esenciales de los complejos formados. La metodología empleada en este proyecto es la Química Computacional, utilizando una gran variedad de métodos tanto estáticos como dinámicos. Algunos de dichos métodos empleados son DFT (Density Functional Theory), DFT-SAPT (Symmetry-adapted Perturbation Theory), DF-MP2 (Density Fitted Second-order Moller-Plesset Perturbation Theory), CASSCF (Complete Active Space Self-consistent Field) y CASPT2 (Complete Active Space Perturbation Theory to Second Order) entre otros.