Obiettivi formativi
Il corso introduce alle teorie di base della chimica quantistica computazionale ed alla loro applicazione allo studio di proprietà e processi molecolari.
Prerequisiti
Elementi di base di meccanica quantistica molecolare
Contenuti dell'insegnamento
1. Introduzione alla chimica computazionale.
2. Metodo Hartree-Fock (HF): approssimazione orbitalica e funzione d'onda mono-determinantale; funzioni d'onda HF "restricted" e "unrestricted"; equazioni di Hartree-Fock: operatore di Fock, energia orbitaliche, orbitali occupati e vacanti, teorema di Koopman: energie di ionizzazione e affinità elettronica. Espansione degli orbitali molecolari su funzioni di base: metodo di Roothan-Hall, matrice di Fock, integrali mono e bi-elettronici, matrice di densità elettronica.
3. Proprietà mono-elettroniche: densità elettronica, potenziale elettrostatico molecolare,momento di dipolo elettrico, analisi popolazionale della densità elettronica secondo di Mulliken.
4. Basis Sets di espansione per orbitali molecolari: Funzioni di Slater, funzioni gaussiane, funzioni gaussiane contratte. Basis set minimali, Basis sets "double zeta", funzioni di base di polarizzazione, funzioni di base diffuse.
5. Ottimizzazione di geometria: caratterizzazione della superficie di energia potenziale (PES), punti di minimo geometrie (molecolari di equilibrio) e punti di sella (stati di transizione), gradiente ed hessiano dell'energia molecolare. Algoritmi di ottimizzazione per geometrie equilibrio e stati di transizione.
6. Metodi di correlazione elettronica: correlazione elettronica e funzioni d'onda post-SCF: metodi a interazione di configurazione (CI), metodo perturbativo Moeller-Plesset (MP), metodi coupled-cluster (CC).
7. Teoria del Funzionale di Densità: teoremi di Hoemberg e Khon, metodo di Khon-Sham, funzionali di scambio e correlazione: funzionali di densità locale (LDA), funzionali non locali e funzionali ibridi.
8. Calcolo delle proprietà molecolari: proprietà molecolari come derivate dell'energia elettronica: frequenze vibrazionali armoniche e intensità IR, proprietà NMR, chemical sheilding.
9. Termodinamica statistica: legge di distribuzione di Boltzman, funzioni di partizione molecolare, calcolo delle proprietà termodinamiche. Teoria dello stato di transizione.
10. Modelli di solvatazione: modelli di solvatazione espliciti: QM/MM; modelli di solvatazione impliciti: il Polarizable Continuum Model (PCM).
Programma esteso
1. Introduzione alla chimica computazionale.
2. Metodo Hartree-Fock (HF): approssimazione orbitalica e funzione d'onda mono-determinantale; funzioni d'onda HF "restricted" e "unrestricted"; equazioni di Hartree-Fock: operatore di Fock, energia orbitaliche, orbitali occupati e vacanti, teorema di Koopman: energie di ionizzazione e affinità elettronica. Espansione degli orbitali molecolari su funzioni di base: metodo di Roothan-Hall, matrice di Fock, integrali mono e bi-elettronici, matrice di densità elettronica.
3. Proprietà mono-elettroniche: densità elettronica, potenziale elettrostatico molecolare,momento di dipolo elettrico, analisi popolazionale della densità elettronica secondo di Mulliken.
4. Basis Sets di espansione per orbitali molecolari: Funzioni di Slater, funzioni gaussiane, funzioni gaussiane contratte. Basis set minimali, Basis sets "double zeta", funzioni di base di polarizzazione, funzioni di base diffuse.
5. Ottimizzazione di geometria: caratterizzazione della superficie di energia potenziale (PES), punti di minimo geometrie (molecolari di equilibrio) e punti di sella (stati di transizione), gradiente ed hessiano dell'energia molecolare. Algoritmi di ottimizzazione per geometrie equilibrio e stati di transizione.
6. Metodi di correlazione elettronica: correlazione elettronica e funzioni d'onda post-SCF: metodi a interazione di configurazione (CI), metodo perturbativo Moeller-Plesset (MP), metodi coupled-cluster (CC).
7. Teoria del Funzionale di Densità: teoremi di Hoemberg e Khon, metodo di Khon-Sham, funzionali di scambio e correlazione: funzionali di densità locale (LDA), funzionali non locali e funzionali ibridi.
8. Calcolo delle proprietà molecolari: proprietà molecolari come derivate dell'energia elettronica: frequenze vibrazionali armoniche e intensità IR, proprietà NMR, chemical sheilding.
9. Termodinamica statistica: legge di distribuzione di Boltzman, funzioni di partizione molecolare, calcolo delle proprietà termodinamiche. Teoria dello stato di transizione.
10. Modelli di solvatazione: modelli di solvatazione espliciti: QM/MM; modelli di solvatazione impliciti: il Polarizable Continuum Model (PCM).
Bibliografia
F. Jensen “Introduction to Computational Chemistry”, Wiley, 1996;
J.B. Foresman and Ae. Frisch, “Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods”, 2nd Edit., Pittsburg,1994
Metodi didattici
Lezioni orali and esercitazioni numeriche.
Modalità verifica apprendimento
Esame orale e progetto computazionale.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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