ChemBOS software: Implementações computacionais e investigação do efeito Jahn-Teller em metais de transição

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Main Author: Pontes, Lilyan Cunha Alves
Publication Date: 2024
Format: Bachelor thesis
Language: por
Source: Repositório Institucional da UFPB
Download full: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/33437
Summary: The properties of chemical bonds are among the main focuses of theoretical chemistry. A relevant phenomenon in this context is the Jahn-Teller (JT) effect, which causes symmetry breaking in molecules and directly impacts their chemical bonds. Alongside theoretical approaches, computational methods play an essential role in characterizing the electronic structures of molecular systems. The Chemical Bond Overlap Software (ChemBOS) is a program dedicated to the analysis of chemical bonds using the OP/TOP method. This work evaluates recent implementations focused on handling MCSCF wavefunctions and enhances the topological analysis of overlap density in ChemBOS. To test these implementations, the ions [Cr(OH2)6] 3+, Cr(OH2)6] 2+, [Fe(CN)6] 4− and [Fe(CN)6] 3− were analyzed, as there is experimental evidence of the JT effect in Cr(II) and Fe(III) complexes. Their wavefunctions were processed using Density Functional Theory (DFT) and Complete Active Space Self-Consistent Field (CASSCF) methods with the ORCA program. Chemical bonds were analyzed using the OP/TOP methodologies in ChemBOS and the Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM) in the MultiWFN program. The results indicate that the OP/TOP descriptors track the changes in the systems, both in the significant elongation of the Cr(II) complex and the slight contraction of the Fe(III) bonds. Additionally, this work introduces a new module for visualizing overlap density, the Overlap Density Viewer This module facilitates the visualization of density maps and provides a shorter execution time compared to other programs. Tests were conducted on densities obtained in other studies beyond those considered in this work, ensuring the Overlap Density Viewer’s functionality across different chemical systems. The results highlight the efficiency of the OP/TOP model in handling MCSCF wavefunctions of systems distorted by the JT effect, while also introducing a new tool for overlap density visualization integrated into ChemBOS.
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To test these implementations, the ions [Cr(OH2)6] 3+, Cr(OH2)6] 2+, [Fe(CN)6] 4− and [Fe(CN)6] 3− were analyzed, as there is experimental evidence of the JT effect in Cr(II) and Fe(III) complexes. Their wavefunctions were processed using Density Functional Theory (DFT) and Complete Active Space Self-Consistent Field (CASSCF) methods with the ORCA program. Chemical bonds were analyzed using the OP/TOP methodologies in ChemBOS and the Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM) in the MultiWFN program. The results indicate that the OP/TOP descriptors track the changes in the systems, both in the significant elongation of the Cr(II) complex and the slight contraction of the Fe(III) bonds. Additionally, this work introduces a new module for visualizing overlap density, the Overlap Density Viewer This module facilitates the visualization of density maps and provides a shorter execution time compared to other programs. Tests were conducted on densities obtained in other studies beyond those considered in this work, ensuring the Overlap Density Viewer’s functionality across different chemical systems. The results highlight the efficiency of the OP/TOP model in handling MCSCF wavefunctions of systems distorted by the JT effect, while also introducing a new tool for overlap density visualization integrated into ChemBOS.As propriedades das ligações químicas estão entre os principais focos de estudo da química teórica. Um fenômeno relevante nesse contexto é o efeito Jahn-Teller (JT), que provoca a quebra de simetria das moléculas e afeta diretamente suas ligações químicas. Em conjunto a teoria, os métodos computacionais desempenham um papel essencial na caracterização das estruturas eletrônicas de sistemas moleculares. O Chemical Bond Overlap Software (ChemBOS) é um programa dedicado à análise de ligações químicas pelo método OP/TOP. Esse trabalho avalia recentes implementações voltadas ao tratamento de funções de onda MCSCF e aprimora a análise topológica da densidade de recobrimento no ChemBOS. Para testar as implementações, foram analisados os íons [Cr(OH2)6] 3+, Cr(OH2)6] 2+, [Fe(CN)6] 4− e [Fe(CN)6] 3− , havendo evidências experimentais da presença do efeito JT nos complexos com Cr(II) e Fe(III). Suas funções de onda foram tratadas com a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e Método do Campo Auto Consistente de Espaço Ativo Completo (CASSCF) utilizando o programa ORCA. As análises das ligações químicas foram feitas pelas metodologias OP/TOP no ChemBOS e pela Teoria Quântica de Átomos em Moléculas (QTAIM) no programa MultiWFN. Os resultados mostram que os descritores do método OP/TOP acompanham as mudanças nos sistemas, tanto no alongamento expressivo do complexo com Cr(II), quanto na sutil contração da ligação do Fe(III). Além disso, esse trabalho introduz um novo módulo para visualização da densidade de recobrimento, o Overlap Density Viewer. O módulo facilita a visualização dos mapas de densidade e apresenta um tempo de execução menor que os outros programas. Foram realizados testes em densidades obtidas em outras pesquisas além das contempladas neste trabalho, garantindo a funcionalidade do Overlap Density Viewer em diferentes sistemas químicos. Os resultados apontam a eficiência do modelo OP/TOP em tratar funções de onda MCSCF de sistemas distorcidos pelo efeito JT, além de introduzir uma nova ferramenta de visualização da densidade de recobrimento, integrada ao ChemBOS.Universidade Federal da ParaíbaBrasilQuímicaUFPBMoura Júnior, Renaldo Tenório dePontes, Lilyan Cunha Alves2025-02-10T12:44:14Z2025-02-102025-02-10T12:44:14Z2024-10-24info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/33437porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2025-02-11T06:04:02Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/33437Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufpb.br/oai/requestdiretoria@ufpb.br||bdtd@biblioteca.ufpb.bropendoar:25462025-02-11T06:04:02Repositório Institucional da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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