Aplicaciones de los Métodos Computacionales al Estudio de la Estructura y Propiedades de Polímeros
On the Applicability of Computational Methods to Study the Structure and Properties of Polymers
Alemán, Carlos; Muñoz-Guerra, Sebastián
http://dx.doi.org/10.1590/S0104-14282003000400010
Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol.13, n4, p.250-264, 2003
Resumen
En este trabajo se revisan las técnicas de simulación molecular más habituales y potentes para la descripción de los polímeros a escala atómica y molecular, las cuales se han clasificado en cuánticas o clásicas dependiendo de cómo se describen las interacciones entre las partículas. Se presentan asimismo diversas aplicaciones de dichas metodologías, realizadas en nuestro laboratorio, en el contexto del estudio de la estructura y propiedades de polímeros. En particular, se muestran aplicaciones de las técnicas clásicas a la determinación de estructuras cristalinas, a estudio del plegamiento lamelar de los nylons, a la estabilidad de las estructuras supramoleculares observadas en algunos complejos tensioactivo·polielectrolito y a la difusión de gases en matrices poliméricas, mientras que el uso de técnicas cuánticas se ha ilustrado presentando estudios dedicados a la predicción de efectos cooperativos, interacciones específicas y parámetros espectroscópicos.
Palabras clave
Métodos computacionales, simulación molecular, polímeros, estudio teórico
Abstract
The most important computational techniques employed to simulate the structure and properties of polymers at the miscroscopic level have been reviewed. They have been classified in quantum or classical methods depending on the expressions used to describe the interactions between the particles. Furthermore, the applicability of such modeling tools is shown with some results recently obtained by our group. More specifically, we show the applicability of classical methods to determine the crystal structure of polymers, to model the lamellar folding of nylons, to predict the stability of the supramolecular structures adopted by some surfactant·polyelectrolite self-assembled complexes and to investigate the diffusion of simple gases through polymeric matrices. The reliability of quantum methods has been illustrated displaying some studies devoted to study cooperative effects, specific interactions and spectroscopic parameters.
Keywords
Computational methods, molecular simulation, polymers, theoretical study, classical mechanics and quantum mechanics
References
1. Szabo, A.; Ostlund, N. S. Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory; Dover Publications, Inc.: Mineola, New York, (1996).
2. Dewar, M. J. S.; Zoebisch, E. G.; Healy, E. F.; Stewart, J. J. P. - J. Am. Chem. Soc. 107, 3902 (1985).
3. Stewart, J. J. P. - J. Comput. Chem. 10, 209, (1989).
4. Parr, R. G.; Yang, W. - Density Functional Theory of Atoms and Molecules; Oxford Univ. Press: Oxford (1989).
5. Bowen, J. P.; Allinger, N. L. - En Reviews in Computational Chemistry, Volume 2; Lipkowitz, K. B., Boyd, D. B. (Eds.); VCH Publishers, Inc.: New York, pp 81-99 (1991).
6. Cornell, W. D.; Cieplak, P.; Bayly, C. I.; Gould, I. R.; Merz, K. M.; Ferguson, M. D.; Spellmeyer, D. C.; Fox, T.; Caldwell, J. W.; Kollman, P. - J. Am. Chem. Soc. 117, 5179 (1995).
7. Allen, F. H.; Tildesley, D. J. Computer Simulation of Liquids; Clarendon Oxford, (1989).
8. Leontidis, E.; de Pablo, J. J.; Laso, M.; Suter, U. W. - Adv. Polym. Sci. 116, 283 (1994).
9. León, S.; Alemán, C.; Escalé, F.; Laso, M. J. - Comput. Chem. 22, 162 (2001).
10. Theodorou, D. N.; Suter, U. W. - Macromolecules 18, 1467 (1985).
11. Clarke, J. H. R.; Brown, D. - Mol. Simul. 3, 27 (1989).
12. Müller-Plate, F.; Rogers, S. C.; van Gunsteren, W. F. - J. Chem. Phys. 98, 9895 (1993).
13. McKechnie, J. I.; Brown, D.; Clarke, J. H. R. - Macromolecules, 25, 1562 (1992).
14. Gusev, A. A.; Zehnder, M. M.; Suter, U. W. - Macromolecules, 27, 615 (1994).
15. van der Vegt, N. F. A.; Briels, W. J.; Wessling, M.; Strathmann, H. - J. Chem. Phys., 105, 8849 (1996).
16. Kotelyanskii, M.; Wagner, N. J.; Paulatis, M. E. - Macromolecules, 29, 8497 (1996).
17. Müller, M.; Nievergelt, J.; Santos, S.; Suter, U. W. - J. Chem. Phys., 114, 9764 ( 2001).
18. Santos, S.; Suter, U. W.; Müller, M.; Nievergelt, J. - J. Chem. Phys., 114, 9772 (2001).
19. Curcó, D.; Alemán, C. - J. Chem. Phys., aceptado para publicación (2003).
20. Brisse, F. - J. Electron Microsc. Techn., 11, 272 (1989).
21. Sorensen, R. L.; Liau, W. B.; Kesner, L.; Boyd, R. H. - Macromolecules, 21, 200 (1988).
22. Ferro, D. R.; Brückner, S.; Mielle, S. V.; Ragazzi, M. - Macromolecules, 25, 5231 (1992).
23. Ferro, D. R.; Pravasoli, A. - Macromol. Theory Simul., 5, 231 (1996).
24. Wang, H.; Stubbs, G. - Acta Cryst., A49, 504 (1993).
25. León, S.; Navas, J. J.; Alemán, C. - Polymer, 40, 7351 (1999).
26. Ferro, D. R.; Porzio, W.; Destri, S.; Ragazzi, M. - Macromol. Theory Simul., 6, 713 (1997).
27. Navas, J. J.; Alemán, C.; López-Carrasquero, F.; Muñoz-Guerra S. - Macromolecules, 28, 4487 (1995).
28. López-Carrasquero, F.; García-Alvarez, M.; Navas, J. J.; Alemán, C.; Muñoz-Guerra, S. - Macromolecules, 29, 8449 (1996).
29. García-Alvarez, M.; Martínez de Ilarduya, A.; León, S.; Alemán, C.; Muñoz-Guerra, S. - J. Phys. Chem. A, 101, 4215 (1997).
30. García-Alvarez, M.; León, S.; Alemán, C.; Campos, J. L.; Muñoz-Guerra, S. - Macromolecules, 31, 124 (1998).
31. Bella, J.; Alemán, C.; Fernández-Santín, J. M.; Alegre, C.; Subirana, J. A. - Macromolecules, 22, 5225 (1992).
32. Alemán, C.; Roca, R.; Luque, F. J.; Orozco, M. - Proteins, 28, 83 (1997).
33. Zanuy, D.; Alemán, C. - Biopolymers, 49, 497 (1999).
34. Alemán, C.; Navas, J. J.; Roca, R. - Biopolymers, 41, 721 (1997).
35. Seebach, D.; Ciceri, P. E.; Overhand, M.; Jaun, B.; Rigo, D.; Oberer, L.; Hommel, U.; Amstutz, R.; Widmer, H. - Helv. Chim. Acta, 79, 2043 (1996).
36. Wu, Y.-D.; Zhao, Y.-L. - J. Am. Chem. Soc., 123, 5313 (2001).
37. Casanovas, J.; Alemán, C. - J. Comput. Aided Mol. Design, 8, 441 (1994).
38. Schafer, L.; Newton, S. Q.; Cao, M.; Peeters, A.; Van Alsenoy, C.; Wolinski, K.; Momany, F. A. - J. Am. Chem. Soc., 115, 272 (1993).
39. Mukamel, S.; Takahashi, A.; Wang, H. X.; Chen, G. - Science, 266, 250 (1994).
40. Marder, S. R.; Torruellas, W. E.; Blanchard-Desce, M.; Ricci, V.; Stegemans, G. I.; Gilmour, S.; Bredas, J. L.; Li, J.; Bublitz, G. U.; Boxer, S. G. - Science, 276, 1233 (1997).
41. An, Z.; Wong, K. Y. - J. Chem. Phys., 114, 1010 (2001).
42. Champagne, B.; Spassova, M.; Jadin, J.; Kirtman, B. - J. Chem. Phys., 116, 3935 (2002).
43. Lukeš, V.; Breza, M.; Pálszegi, T.; Laurinc, V.; Vrábel, I. - Macromol. Theory Simul., 10, 592 (2001).
44. de Melo, C. P.; Fonseca, T. L. - Chem. Phys. Lett., 261, 28 (1996).
45. Luo, Y.; Norman, P.; Ågren, H. - J. Am. Chem. Soc., 120, 11188 (1998).
46. Luo, Y.; Norman, P.; Macak, P.; Ågren, H. - J. Chem. Phys., 111, 9853 (1999).
47. Alemán, C.; Juliá, L. - J. Phys. Chem., 100, 14661 (1996).
48. Ehrendorfer, Ch.; Karpfen, A. - J. Phys. Chem., 99, 5341 (1995).
49. Alemán, C. - Macromol. Theory Simul., 6, 237 (1997).
50. Champagne, B.; Jacquemin, D.; André, J. M. - J. Phys. Chem., 100, 2034 (1994).
51. Casas, M. T.; Armelin, E. A.; Alemán, C.; Puiggalí, J. - Macromolecules, 35, 8781 (2002).
52. Wendoloski, J. J.; Gardner, K. H.; Hirschinger, J.; Miura, J.; English, A. D. - Science, 247, 431 (1990).
53. Dasgupta, S.; Hammond, W. B.; Goodard III, W. A. - J. Am. Chem. Soc., 118, 12291 (1996).
54. Bermúdez, M.; León, S.; Alemán, C.; Muñoz-Guerra, S. - J. Polym. Sci., 38, 41 (2000).
55. Bermúdez, M.; León, S.; Alemán, C.; Muñoz-Guerra, S. - Polymer, 41, 8961 (2000).
56. León, S.; Alemán, C.; Bermúdez, M.; Muñoz-Guerra, S. - Macromolecules, 33, 5754 (2000).
57. Li, Y.; Goddard III, W. A. - Macromolecules, 35, 8440 (2002).
58. MacKnight, W. J.; Ponomarenko, E. A.; Tirrell, D. A: - Acc. Chem. Res., 31, 781 (1998).
59. Ponomarenko, E. A.; Waddon, A. J.; Bakeev, K. N.; Tirrell, D. A.; MacKnight, W. J. - Macromolecules, 29, 4343 (1996).
60. Ponomarenko, E. A.; Waddon, A. J.; Tirrell, D. A.; MacKnight, W. J. Langmuir 1996, 12, 2169.
61. Alemán, C.; Zanuy, D. - Chem. Phys. Lett., 319, 318 (2000).
62. Alemán, C.; Zanuy, D. - Chem. Phys. Lett., 343, 390 (2001).
63. Zanuy, D.; Alemán, C.; Muñoz-Guerra, S. - Biopolymers, 63, 151 (2002).
64. Zanuy, D.; Alemán, C. - Langmuir, 19, 3987 (2003).
65. Masella, M.; Cuniasse, P. - J. Chem. Phys., 119, 1866 (2003).
66. Alemán, C.; Zanuy, D.; Casanovas, J. - J. Phys. Chem., 107, 4151 (2003).
67. Martínez de Ilarduya, A.; Alemán, C.; García-Alvarez, M.; López-Carrasquero, F.; Muñoz-Guerra, S. - Macromolecules, 32, 3257 (1999).
68. Navas, J. J.; Alemán, C.; Muñoz-Guerra, S. - J. Org. Chem., 61, 6849 (1996).
69. Helgaker, T.; Jaszunski, M.; Ruud, K. Chem. Rev. 1999, 99, 293.
70. Casanovas, J.; Alemán, C. - J. Mat. Sci., 37, 3589 (2002).
71. Triíto, I.; Marestin, C.; Boggioni, L.; Zetta, L.; Provasolli, A.; Ferro, D. R. - Macromolecules, 33, 8931 (2000).
72. Carbone, P.; Ragazzi, M. Triíto, I.; Boggioni, L.; Ferro, D. R. - Macromolecules, 36, 891 (2003).
73. Alemán, C.; Muñoz-Guerra, S. - J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys., 34, 963 (1996).
74. Kofranek, M.; Kóvar, T.; Linscha, H.; Karpfen, A. - J. Mol. Struct. (Theochem), 259, 181 (1992).
75. Rabias, I.; Howlen, B. J. - Comput. Theor. Polym. Sci., 11, 241 (2001),
76. Panchenko, Y. N. - J. Mol. Struct. (Theochem), 567, 217 (2001).
77. Alemán, C.; Domingo, V. M.; Fajaría, Ll.; Karpfen, A. - J. Org. Chem., 63, 1041 (1998).
78. O'Malley, P. J. - J. Comput. Chem., 20, 1292 (1999).
79. Arizzi, S.; Mott, P. H.; Suter, U. W. - J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys., 30, 415 (1992).
80. Curcó, D.; Zanuy, D.; Alemán, C. - J. Comput. Chem., 24, 1208 (2003).
81. Gusev, A. A.; Müller-Plathe, F.; van Gunsteren, W. F.; Suter, U. W. - Adv. Polym. Sci., 116, 207 (1994).
82. Hofmann, D.; Fritz, L.; Ulbrich, J.; Schepers, C.; Böhning, M. - Macromol. Theory Simul., 9, 233 (2000).
83. Muller-Plate, F. - J. Chem. Phys., 103, 4346 (1995).
84. Zanuy, D.; Alemán, C.; Muñoz-Guerra, S. - J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys., 40, 2037 (2002).
85. Mogri, Z.; Paul, D. R. Polymer, 42, 2531 (2001).
86. Zanuy, D.; Alemán, C.; López-Carrasquero, F.; Báez, M. E.; García-Álvarez, M.; Laso, M.; Muñoz-Guerra, S. - Macromol. Chem. Phys., 202, 564 (2001).
87. Zanuy, D.; León, S.; Alemán, C.; Muñoz-Guerra, S. - Polymer, 41, 4169 (2000).
88. León, S.; Zanuy, D.; Alemán, C. - J. Comput. Chem., 23, 685 (2002).
89. Zanuy, D.; Zazueta, A. D.; Alemán, C. - Polymer, aceptado para publicación (2003).
90. Grubb, D. T. - En Materials Science and Technology, Vol. 12; Cahn, R. W.; Haasen, P.; Kramer, E. J. (Eds.), pp: 301-356 (1993).
91. Nicholson, T. M.; Davies, G. R.; Ward, I. - Polymer, 35, 4259 (1994).
92. Tashiro, T. M.; Kobasashi, M.; Tadokoro, N. - Macromolecules, 10, 413 (1977).
93. Rutledge, G. C. - Macromolecules, 30, 2785 (1997).
94. Thislehwaite, T.; Jakeways, R.; Ward, I. M. - Polymer, 29, 61 (1988).
95. Hine, P. J.; Ward, I. M. - J. Mat. Sci., 31, 371 (1996).
96. Fakirov, S.; Eustatiev, M. - Polymer, 31, 431 (1990).
97. Auriemma, F.; Corradini, P.; De Rosa, C.; Guerra, G.; Petraccone, V.; Bianchi, R.; Di Dino, G. - Macromolecules, 25, 2490 (1992).
98. Kremer, K. - Macromol. Chem. Phys., 204, 181 (2003).
Facebook
Google+
Twitter
LinkedIn
Mendeley
StumbleUpon
CiteULike
Reddit
Email