Estudi teòric de l’estereodinàmica de rotors i engranatges moleculars

Abstract

Els rotors, motors i engranatges moleculars són molècules o sistemes moleculars que tenen com a característica que presenten moviments conformacionals de gran amplitud, majoritàriament associats a rotacions internes al voltant d’un o diversos enllaços senzills entre els seus àtoms. Aquesta propietat permet a aquestes molècules adoptar diferents geometries conformacionals en funció de la rotació al voltant d’aquests enllaços, podent donar comportaments mecànics anàlogs al dʼengranatges macroscòpics, de manera que aquestes molècules puguin ser considerades com a components bàsics per a un futur disseny de màquines nanoscòpiques més complexes. És per aquesta raó que l'anàlisi del comportament dinàmic de rotors i engranatges moleculars ha despertat l’interès d’una gran quantitat de científics que, des de fa temps, treballen en la síntesi i caracterització d’aquest tipus de compostos.

Una manera de poder abordar l’estudi teòric dels rotors moleculars sense haver de renunciar a l’ús d’un mètode de càlcul de les interaccions intermoleculars acurat, és efectuant una dinàmica molecular restringida, on només es tenen en compte un nombre reduït de graus de llibertat mentre que els efectes de la resta modes en el comportament dinàmic es menysprea o s’inclou només de manera aproximada com a pertorbació del moviment que s’estudia en detall. D’aquesta manera és possible reduir el cost computacional del càlcul i poder accedir així, a temps de simulació molt més elevats amb un cost computacional assumible.

En aquesta tesi doctoral s’ha desenvolupat un conjunt de programes informàtics que permeten simular el comportament dinàmic de sistemes formats per un nombre de fragments que es consideren rígids amb una energia potencial total definida a partir d’interaccions a parells entre ells. Això permet tractar sistemes grans reduint el nombre de graus de llibertat, separant així les interaccions més rellevants. D’aquesta manera, al tenir en compte només uns pocs graus de llibertat, es pot realitzar un càlcul més precís de l’energia en un temps assumible.

Per tal de descriure les interaccions entre fragments s’han calculat superfícies de potencial en funció de les variables que descriuen les rotacions internes entre fragments rígids. Aquesta descripció, permet veure més clarament els possibles acoblaments entre els diferents graus de llibertat rotacionals de la molècula. Per fer-ho, s’ha elaborat una metodologia que permet descriure els processos de flexió que tenen lloc a la molècula al mateix temps que és produeix la rotació. Amb aquesta metodologia, s’ha realitzat l’estudi dels tripticil[n]helicens, molècules formades per la unió d’un grup tripticil i un helicè mitjançant un enllaç senzill, que han estat estudiades per la seva relació amb els anomenats trinquets moleculars, sistemes on hi ha una rotació interna en un entorn asimètric degut a la presència de fragments moleculars quirals.

Utilitzant programes de simulació de Monte Carlo i de dinàmica molecular desenvolupats en el transcurs de la tesi s’ha estudiat també en col•laboració amb el grup experimental del Prof. Miguel A. Garcia-Garibay de la Universitat de California, dos cristalls amfidinàmics, sòlids on fragments de les molècules empaquetades conserven una alta llibertat de rotació, sintetitzats recentment: el rotor de mestranol i l’IDipp-C60.

Molecular motors, rotors and gears are complex molecules that undergo wide conformational movements that mimic those of their macroscopic mechanical counterparts. For this reason these molecular systems have recently been the subject of numerous experimental and theoretical studies with the aim to incorporate them as basic building blocks of more complex nanoscopic devices.

Due to their intrinsic structural complexity it is difficult to perform accurate dynamical studies using standard molecular dynamics techniques considering all atoms of the system and for this reason in this thesis we have developed programs to simulate the dynamical behavior of such systems !considering only a restricted set of degrees of freedom. The systems are modeled by a collection of rigid fragments that interact through pair potentials that lead to a reduced potential energy surface for the relevant degrees of freedom that is being used in conjunction of molecular dynamics or Monte Carlo simulation techniques to study the dynamic behavior of molecular gears or ensembles of molecular rotors.

Using the general purpose molecular dynamics and Monte Carlo programs developed in this thesis have also been adapted to be used in the study of the dynamical behavior of amphidynamic solids, a new class of molecular crystals where some fragments of the constituent molecules exhibit large conformational motions. This part of the work, devoted to the simulation of the dynamic behavior of the mestranol rotor and the crystals of IDipp-C60 has been developed in collaboration with the experimental group of Prof. Miguel Angel García Garibay at UCLA that worked in the synthesis and experimental characterization of these two compounds.