Modelowanie mechanizmów reakcji i właściwości spektroskopowych związków organicznych i metaloorganicznych: rola rozpuszczalnika i słabych

Celem głównym projektu jest zbadanie i opisanie na poziomie molekularnym mechanizmów reakcji związków organicznych i metaloorganicznych, ze szczególnym uwzględnieniem roli, jaką odgrywają cząsteczki rozpuszczalnika. Badania te stanowią ukierunkowane rozwinięcie wieloletnich prac prowadzonych w Katedrze Chemii Fizycznej Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej, dotyczących oddziaływań międzycząsteczkowych w fazie skondensowanej.

W niniejszym projekcie planowane jest wykorzystanie nowoczesnych metod chemii kwantowej do poszukiwania ścieżek reakcji (m.in. metoda NEB zaimplementowana w ramach nowoczesnych funkcjonałów DFT oraz metod hybrydowych typu ONIOM). Przewiduje się również metody przeszukiwania populacji optymalnych struktur (np. metodą GOAT) w celu identyfikacji stabilnych konformerów i intermediatów.

Kluczowym elementem analizy będzie badanie roli słabych oddziaływań międzycząsteczkowych w stabilizacji stanów przejściowych i produktów, co pozwoli na głębsze zrozumienie ich wpływu na kinetykę i termodynamikę badanych procesów. Do wizualizacji i charakterystyki tych oddziaływań wykorzystane zostaną metody analizy topologicznej gęstości elektronowej (QTAIM) oraz NCI (Non-Covalent Interactions).

Drugim filarem projektu jest określanie i teoretyczna interpretacja właściwości spektroskopowych badanych układów. Symulowane widma UV-VIS, fluorescencyjne oraz oscylacyjne (IR i wibronowe) pozwolą na precyzyjną interpretację danych eksperymentalnych uzyskiwanych przez współpracujące zespoły, przypisanie obserwowanych pasm oraz zrozumienie zmian zachodzących w układach, np. w trakcie reakcji lub pod wpływem specyficznych oddziaływań z rozpuszczalnikiem.

Uzasadnienie: Założone cele projektu wymagają wykonywania obliczeń (optymalizacja geometrii, poszukiwanie stanów przejściowych, obliczanie częstości drgań, energii i gęstości elektronowych cząsteczek, symulacje widm) metodami chemii kwantowej układów o zróżnicowanych wielkościach od kilkunastu do kilkuset atomów. Wielkości większości planowanych układów, a także złożoność obliczeniowa stosowanych metod (np. NEB, ONIOM, obliczenia stanów wzbudzonych), wykluczają użycie planowanego typu oprogramowania na przeciętnym komputerze osobistym. Niezbędny jest dostęp do superkomputera z licencją oprogramowania do obliczeń kwantowo-mechanicznych, gwarantującego wystarczająco dużą ilość pamięci RAM (100-200GB) oraz moc obliczeniową.
Projekt zakłada korzystanie z oprogramowania dostępnego w TASK na komputerze Tryton Plus (Gaussian 2016, Orca 6.0, lub nowszych) oraz wstępnej obróbki dużych ilości danych za pomocą własnych skryptów Python 3. Nie przewiduje się kompilowania lub instalowania zewnętrznego oprogramowania. Kierownik oraz potencjalni przyszli wykonawcy posiadają doświadczenie użytkowaniu wymienionego oprogramowania.