Development, implementation and application of electronic structural descriptors to the analysis of the chemical bonding, aromaticity and chemical reactivity

Abstract

En la literatura sobre mecànica quàntica és freqüent trobar descriptors basats en la densitat de parells o la densitat electrònica, amb un èxit divers segons les aplicacions que atenyin. Per tal de que tingui sentit químic un descriptor ha de donar la definició d'un àtom en una molècula, o ésser capaç d'identificar regions de l'espai molecular associades amb algun concepte químic (com pot ser un parell solitari o zona d'enllaç, entre d'altres). En aquesta línia, s'han proposat diversos esquemes de partició: la teoria d'àtoms en molècules (AIM), la funció de localització electrònica (ELF), les cel·les de Voroni, els àtoms de Hirshfeld, els àtoms difusos, etc. L'objectiu d'aquesta tesi és explorar descriptors de la densitat basats en particions de l'espai molecular del tipus AIM, ELF o àtoms difusos, analitzar els descriptors existents amb diferents nivells de teoria, proposar nous descriptors d'aromaticitat, així com estudiar l'habilitat de totes aquestes eines per discernir entre diferents mecanismes de reacció.

In the literature, several electronic descriptors based in the pair density or the density have been proposed with more or less success in their pratical applications. In order to be chemically meaningful the descriptor must give a definition of an "atom" in a molecule, or instead be able to identify some chemical interesting regions (such as lone pair, bonding region, among others). In this line, several molecular partition schemes have been put forward: atoms in molecules (AIM), electron localization function (ELF), Voronoi cells, Hirshfeld atoms, fuzzy atoms, etc. The goal of this thesis is to explore the density descriptors based on the molecular partitions of AIM, ELF and fuzzy atom, analyze the existing decriptors at several levels of theory, propose new aromaticity descriptors, and study its ability to discern between different mechanisms of reaction.