Descriptores químicos de moléculas orgánicas adsorbidas en una superficie de Ge(100) 2×1

Abstract

Esta memoria se desarrolló con el fin de determinar la interacción de moléculas orgánicas con una superficie de germanio a través del proceso de adsorción. Así encontrar la energía de adsorción, con la optimización de las estructuras a energía mínima de todos los componentes del sistema, para estudiar la termodinámica de adsorción y encontrar relaciones entre descriptores químicos de la moléculas y la energía de adsorción. La interacción estudiada fue adsorción por enlace dativo en una superficie de germanio Ge(100) 2×1. Las moléculas orgánicas seleccionadas contienen grupos funcionales de oxígeno. A su vez los descriptores analizados fueron longitud de enlace, pKa y electronegatividad. La metodología utilizada corresponde a la Teoría del Funcional de Densidad (DFT) a un único nivel de teoría, el que se compone de el funcional B3LYP, con basis set 6-311++G**/LANL2DZ, y corrección de dispersión D3BJ. Las optimizaciones se realizaron en el software Orca, obteniendo las estructuras de todos los componentes del estudio moléculas, superficie, y superficie funcionalizada a energía mínima. La adsorción de las moléculas por enlace dativo es un proceso exotérmico, en el caso del estudio la energía estuvo en el rango de −15,8 a −25,5 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙. El sitio activo de la superficie es un dímero de distribución de carga asimétrica, donde el grupo funcional con sustituyente de oxígeno es acercado al átomo deficiente de carga. En cuanto a las relaciones entre la energía de adsorción y los descriptores se pudieron establecer tendencias cualitativas. Lo que resalta en el análisis de los tres descriptores, es la agrupación de los alcoholes entre los con cadena alifática y los con enlaces múltiples. Para la longitud de enlace en los alcoholes se observó un marcado agrupamiento de las moléculas con cadena simple y las moléculas con enlace doble, donde la distancia aumenta directamente con la energía de adsorción. Similar a la tendencia anterior las moléculas del grupo cetonas presentan una proporcionalidad directa entre la energía y la longitud de enlace, en cambio los ácidos carboxílicos tienen una relación inversamente proporcional. Con el pKa también se presenta el agrupamiento del grupo alcohol, así mismo se puede dar por tendencia general que el aumento en el valor del descriptor, disminuye la energía de adsorción.

This memory was developed to determine the interaction of organic molecules with a germanium surface through the adsorption process. Thus, finding the adsorption energy, with the optimization of the structures at minimum energy of all the components of the system, to study the thermodynamics of adsorption and find relationships between chemical descriptors of the molecules and the adsorption energy. The interaction studied was adsorption by dative bond on a 2×1 Ge(100) germanium surface. Selected organic molecules contain oxygen functional groups. In turn, the descriptors analyzed were bond length, pKa and electronegativity. The methodology used corresponds to the Density Functional Theory (DFT) at a single level of theory, which is made up of the B3LYP functional, with basis set 6-311++G**/LANL2DZ, and D3BJ dispersion correction. The optimizations were carried out in the Orca software, obtaining the structures of all the components of the study: molecules, surface, and functionalized surface at minimum energy. The adsorption of the molecules by dative bond is an exothermic process, in the case of the study the energy was in the range of -15.8 to -25.5 kcal/mol. The active site on the surface is a dimer with an asymmetric charge distribution, where the oxygen-substituent functional group is brought closer to the charge-deficient atom. Regarding the relationships between the adsorption energy and the descriptors, qualitative trends could be established. What stands out in the analysis of the three descriptors is the grouping of alcohols between those with an aliphatic chain and those with multiple bonds. For the bond length in alcohols, a marked grouping of single chain molecules and double bond molecules was observed, where the distance increases directly with the adsorption energy. Like the previous trend, the molecules of the ketones group present a direct proportionality between the energy and the bond length, while carboxylic acids have an inversely proportional relationship. With the pKa the grouping of the alcohol group also occurs, likewise it can be given as a general trend that the increase in the value of the descriptor decreases the adsorption energy.