Descrizione del modulo "Modellizzazione della reattività chimica per la chimica sostenibile (PM.P07.014.003)"

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  • Descrizione del modulo "Modellizzazione della reattività chimica per la chimica sostenibile (PM.P07.014.003)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • La comprensione dei fattori che influenzano la reattività chimica può contribuire alla soluzione dei problemi ambientali e allo sviluppo di soluzioni innovative per la produzione di prodotti della chimica fine e di largo consumo. (literal)
Tematiche di ricerca
  • La catalisi è il cuore della chimica in quanto permette la trasformazione selettiva dei legami chimici in modo potenzialmente meno pericoloso e più accettabile dal punto di vista ambientale. In questo contesto siamo interessati alla comprensione della reattività dei legami H-H, C-H e C-X (X=O, F, Cl) in relazione al ruolo del metallo sia in complessi mono o bimolecolare che in cluster. La reattività dell'idrogeno molecolare è un problema di grande importanza in diversi settori dell'attività umana. Il nostro approccio è quello di caratterizzare dal punto di vista elettronico i vari passaggi di reazioni di attivazione o produzione dell'idrogeno. Inoltre verrà parallelamente analizzato il ruolo dei gruppi solfurici e le loro capacità di accoppiamento. La comprensione della attivazione C-H e C-X e del ruolo del metallo nella trasformazione è altresì l'altro aspetto che sarà affrontato. In particolare saranno affrontate le reazioni catalizzate da metalli nobili. (literal)
Competenze
  • Per sfruttare al meglio la potenzialità della chimica computazionale, il ricercatore deve avere un'adeguata preparazione su metodi teorici avanzati ed uso dei calcolatori. Il ricercatore deve anche possedere approfondite conoscenze dei processi chimici per dialogare con gli sperimentalisti e suggerire esperimenti.Il gruppo ha una storia che garantisce la qualità del loro approccio come dimostrato dalla loro credibilità internazionale e dalle numerose e importanti pubblicazioni. Inoltre i gruppi hanno contribuito, pur in modo diverso allo sviluppo ed applicazione di metodologie computazionali. I ricercatori di Firenze hanno un approccio più qualitativo (appreso anche attraverso gli insegnamenti di R. Hoffmann) che si è realizzato attraverso lo sviluppo di software molto diffuso (CACAO). (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Il campo della catalisi è ancora molto aperto anche per quanto riguarda sistemi classici. Un approfondimento delle conoscenze del legame chimico e della reattività, soprattutto di ioni metallici, ha una rilevanza generale che può essere sfruttata in vari settori sia nel campo della catalisi omogenea che della biomimetica, potendo orientare il processo verso la produzione di sostanze di elevato valore commerciale con alta resa ed in assenza di sottoprodotti. (literal)
Tecnologie
  • Per affrontare lo studio, si parte dalla realizzazione di modelli molecolari per i reagenti, i prodotti, gli stati intermedi e gli stati di transizione anche attraverso l'utilizzo di informazioni strutturali a disposizione. Ad esempio attraverso le banche dati cristallografiche. Una realista modellizazione dei sistemi, fatta anche in base alla nostra esperienze di chimica e di calcolo, verranno sottoposti ad ottimizzazioni di geometria rispetto all'energia totale del sistema, nell'ottica generale di ottenere una completa Superficie dell'Energia Potenziale. Per questo, la natura dei modelli ottimizzati deve essere caratterizzata da calcoli delle frequenze vibrazionali. Il cammino di reazione verrà poi caratterizzato con metodi IRC. Il gruppo ha esperienze di gestione di software per l'ottimizzaione delle prestazioni dei pacchetti di calcolo e loro eventuali migliorie ed integrazioni. Inoltre si hanno le capacità di scrivere software di interfaccia ai vari pacchetti. Una volta ottenuto il profilo di reazione analizziamo come varie perturbazione possano influenzare le proprietà del legame chimico nei vari modelli. (literal)
Obiettivi
  • Crediamo che il nostro lavoro sia importante su due livelli. Il primo è mirato all'ottenimento di risultati nello studio della reattività chimica in sistemi contenenti soprattutto metalli di transizione e cluster con rilevanza nel campo della catalisi, della biomimetica. Il secondo è un approfondimento culturale dei principi che regolano il legame chimico e la sua evoluzione dinamica (reattività) anche al fine di dimostrare il valore intrinseco della chimica computazionale come strumento di indagine nei laboratori a coadiuvare le tecniche sperimentali. (literal)
Stato dell'arte
  • La chimica computazionale, definita \"in silico\" in contrapposizione a quella fatta \"in vivo\" nei laboratori, è oggi uno strumento essenziale per caratterizzare intermedi o stati di transizione nelle reazioni chimiche. Processi innovativi per lo sviluppo delle scienze molecolari, in settori strategici quali la biologia, la catalisi, la sintesi di nuovi materiali, non possono prescindere dal potere interpretativo e predittivo dei metodi teorici. La conoscenza e la razionalizzazione del funzionamento di una reazione è il primo passo per lo sfruttamento di un processo. Due fattori hanno contribuito allo sviluppo della chimica computazionale. Il costo del \"calcolo\" è sceso costantemente negli ultimi decenni e parallelamente alla disponibilità di più potenti risorse computazionali, ci sono stati pari sviluppi sui pacchetti software dedicati alla modellistica chimica. La chimica computazionale è quindi potenzialmente uno strumento a disposizione dei chimici per la validazione degli esperimenti realizzati ma anche con notevoli capacità predittive di nuove reazioni. Questo è di particolare importanza per la chimica sostenibile. (literal)
Tecniche di indagine
  • Gli studi saranno mirati a delineare il profilo energetico della reattività attraverso calcoli di Densità Funzionale (DFT), con analisi dettagliata delle funzioni d'onda al fine di comprendere l'evoluzione della struttura elettronica per quanto riguarda la rottura di un legame come H-H che è fra i legami singoli più forti. Si useranno pacchetti commerciali quali Gaussian 09, ADF. Studi integrativi del legame chimico saranno cotinuamente eseguiti utilizzato il nostro pacchetto CACAO. Inoltre è previsto anche l'uso del metodo AIM per studi di densità elettronica (literal)
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