OBTENCIÓN DE UN MODELO MATEMÁTICO PARA LA PREDICCIÓN DEL VOLUMEN MOLAR DE COMPUESTOS DERIVADOS DEL ÁCIDO BENZOICO

INFORME TRABAJO II

OBTENCIÓN DE UN MODELO MATEMÁTICO PARA LA PREDICCIÓN DEL VOLUMEN MOLAR DE COMPUESTOS DERIVADOS DEL ÁCIDO BENZOICO.

INTRODUCCIÓN

Los análisis computacionales que abarcan un complejo y extenso desarrollo matemático y estadístico complementan la información obtenida en experimentos químicos y pueden en algunos casos, predecir fenómenos químicos no observados a la fecha. El empleo de herramientas estadísticas es una opción bastante favorable para usar los resultados de la química teórica y experimental y mediante el empleo de softwares y otros elementos informáticos como Excel (a nivel básico), eficiente para calcular la estructura y algunas propiedades de moléculas como: la energía absoluta y relativa, dipolo eléctrico, solubilidad, frecuencias vibratorias, reactividad u otras cantidades espectrales y en el caso del presente informe el volumen molar. A continuación, se expone el procedimiento llevado a cabo para predecir el volumen molar de moléculas y/o compuestos derivados del ácido benzoico (C7H6O2), es decir que conservan la estructura base del ácido benzoico (su anillo de benceno y el grupo funcional de ácido carboxílico) y tienen otros sustituyentes.

El volumen molar, es el volumen ocupado por una mol de una sustancia y por lo general, se expresa en unidades de centímetro cúbico por mol de molécula.  Predecir el volumen molar de algunas moléculas representan una ventaja u ahorro de tiempo a la hora de calcular, por ejemplo, propiedades termodinámicas de las sustancias.

La obtención de un modelo matemático para predecir el volumen molar de derivados del ácido benzoico, se realizó a partir de un conjunto base de 49 moléculas, para las cuales, los valores de sus volúmenes molares fueron reportados previamente en la literatura. Se estableció un conjunto de partida de 90 descriptores para cada molécula, estos descriptores son una serie de parámetros que a través de valores numéricos representan información estructural, electrónica, estérica, así como determinadas propiedades químico-físicas para el ácido benzoico y sus derivados. Se incluyeron descriptores constitucionales, topológicos, topográficos, geométricos, CPAS y mecanocuánticos. Adicionalmente y durante todo el desarrollo estadístico, se emplearon herramientas claves como: análisis de correlación, análisis de componentes principales (PCA) y regresión por mínimos cuadrados (PLS) para la reducción de variables, teniendo en cuenta que el número de descriptores de partida era muy grande y la intención era seleccionar el conjunto entre ellos que mejor representará al conjunto base de moléculas y/o derivados del ácido benzoico para predecir sus volúmenes molares. Posteriormente se hizo regresión de componentes principales (PCR) con los descriptores catalogados los más importantes y se propusieron diversos modelos polinómicos.

Se seleccionó el modelo de trabajo o el que se consideró como “el mejor modelo” para la predicción del volumen molar de derivados del ácido benzoico, teniendo en cuenta sus parámetros de rendimiento estadísticos, entre ellos el R2 y error relativo. Se evalúo el rendimiento y eficacia del modelo a la hora de predecir el volumen molar, a partir de un conjunto de seleccionado de calibración y validación, así como de dos derivados del ácido benzoico diferentes a los empleados en el conjunto base de 49 moléculas, a los cuales se les determinó su volumen molar empleando el modelo planteado.

SECCIÓN EXPERIMENTAL

Compuestos analizados

Un conjunto de 49 moléculas entre ellas, el ácido benzoico y el número restante (48) derivados del ácido benzoico fueron analizados en este estudio. La nomenclatura química, número CAS y descriptores seleccionados por correlación y PLS han sido recopilados en la Tabla I (el procedimiento de selección se explicará a continuación). Los valores de volumen molar (m3/mol) para cada uno de los compuestos analizados fueron obtenidos en la base de datos de Scifinder, empleando como motor de búsqueda su número CAS, estos valores corresponden a valores predichos todos referenciados bajo las mismas condiciones de presión y temperatura, 760 torr y 20°C respectivamente y calculados usando el mismo Software Advanced Chemistry Development (ACD/Labs) V11.02. Se escogió este dato como valor estándar y representativo para cada molécula del conjunto de estudio, teniendo en cuenta que en la literatura la obtención experimental de esta propiedad comprometía diferentes procedimientos y/o metodologías lo cual generaba una mayor incorporación de otras fuentes de error experimentales, no se encontraba el valor empírico reportado para todo el conjunto de 49 moléculas y asegurar la misma fuente de la propiedad, a pesar de ser una predicción, bajo las mismas condiciones podía satisfacer un poco más la eliminación de fuentes significativas de error.  

DESARROLLO EXPERIMENTAL Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Descriptores empleados

El conjunto de descriptores y/o parámetros que a través de valores numéricos representan una información estructural, electrónica, estérica, así como una determinada propiedad químico-física de las moléculas de estudio, para cada una de las moléculas del grupo de las 49 se especificó en un conjunto de 90 descriptores, definidos del d1 a d90.

Ochenta y seis (86) descriptores fueron obtenido a partir de los archivos “.mol” de cada una de las moléculas perteneciente al conjunto de estudio. Estos archivos fueron suministrados por el docente de la asignatura “Análisis e interpretación de datos”. Los archivos anteriormente mencionados que contienen información de datos moleculares se pudieron visualizar empleando el ejecutable MOLDES. Los descriptores obtenidos a partir de los archivos mencionados anteriormente corresponden a parámetros que pueden clasificar en:  

• Descriptores/índices constitucionales: Estos descriptores reflejan la composición química de las moléculas sin información acerca de la geometría molecular o conectividad entre átomos. Entre ellos, por ejemplo, se incluye el número de átomos de carbono, hidrogeno, enlaces dobles etc. Grupo de descriptores entre d1-d17 (incluido).
• Descriptores/índices topológicos: Son descriptores conocidos también como índices de conectividad; se determinan a partir del grafo químico, o sea de la estructura química. Por ejemplo, índices de conectividad, Kier & Hall, contenido de información de enlace etc. Grupo de descriptores entre d18-d41 (incluido).  
• Descriptores/índices topográficos: Son aquellos que se determinan a partir del grafo químico, o sea de la estructura química, al igual que los topológicos, pero generalmente, contienen información en 3D de las moléculas (se obtienen considerandos matrices de distancia tridimensionales). Grupo de descriptores entre d42-d65 (incluido).
• Descriptores/índices geométricos: como su nombre lo dicen dependen de la geometría de la molécula. Grupo de descriptores entre d66-d70 (incluido).
• Descriptores/índices Carga parcial de área superficial (CPSA): Existen varios disponibles, entre ellos el área total superficial molecular, carga parcial positiva superficial, carga parcial negativa superficial y otros más. Grupo de descriptores entre d71-d86 (incluido).

Tabla 1. Conjunto base de estudio y descriptores normalizados empleados para el desarrollo estadístico.

[pic 1]

• Descriptores mecanocuánticos:

Son aquellos que se determinan por cálculos mecanocuánticos. En vista que los descriptores mecanocuánticos permiten expresar la mayoría de propiedades electrónicas y geométricas de las moléculas, así como, sus interacciones. Se buscaron algunos de ellos, en los archivos de Gaussian. Entre ellos: la energía de los orbitales moleculares HOMO (d87) y LUMO (d88), energía total de la molécula (d89) y momento dipolar (d90).

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