Estudi de la utilització dels mapes de potencial electrostàtic i de polarització com a descriptors moleculars
Authors:   , Roset Cazalda Mª Lourdes 
Published: September 2023

La Ingeniería molecular se basa en el conocimiento de las características estereoelectrónicas que definen el
reconocimiento molecular, que es el resultado de una complementariedad, tanto geométrica como electrónica, entre
diferentes entidades moleculares. La importancia de las diferentes contribuciones electrostáticas nos permite realizar un
estudio teórico de predicción de la reactividad y otras propiedades moleculares a partir de cálculos de potencial
electrostático y de polarización moleculares. El presente trabajo se basa en el estudio de la utilización de los mapas de
potencial electrostático y de potencial de polarización como descriptores moleculares.
En primer lugar se realiza un estudio del efecto de la base y de la metodología empleada en el cálculo de propiedades
eléctricas de primer y segundo orden. El análisis se lleva a cabo con las moléculas de cianuro de hidrógeno, formaldehído y
urea. Las bases utilizadas son del tipo doble zeta estándar, a las cuales se han añadido funciones de polarización y
difusas. En particular, se han utilizado la base doble zeta 6-31G(d), les bases doble zeta aumentadas con uno o dos
conjuntos de funciones de polarización : 6-31G(d,p) , 6-31G(2d,2p) y también se ha utilizado la base 6-311G++(2d,2p), que
incluye funciones difusas. Los diferentes niveles de cálculo utilizan metodologías Hartree-Fock, MÆller-Plesset de
segundo y cuarto orden y teoría del funcional de la densidad (DFT) : SCF, MP2, MP4, BLYP i B3LYP. Se analiza el efecto de
los diferentes conjuntos de base a la contribución de la polarización a la energía de interacción, calculando para cada
sistema propiedades de primer orden, como son los momentos dipolares y los momentos cuadrupolares, y propiedades
de segundo orden, como la polarizabilidad y hiperpolarizabilidad moleculares.
Seguidamente se evalúa el efecto de la base y el método de cálculo en la obtención de potenciales electrostáticos y de
polarización moleculares. Se realiza un estudio comparativo de los mapas calculados con diferentes bases y metodologías,
en concreto un estudio de la distribución espacial y un análisis de correlación entre las diferentes bases y metodologías.
Un análisis de los mapas de polarización molecular a partir del cálculo de las diferencias de polarización relativas y las
desviaciones estándar correspondientes nos permite un estudio comparativo de las diferentes metodologías y bases
utilizadas. En particular se realiza un análisis comparativo entre diferentes métodos de cálculo con la base
6-311G++(2d,2p), tomando como referencia el cálculo MP4.
Finalmente, se utilizan los mapas de potencial electrostático, de polarización y de interacción para el análisis de las
características de reconocimiento molecular de un conjunto de compuestos bioactivos, a fin de analizar la importancia de la
contribución de la polarización. Por este motivo, se elige para el estudio un conjunto de moléculas con una alta
polarizabilidad, y en concreto, dos familias de compuestos con abundantes átomos de cloro y con una actividad tóxica
definida, que forman parte de los grupos de dioxinas y furanos. Para ello se realiza el estudio de la inclusión de la
polarización molecular como descriptor en la predicción de la actividad biológica de dioxinas y furanos, realizando el cálculo
de potenciales electrostáticos y de polarización, un análisis de los mapas de potencial, y definiendo las principales zonas
de interacción electrostática y de polarización molecular a partir de cálculos de componentes principales (PCA), así como la
predicción de la actividad biológica en base a un estudio realizado mediante cálculos de mínimos cuadrados parciales
(PLS).
Molecular engineering is based on the knowledge of the stereoelectronic features that define the molecular recognition,
which is the result of the complementarity of geometric and electronic features between two different molecular entities. The
importance of different electrostatic contributions allows us to make a theoretical prediction of molecular properties, from
calculations of electrostatic potential and molecular polarization. This work is based on the study of the use of maps of
electrostatic potential and polarization potential as molecular descriptors.
First there is a study of the effect of the basis set and the methodology used in the calculation of first and second order
electrical properties. The analysis was carried out with the molecules of hydrogen cyanide, formaldehyde and urea. The base
sets used are the standard double-zeta, to which were added polarization and diffuse functions. In particular, we have used
the double zeta basis 6-31G (d), double zeta basis augmented with one or two sets of polarization functions: 6-31G (d, p),
6-31G (2d, 2p) and also used the base 6-311G + + (2d, 2p), which includes diffuse functions. The different levels of
calculation methodologies used Hartree-Fock, Moller-Plesset second and fourth order and the theory of density functional
(DFT): SCF, MP2, MP4, BLYP B3LYP i. We analyze the effect of different sets based on the contribution of polarization to the
interaction energy, calculated for each system of first order properties, such as dipolar moments and quadrupolar moments,
and second order properties such as polarizability and molecular hyperpolarizability.
Further, the effect of the basis and method on the calculation of the electrostatic potential and molecular polarization
potentials is evaluated. For this purpose we performed a comparative study of the maps calculated with different basis sets
and methodologies, in particular a study of the spatial distribution and correlation analysis between the different data bases
and methodologies was done. An analysis of molecular polarization maps by calculating the differences in polarization and
relative standard deviation allows for a comparative study of different methodologies and bases used. Specifically, a
comparative analysis between different methods of calculating the base 6-311G + + (2d, 2p), calculated by reference to the
MP4 was done.
We use maps of electrostatic, polarization and interaction potentials for the analysis of molecular recognition features of a set
of bioactive compounds, to discuss the importance of the contribution of polarization. For this reason, we choose to study a
set of molecules with high polarizability, specifically, two families of compounds with heavy atoms of chlorine and defined
toxic activity, which are part of groups of dioxins and furans. A study of the polarization maps as indicators of biological activity
of dioxins and furans, based on the best methodology is done. The inclusion of polarization as a molecular descriptor for
predicting biological activity of dioxins and furans was studied from the calculation of electrostatic potentials and polarization,
an analysis of the potential maps, and defining the main areas of interaction molecular electrostatic and polarization
interaction from calculations of principal components (PCA) and the prediction of biological activity based on a study by
calculation of partial least squares (PLS).