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Academic Year: 2021/22

32528 - METHODS IN THEORETICAL CHEMISTRY II

This is a non-sworn machine translation intended to provide students with general information about the course. As the translation from Spanish to English has not been post-edited, it may be inaccurate and potentially contain errors. We do not accept any liability for errors of this kind. The course guides for the subjects taught in English have been translated by their teaching teams


Teaching Plan Information

Code - Course title:
32528 - METHODS IN THEORETICAL CHEMISTRY II
Degree:
616 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2013)
651 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional
666 -
748 -
751 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional Europeo
762 -
Faculty:
104 - Facultad de Ciencias
Academic year:
2021/22

1. Course details

1.1. Content area

Theoretical Chemistry Methods II

1.2. Course nature

616 - Compulsory
762 - Compulsory
666 - Training Supplement
651 - Compulsory
748 - Compulsory
751 - Compulsory

1.3. Course level

616 - Máster (EQF/MECU 7)
666 - Doctorado (EQF/MECU 8)
762 - Máster (EQF/MECU 7)
651 - Máster (EQF/MECU 7)
748 - Máster (EQF/MECU 7)
751 - Máster (EQF/MECU 7)

1.4. Year of study

751 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional Europeo: 1
651 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional: 1
748 - : 1
762 - : 1
666 - : 99
616 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2013): 1

1.5. Semester

Annual

1.6. ECTS Credit allotment

5.0

1.7. Language of instruction

English

1.8. Prerequisites

There are no previous prerequisites

1.9. Recommendations

There are no recommendations

1.10. Minimum attendance requirement

Attendance is mandatory

1.11. Subject coordinator

1.12. Competences and learning outcomes

1.12.1. Competences

BASIC AND GENERAL COMPETENCES

CB6 – Students possess and understand knowledge that provides a basis or opportunity to be original in the development and/or application of ideas, often in a research context.

CB7 - Students know how to apply the acquired knowledge and their problem solving capacity in new or little known environments within broader (or multidisciplinary) contexts related to their area of ​​study.

CB8 - Students are able to integrate knowledge and face the complexity of making judgments from information that, incomplete or limited, includes reflections on social and ethical responsibilities linked to the application of their knowledge and judgments.

CB9 - Students know how to communicate their conclusions and the knowledge and reasons that support them to specialized and non-specialized audiences in a clear and unambiguous way.

CB10 - Students possess the learning skills that allow them to continue studying in a way that will be self-directed or autonomous.

CG01 - Students are able to foster, in academic and professional contexts, technological and scientific progress within a society based on knowledge and respect for: a) fundamental rights and equal opportunities between men and women, b) The principles of equal opportunities and universal accessibility for persons with disabilities, and c) the values ​​of a culture of peace and democratic values.

CG02 - Students are able to solve problems and make decisions of any kind under the commitment to the defense and practice of equality policies.

 

CROSS-COMPREHENSIVE COMPETENCES

CT01 - Students are able to adapt their selves to different cultural environments by demonstrating that they are able to respond to change with flexibility.

 

SPECIFIC COMPETENCES

CE01- Students demonstrate their knowledge and understanding of the facts applying concepts, principles and theories related to the Theoretical Chemistry and Computational Modeling.

CE04 - Students understand the theoretical and practical bases of computational techniques with which they can analyze the electronic, morphological and structural structure of a compound and interpret the results adequately.

CE12 – Students are familiar with the fundamental postulates of Quantum Mechanics necessary for a good understanding of the most common methods used in quantum chemistry.

CE16 - Students are able to discern between the different existing methods and know how to select the most appropriate method for each problem

1.12.2. Learning outcomes

This is the second course of the Master devoted to methods of Theoretical and Computational Chemistry. In this case the focus is on methods for the study of large molecular systems with a large number of accessible conformations. Therefore, the course focuses on three main objectives:

  • Calculation of the energy for large systems: force fields, and methods based on continuum models and methods based on the use of hybrid QM / MM potentials
  • Exploring the configurational space: Methods of classical and quantum molecular dynamics
  • Obtaining dynamic properties through molecular dynamics simulations

1.12.3. Course objectives

More specifically, the specific objectives of the course in the form of questions are:

  • How can we describe large molecular systems such as proteins or nucleic acids?
  • How to describe large molecular systems when a subset of atoms has to be described by quantum mechanics.
  • How to describe intermolecular interactions in large systems.
  • How to describe molecules in solution.
  • Which are the advantadges/disadvantadges of continuum models?
  • How to get average and equilibrium properties in systems with many configurations available.
  • How can we calculate time-dependent properties.

1.13. Course contents

Unit 1. Intermolecular interactions. Introduction. Long range interactions. Repulsive interactions. Total interactions: models and limitations

Unit 2. Force Fields. Introduction. Energy terms. Parametrization and forcé cfields. Practical questions: validation

Unit 3. Simulation methods. Introduction. Definition of the system. Molecular Dynamics. Practical questions.

Unit 4. Molecular Geometry and Energy. Potential energy surface (PES). Exploration and characterization of stationary points. Molecular properties. Conformational space of biological molecules

Unit 5. Solvation Models applied to Quantum Mechanics. Discrete Models. Continuum Models. Mixed discrete-continuum Models. Hybrid QM/MM Models. Applications

Unit 6. Free Energy Calculations. Introduction. Normal Modes Analysis method. Thermodinamic properties and averaged geometries. Helmholtz and Gibbs Free Energies. Free Energies and Partition Functions. Free Energies as Ensemble Averages. The Particle Insertion Method. Free Energy Perturbation. Thermodynamic Integration. Slow Growth. Umbrella Sampling. Problems and Errors

Unit 7. Advanced Simulation methods: Introduction. Ab Initio Molecular Dynamics. Carr-Parrinello Molecular Dynamics

Unit 8. Advanced Free Energy methods: physical path-based methods: nudged elastic band, dimer method, string method, growing string method, transition path sampling, Parallel Tempering and Replica Exchange MD. History-dependent biasing potential methods: Metadynamics (MTD) and Paradynamics (PD).

 

Laboratory:

Practical lesson 1. Calculation of force field terms using quantum mechanics

Practical lesson 2. Molecular Dynamics of aqeuous solutions

Practical lesson 3. Molecular dynamics of proteins

Practical lesson 4. Reactivity: obtaining the reaction profile in gas phase

Practical lesson 5. Reactivity: obtaining the reaction profile in solution

Practical lesson 6. Kinetic isotope effects (KIE).

1.14. Course bibliography

  • M. P. Allen, D. J. Tildesley. Computer Simulation of Liquids. Oxford University Press, New York 1989
  • A. R. Leach. Molecular Modelling. Longman, London, 1996
  • D. Frenkel & B. Smit. Understanding Molecular Simulation. Academic Press, San Diego, 1996
  • A. Stone. The Theory of Intermolecular Forces. Oxford University Press, 2013

2. Teaching-and-learning methodologies and student workload

2.1. Contact hours

 

# hours

Contact hours (minimum 33%)

35

Independent study time

90

2.2. List of training activities

Activity

# hours

Lectures

20

Seminars

15

Practical sessions

 

Clinical sessions

 

Computer lab

 

Laboratory

 

Work placement

 

Supervised study

 

Tutorials

 

Assessment activities

 

Other

 

Lecture: The Professor will deliver face-to-face, or, online video lectures about the theoretical contents of the course during two-hour sessions. The presentations will be based on the different materials available at the Moodle platform.

Practical sessions: Teacher will propose exercises based in theoretical concepts seen in lectures to perform calculations with computational programs.

Network teaching: All the tools available at the Moodle website (https://posgrado.uam.es) will be used (uploading of teaching materials, utilization of work team strategies, wiki, blogs, e-mail, etc.).

Tutoring sessions: The professor can organize either individual or group tutoring sessions about particular topics and questions raised by students.

Online Seminars: After the lecturing period, online seminars between the Professor and the students will be arranged at the virtual classroom in order to discuss the results being obtained, the potential problems and difficulties in using the various methodologies as well as to supervise the preparation of the required reports

3. Evaluation procedures and weight of components in the final grade

3.1. Regular assessment

The knowledge acquired by the student will be evaluated along the course. The educational model to follow will emphasize a continuous effort and advance in training and learning.

The final student mark will be based on exercises that must be done during the course and the discussion of them. These exercises will be based in the contents of practical lessons of the course.

3.1.1. List of evaluation activities

Evaluatory activity

%

Final exam

 

Continuous assessment

 

3.2. Resit

The student will have to face a final exam, including both theory and practical exercises. The student mark will be obtained from:

  • 70% from the final exam,
  • 30% from the individual work.

3.2.1. List of evaluation activities

Evaluatory activity

%

Final exam

70

Continuous assessment

30

4. Proposed workplan

Please, check the official schedule posted on the master website.


Curso Académico: 2021/22

32528 - MÉTODOS DE LA QUÍMICA TEÓRICA II


Información del Plan Docente

Código - Nombre:
32528 - MÉTODOS DE LA QUÍMICA TEÓRICA II
Titulación:
616 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2013)
651 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional
666 - Programa de Doctorado en Química Teórica y Modelización Computacional
748 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional
751 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional Europeo
762 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2021)
Centro:
104 - Facultad de Ciencias
Curso Académico:
2021/22

1. Detalles de la asignatura

1.1. Materia

Métodos de la Química Teórica II.

1.2. Carácter

616 - Obligatoria
762 - Obligatoria
666 - Complementos de Formación
651 - Obligatoria
748 - Obligatoria
751 - Obligatoria

1.3. Nivel

616 - Máster (MECES 3)
666 - Doctorado (MECES 4)
762 - Máster (MECES 3)
651 - Máster (MECES 3)
748 - Máster (MECES 3)
751 - Máster (MECES 3)

1.4. Curso

751 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional Europeo: 1
666 - Programa de Doctorado en Química Teórica y Modelización Computacional: 99
651 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional: 1
748 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional: 1
762 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2021): 1
616 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2013): 1

1.5. Semestre

Anual

1.6. Número de créditos ECTS

5.0

1.7. Idioma

English

1.8. Requisitos previos

No hay.

1.9. Recomendaciones

No hay.

1.10. Requisitos mínimos de asistencia

La asistencia a las clases es obligatoria.

1.11. Coordinador/a de la asignatura

1.12. Competencias y resultados del aprendizaje

1.12.1. Competencias

BÁSICAS Y GENERALES:

CB6 - Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación.
CB7 - Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio.
CB8 - Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios.
CB9 - Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades.
CB10 - Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.
CG01 - Los estudiantes son capaces de fomentar, en contextos académicos y profesionales, el avance tecnológico y científico dentro de una sociedad basada en el conocimiento y en el respeto a: a) los derechos fundamentales y de igualdad de oportunidades entre hombres y mujeres, b) los principios de igualdad de oportunidades y accesibilidad universal de las personas con discapacidad y c) los valores propios de una cultura de paz y de valores democráticos.
CG02 - Los estudiantes son capaces de resolver problemas y tomar decisiones de cualquier índole bajo el compromiso con la defensa y práctica de las políticas de igualdad.


TRANSVERSALES:

CT01 - El/la estudiante es capaz de adaptarse a diferentes entornos culturales demostrando que responde al cambio con flexibilidad.

ESPECÍFICAS:

CE01 - Los estudiantes demuestran su conocimiento y comprensión de los hechos aplicando conceptos, principios y teorías relacionadas con la Química Teórica y Modelización Computacional.
CE04 - Comprende los fundamentos teóricos y prácticos de técnicas computacionales con las que puede analizar la estructura electrónica, morfológica y estructural de un compuesto e interpreta adecuadamente los resultados.
CE12 - Está familiarizado con los postulados fundamentales de la Mecánica Cuántica necesarios para un buen entendimiento de los métodos más comunes utilizados en química cuántica.
CE16 - El/la estudiante es capaz de discernir entre los diferentes métodos existentes y cómo seleccionar el más adecuado para cada problema.

1.12.2. Resultados de aprendizaje

Esta es la segunda asignatura del Máster dedicada a métodos de la Química Teórica y Computacional. En este caso el acento se pone en los métodos para el estudio de sistemas moleculares de gran tamaño y con un gran número de conformaciones accesibles. Por ello la asignatura se centra en tres grandes objetivos:

  • Cálculo de la energía para sistemas de gran tamaño: Campos de fuerza, métodos de continuo y métodos QM/MM
  • Exploración del espacio configuracional: Métodos de dinámica molecular clásica y cuántica
  • Obtención de propiedades dinámicas a través de simulaciones de de dinámica molecular

1.12.3. Objetivos de la asignatura

Más específicamente, se plantean una serie de objetivos particulares en forma de preguntas:

  • ¿Cómo podemos describir sistemas moleculares muy grandes, tales como proteínas o ácidos nucleicos?
  • ¿Cómo describir sistemas moleculares muy grandes cuando se necesita una descripción cuántica de parte de él?
  • ¿Cómo describir interacciones intermoleculares en sistemas grandes?
  • ¿Cómo describir moléculas en disolución?
  • ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de los modelos de continuo?
  • ¿Cómo obtener propiedades promedio y de equilibrio en sistemas con muchas configuraciones accesibles?
  • ¿Cómo se pueden calcular propiedades dependientes del tiempo?

1.13. Contenidos del programa

Unidad 1. Interacciones intermoleculares: Introducción. Interacciones de largo alcance. Interacciones repulsivas. Interacción total, modelos y limitaciones

Unidad 2. Campos de fuerza: Introducción. Términos energéticos. Ejemplos. Validación

Unidad 3. Métodos de simulación. Introducción. Descripción del sistema. Dinámica Molecular. Cuestiones práctivas

Unidad 4. Geometría molecular y energía. Superficies de energía potencial (PES). Exploración y caracterización de puntos estacionarios. Propiedades moleculares. Espacio conformacional de moléculas biológicas

Unidad 5. Modelos de solvatación aplicados en Mecánica Cuántica; Modelos discretos; Modelos continuos; Modelos mixtos discreto-continuos o semicontinuos; Modelos híbridos QM/MM; Aplicaciones

Unidad 6. Técnicas de simulación por ordenador basadas en métodos estadísticos. Introducción; Análisis de Modos Normales; Cálculo de propiedades termodinámicas y estructurales; Energía libre de Gibbs y Helmholtz; Energía libre y funciones de partición; Energía libre y promedios; “The Particle Insertion”; “Free Energy Perturbation”; “Thermodynamic Integration”; “Slow Growth”; “ Umbrella Sampling”; Problemas y limitaciones

Unidad 7. Métodos de simulación avanzados: Introducción. Dinámica Molecular Ab Initio. Dinámica Molecular Carr-Parrinello

Unidad 8. Métodos avanzados para el cálculo de energía libre. Métodos basados en caminos físicos: nudged elastic band, dimer method, string method, growing string method, transition path sampling, Parallel Tempering, Replica Exchange MD. Métodos basados en el “History-dependent biasing potential”: Metadynamics (MTD) y Paradynamics (PD).

 

Prácticas:

Práctica 1. Obtención de parámetros para un campo de fuerza mediante cálculo cuánticos

Práctica 2. Simulación de Dinámica Molecular de disoluciones acuosas

Práctica 3. Simulación de Dinámica Molecular d euna proteína

Práctica 4: Reactividad: cálculo de un perfil de reacción en fase gas

Prácica 5: Reactividad: cálculo de un perfil de reacción en disolución

Práctica 6. Cálculo de efectos cinéticos isotópicos

1.14. Referencias de consulta

  • M. P. Allen, D. J. Tildesley. Computer Simulation of Liquids. Oxford University Press, New York 1989
  • A. R. Leach. Molecular Modelling. Longman, London, 1996
  • D. Frenkel & B. Smit. Understanding Molecular Simulation. Academic Press, San Diego, 1996
  • A. Stone. The Theory of Intermolecular Forces. Oxford University Press, 2013

2. Metodologías docentes y tiempo de trabajo del estudiante

2.1. Presencialidad

 

#horas

Porcentaje de actividades presenciales (mínimo 33% del total)

35

Porcentaje de actividades no presenciales

90

2.2. Relación de actividades formativas

Actividades presenciales

Nº horas

Clases teóricas en aula

20

Seminarios/ Clases prácticas

15

Prácticas clínicas

 

Prácticas con medios informáticos

 

Prácticas de campo

 

Prácticas de laboratorio

 

Prácticas externas y/o practicum

 

Trabajos académicamente dirigidos

 

Tutorías

 

Actividades de evaluación

 

Otras

 

Lección Magistral: El profesor expondrá los contenidos del curso en sesiones presenciales o por video conferencia de dos horas basándose en los materiales docentes publicados en la plataforma Moodle.

Lección Práctica: El profesor expondrá ejercicios basados en los conceptos estudiados para ponerlos en práctica mediantes cálculos.

Docencia en red. Se utilizará las distintas herramientas que ofrece la plataforma Moodle (https://posgrado.uam.es). Publicación de contenidos de la asignatura, herramientas de trabajo en grupo: foros de discusión y wiki, correo electrónico

Tutorías. El profesor realizará tutorías individuales o con grupos reducidos sobre cuestiones puntuales que los estudiantes puedan plantear.

Seminarios online. Con posterioridad a las clases expositivas, se realizarán seminarios online para discutir los resultados obtenidos en los trabajos propuestos, las dudas sobre las metodologías empleadas, y supervisar la preparación de los informes elaborados por los estudiantes.

3. Sistemas de evaluación y porcentaje en la calificación final

3.1. Convocatoria ordinaria

Los conocimientos adquiridos por el estudiante serán evaluados a lo largo de todo el curso, intentando que el estudiante avance de forma regular y constante en la asimilación de los contenidos de la asignatura.

La nota final de la asignatura se basará en los ejercicios, trabajos y discusión de los mismos que se irá realizando durante el curso. Los ejercicios se basarán en los contenidos de las clases prácticas del curso.

3.1.1. Relación actividades de evaluación

Actividad de evaluación

%

Examen final (máximo 70% de la calificación final o el porcentaje que figure en la memoria)

 

Evaluación continua

 

3.2. Convocatoria extraordinaria

Se realizará un examen final único que será de carácter teórico y que abarcará los contenidos de toda la asignatura. La puntuación en la convocatoria extraordinaria se realizará en base a los siguientes porcentajes:

  • 70% el examen final,
  • 30 % la realización de un informe crítico de las prácticas realizadas o de ejercicios relacionados con la asignatura.

3.2.1. Relación actividades de evaluación

Actividad de evaluación

%

Examen final (máximo 70% de la calificación final o el porcentaje que figure en la memoria)

70

Evaluación continua

30

4. Cronograma orientativo

Por favor, comprobar el horario oficial publicado en la página web del Máster.