Přesnost metod pro popis polohy vodíku v kokrystalech

• Thesis title in Czech: Přesnost metod pro popis polohy vodíku v kokrystalech
• Thesis title in English: On the accuracy of theoretical methods for the description of hydrogen position in co-crystals
• Key words: ab-initio metody|poruchová teorie|molekulární krystaly
• English key words: ab-initio methods|perturbation theory|molecular crystals
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: diploma thesis
• Department: Department of Chemical Physics and Optics (32-KCHFO)
• Supervisor: Mgr. Jiří Klimeš, Ph.D.

Guidelines

Cílem práce je vypočítat s vysokou přesností (na úrovni RPA nebo MP2) změnu energie kokrystalu při změně pozice vodíku podél silného vodíkového můstku.

1) Nastudování literatury (molekulární krystaly, ab initio výpočty), seznámení se s výpočetními programy a superpočítačovým prostředím.
2) Výpočet vazebné energie jednoduchými metodami (Hartree-Fock, teorie funkcionálu hustoty (DFT)).
3) Výpočet vazebné energie pomocí korelovaných metod (MP2 nebo RPA).
4) Porovnání výsledků, identifikace optimální DFT aproximace.
5) Sepsání práce a prezentace výsledků.

References

N. Ostlund, A. Szabo: Modern Quantum Chemistry, McGraw-Hill Inc. New York, 1989
W. Yang, J. A. Parr: Density Functional Theory, Wiley, NY, 1998
I. Shavitt, R. J. Bartlett: Many-body Methods in Chemistry and Physics, Cambridge University Press, Cambridge, 2009
F. Manby (ed.): Accurate Condensed-Phase Quantum Chemistry, CRC Press, 2010

Časopisecká literatura, např.:

J. Yang, W. Hu, D. Usvyat, D. Matthews, M. Schütz, G. K. Chan:
Ab initio determination of the crystalline benzene lattice energy to sub-kilojoule/mole accuracy
Science 345, 640 (2014)

A. Grüneis, M. Marsman, G. Kresse:
Second-order Moller-Plesset perturbation theory applied to extended systems. II. Structural and energetic properties
J. Chem. Phys. 133, 074107 (2010)

G. H. Booth, A. Grüneis, G. Kresse, A. Alavi:
Towards an exact description of electronic wavefunctions in real solids
Nature, 493, 365 (2013)

E. Skorepova, D. Bim, M. Husak, J. Klimes, A. Chatziadi, L. Ridvan, T. Boleslavska, J. Beranek, P. Sebek, L. Rulisek:
Increase in solubility of poorly-ionizable pharmaceuticals by salt formation: A case of agomelatine sulfonates,
Cryst. Growth Des. 17, 5283 (2017)

Preliminary scope of work

Mnohá léčiva se požívají v krystalické formě. Pro zajištění optimální dostupnosti v těle se často nejedná o čisté krystaly,
ale krystaly s jinými molekulami, tzv. kokrystaly. V některých z těchto kokrystalů se vyskytují krátké vodíkové můstky,
tedy vazby mezi např. OH skupinou na jedné molekule a dusíkem na druhé. Tyto skupiny velmi ztěžují studium a teoretický
popis těchto systémů, neboť často dochází k přesunu vodíku na druhou molekulu, a tedy vzniku soli, případně může dojít
ke kvantové delokalizaci vodíku, tedy k tak silné vazbě, že není možné říci, na které molekule je vodík navázán.
(K podobnému efektu dochází u vysokotlaké fáze vodního ledu "X".) Tento přenos kriticky závisí na přesnosti použité metody.
Například často používaná přiblížení teorie funkcionálu hustoty silně preferují přenos vodíku, zatímco metoda Hartree-Fock
preferuje kokrystal. Cílem práce je vypočítat referenční energetickou křivku při změne pozice vodíku mezi kokrystalem a solí.
To umožní zhodnotit přesnost a spolehlivost jednodušších a výpočetně méně náročnějších metod.

Preliminary scope of work in English

Pharmaceuticals are often administered in crystalline form. To increase bioavailability, the crystals are not composed of
only the active compound, but mixed with another molecule(s) to form so-called co-crystals. The co-crystals often contain
short hydrogen bonds, i.e., bonds between OH groups on one molecule and other atom, such as nitrogen on the other.
The structure of these strong hydrogen bonds is difficult to describe, as the hydrogen often moves between the molecules
or can be even delocalized in quantum sense. When the hydrogen moves to the second molecule, the structure turns to salt.
Unfortunately, many methods have issues with describing correctly the potential energy curve between the salt and co-crystal
states. For example, density functional theory approximations strongly prefer salt, while Hartree-Fock prefers co-crystals.
The goal of the work is thus to use the recent implementations of correlated methods to obtain high quality reference
potential energy curve for the hydrogen transfer. This will be used to assess the accuracy of simpler methods, primarily
of computationally less expensive density functional theory approximations.