Computational design of organic diradicals for energy applications

Abstract

Uno de los mayores problemas a los que se enfrenta la comunidad científica en la actualidad es la necesidad de cambiar las fuentes de energía actuales por otras renovables, seguras, baratas y respetuosas con el medio ambiente. Con este fin, múltiples materiales han sido propuestos. Entre ellos, los dirradicales forman un tipo prometedor debido a sus propiedades físicas, fundamentalmente la pequeña distancia energética que hay entre el singlete y el triplete y la capacidad que tienen de absorber en la región del visible. Estas dos características convierten a los dirradicales en candidatos perfectos para experimentar ¿fisión de singlete¿, un mecanismo por el cual un solo fotón sería capaz de excitar a dos moléculas desde su estado fundamental al primer triplete excitado. Este proceso puede ser vital en la tecnología fotovoltaica para aumentar la eficiencia de las celdas solares.Un tipo concreto de dirradicales son aquellos que contienen dos grupos carbonilo, formando lo que se conoce como quinonas. Estas moléculas merecen ser estudiadas con detalle por los altos potenciales de reducción que proporcionan, y eso puede ser aprovechado para diseñar dispositivos de almacenamiento de energía más eficientes, baratos y respetuosos con el medio que las tradicionales baterías basadas en materiales inorgánicos como LiCoO4.Actualmente, aunque la comunidad científica ya está usando dirradicales para diseñar materiales adecuados para la captación y el almacenamiento de energía, no existe un conocimiento completo sobre muchas de las propiedades de este tipo de moléculas. Esto ocurre fundamentalmente por la dificultad que presentan para investigarlos experimentalmente debido a su inestabilidad intrínseca. Por tanto, la química teórica puede proporcionar datos valiosos para desentrañar la estructura de los dirradicales así como los mecanismos en los que están envueltos. De esa manera, esta tesis se suma al esfuerzo computacional dedicado a estudiar los dirradicales, siguiendo dos líneas principales: i) analizar los efectos que tienen en el carácter dirradical varios tipos de modificaciones estructurales tales como la introducción de heteroátomos, sustituyentes, modificación en el número y tamaño de anillos aromáticos, etc¿ ii) La búsqueda y caracterización sistemática de dirradicales, dándole particular preponderancia a aquellos que pueden ser fácilmente sintetizadas. En ambos casos, el carácter diradical se relacionará fundamentalmente con: i) las propiedades electroquímicas de cada molécula, por lo que se proporcionan datos como potenciales de reducción y oxidación, afinidades electrónicas, densidad de energía, etc ii) Los estados excitados de cada molécula, necesarios para estimar la idoneidad de cada molécula para que experimente fisión de singlete.