Simulaciones moleculares de hidrato de metano. inhibición de formación de clatratos por vinilcaprolactama

Resumen Los clatratos hidratos de gas natural o también llamados hidratos de gas natural son sólidos cristalinos compuestos por agua y un gas. Existe dificultad para conocer la composición (estequiometría) del hidrato de gas. Existe un problema de formación de hielos de clatratos de metano en las tuberías de conducción y extracción de hidrocarburos que tiene una gran relevancia industrial y económica, por lo que se han desarrollado dos vías para inhibir su formación: a través de inhibidores termodinámicos (ej: metanol) o utilizando inhibidores cinéticos como la vinilcaprolactama (VCap). En este trabajo se estudiará la posibilidad de inhibir el crecimiento del clatrato de metano utilizando la VCap como inhibidor en un modelo molecular compuesto por una molécula de metano y 20 moléculas de agua a través de simulaciones de dinámica molecular Born- Oppenheimer (BOMD) y simulaciones de dinámica molecular clásica. Se utilizarán como modelos de cajas clatratos las dos configuraciones estables de la red de agua alrededor del metano encontradas por Bravo y Saint-Martín [49]: la configuración de dodecaedro (512, Dod) y la configuración (4115262, Nax). Se realizaron simulaciones BOMD a nivel DFT con un funcional híbrido de intercambio y correlación que ha demostrado ser confiable para describir los efectos de dispersión en sistemas hidrofóbicos. El objetivo primario de esta tesis es la validación de los potenciales clásicos comunmente utilizados para el estudio de la interacción metano-agua en simulaciones de dinámica molecular clásica [42, 77, 78]. Para la calibración de los potenciales clásicos utilizaremos como referencia las energías relativas de cada estructura en las simulaciones BOMD respecto a la energía de la estructura inicial de Dod y Nax optimizadas por m´étodos de química cuántica. El principal interés es determinar si la dinámica molecular con potenciales clásicos estandar para el agua, el metano y la vinilcaprolactama son capaces de reproducir cualitativamente la evolución tanto energética como estructural de los sistemas metano-agua y metano-agua/VCap. Para la realización de cálculos de energías clásicas se variaron los parámetros de referencia para la molécula de metano, usando el modelo de átomo unido [30]. Para la molécula de agua se utilizó el modelo de agua TIP4P/ICE [77] y para el inhibidor cinético vinilcaprolactama (VCap) se tomaron los parámetros del Automated Topology Builder (ATB) and Repository [78]. Para la comparación de modelos se utilizó el error cuadrático medio (rms). Como resultado se observa que es necesario sobrestimar el error en las energías de la configuración Dod, es decir, escoger el par de parámetros que minimizan el error rms de Nax cuando el error rms de la configuración Dod es semejante al error de la configuración Nax. De esta manera es razonable esperar que estos parámetros puedan ser utilizados en simulaciones de dinámica clásica para cualquier tipo de hielo de clatratos de metano. Los parámetros optimizados son " = 2.0KJ/mol y = 0.42nm.