Войти
Вычислительная химия - это раздел химии, в котором используется компьютерное моделирование для помощи в решении химических проблем. Он использует методы теоретической химии, включенные в эффективные компьютерные программы, для расчета структур и свойств молекул и твердых тел. Это необходимо, потому что, помимо относительно недавних результатов, касающихся молекулярного иона водорода (дигидрокатион, см. Ссылки в нем для более подробной информации), квантовая проблема многих тел не может быть решена аналитически, тем более в закрытом виде. Хотя результаты вычислений обычно дополняют информацию, полученную с помощью химических экспериментов, в некоторых случаях они могут предсказывать до сих пор не наблюдаемые химические явления. Он широко используется при разработке новых лекарств и материалов.
Примерами таких свойств являются структура (т.е. ожидаемые положения составляющих атомов), абсолютные и относительные (взаимодействие) энергии, электронные распределения плотности заряда, диполи и более высокие мультипольные моменты, частоты колебаний, реактивность или другие спектроскопические величины и сечения для столкновения с другими частицами.
Используемые методы охватывают как статические, так и динамические ситуации. Во всех случаях компьютерное время и другие ресурсы (такие как память и дисковое пространство) быстро увеличиваются с увеличением размера изучаемой системы. Эта система может быть одной молекулой, группой молекул или твердым телом. Методы вычислительной химии варьируются от очень приблизительных до очень точных; последние обычно применимы только для небольших систем. Ab initio методы полностью основаны на квантовой механике и основных физических константах. Другие методы называются эмпирическими или полуэмпирическими, потому что они используют дополнительные эмпирические параметры.
И ab initio, и полуэмпирический подходы включают приближения. Они варьируются от упрощенных форм уравнений из первых принципов, которые легче или быстрее решать, до приближений, ограничивающих размер системы (например, периодические граничные условия ), до фундаментальных приближений к основным уравнениям, которые требуются для достижения любого решения для них вообще. Например, большинство расчетов ab initio используют приближение Борна – Оппенгеймера, которое значительно упрощает лежащее в основе уравнение Шредингера, предполагая, что ядра остаются на месте во время расчета. В принципе, методы ab initio в конечном итоге сходятся к точному решению лежащих в основе уравнений, когда количество приближений уменьшается. Однако на практике невозможно исключить все приближения, и остаточная ошибка неизбежно остается. Цель вычислительной химии - минимизировать эту остаточную ошибку, сохраняя при этом удобство вычислений.
В некоторых случаях детали электронной структуры менее важны, чем поведение молекул в фазовом пространстве в течение длительного времени. Так обстоит дело в конформационных исследованиях белков и термодинамики связывания белок-лиганд. Используются классические приближения к поверхности потенциальной энергии, обычно с силовыми полями молекулярной механики, поскольку они менее затратны в вычислительном отношении, чем электронные расчеты, чтобы обеспечить более длительное моделирование молекулярной динамики. Кроме того, хеминформатика использует еще более эмпирические (и более дешевые в вычислительном отношении) методы, такие как машинное обучение, основанные на физико-химических свойствах. Одна типичная проблема в хеминформатике - предсказать сродство связывания молекул лекарства с заданной мишенью. Другие проблемы включают прогнозирование специфичности связывания, побочных эффектов, токсичности и фармакокинетических свойств.
Основываясь на основополагающих открытиях и теории в истории квантовой механики, первые теоретические расчеты в химии были выполнены Уолтером Хайтлером и Фрицем Лондоном в 1927 году с использованием теории валентных связей. Книги, оказавшие влияние на раннее развитие вычислительной квантовой химии, включают Линуса Полинга и Э. Брайт Уилсон «Введение в квантовую механику - с приложениями к химии», 1935 г., Айринг, «Квантовая химия» Уолтера и Кимбалла (1944 г.), «Элементарная волновая механика» Гайтлера (1945 г.) - с приложениями к квантовой химии, и позже Учебник Валентности Коулсона 1952 года, каждый из которых служил основным справочным материалом для химиков в последующие десятилетия.
С развитием эффективной компьютерной технологии в 1940-х годах решения сложных волновых уравнений для сложных атомных систем стали реальностью. задача. В начале 1950-х годов были выполнены первые полуэмпирические расчеты атомных орбиталей. Химики-теоретики стали активными пользователями первых цифровых компьютеров. Одним из значительных достижений стала статья Клеменса С. Дж. Рутана в 1951 году в «Обзоре современной физики» в 1951 году, в основном о подходе «LCAO MO» (линейная комбинация атомных орбиталей и молекулярных орбиталей), которая в течение многих лет была второй по цитируемости статьей в этом журнале. Очень подробное описание такого использования в Соединенном Королевстве дано Смитом и Сатклиффом. Первые ab initio расчеты методом Хартри – Фока двухатомных молекул были выполнены в 1956 году в Массачусетском технологическом институте с использованием базисного набора из орбиталей Слейтера. Для двухатомных молекул систематическое исследование с использованием минимального базиса и первые вычисления с большим базисом были опубликованы Рансилом и Несбетом соответственно в 1960 году. Первые многоатомные вычисления с использованием гауссовых орбиталей были выполнены в конце 1950-х годов.. Первые вычисления конфигурационного взаимодействия были выполнены в Кембридже на компьютере EDSAC в 1950-х годах с использованием гауссовых орбиталей Boys и его сотрудниками. К 1971 году, когда была опубликована библиография расчетов ab initio, самыми крупными молекулами были нафталин и азулен. Шефер опубликовал отрывки из многих предыдущих разработок теории ab initio.
В 1964 году метод Хюккеля расчеты (с использованием простой линейной комбинации атомных орбиталей (LCAO) метод определения энергии электронов молекулярных орбиталей π-электронов в сопряженных углеводородных системах) молекул в диапазоне сложности от бутадиен и бензол до овален. на компьютерах в Беркли и Оксфорде. Эти эмпирические методы были заменены в 1960-х на полуэмпирические методы, такие как CNDO.
. В начале 1970-х эффективные ab initio компьютерные программы, такие как ATMOL, Gaussian, IBMOL и ПОЛЯЙТОМ начали использовать для ускорения ab initio расчетов молекулярных орбиталей. Из этих четырех программ только Gaussian, теперь значительно расширенный, все еще используется, но многие другие программы сейчас используются. В то же время методы молекулярной механики, такие как MM2 силовое поле, были разработаны, в первую очередь, Норманом Аллингером.
. Одно из первых упоминаний этого термина Вычислительную химию можно найти в книге Сиднея Фернбаха и Абрахама Хаскелла Тауба «Компьютеры и их роль в физических науках» 1970 года, где они заявляют: «Поэтому кажется, что« вычислительная химия », наконец, становится все более и более реальностью». В 1970-х годах самые разные методы стали рассматриваться как часть новой развивающейся дисциплины вычислительной химии. Journal of Computational Chemistry был впервые опубликован в 1980 году.
Вычислительная химия отмечена несколькими Нобелевскими премиями, особенно в 1998 и 2013 годах. Walter Kohn ", за разработку теории функционала плотности »и Джон Попл « за разработку вычислительных методов в квантовой химии »получил в 1998 Нобелевскую премию по химии . Мартин Карплюс, Майкл Левитт и Арие Варшел получили Нобелевскую премию 2013 года по химии за «разработку многомасштабных моделей сложных химических систем».
Термин теоретическая химия может быть определен как математическое описание химии, тогда как вычислительная химия обычно используется, когда математический метод достаточно хорошо разработан, чтобы его можно было автоматизировать для реализации на компьютер. В теоретической химии химики, физики и математики разрабатывают алгоритмы и компьютерные программы для предсказания атомных и молекулярных свойств и путей реакций для химических реакций. Вычислительные химики, напротив, могут просто применять существующие компьютерные программы и методологии к конкретным химическим вопросам.
Вычислительная химия имеет два разных аспекта:
Таким образом, вычислительная химия может помочь химикам-экспериментаторам или бросить вызов химикам-экспериментаторам, чтобы найти совершенно новые химические объекты.
В вычислительной химии можно выделить несколько основных областей:
Слова «точный» и «совершенный» здесь не применяются, поскольку очень немногие аспекты химии можно вычислить точно. Однако почти все аспекты химии можно описать в качественной или приблизительной количественной расчетной схеме.
Молекулы состоят из ядер и электронов, поэтому применяются методы квантовой механики. Вычислительные химики часто пытаются решить нерелятивистское уравнение Шредингера с добавлением релятивистских поправок, хотя некоторый прогресс был достигнут в решении полностью релятивистского уравнения Дирака. В принципе, можно решить уравнение Шредингера либо в его зависящей от времени, либо не зависящей от времени форме, в зависимости от рассматриваемой задачи; на практике это невозможно, за исключением очень маленьких систем. Таким образом, большое количество приближенных методов стремятся достичь наилучшего компромисса между точностью и вычислительными затратами.
Точность всегда можно повысить за счет больших вычислительных затрат. Существенные ошибки могут проявляться в моделях ab initio, содержащих много электронов, из-за вычислительной стоимости методов, полностью включающих релятивизм. Это усложняет изучение молекул, взаимодействующих с атомами с высокой атомной единицей массы, таких как переходные металлы, и их каталитических свойств. Современные алгоритмы вычислительной химии позволяют в обычном порядке вычислять свойства небольших молекул, содержащих до 40 электронов, с ошибками для энергий менее нескольких кДж / моль. Для геометрии длины связей можно предсказать в пределах нескольких пикометров, а валентные углы - в пределах 0,5 градуса. Обработка более крупных молекул, содержащих несколько десятков атомов, вычисляется более приближенными методами, такими как теория функционала плотности (DFT).
В данной области ведутся споры о том, достаточно ли последних методов для описания сложных химических реакций, например, в биохимии. Большие молекулы можно изучать приближенными полуэмпирическими методами. Даже более крупные молекулы обрабатываются методами классической механики, в которых используется так называемая молекулярная механика (MM). В методах QM-MM небольшие части больших комплексов обрабатываются квантово-механически (QM), а остальные обрабатываются приблизительно (MM).
Одна молекулярная формула может представлять более одного молекулярного изомера: набор изомеров. Каждый изомер представляет собой локальный минимум на энергетической поверхности (называемый поверхностью потенциальной энергии ), созданный из полной энергии (т. Е. Электронной энергии плюс энергия отталкивания между ядрами) в зависимости от координат все ядра. Стационарная точка - это такая геометрия, при которой производная энергии по всем смещениям ядер равна нулю. Локальный (энергетический) минимум - это стационарная точка, в которой все такие смещения приводят к увеличению энергии. Самый низкий локальный минимум называется глобальным минимумом и соответствует наиболее стабильному изомеру. Если есть одно конкретное изменение координат, которое приводит к уменьшению полной энергии в обоих направлениях, стационарной точкой является переходная структура , а координатой является координата реакции. Этот процесс определения стационарных точек называется оптимизацией геометрии.
Определение молекулярной структуры с помощью оптимизации геометрии стало обычным делом только после эффективных методов вычисления первых производных энергии по всем координатам атомов. стал доступен. Оценка соответствующих вторых производных позволяет прогнозировать частоты колебаний, если оценивается гармоническое движение. Что еще более важно, он позволяет характеризовать стационарные точки. Частоты связаны с собственными значениями матрицы Гессе , которая содержит вторые производные. Если все собственные значения положительны, тогда все частоты действительны, а точка покоя является локальным минимумом. Если одно собственное значение отрицательно (т.е. мнимая частота), то стационарная точка является переходной структурой. Если более одного собственного значения отрицательно, то стационарная точка является более сложной и обычно не представляет большого интереса. При обнаружении одного из них необходимо отодвинуть поиск от него, если экспериментатор ищет исключительно локальные минимумы и переходные структуры.
Полная энергия определяется приближенными решениями нестационарного уравнения Шредингера, обычно без включения релятивистских членов, и с использованием приближения Борна – Оппенгеймера, которое позволяет разделение электронного и ядерного движений, что упрощает уравнение Шредингера. Это приводит к оценке полной энергии как суммы электронной энергии в фиксированных положениях ядер и энергии отталкивания ядер. Заметным исключением являются определенные подходы, называемые прямой квантовой химией, которые рассматривают электроны и ядра на общих основаниях. Функциональные методы плотности и полуэмпирические методы являются вариантами основной темы. Для очень больших систем относительные полные энергии можно сравнить с помощью молекулярной механики. Способы определения полной энергии для предсказания молекулярных структур:
Программы, используемые в вычислительной химии, основаны на множестве различных квантово-химических методов, которые решить молекулярное уравнение Шредингера, связанное с молекулярным гамильтонианом. Методы, которые не включают в свои уравнения каких-либо эмпирических или полуэмпирических параметров, а являются производными непосредственно из теоретических принципов, без включения экспериментальных данных, называются методами ab initio. Это не означает, что решение является точным; все они являются приблизительными квантово-механическими расчетами. Это означает, что конкретное приближение строго определяется на основе первых принципов (квантовая теория), а затем решается в пределах погрешности, которая заранее известна качественно. Если необходимо использовать численные итерационные методы, цель состоит в том, чтобы выполнять итерацию до тех пор, пока не будет достигнута полная машинная точность (наилучшее, что возможно при конечной длине слова на компьютере, и в рамках сделанных математических и / или физических приближений).
Диаграмма, иллюстрирующая различные ab initio методы электронной структуры с точки зрения энергии. Расстояния приведены не в масштабе. Простейшим типом расчета электронной структуры ab initio является метод Хартри – Фока (HF), расширение теории молекулярных орбиталей, в котором коррелированное электрон-электронное отталкивание специально не учитывается; в расчет включается только его средний эффект. По мере увеличения размера базисного набора энергия и волновая функция стремятся к пределу, называемому пределом Хартри – Фока. Многие типы вычислений (называемые методами после Хартри – Фока ) начинаются с вычислений Хартри – Фока и затем корректируются на электрон-электронное отталкивание, называемое также электронной корреляцией. Когда эти методы доведены до предела, они приближаются к точному решению нерелятивистского уравнения Шредингера. Чтобы получить точное согласие с экспериментом, необходимо включить релятивистский и спин-орбитальный члены, оба из которых гораздо более важны для тяжелых атомов. Во всех этих подходах, наряду с выбором метода, необходимо выбрать базисный набор . Это набор функций, обычно сосредоточенных на различных атомах в молекуле, которые используются для расширения молекулярных орбиталей с помощью линейной комбинации атомных орбиталей (LCAO) Метод молекулярных орбиталей анзац. Ab initio методы должны определять уровень теории (метод) и базовый набор.
Волновая функция Хартри – Фока - это единственная конфигурация или определитель. В некоторых случаях, особенно для процессов разрыва связи, этого недостаточно, и необходимо использовать несколько конфигураций . Здесь коэффициенты конфигураций и базисных функций оптимизируются вместе.
Полная молекулярная энергия может быть оценена как функция геометрии молекулы ; другими словами, поверхность потенциальной энергии. Такая поверхность может быть использована для динамики реакции. Стационарные точки поверхности приводят к предсказаниям различных изомеров и переходных структур для конверсии между изомерами, но их можно определить без полного знания всей поверхности.
Особенно важной задачей, называемой вычислительной термохимией, является вычисление термохимических величин, таких как энтальпия образования, с химической точностью. Химическая точность - это точность, необходимая для реалистичных химических прогнозов, которая обычно составляет 1 ккал / моль или 4 кДж / моль. Чтобы достичь такой точности экономически, необходимо использовать серию пост-Хартри – Фоковских методов и объединить результаты. Эти методы называются композитными методами квантовой химии.
Методы теории функционала плотности (DFT) часто считаются методами ab initio для определения молекулярной электронной структуры, хотя многие из наиболее распространенных функционалов используют параметры, полученные из эмпирических данных или из более сложных вычислений. В DFT полная энергия выражается через общую концентрацию одного электрона , а не через волновую функцию. В этом типе вычислений есть приблизительный гамильтониан и приближенное выражение для полной электронной плотности. Методы DFT могут быть очень точными при небольших вычислительных затратах. Некоторые методы объединяют функциональный обменный функционал плотности с термином обмена Хартри – Фока и называются гибридными функциональными методами.
Полуэмпирические квантовой химии методы основаны на формализме метода Хартри – Фока, но делают много приближений и получают некоторые параметры из эмпирических данных. Они были очень важны в вычислительной химии с 60-х по 90-е годы, особенно для обработки больших молекул, где полный метод Хартри – Фока без приближений был слишком дорогостоящим. Использование эмпирических параметров, по-видимому, позволяет включить в методы некоторый эффект корреляции.
Примитивные полуэмпирические методы были разработаны еще раньше, где двухэлектронная часть гамильтониана явно не включена. Для π-электронных систем это был метод Хюккеля, предложенный Эрихом Хюккелем, и для всех систем валентных электронов расширенный метод Хюккеля, предложенный Роальд Хоффманн. Иногда методы Хюккеля называют «полностью эмпририческими», потому что они не являются производными от гамильтониана. Тем не менее, термин «эмпирические методы» или «эмпирические силовые поля» обычно используется для описания молекулярной механики.
Во многих случаях большие молекулярные системы можно успешно моделировать, полностью избегая квантово-механических расчетов. Молекулярно-механическое моделирование, например, использует одно классическое выражение для энергии соединения, например, гармонический осциллятор. Все константы, входящие в уравнения, должны быть заранее получены из экспериментальных данных или расчетов из первых принципов.
База данных соединений, используемых для параметризации, т.е. результирующий набор параметров и функций, называемый силовым полем, имеет решающее значение для успеха расчетов молекулярной механики. Можно ожидать, что силовое поле, параметризованное против определенного класса молекул, например белков, будет иметь какое-либо значение только при описании других молекул того же класса.
Эти методы могут быть применены к белкам и другим крупным биологическим молекулам и позволяют изучить подход и взаимодействие (стыковку) потенциальных молекул лекарственного средства.
Вычислительные химические методы могут применяться к задачам физики твердого тела. Электронная структура кристалла обычно описывается зонной структурой , которая определяет энергии электронных орбиталей для каждой точки в зоне Бриллюэна. Неэмпирические и полуэмпирические расчеты дают орбитальные энергии; поэтому их можно применять для расчетов зонной структуры. Поскольку вычисление энергии молекулы занимает много времени, еще больше времени занимает вычисление их для всего списка точек в зоне Бриллюэна.
Как только электронные и ядерные переменные разделены (в рамках представления Борна – Оппенгеймера), в подходе, зависящем от времени, волновой пакет, соответствующий ядерным степеням свободы, распространяется через временной эволюционный оператор (физика), связанный с зависящим от времени Уравнение Шредингера (для полного молекулярного гамильтониана ). В дополнительном энергозависимом подходе не зависящее от времени уравнение Шредингера решается с использованием формализма теории рассеяния. Потенциал, представляющий межатомное взаимодействие, задается поверхностями потенциальной энергии. В общем, поверхности потенциальной энергии связаны посредством элементов вибронной связи.
Самыми популярными методами распространения волнового пакета, связанных с молекулярной геометрией, являются:
Молекулярная динамика ( MD) используют либо квантовую механику, молекулярную механику, либо смесь обоих для вычисления сил, которые затем используются для решения законов движения Ньютона изучить поведение систем в зависимости от времени. Результатом моделирования молекулярной динамики является траектория, описывающая изменение положения и скорости частиц со временем.
КМ / ММ - это гибридный метод, который пытается объединить точность квантовой механики со скоростью молекулярной механики. Это полезно для моделирования очень больших молекул, таких как ферменты.
атомов в молекулах (QTAIM) модель Ричарда Бадера была разработана, чтобы эффективно связать квантово-механическую модель молекулы как электронную волновую функцию с химически полезными понятиями, такими как атомы в молекулах, функциональные группы, связи, теория пар Льюиса и модель валентной связи. Бадер продемонстрировал, что эти эмпирически полезные концепции химии могут быть связаны с топологией наблюдаемого распределения плотности заряда, измеренного или рассчитанного на основе квантово-механической волновой функции. QTAIM-анализ молекулярных волновых функций реализован, например, в программном пакете AIMAll.
Существует множество самодостаточных пакетов программного обеспечения для вычислительной химии. Некоторые включают множество методов, охватывающих широкий диапазон, в то время как другие концентрируются на очень конкретном диапазоне или даже на одном методе. Подробную информацию о большинстве из них можно найти в:
Химический портал 
Физический портал  | На Викискладе есть материалы, связанные с Вычислительной химией. |
