Chemia obliczeniowa - Polski Serwis Naukowy

Chemia obliczeniowa – dziedzina chemii, która stosuje programy modelowania molekularnego implementujące metody chemii teoretycznej do rozwiązywania rzeczywistych problemów chemicznych, takich jak przewidywanie właściwości fizyko-chemicznych cząsteczek; izolowanych lub w układach ponadcząsteczkowych.

Przykładami właściwości fizycznych, które można przewidywać metodami chemii obliczeniowej są struktura cząsteczek (geometria molekularna – sposób ułożenia atomów w cząsteczce), energia całkowita cząsteczki, energie oddziaływań międzycząsteczkowych, ładunki, momenty dipolowe i momenty multipoli wyższego rzędu, częstotliwości oscylacji (aktywne w podczerwieni, widma Ramana) i inne właściwości spektroskopowe, reaktywność, przekroje aktywne na zderzenia z innymi cząstkami i wiele innych. Czasami terminem chemia obliczeniowa określa się obszar wspólny dla nauk komputerowych i chemii. Największą poddziedziną chemii obliczeniowej jest teoria konfiguracji elektronowej.

Chemia teoretyczna to dział chemii zaliczany do chemii fizycznej, zajmujący się zagadnieniami związanymi z wiedzą chemiczną od strony teoretycznej, tj. bez wykonywania eksperymentów na stole laboratoryjnym. Nie znaczy to jednak, że chemia teoretyczna ignoruje wyniki eksperymentalne - zazwyczaj stara się jednak z lepszym lub gorszym skutkiem wyjaśniać te wyniki i przewidywać efekty przyszłych eksperymentów.
Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.

Wstęp

Termin chemia teoretyczna można zdefiniować jako matematyczny opis chemii, zaś termin chemia obliczeniowa jest zwykle stosowany, jeśli metody matematyczne są na tyle dobrze rozwinięte, że ich zastosowanie można zautomatyzować stosując programy komputerowe. Trzeba tu podkreślić, że w tej dziedzinie nie stosuje się słów dokładny i doskonały, jako że bardzo niewiele rzeczy można obliczyć dokładnie. Tym niemniej większość aspektów chemii da się opisać jakościowym lub przybliżonym ilościowym schematem obliczeniowym.

Chemioinformatyka (nazywana także chemoinformatyką oraz chemią informatyczną) - nauka zajmująca się wykorzystaniem informatyki do rozwiązywania różnorodnych problemów chemicznych.
Mechanika molekularna to metoda chemii obliczeniowej wykorzystującą mechanikę klasyczną do modelowania układów molekularnych. Energia potencjalna każdego rozpatrywanego systemu jest wyznaczana za pomocą odpowiedniego pola siłowego. Mechanika molekularna może zostać użyta zarówno do badania prostych cząsteczek jak i złożonych biomolekuł oraz układów nanotechnologicznych zbudowanych z milionów atomów.

Cząsteczki zbudowane są z jąder i elektronów, do których stosują się zasady mechaniki kwantowej. Chemicy obliczeniowcy często próbują rozwiązać nierelatywistyczne równanie Schrödingera, dodając poprawki relatywistyczne, choć dokonano już pewnego postępu w rozwiązywaniu w pełni relatywistycznego równania Schrödingera. Zasadniczo rozwiązanie równania Schrödingera jest możliwe, zarówno w formie zależnej od czasu jak i w formie niezależnej od czasu, ale daje się to zrobić tylko dla bardzo małych układów. Wprowadzono więc bardzo wiele metod przybliżonych, które stanowią kompromis między dokładnością a kosztami obliczeniowymi. Obecna chemia obliczeniowa może rutynowo i bardzo dokładnie obliczać właściwości cząsteczek zawierających od 10 do 40 elektronów. Praca z większymi układami jest możliwa przy zastosowaniu metod takich jak teoria funkcjonałów gęstości (DFT, ang. Density Functional Theory). Obecnie trwają dyskusje czy te metody nadają się do odpowiedniego opisu złożonych reakcji chemicznych spotykanych np.: w biochemii. Duże cząsteczki można badać przybliżonymi metodami semiempirycznymi. Do jeszcze większych cząsteczek można stosować metody mechaniki klasycznej – tzw. metodę mechaniki molekularnej.

Teoria funkcjonału gęstości (DFT, ang. density functional theory) jest filarem szeregu metod kwantowo-mechanicznych, służących do modelowania struktury cząsteczek chemicznych lub kryształów. Metody te są alternatywą do metod opartych na funkcjach falowych.
Ładunek elektryczny ciała (lub układu ciał) – fundamentalna własność materii przejawiająca się w oddziaływaniu elektromagnetycznym ciał obdarzonych tym ładunkiem. Ciała obdarzone ładunkiem mają zdolność wytwarzania pola elektromagnetycznego oraz oddziaływania z tym polem. Oddziaływanie ładunku z polem elektromagnetycznym jest określone przez siłę Lorentza i jest jednym z oddziaływań podstawowych.

W chemii teoretycznej chemicy, fizycy i matematycy rozwijają algorytmy i tworzą programy komputerowe do przewidywania właściwości atomów i cząsteczek oraz ścieżek reakcji dla reakcji chemicznych. Chemicy obliczeniowcy używają istniejącego oprogramowania i metodologii do rozwiązywania określonych problemów chemicznych.

Jądro atomowe – centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądro stanowi niewielką część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do powstawania ogromnych ilości energii. Niewłaściwe ich wykorzystanie może stanowić zagrożenie dla środowiska.
Metody ab initio - metody obliczeniowe chemii kwantowej, które polegają na przybliżonym rozwiązywaniu równania Schrödingera (lub jego relatywistycznych odpowiedników w relatywistycznej chemii kwantowej) bez dopasowawania używanego modelu do danych eksperymentalnych. Jedynymi wartościami eksperymentalnymi uzywanymi w metodach ab initio są uniwersalne stałe fizyczne. Nazwa pochodzi od łacińskiego wyrażenia od początku. Termin ab initio został prawdopodobnie użyty po raz pierwszy w tym kontekście w 1950 roku .

Istnieją dwa różne aspekty chemii obliczeniowej:

Badania obliczeniowe można prowadzić w celu znalezienia punktu startowego dla syntez laboratoryjnych, lub aby ułatwić zrozumienie danych eksperymentalnych takich jak położenie pików w widmach spektroskopowych

Badania obliczeniowe można stosować do przewidywania możliwości istnienia nowych cząsteczek oraz badania mechanizmów reakcji, których nie daje się śledzić metodami eksperymentalnymi.

Stąd chemia obliczeniowa może towarzyszyć chemikowi eksperymentaliście przy poszukiwaniu nowych obiektów badawczych.

Spektroskopia Ramana (inaczej: spektroskopia ramanowska) - technika spektroskopowa polegająca na pomiarze promieniowania rozproszenia Ramana, tj. nieelastycznego rozpraszania fotonów.
Chemia (. Współcześnie wiadomo, że przemiany substancji wynikają z praw, według których atomy łączą się poprzez wiązania chemiczne w mniej lub bardziej trwałe związki chemiczne, a także praw według których wiązania pękają i tworzą się ponownie prowadząc do przemian jednych związków w drugie co jest nazywane reakcjami chemicznymi. Chemia zajmuje się także rozmaitymi własnościami substancji wynikającymi bezpośrednio z ich budowy atomowej.

W obrębie chemii obliczeniowej można wydzielić kilka obszarów:

Przewidywanie struktury cząsteczek przy pomocy symulacji, w których zmieniając położenia jąder w strukturze startowej poszukuje się punktu stacjonarnego na hiperpowierzchni energii potencjalnej. Punkt ten odpowiada (quasi-)równowagowej strukturze cząsteczki (minimum na powierzchni) lub stanowi przejściowemu reakcji (punkt siodłowy pierwszego rodzaju).

Składowanie i poszukiwanie danych o związkach chemicznych (chemiczne bazy danych)

Znajdowanie korelacji między strukturą chemiczną cząsteczek a ich właściwościami (QSPR i QSAR)

Metody obliczeniowe wspomagające syntezę chemiczną

Metody obliczeniowe do projektowania cząsteczek, które oddziałują w określony sposób z innymi cząsteczkami (np.: projektowanie leków)

Spektroskopia IR - rodzaj spektroskopii, w której stosuje się promieniowanie podczerwone. Najpowszechniej stosowaną techniką IR jest absorpcyjna spektroskopia IR, służąca do otrzymywania widm oscylacyjnych (choć w zakresie dalekiej podczerwieni obserwuje się także przejścia rotacyjne). Przy pomocy spektroskopii IR można ustalić jakie grupy funkcyjne obecne są w analizowanym związku.
Modelowanie molekularne – zbiór technik obliczeniowych, które służą do modelowania i przewidywania właściwości cząsteczek lub układów ponadcząsteczkowych.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)