О методах изучения химических реакций, проектировании новых материалов и квантовой химии



© Рудольф Паризер перед доской с квантовыми вычислениями рассматривает молекулярную модель, 1950 год. ELISE communications / The Hagley Museum and Library

Молекулярное моделирование используется в двух базовых плоскостях. Во-первых, это использование различных теоретических методов для рационализации имеющихся экспериментальных явлений и данных о структуре и реакциях химических веществ, а также энергий процессов, связанных с ассоциацией или диссоциацией атомов, ионов и молекул. Детальное сравнение расчетных данных с экспериментальными дает объективную критическую оценку используемого теоретического инструмента. Во-вторых, аттестованные таким образом расчетные методы используются для предсказания молекулярных и кристаллических структур химических соединений, что служит основой для проектирования и синтеза новых биологически активных соединений и материалов.

Основные этапы развития молекулярного моделирования

а) Квантово-химические методы (неэмпирические методы, ab initio). Создание квантовой химии на основе квантовой механики является одной из вех в науке ХХ века. В настоящее время квантовая механика является наиболее общей и хорошо обоснованной теорией структуры химических соединений. Применение квантовой механики к молекулярным расчетам (квантово-химические расчеты) основано на решении уравнения Шредингера (Нобелевская премия по физике 1933 года), которое он вывел в 1925 году. Ключевым составляющим уравнения является волновая функция, описывающая состояние атома. Точное решение уравнения Шредингера возможно лишь для атома водорода. Для других систем уравнение решается приближенно. Основным используемым методом приближенного решения данного уравнения является метод самосогласованного поля Хартри — Фока — Рутана. Следующим важным этапом развития квантово-химических расчетов является создание теории функционала плотности Коном и Поплом в 1964 году (Нобелевская премия по химии 1998 года). Авторы метода теоретически обосновали возможность расчета электронной структуры молекул без решения полного уравнения Шредингера и показали, что общая энергия системы может быть выражена с помощью распределения ее электронной плотности. Несмотря на то, что современные методы квантовой химии признаны инструментом, равным экспериментальным или аналитическим методам, из-за их ресурсоемкости сегодня они могут быть строго применимы только к небольшим системам.

б) Полуэмпирические методы. Развитие данных методов происходило с 1950-х годов и связано в первую очередь с большой ресурсоемкостью квантово-химических расчетов. Основной вклад в развитие полуэмпирических методов внесли такие ученые, как Парр, Попл и Дьюар. Полуэмпирические методы содержат существенные упрощения в квантово-химической интерпретации взаимодействий ядер атомов и электронов, а также включают в себя параметры, полученные экспериментальным путем — например, из спектроскопии или при определении потенциала ионизации из различных электронных состояний. Результаты применения полуэмпирических методов сильно зависят от исследуемой молекулярной системы.

в) Молекулярная механика (ММ) и молекулярная динамика (МД). Аллинжер начал развивать метод молекулярной механики с 1960-х годов. В расчетах MM молекула рассматривается как расширенная механическая модель, состоящая из набора точечных масс, находящихся в поле сил, представленном набором потенциалов. Слагаемые силового поля ММ включают в себя элементы, отвечающие за равновесные величины длин связей, валентных и торсионных углов, а также кулоновские заряды на атомах и дисперсионные взаимодействия Ван-дер-Ваальса. ММ полностью эмпирический метод, поскольку в компонентах силового поля используются экспериментально определенные наборы параметров. Сейчас существует множество различных силовых полей. Некоторые экспериментально недоступные параметры для силовых полей получают из квантово-химических расчетов. Вне зависимости от используемых параметров ММ неплохо воспроизводит экспериментальные структурные данные для молекул малого и среднего размеров, а также энергетические профили вращения вокруг валентных связей.

МД представляет собой комбинацию силового поля ММ и классических ньютоновских законов динамики. В отличие от статических моделей всех перечисленных выше методов преимущество МД состоит в том, что появляется возможность анализировать эволюцию молекулярной системы на определенном отрезке времени. Важно подчеркнуть, что результаты расчетов в ММ и МД энергий межмолекулярных взаимодействий, являющихся наиболее важной задачей современного молекулярного моделирования, очень сильно зависят от выбора силового поля.

г) Комбинированные методы. При анализе больших молекулярных ансамблей часто приходится искать компромисс между ресурсоемкостью и качеством расчетного метода. В процессе такого поиска исследователи пришли к ряду нестандартных решений, сочетающих в одной модели два и более расчетных метода. Например, в 1990-х Морокума впервые предложил применять для расчета молекулярной системы «многослойную» квантово-химическо-молекулярно-механическую модель. В его модели различные части («слои») системы анализируются разными уровнями теории, именуемыми базисными наборами — большими для наиболее интересующей части системы и малыми для периферических, принятых как менее важных частей молекулярного ансамбля. Сейчас можно найти много публикаций, в которых авторы самым разнообразным образом комбинируют квантово-химическую теорию с молекулярной динамикой. Например, заряды на атомах молекулы рассчитывают с помощью надежного квантово-химического базисного набора, а затем полученные заряды используют в МД. Уже есть большое число примеров, демонстрирующих, что грамотное использование подобных комбинаций расчетных методов позволяет воспроизводить экспериментальные данные с высокой степенью надежности.

Перспективы развития молекулярного моделирования

Учитывая тот факт, что квантово-химическая модель является самым достоверным описанием любой молекулярной системы, развитие молекулярного моделирования связано в первую очередь с развитием вычислительной техники. Как указано выше, сейчас наблюдается активная тенденция разработки и использования самых разнообразных комбинированных методов для расчетов больших молекулярных систем. Есть все основания полагать, что она сохранится в ближайшее десятилетие. Помимо разработок и комбинаций известных расчетных инструментов разрабатываются и будут совершенствоваться новые алгоритмы использования квантово-химического аппарата для анализа в первую очередь межмолекулярных взаимодействий, являющихся сутью для дизайна биоактивных молекул и материалов. Примером таких алгоритмов является разработанный недавно пиксельный метод, успешно предсказывающий когезионные энергии кристаллических структур, а также эволюционные алгоритмы предсказания кристаллических структур и свойств материалов.

Олег Лукин
Ph. D., Institute of Organic Chemistry, Polish Academy of Sciences, Senior Research Scientist, Skolkovo Institute of Science and Technology

Источник: postnauka.ru