Рачунарска хемија

Рачунарска хемија је грана хемије која доприноси решавању хемијских проблема користећи принципе рачунарства. Она користи резултате теоретске хемије, инкорпорисане у ефикасне компјутерске програме, да прорачуна хемијске структуре, и особине молекула. Мада њени резултати често служе као допуна експерименталним подацима, постоје ситуације у којима она предвиђа немерљиве феномене. Рачунарска хемија је у широкој употреби у дизајну нових лекова и материјала.

Примери хемијских особина који се могу прорачунати су структура (очекиване позиције конститутивних атома), апсолутна и релативна (интеракциона) енергија, дистрибуција набоја електрона, диполни и виши мулти-полни моменти, вибрационе фреквенције, реактивност, и друге спектроскопске величине.

Рачунарска хемија обухвата методе који покривају статичке и динамичке ситуације. Независно од области рачунарско време и други ресурси (као што су меморија и простор на диску) расту брзо са повећањем величине студираног система. Систем може бити један молекул, група молекула, или део чврста фаза. Методи рачунске хемије иду од веома прецизних до веома грубих. Веома прецизни методи су типично подесни само за мале системе. Аб инитио методи су базирани потпуно на теорији првих принципа. Други (типично мање прецизни) методи се називају емпиријски и полу-емпиријски. Њихова имена указују да они користе експерименталне податке. Ти подаци су обично узети из прихватљивих модела атома или сродних молекула, да би се симулирали неки елементи основне теорије.

Оба приступа, аб инитио и полу-емпиријски се до неке мере ослањају на апроксимације. Оне се крећу од поједностављених облика једначина првих принципа (да би се лакше или брже решавале), до апроксимација за ограничавање величине система (на пример услови периодичних граница), до фундаменталних апроксимација потпорних једначина које су неопходне за њихово решавање. На пример, већина аб инитио прорачуна користи Борн-Опенхајмерову апроксимацију, која значајно поједностављује Шредингерову једначину замрзавајући нуклеусе у месту у току прорачуна. У принципу Аб инитио методи коначно конвергирају ка тачном решењу једначине кад год је број апроксимација минималан. У пракси, није могуће елиминисати све апроксимације, и резидуална грешка увек остаје. Циљ рачунске хемије је да смањи резидуалну грешку, а истовремено задржи обим прорачуна у неких прихватљивим границама.

У неким случајевима, детаљи електронске структуре су мање вазни него понашање молекула у дугорочном фазном простору. То је случај у конформацијским студијама протеина и термодинамике протеин-лиганд везивања. Класичне апроксимације површине потенцијалне енергије се користе јер су оне мање рачунски интензивне него електронске калкулације. То је неопходно да би се омогућиле дуготрајније симулације молекулске динамике. Поред тога, хеминформатика користи још више емпиријске (и рачунски доступније) методе као што су модели физичко-хемијских особина базирани на машинском учењу. Један типичан хеминформатички проблем је предвиђање везивног афинитета молекула лека ка његовом биолошком циљу.

Концепти

Термин теоретска хемија се може дефинисати као математички опис хемије, док се термин рачунска хемија обично користи кад је математички метод довољно развијен да се може аутоматизовати за имплементацију на рачунару. Обратите пажњу да се речи тачан и перфектан не појављују овде, јер се веома мало хемијских аспеката може тачно прорачунати. У контрасту с тим, скоро сви хемијски аспекти се могу описати квалитативним или приближно квантитативним рачунским приступом.

Молекули се састоје оф нуклеуса и електрона, тако да су методи квантне хемије применљиви. Рачунарски хемичари се често баве решавањем нон-релативистичке поједностављене Шредингерове једначине, са додатим релативистичким корелацијама, мада је одређени прогрес направљен у решавању пуне релативистичке Диракове једначине. У принципу могуће је решити Шредингерове једначину било у њеној временски-зависном или временски независном облику, у зависности од студираног проблема, међутим у пракси то није могуће осим за веома мале системе. Отуда, велики број приближних метода тежи ка достизању најбољег компромиса између прецизности и рачунског трошка. Значајне грешке се могу појавити у аб инитио моделима који се састоје оф многих електрона, као последица рачунарских трошкова пуних релативистички-укључивих метода. То компликује студирање молекула који имају интеракције са атомима велике атомске масе, као што су транзициони метали и њихове каталитичке особине. Садашњи алгоритми у рачунарској хемији могу рутински и са задовољавајућом прецизношћу рачунати особине молекула који садрже до око 40 електрона. Грешке енергија могу бити мање од неколико кЈ/мол. У геометријским прорачунима, дужине веза се могу предвидети унутар неколико пико метара, и углови веза унутар 0.5 степени. Третман већих молекула који садрже неколико десетина електрона је рачунски обрадив користећи приближне методе као што је ДФТ (енгл. density functional theory). Постоји одређена доза несагласности по питању способности ових приближних метода да опишу комплексне хемијских реакције, као што су биохемијске реакције. Велики молекули се могу студирати полу-емпиријским методима. Веома велики молекули се третирају методима молекуларне механике. Ин –{QМ/MM}- методима, мали делови великих комплекса се третирају квантно механистички (QМ), а остатак се третира приближно (MM).

У теоретској хемији, хемичари, физичари и математичари развијају алгоритме и рачунарске програме да предвиде атомске и молекулске особине, и реакционе путеве хемијских реакција. Рачунарски хемичари, у контрасту, једноставно примењују постојеће рачунарске програме и методологије на специфична хемијска питања. Постоје два различита аспекта рачунарске хемије:

• Рачунарске студије се могу спроводити да би се нашла почетна тачка за лабораторијску синтезу, или да би се развило боље разумевање експерименталних података, као што су позиција и извор спектроскопских врхова.
• Рачунарске студије се могу користити да предвиде могућност постојања потпуно непознатих молекула, или да истраже реакциони механизми које није лако студирати експерименталним путем.

Одатле произилази да рачунарска хемија може асистирати експерименталном хемичару, али она може и подстицати експерименталног хемичара да пронађе потпуно нове хемијске објекте.

Неколико главних области се може разликовати унутар рачунарске хемије:

• Предвиђање молекуларних структура користећи симулацију сила, или прецизније квантно механичким методима, да би се нашле стационарне тачке на енергетским површинама.
• Складиштење и претрага података о хемијским ентитетима (погледај хеминформатика).
• Идентификација корелација између хемијских структура и њихових особина (погледај QСОР и QСАР).
• Рачунски приступи за помоћ у ефикасној синтези једињења.
• Рачунски приступи за дизајн молекула који имају специфичне интеракције са другим молекулима (на пример дизајн лекова и катализа).

Софтверски пакети

Рачунски хемичари користи велики број само-довољних софтверских пакета. Неки од њих подржавају широк опсег метода, док се други концентришу на специфичној групи или чак једном методу. Детаљи о већини тих пакета су доступни са:

• Софтвер за квантну хемију и физику чврстог стања
• Молекуларно механички програми
• Софтвер за молекуларни дизајн

Види још

• Математичка хемија
• Молекуларно моделовање
• Молекуларна механика
• Молекуларна графика
• Монте Карло молекуларно моделовање
• Квантна хемија
• Базни скуп (хемија)
• Молекуларно моделовање на ГПУ
• Молекуларна динамика
• Протеин динамика
• Биоинформатика
• Хеминформатика
• Листа важних публикација у хемији
• Интернационална Академија Квантне Молекулске Науке
• Научно рачунарство
• Статистичка механика
• Молекули
• Поље сила (хемија)
• Хемијска динамика

Специјализовани журнали о рачунарској хемији

• Ревиеwс ин Цомпутатионал Цхемистрy
• Јоурнал оф Цомпутатионал Цхемистрy
• Јоурнал оф Цхемицал Информатион анд Моделинг
• Јоурнал оф Цомпутер-аидед Молецулар Десигн
• Јоурнал оф Цхемицал Информатион анд Моделинг
• Јоурнал оф Цхемицал Тхеорy анд Цомпутатион
• Цомпутатионал анд Тхеоретицал Полyмер Сциенце
• Цомпутатионал анд Тхеоретицал Цхемистрy
• Јоурнал оф Тхеоретицал анд Цомпутатионал Цхемистрy
• Јоурнал оф Цхеминформатицс
• Јоурнал оф Цомпутер Цхемистрy Јапан
• Аннуал Репортс ин Цомпутатионал Цхемистрy
• Цомпутерс & Цхемицал Енгинееринг
• Јоурнал оф Цхемицал Софтwаре
• Молецулар Информатицс
• Јоурнал оф Цомпутер Аидед Цхемистрy
• Тхеоретицал Цхемистрy Аццоунтс

Литература

• Рогерс, D. (2003). Цомпутатионал Цхемистрy Усинг тхе ПЦ, 3рд Едитион. Јохн Wилеy & Сонс. 
• Давид Yоунг'с. Интродуцтион то Цомпутатионал Цхемистрy. 
• Дронскоwски, Р. (2005). Цомпутатионал Цхемистрy оф Солид Стате Материалс. Wилеy-ВЦХ. 
• Цларк, Т. (1985). А Хандбоок оф Цомпутатионал Цхемистрy. Неw Yорк: Wилеy. 
• Паул вон Рагуé Сцхлеyе, ур. (1998). Енцyцлопедиа оф Цомпутатионал Цхемистрy. Wилеy. ИСБН 978-0-471-96588-6. Архивирано из оригинала 02. 05. 2015. г. Приступљено 10. 03. 2010. 
• Црамер, Цхристопхер Ј. (2002). Ессентиалс оф Цомпутатионал Цхемистрy. Јохн Wилеy & Сонс. 
• А.К. Хартманн, Працтицал Гуиде то Цомпутер Симулатионс, Wорлд Сциентифиц (2009)
• Ф. Јенсен Интродуцтион то Цомпутатионал Цхемистрy, Јохн Wилеy & Сонс (1999).
• К.I. Рамацхандран, Г Деепа анд Крисхнан Намбоори. П.К. Цомпутатионал Цхемистрy анд Молецулар Моделинг Принциплес анд апплицатионс Спрингер-Верлаг ГмбХ. ISBN 978-3-540-77302-3..
• D. Схеррилл. Нотес он Qуантум Мецханицс анд Цомпутатионал Цхемистрy.
• Ј. Симонс Ан интродуцтион то Тхеоретицал Цхемистрy, Цамбридге. 2003. ISBN 978-0-521-53047-7..
• А. Сзабо, Н.С. Остлунд, Модерн Qуантум Цхемистрy, МцГраw-Хилл (1982).
• D. Yоунг Цомпутатионал Цхемистрy: А Працтицал Гуиде фор Апплyинг Тецхниqуес то Реал Wорлд Проблемс, Јохн Wилеy & Сонс (2001).
• Леwарс, Еррол Г. (2011). Цомпутатионал Цхемистрy. Хеиделберг: Спрингер. ИСБН 978-90-481-3860-9. дои:10.1007/978-90-481-3862-3. 

Спољашње везе

• NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark DataBase - Contains a database of thousands of computational and experimental results for hundreds of systems
• American Chemical Society Division of Computers in Chemistry - American Chemical Society Computers in Chemistry Division, resources for grants, awards, contacts and meetings.
• CSTB report Mathematical Research in Materials Science: Opportunities and Perspectives - CSTB Report
• 3.320 Atomistic Computer Modeling of Materials (SMA 5107) Free MIT Course
• Chem 4021/8021 Computational Chemistry Free University of Minnesota Course
• -{Тецхнологy Роадмап фор Цомпутатионал Цхемистрy
• Апплицатионс оф молецулар анд материалс моделлинг.
• Импацт оф Адванцес ин Цомпутинг анд Цоммуницатионс Тецхнологиес он Цхемицал Сциенце анд Тецхнологy ЦСТБ Репорт
• MD анд Цомпутатионал Цхемистрy апплицатионс он ГПУс