Química Computacional

La química computacional es una rama de la química que utiliza computadoras para ayudar en la solución de problemas químicos. Utiliza los resultados de la química teórica, incorporados en eficiente programas de ordenador, para calcular las estructuras y propiedades de moléculas y sólidos. Aunque sus resultados normalmente complementan la información obtenida por medios químicos experimentos, que en algunos casos pueden predecir química hasta ahora no observada fenómenos. Es ampliamente utilizado en el diseño de nuevos fármacos y materiales.

Ejemplos de tales propiedades son la estructura (es decir, las posiciones esperadas de los átomos constituyentes), absoluta y (interacción) en relación energías , electrónica cobrar distribuciones, dipolos y mayor momentos multipolares, frecuencias vibratorias, reactividad o otros espectroscópicas cantidades, y secciones transversales para colisión con otras partículas.

La cubierta métodos empleados ambas situaciones estáticas y dinámicas. En todos los casos el tiempo de computadora y otros recursos (como la memoria y espacio en disco) aumentan rápidamente con el tamaño del sistema en estudio. Este sistema puede ser una sola molécula, un grupo de moléculas, o un sólido. Métodos de química computacional van desde muy precisa a muy aproximada; altamente métodos precisos son típicamente factible sólo para sistemas pequeños. Métodos ab initio se basan enteramente en la teoría de los primeros principios. Otros métodos (típicamente menos precisos) se llaman empírica o semi-empírica, ya que emplean los resultados experimentales, a menudo a partir de modelos aceptables de átomos o moléculas relacionadas, para aproximarse a algunos elementos de la teoría subyacente.

Tanto ab initio y métodos semi-empíricos implican aproximaciones. Estos van desde formas simplificadas de los primeros principios ecuaciones que son más fáciles o más rápido para resolver, a aproximaciones que limitan el tamaño del sistema (por ejemplo, Condiciones periódicas de contorno), a aproximaciones fundamentales a las ecuaciones fundamentales que se requieren para lograr cualquier solución a ellos en absoluto. Por ejemplo, la mayoría de los cálculos ab initio hacen la Aproximación de Born-Oppenheimer, lo que simplifica enormemente la subyacente Schroedinger ecuación mediante la congelación de los núcleos en su lugar durante el cálculo. En principio, métodos ab initio finalmente convergen a la solución exacta de las ecuaciones subyacentes como se reduce el número de aproximaciones. En la práctica, sin embargo, es imposible eliminar todas las aproximaciones, y el error residual permanece inevitablemente. El objetivo de la química computacional es reducir al mínimo este error residual, manteniendo los cálculos manejable.

Historia

Sobre la base de los descubrimientos fundadores y teorías en la historia de la mecánica cuántica, los primeros cálculos teóricos de la química fueron las de Walter Heitler y Fritz Londres en 1927. Los libros que influyeron en el desarrollo temprano de la química cuántica computacional incluyen: Linus Pauling y De E. Bright Wilson 1935 Introducción a la Mecánica Cuántica - con Aplicaciones a la Química, Eyring, Walter y 1944 Química Cuántica de Kimball, 1945 Mecánica Primaria Wave de Heitler - con aplicaciones de la Química Cuántica, y más tarde De Coulson 1952 libro de texto Valence, cada uno de los cuales sirve como referencias principales para los químicos en las décadas siguientes.

Con el desarrollo de eficiente equipo de tecnología en la década de 1940, las soluciones de elaborados ecuaciones de onda para complejos atómicos sistemas comenzaron a ser un objetivo realizable. A principios de la década de 1950, los primeros cálculos orbitales atómicos semi-empíricos se llevaron a cabo. Químicos teóricos se hicieron extensivos a los usuarios de los primeros computadores digitales. Una cuenta muy detallada de dicho uso en el Reino Unido se da por Smith y Sutcliffe. La primera ab initio Cálculos Hartree-Fock en las moléculas diatómicas se llevaron a cabo en 1956 en el MIT, utilizando una conjunto base de Orbitales de Slater. Para las moléculas diatómicas, un estudio sistemático usando un conjunto base mínima y el primer cálculo con una base más grande, establecido fueron publicados por Ransil y Nesbet respectivamente en 1960. Se llevaron a cabo los primeros cálculos poliatómicos utilizando orbitales gaussianos a finales de 1950. La primera cálculos de interacción de configuración se llevaron a cabo en Cambridge en el Computadora EDSAC en la década de 1950 el uso de Orbitales gaussianos por Los niños y los compañeros de trabajo. En 1971, cuando se publicó una bibliografía de cálculos ab initio, las moléculas más grandes se incluyeron naftaleno y azuleno. Los resúmenes de muchos acontecimientos anteriores en teoría ab initio han sido publicados por Schaefer.

En 1964, Cálculos del método Hückel (utilizando un sencillo combinación lineal del método de orbitales atómicos (LCAO) para la determinación de las energías de electrones de orbitales moleculares de electrones π conjugados en sistemas de hidrocarburos) de moléculas que varían en complejidad desde butadieno y benceno a ovaleno, fueron generados en los equipos de Berkeley y Oxford. Estos métodos empíricos fueron sustituidos en 1960 por métodos semi-empíricos como CNDO.

A principios del decenio de 1970, los programas informáticos eficientes ab initio como ATMOL, GAUSSIAN, IBMOL y POLYAYTOM, comenzaron a ser utilizados para acelerar cálculos ab initio de orbitales moleculares. De estos cuatro programas, sólo Gaussianos, ahora ampliado de forma masiva, se encuentra todavía en uso, pero muchos otros programas están ahora en uso. Al mismo tiempo, los métodos de mecánica molecular, tales como MM2, fueron desarrollados, principalmente por Norman Allinger.

Una de las primeras menciones del término "química computacional" se pueden encontrar en los 1,970 Computadoras de libros y su función en las Ciencias Físicas por Sidney Fernbach y Abraham Haskell Taub, donde afirman "Parece, por tanto, que« la química computacional 'can finalmente a ser más y más en una realidad ". Durante la década de 1970, ampliamente diferentes métodos comenzaron a ser vistos como parte de una nueva disciplina emergente de la química computacional. La Diario de Química Computacional se publicó por primera vez en 1980.

Conceptos

El término química teórica puede ser definida como una descripción matemática de la química, mientras que la química computacional se utiliza normalmente cuando un método matemático está suficientemente bien desarrollado que puede ser automatizado para la ejecución en un ordenador. Tenga en cuenta que las palabras exactas y perfectas no aparecen aquí, ya que muy pocos aspectos de la química se pueden calcular exactamente. Sin embargo, casi todos los aspectos de la química puede ser descrito en un esquema computacional cuantitativa cualitativa o aproximada.

Las moléculas constan de núcleos y electrones, por lo que los métodos de la mecánica cuántica se aplican. Químicos computacionales menudo intentan resolver el no relativista Ecuación de Schrödinger, con correcciones relativistas añadió, aunque se han hecho algunos progresos en la solución de la totalmente relativista Ecuación de Dirac. En principio, es posible resolver la ecuación de Schrödinger, ya sea en su tiempo-dependiente o independiente del tiempo forma, según sea apropiado para el problema en la mano; en la práctica, esto no es posible excepción de sistemas muy pequeños. Por lo tanto, un gran número de métodos aproximados se esfuerzan por lograr el mejor compromiso entre la precisión y el coste computacional. Precisión siempre se puede mejorar con mayor coste computacional. Los errores significativos se pueden presentar en ab initio modelos comprenden de muchos electrones, debido al costo computacional de métodos relativista incluido completos. Esto complica el estudio de moléculas que interactúan con altos átomos de unidad de masa atómica, tales como metales de transición y sus propiedades catalíticas. Algoritmos actuales en la química computacional pueden calcular de forma rutinaria las propiedades de las moléculas que contienen hasta alrededor de 40 electrones con suficiente precisión. Los errores de las energías pueden ser menos de unos pocos kJ / mol. Para geometrías, longitudes de enlace se pueden predecir en pocos picómetros y ángulos de enlace dentro de 0.5 grados. El tratamiento de las moléculas más grandes que contienen unas pocas docenas de electrones es computacionalmente tratable por métodos aproximados como teoría funcional de la densidad (DFT). Existe cierta controversia dentro del campo si los últimos métodos son suficientes para describir las reacciones químicas complejas, como las de la bioquímica. Las moléculas grandes pueden ser estudiados por métodos aproximados semi-empíricos. Incluso las moléculas más grandes son tratados por la mecánica clásica métodos que emplean lo que se llama mecánica molecular. En QM / métodos mm, pequeñas porciones de grandes complejos se tratan mecánica cuántica (QM), y el resto es tratado aproximadamente (MM).

En la química teórica, químicos, físicos y matemáticos desarrollan algoritmos y programas informáticos para predecir las propiedades atómicas y moleculares y caminos de reacción para reacciones químicas . Químicos computacionales, en cambio, simplemente se pueden aplicar programas de ordenador y metodologías existentes a las preguntas químicos específicos. Hay dos aspectos diferentes a la química computacional:

• Estudios computacionales pueden llevarse a cabo con el fin de encontrar un punto de partida para una síntesis de laboratorio, o para ayudar en la comprensión de los datos experimentales, tales como la posición y la fuente de picos espectroscópicos.
• Estudios computacionales se pueden utilizar para predecir la posibilidad de moléculas hasta ahora totalmente desconocidos o para explorar mecanismos de reacción que no se estudian fácilmente por medios experimentales.

Por lo tanto, la química computacional puede ayudar el químico experimental o puede desafiar el químico experimental para encontrar completamente nuevos objetos químicos.

Varias áreas principales se pueden distinguir dentro de la química computacional:

• La predicción de la estructura molecular de las moléculas por el uso de la simulación de las fuerzas, o métodos más precisos químicos cuánticos, para encontrar puntos estacionarios sobre la superficie de energía como la posición de los núcleos es variada.
• Almacenamiento y búsqueda de datos sobre entidades químicas (véase bases de datos químicos).
• La identificación de correlaciones entre estructuras y propiedades químicas (véase QSPR y QSAR).
• Enfoques computacionales para ayudar en la síntesis eficiente de los compuestos.
• Métodos computacionales para diseñar moléculas que interactúan de manera específica con otras moléculas (por ejemplo, el diseño de fármacos y la catálisis ).

Métodos

Una única fórmula molecular puede representar un número de isómeros moleculares. Cada isómero es un mínimo local en la superficie de energía (llamado potencial de la superficie de energía) creado a partir de la energía total (es decir, la energía electrónica, además de la energía de repulsión entre los núcleos) como una función de las coordenadas de todos los núcleos. Un punto estacionario es una geometría tal que la derivada de la energía con respecto a todos los desplazamientos de los núcleos es cero. A (energía) mínimo local es un punto estacionario en el que todos esos desplazamientos conducen a un aumento de energía. El mínimo local que es más bajo se llama el mínimo global y corresponde al isómero más estable. Si hay una coordenada particular el cambio que conduce a una disminución en la energía total en ambas direcciones, el punto estacionario es una estructura de transición y la coordenada es la coordenada de reacción. Este proceso de determinación de puntos estacionarios se llama optimización de la geometría.

La determinación de la estructura molecular por optimización de la geometría se convirtió en rutina sólo después de métodos eficientes para el cálculo de los primeros derivados de la energía con respecto a todas las coordenadas atómicas estuvieron disponibles. La evaluación de los segundos derivados relacionados permite la predicción de frecuencias de vibración si se estima un movimiento armónico. Más importante aún, permite la caracterización de puntos estacionarios. Las frecuencias están relacionadas con los valores propios de la matriz de Hesse, que contiene segunda derivados. Si los valores propios son positivos, entonces las frecuencias son reales y el punto estacionario es un mínimo local. Si un valor propio es negativo (es decir, una frecuencia imaginaria), entonces el punto estacionario es una estructura de transición. Si más de un valor propio es negativo, entonces el punto estacionario es una más compleja, y es por lo general de poco interés. Cuando se encuentra una de éstas, es necesario mover la búsqueda fuera de ella si el experimentador está mirando solamente para mínimos y en transición estructuras locales.

La energía total se determina por soluciones aproximadas de la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo, por lo general sin términos relativistas incluido, y haciendo uso de la Aproximación de Born-Oppenheimer, que permite la separación de los movimientos electrónicos y nucleares, simplificando de este modo la ecuación de Schrödinger. Esto conduce a la evaluación de la energía total como una suma de la energía electrónica en las posiciones de los núcleos fijos y la energía de repulsión de los núcleos. Una notable excepción son ciertos enfoques llama química cuántica directa, donde se tratan los electrones y núcleos en un pie común. Métodos funcionales de densidad y métodos semi-empíricos son variantes en el tema principal. Para sistemas muy grandes, las energías totales relativas se pueden comparar utilizando mecánica molecular. Las formas de determinar la energía total para predecir estructuras moleculares son:

Métodos ab initio

Los programas usados en la química computacional se basan en muchos diversos cuántico-químicas métodos que resuelven el molecular Ecuación de Schrödinger asociada a la Hamiltoniano molecular. Métodos que no incluyen los parámetros empíricos o semi-empíricos en sus ecuaciones - se derivan directamente de los principios teóricos, sin la inclusión de los datos experimentales - son llamados métodos ab initio. Esto no implica que la solución es una exacta uno; todos ellos son cálculos mecánicos cuánticos aproximados. Esto significa que una aproximación particular, rigurosamente definido en los primeros principios (teoría cuántica) y luego se resuelve dentro de un margen de error que se cualitativamente conoce de antemano. Si los métodos iterativos numéricos tienen que ser empleado, el objetivo es repetir hasta obtener precisión de la máquina completa (la mejor que es posible con una longitud de palabra finita en el equipo, y dentro de la matemática y / o aproximaciones físicas hicieron).

Diagrama que ilustra varios métodos ab initio de estructura electrónica en términos de energía. Separaciones no son a escala.

El tipo más sencillo de cálculo ab initio estructura electrónica es la Hartree-Fock (HF) esquema, una extensión de teoría de orbitales moleculares, en el que la repulsión electrón-electrón correlacionada no se toma en cuenta específicamente; sólo su efecto promedio está incluido en el cálculo. A medida que aumenta el tamaño del conjunto de base, la energía y la función de onda tienden hacia un límite llamado el límite de Hartree-Fock. Muchos tipos de cálculos (conocido como métodos post-Hartree-Fock) comienzan con un cálculo Hartree-Fock y posteriormente correctos para la repulsión electrón-electrón, que se refiere también como correlación electrónica. A medida que estos métodos son llevados al límite, se acercan a la solución exacta de la ecuación de Schrödinger no relativista. Con el fin de obtener el acuerdo exacto con el experimento, es necesario incluir relativista y términos órbita de giro, las cuales sólo son realmente importantes para los átomos pesados. En todos estos enfoques, además de la elección del método, es necesario escoger una base fija. Este es un conjunto de funciones, por lo general centrada en los diferentes átomos en la molécula, que se utilizan para ampliar los orbitales moleculares con el LCAO ansatz. Métodos ab initio necesitan definir un nivel de teoría (el método) y un conjunto base.

La función de onda Hartree-Fock es una sola configuración o determinante. En algunos casos, en particular para los procesos de ruptura de enlace, esto es totalmente insuficiente, y varios configuraciones deben ser utilizados. Aquí, los coeficientes de las configuraciones y los coeficientes de las funciones de base están optimizados juntos.

La energía molecular total se puede evaluar como una función de la geometría molecular; En otras palabras, la superficie de energía potencial. Dicha superficie se puede utilizar para la dinámica de reacción. Los puntos estacionarios de la superficie de plomo a las predicciones de diferentes isómeros y la estructuras de transición para la conversión entre isómeros, pero éstos se pueden determinar sin un conocimiento completo de la superficie total.

Un objetivo particularmente importante, llamado computacional termoquímica, es calcular cantidades termoquímicos como la entalpía de formación a la precisión química. Exactitud química es la precisión requerida para hacer predicciones realistas químicos y en general se considera que es 1 kcal / mol o 4 kJ / mol. Para llegar a que la precisión de una forma económica es necesario utilizar una serie de métodos de correos-Hartree-Fock y combinar los resultados. Estos métodos se llaman métodos compuestos química cuántica.

Métodos funcionales de la densidad

Teoría funcional métodos Densidad (DFT) a menudo se considera que ab initio métodos para la determinación de la estructura electrónica molecular, a pesar de que muchos de los más comunes funcionales utilizan parámetros derivados de los datos empíricos, o de más cálculos complejos. En DFT, la energía total se expresa en términos del total de uno densidad de electrones en lugar de la función de onda. En este tipo de cálculo, hay un aproximado Hamilton y una expresión aproximada para la densidad total de electrones. Métodos DFT pueden ser muy preciso para un bajo costo computacional. Algunos métodos se combinan el intercambio funcional de la densidad funcional con el término de intercambio Hartree-Fock y se conocen como métodos funcionales híbridos.

Métodos semi-empíricos y empíricos

Semi-empíricos de la química cuántica métodos se basan en el Hartree-Fock formalismo, pero hacen muchas aproximaciones y obtener algunos parámetros a partir de datos empíricos. Son muy importantes en química computacional para el tratamiento de grandes moléculas donde el método completo de Hartree-Fock sin las aproximaciones es demasiado caro. El uso de parámetros empíricos parece permitir una cierta inclusión de los efectos de correlación en los métodos.

Métodos semi-empíricos siguen lo que a menudo son llamados métodos empíricos, donde la parte de dos electrones de la Hamilton no se incluye de forma explícita. Para los sistemas π-electrones, este fue el Método de Hückel propuesto por Erich Hückel, y para todos los sistemas de electrones de valencia, la Método de Hückel extendido propuesto por Roald Hoffmann.

Mecánica molecular

En muchos casos, los grandes sistemas moleculares pueden ser modeladas con éxito evitando al mismo tiempo los cálculos de mecánica cuántica por completo. Simulaciones de mecánica molecular, por ejemplo, utilizan una sola expresión clásica de la energía de un compuesto, por ejemplo, el oscilador armónico. Todas las constantes que aparecen en las ecuaciones se deben obtener de antemano a partir de datos experimentales o cálculos ab initio.

La base de datos de compuestos utilizados para la parametrización, es decir, se llama el conjunto resultante de parámetros y funciones de la campo de fuerza, es crucial para el éxito de cálculos de mecánica molecular. Un campo de fuerza parametrizado en contra de una clase específica de moléculas, por ejemplo proteínas, se esperaría que sólo tener ninguna relevancia cuando se describen otras moléculas de la misma clase.

Estos métodos se pueden aplicar a proteínas y otras moléculas biológicas grandes, y permiten estudios del enfoque y la interacción (acoplamiento) de moléculas de fármacos potenciales (por ejemplo. y ).

Métodos para sólidos

Métodos químicos computacionales se pueden aplicar a problemas de la física del estado sólido. La estructura electrónica de un cristal es en general descrito por una estructura de bandas, que define las energías de los orbitales de electrones para cada punto en el Zona de Brillouin. Ab initio y cálculos semi-empíricos producen energías orbitales, por lo tanto, se pueden aplicar a los cálculos de estructura de bandas. Ya que es mucho tiempo para calcular la energía de una molécula, es incluso más tiempo para su cálculo para toda la lista de puntos de la zona de Brillouin.

Chemical Dynamics

Una vez que la electrónica y las variables nucleares son separado (dentro de la representación Born-Oppenheimer), en el enfoque dependiente del tiempo, la paquete de onda correspondiente a la nuclear grados de libertad se propaga a través de la evolución temporal operador (física) asociado a la dependiente del tiempo Ecuación de Schrödinger (para el pleno Hamiltoniano molecular). En el enfoque complementario dependiente de energía, el tiempo-independiente Ecuación de Schrödinger se resuelve mediante el teoría de la dispersión formalismo. El potencial que representa la interacción interatómica está dada por la superficies potenciales de energía. En general, la superficies de energía potencial se acoplan a través de la términos de acoplamiento vibrónicas.

Los métodos más populares para la propagación de la paquete de onda asociada a la geometría molecular son

• la la técnica del operador de división,
• la Método Hartree Multi-Configuración dependiente del tiempo (MCTDH),
• la método semiclásico.

La dinámica molecular (MD) examina (usando las leyes del movimiento de Newton ) el comportamiento dependiente del tiempo de sistemas, incluyendo vibraciones o movimiento browniano, utilizando una descripción mecánica clásica. MD combinado con la teoría funcional de la densidad conduce a la Método Car-Parrinello.

Interpretación de las funciones de onda moleculares

La Los átomos en moléculas modelo desarrollado por Richard Bader fue desarrollado con el fin de vincular eficazmente la imagen de la mecánica cuántica de una molécula, como una función de onda electrónica, modelos de utilidad químicamente más antiguos, como la teoría de Pares de Lewis y la modelo de enlace de valencia. Bader ha demostrado que estos modelos empíricamente útiles están conectados con la topología de la densidad de carga cuántica. Este método mejora en el uso de Análisis de la población de Mulliken.

Los paquetes de software

Hay muchos autosuficiente paquetes de software utilizados por los químicos computacionales. Algunos incluyen muchos métodos que abarcan una amplia gama, mientras que otros se concentra en una gama muy específico o incluso un solo método. Los detalles de la mayoría de ellos se pueden encontrar en:

• Programas informáticos de química cuántica que apoyan varios métodos.
• Programas de la teoría funcional de la densidad.
• Programas de mecánica molecular.
• Programas semi-empíricos.
• Programas sólidos sistemas estatales con condiciones de frontera periódicas.
• Programas Valence Bond.