Кіріспе
Химияның саласы. Есептеу химиясы – химиялық мәселелерді шешуге көмектесу үшін компьютерлік модельдеуді пайдаланатын химияның бір саласы. Ол молекулалардың, молекулалардың топтарының және қатты денелердің құрылымын және қасиеттерін есептеу үшін компьютерлік бағдарламаларға енгізілген теориялық химия әдістерін қолданады. Бұл пәннің маңыздылығы сонда, сутегі молекулалық ионы (сутегі катионы) туралы жақында ғана жасалған кейбір жаңалықтарды есептемегенде, химиялық жүйелерді дәл кванттық-механикалық тұрғыдан талдау арқылы немесе жабық түрде сипаттау мүмкін емес. Көп денелік проблеманың күрделілігі кванттық-механикалық жүйелерді толық сипаттау қиындығын арттырады. Есептеу нәтижелері әдетте химиялық тәжірибелерден алынған мәліметтерді толықтырса, кейде олар көрінбеген химиялық құбылыстарды болжауға мүмкіндік береді.
Computational chemistry is a branch of chemistry that uses computer simulations to assist in solving chemical problems. It uses methods of theoretical chemistry incorporated into computer programs to calculate the structures and properties of molecules, groups of molecules, and solids. The importance of this subject stems from the fact that, with the exception of some relatively recent findings related to the hydrogen molecular ion (dihydrogen cation), achieving an accurate quantum mechanical depiction of chemical systems analytically, or in a closed form, is not feasible. The complexity inherent in the many body problem exacerbates the challenge of providing detailed descriptions of quantum mechanical systems. While computational results normally complement information obtained by chemical experiments, it can occasionally predict unobserved chemical phenomena.
Қолданбалар
Есептеу химиясының бірнеше саласы бар. Молекулалардың молекулалық құрылымын күштерді модельдеу немесе дәлірек кванттық-химиялық әдістерді қолдану арқылы болжау, ядролардың орны өзгерген кезде энергия бетіндегі тұрақты нүктелерді табу. Химиялық бірлестіктер туралы деректерді сақтау және іздеу (химиялық деректер базасына қараңыз). Химиялық құрылымдар мен қасиеттері арасындағы байланысты анықтау (көптік құрылым-қасиет қатынасы (QSPR) және көптік құрылым-белсенділік қатынасы (QSAR) қараңыз). Қосылыстарды тиімді синтездеуге көмектесетін есептеу тәсілдері. Басқа молекулалармен белгілі бір тәсілмен өзара әрекеттесетін молекулаларды жобалауға бағытталған есептеу тәсілдері (мысалы, дәрі-дәрмектерді жобалау және катализ). Бұл салалар төменде көрсетілгендей бірнеше қолданысқа мүмкіндік береді.
Катализа
Есептеу химиясы – тәжірибелер жүргізбей каталитикалық жүйелерді талдауға мүмкіндік беретін құрал. Қазіргі заманғы электрондық құрылым теориясы және тығыздық функционалдық теориясы ғалымдарға катализаторларды ашуға және түсінуге жағдай жасады. Есептеу зерттеулері теориялық химияны катализ саласындағы зерттеулерге қолданады. Тығыздық функционалдық теориясының әдістері молекулалардың энергиясын және орбиталдарын есептеу арқылы олардың құрылымдарының модельдерін құрастырады. Осы әдістерді пайдалана отырып, ғалымдар активация энергиясы, реакциялық орынның белсенділігі және басқа термодинамикалық қасиеттер сияқты шамаларды болжауға болады. Тығыздық функционалдық теориясы сияқты әдістер дәрілік молекулаларды модельдеуге және олардың қасиеттерін анықтауға, мысалы, олардың HOMO және LUMO энергияларын, молекулалық орбиталдарын табуға қолданылады. Компьютерлік химияшылар компанияларға информатика, инфрақұрылымды дамыту және жаңа дәрілерді әзірлеуде де көмектеседі. Дәрілік заттарды синтездеуден басқа, есептеу химиясы наноматериалдар негізіндегі дәрі жеткізушілерді де зерттейді. Бұл ғалымдарға дәрілік заттардың тиімділігі мен тұрақтылығын бағалау үшін олардың қоршаған ортадағы жағдайын модельдеуге мүмкіндік береді. Судың осы наноматериалдармен өзара әрекеттесуін түсіну материалдың адам организміндегі тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Осындай есептеулік модельдеулер ғалымдарға материалды оңтайландыруға, оларды жасамас бұрын наноматериалдарды ең тиімді құрылымдау жолын табуға көмектеседі.
Бөлшек оператордың техникасы
Есептеу әдісі кванттық теңдеулерді қалай шешетіні, әдістің дәлдігі мен тиімділігіне әсер етеді. Бөлінген оператор әдісі – дифференциалдық теңдеулерді шешудің осы әдістерінің бірі. Есептеу химиясында бөлінген оператор әдісі химиялық жүйелерді модельдеудің есептеу шығындарын азайтады. Есептеу шығындары – компьютерлерге осы химиялық жүйелерді есептеу үшін кеткен уақыт, себебі күрделі жүйелерге бірнеше күн уақыт қажет болуы мүмкін. Кванттық жүйелерді адамдар үшін шешу қиын және көп уақытты алады. Бөлінген оператор әдістері компьютерлерге кванттық дифференциалдық теңдеудегі шағын мәселелерді шешу арқылы осы жүйелерді жылдам есептеуге көмектеседі. Бұл әдіс дифференциалдық теңдеуді екі немесе одан да көп оператор болған жағдайдағыдай екі бөлек теңдеуге бөлу арқылы жұмыс істейді. Шешілгеннен кейін, бөлінген теңдеулер қайтадан бір теңдеуге біріктіріліп, есептеуге оңай шешім шығарылады.
Жартылай эмпирикалық әдістер
Жартылай эмпирикалық кванттық химия әдістері Хартри-Фок әдісінің формализміне негізделген, бірақ көптеген жуықтаулар жасайды және кейбір параметрлерді эмпирикалық деректерден алады. Олар 60-90 жылдар аралығындағы есептеу химиясында өте маңызды болды, әсіресе ірі молекулаларды қарастыру үшін, онда толық Хартри-Фок әдісі жуықтауларсыз тым қымбатқа түсетін. Эмпирикалық параметрлерді пайдалану әдістерге корреляциялық эффектілерді қамтуға мүмкіндік береді. Алғашқы жартылай эмпирикалық әдістер одан да ертерек жасалған, онда гамильтонианның екі электрондық бөлігі тікелей ескерілмейді. π электрондық жүйелер үшін бұл Эрих Гюкель ұсынған Гюкель әдісі болса, ал барлық валенттік электрондық жүйелер үшін Роалд Хоффман ұсынған кеңейтілген Гюкель әдісі болды. Кейде Гюкель әдістері "толық эмпирикалық" деп аталады, себебі олар гамильтонианнан туындамайды. Алайда, "эмпирикалық әдістер" немесе "эмпирикалық күш өрістері" термині көбінесе молекулалық механиканы сипаттау үшін қолданылады.
Молекулалық механика
Көп жағдайда үлкен молекулалық жүйелерді кванттық механикалық есептеулерді қажет етпестен сәтті модельдеуге болады. Молекулалық механикалық модельдеу, мысалы, бір заттың энергиясын сипаттау үшін классикалық өрнек қолданады, мысалы, гармоникалық осциллятор. Теңдеулерде пайда болатын барлық тұрақтылар бұрыннан тәжірибелік деректерден немесе ab initio есептеулерден алынуы керек.
Молекулалық динамика
Молекулалық динамика (МД) жүйелердің уақытқа тәуелді мінез-құлқын зерттеу үшін күштерді есептеу үшін кванттық механиканы, молекулалық механиканы немесе екеуінің қосындысын пайдаланады. Молекулалық динамика симуляциясының нәтижесі – уақыт өте келе бөлшектердің орны мен жылдамдығының өзгеруін сипаттайтын траектория. Жүйенің барлық бөлшектерінің алдыңғы уақыт нүктесіндегі координаттары мен импульстары жүйенің фазалық нүктесін анықтайды, ал Ньютонның қозғалыс заңдарын интеграциялау арқылы келесі фазалық нүкте анықталады.
Монте-Карло
Монте-Карло (MC) жүйенің конфигурацияларын оның бөлшектерінің орналасуын, қажет болған жағдайда олардың бағыттары мен конформацияларын кездейсоқ өзгерту арқылы құрайды. Бұл маңыздылығы бағаланатын іріктеу әдісі, яғни, маңыздылық іріктеуін қолданады. Маңыздылық іріктеу әдістері төмен энергиялық күйлерді жасауға мүмкіндік береді, бұл қасиеттерді дәл есептеуге жағдай жасайды. Атомдардың орналасуынан жүйенің әрбір конфигурациясының потенциалдық энергиясын және басқа да қасиеттердің шамаларын есептеуге болады.
Кванттық механика/молекулалық механика (QM/MM)
КВМ/ММ – кванттық механиканың қатесіздігін молекулалық механиканың жылдамдығымен үйлестіруге бағытталған гибридтік әдіс. Бұл ферменттер сияқты өте ірі молекулаларды модельдеуге көмектеседі.
Кванттық есептеу химиясы
Кванттық есептеу химиясы химиялық жүйелерді модельдеу үшін кванттық есептеуді пайдалануға бағытталған, бұл QM/MM (кванттық механика/молекулалық механика) тәсілінен өзгеше. QM/MM гибридтік тәсілді қолданып, жүйенің бір бөлігі үшін кванттық механиканы, ал қалғаны үшін классикалық механиканы біріктіреді, ал кванттық есептеу химиясы ақпаратты көрсету және өңдеу үшін тек кванттық есептеу әдістерін қолданады, мысалы, Гамильтон операторларын. Конвенциялық есептеу химиясы әдістері күрделі кванттық механикалық теңдеулермен күреседі, әсіресе кванттық жүйенің толқындық функциясының экспоненциалды өсуіне байланысты. Кванттық есептеу химиясы осы қиындықтарды кванттық есептеу әдістерін қолдана отырып шешеді, мысалы, кубиттеу және кванттық фазалық бағалау, олардың масштабталатын шешімдер ұсынатынына сенім бар. Кубиттеу кванттық компьютерлерде тиімді өңдеу үшін Гамильтон операторын бейімдеуді қамтиды, бұл модельдеудің тиімділігін арттырады. Кванттық фазалық бағалау, кванттық жүйенің мінез-құлқын түсіну үшін маңызды энергияның өзіндік күйлерін дәл анықтауға көмектеседі. Бұл техникалар есептеу химиясы саласында, әсіресе химиялық жүйелерді модельдеуде үлкен жетістіктерге әкелсе де, технологиялық шектеулерге байланысты олардың практикалық қолданылуы қазіргі уақытта көбінесе кіші жүйелермен шектелген. Дегенмен, бұл жетістіктер кванттық химияның дәл және ресурстарды тиімді пайдаланатын модельдеуін жүзеге асыруға маңызды қадам болуы мүмкін. Кванттық химияда, әсіресе, күрделілік жүйедегі электрондар санының артуымен бірге экспоненциалды түрде өседі. Бұл экспоненциалды өсу үлкен немесе күрделі жүйелерді дәл модельдеудің маңызды кедергісі болып табылады. Екі саланың да жетілдірілген алгоритмдері дәлдікті есептеу тиімділігімен теңестіруге тырысады. Мысалы, молекулалық динамикада (MD) Верле интеграциясы немесе Биман алгоритмі сияқты әдістер олардың есептеу тиімділігі үшін қолданылады. Кванттық химияда ірі биомолекулалық жүйелерді шешу үшін әртүрлі есептеу тәсілдерін (мысалы, QM/MM) біріктіретін гибридтік әдістер жиі қолданылады.
Алгоритмдік күрделілік мысалдары
Келесі тізім химиялық есептеулерде қолданылатын алгоритмдерге есептеу күрделілігінің қандай әсер ететінін көрсетеді. Бұл тізім маңызды мысалдарды келтіргенмен, толық емес және химиядағы нақты есептеу әдістерін таңдауға есептеу талаптарының қалай ықпал ететінін түсінуге көмектесу үшін жасалған нұсқаулық ретінде қызмет етеді.
Алгоритм
Ньютонның атомдар мен молекулалардың қозғалыс теңдеулерін шығарады.
Күрделілігі
MD-дегі стандартты жұптық өзара әрекеттесу есептеуі, N бөлшектің әрқайсысы үшін O(N²) күрделілікке әкеледі. Бұл себебі әрбір бөлшек басқа барлық бөлшектермен өзара әрекеттеседі, нәтижесінде N(N-1)/2 өзара әрекеттесу пайда болады. Эвальд қосындысы немесе Жылдам Көпполюстік Әдіс сияқты жетілдірілген алгоритмдер, алыс бөлшектерді топтастыру және оларды бір құтқа ретінде қарастыру немесе тапқыр математикалық жуықтауларды қолдану арқылы бұл күрделілікті O(N log N) немесе тіпті O(N) дейін төмендетеді.
Алгоритм
Кішігірім аймақ үшін кванттық механикалық есептеулерді үлкен қоршаған орта үшін молекулалық механикамен үйлестіреді.
Күрделілігі
КВМ/ММ әдістерінің күрделілігі кванттық аймақтың мөлшеріне де, кванттық есептеулерге қолданылатын әдіске де байланысты. Мысалы, егер кванттық бөлік үшін Хартри-Фок әдісі қолданылса, күрделілік шамамен , мұнда – кванттық аймақтағы негіздік функциялардың саны, деп есептелуі мүмкін. Бұл күрделілік, өздігінен үйлесімділікке (self-consistency) жеткенше, бір-бірімен байланысқан теңдеулер жиынтығын итеративті түрде шешу қажеттілігінен туындайды.
Алгоритм
Энергияны ең төмен деңгейге түсіретін бір ғана Фок күйін анықтайды.
Күрделілігі
Исинг моделінің Hartree-Fock есептеулеріне мысалдарды енгізу арқылы көрсетілгендей, NP қиын немесе NP толық. Hartree-Fock әдісі Roothaan-Hall теңдеулерін шешуді қамтиды, бұл негіз функцияларының санына (N) байланысты, іске асырылуына қарай дейін масштабталады. Есептеу шығындарының басым бөлігі екі электронды интегралдарды есептеу және түрлендіруден туындайды. NP қиындығының немесе NP толықтығының дәлелі, Исинг моделі сияқты мәселелерді Hartree-Fock формализміне ендіру арқылы алынады.
Алгоритм
Атомдар, молекулалар және конденсирленген фазалар сияқты көп денелі жүйелердің электрондық немесе ядролық құрылымын зерттейді.
Күрделілігі
Дәстүрлі DFT-нің іске асылуы көбінесе , негізінен Кохн-Шам матрицасын диагональдау қажеттілігіне байланысты. Матрицаның өзіндік мәндері мен өзіндік векторларын анықтауға арналған диагональдау кезеңі осы масштабтауға ең көп үлес қосады. DFT-дегі соңғы жетістіктер әртүрлі жуықтаулар мен алгоритмдік жақсартулар арқылы осы күрделілікті төмендетуге бағытталған.
Алгоритм
CCSD және CCSD(T) әдістері – электрондық корреляция эффектілерін есептеу үшін бір, екі және CCSD(T) жағдайындағы бұзылған үштік қоздыруларды қолданатын, электрондық құрылымды зерттеудің жоғары деңгейдегі әдістері.
CCSD
Негізгі функциялар санына пропорционалды өседі. Бұл жоғары есептеу талаптары электрондық корреляция есептеуіне бір және екі қоздырғыштарды қосудан туындайды. MD немесе DFT сияқты басқа әдістер үшін есептеу күрделілігі көбінесе эмпирикалық түрде байқалады және алгоритмдік талдаумен расталады. Мұндай жағдайларда, дұрыстықты дәлелдеу формальды математикалық дәлелдемелерге қарағанда, әртүрлі жүйелер мен іске асырулардағы есептеу мінез-құлқының тұрақты түрде байқалуына көбірек қатысты. Молекулалар ядролар мен электрондардан тұрады, сондықтан кванттық механика әдістері қолданылады. Есептеуші химиктер көбінесе релятивистік түзетулермен қоса, релятивистік емес Шредингер теңдеуін шешуге тырысады, бірақ толық релятивистік Дирак теңдеуін шешуде де белгілі бір прогресс жасалды. Принцип бойынша, Шредингер теңдеуін қолдағы мәселеге қарай уақытқа тәуелді немесе уақытқа тәуелсіз формада шешуге болады; бірақ іс жүзінде мұны тек өте кішкентай жүйелер үшін ғана жасау мүмкін. Сондықтан, көптеген жуық әдістер дәлдік пен есептеу шығындары арасындағы ең жақсы арақатынасты қамтамасыз етуге тырысады. Дәлдікті әрқашан есептеу шығындарын арттыру арқылы жақсартуға болады. Көптеген электрондарды қамтитын ab initio модельдерінде толық релятивистік әдістердің есептеу шығындарына байланысты маңызды қателер туындауы мүмкін. Бұл салада соңғы әдістердің биохимиядағы сияқты күрделі химиялық реакцияларды сипаттауға жеткіліктілігі туралы пікір таласы бар. Үлкен молекулаларды жартылай эмпирикалық әдістермен зерттеуге болады. Одан да үлкен молекулалар молекулалық механика (ММ) деп аталатын әдістерді қолданатын классикалық механика әдістерімен қарастырылады. КМ-ММ әдістерінде үлкен кешендердің кішкентай бөліктері кванттық механикалық (КМ) түрде өңделеді, ал қалған бөлігі жуықтап (ММ) өңделеді.