IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Для описания характеристик молекул, их оптимизации и предсказания термодинамических характеристик существуют различные автоматизированные программы для квантово-механических расчетов. Среди них для нас наиболее доступным вариантом оказалась программа «Gaussian». Она позволяет рассчитать химических свойств соединений с очень высокой точностью и надежностью. Мы пользовались версией GAUSSIAN-09, имеющей в своей базе большинство современных достижений в области квантовой механики.

В основе работы программы лежит уравнение Шредингера, описывающее стационарное состояние различных структур. При этом используется адиабатическое приближение Борна-Оппенгеймера. Это приближение позволяет не учитывать движения ядер атомов, рассчитывая лишь движение электронов. В результате получается определенное приближение, возрастающее прямо пропорционально с возрастанием количества электронов в системе.

Для упрощения процесса расчета, а также увеличения их точности, используются разные методы последовательных приближений, при этом меняются некоторые значения характеристик и возможности получать те или иные сведения о системе: спектры, дипольный момент, частичные заряды атомов и т. д. В расчетах мы использовали методы Хартри-Фока, DFT и полуэмпирический метод (semi-empirical). Кроме того, программа позволяет выполнять различные виды расчетов: энергия, оптимизация, одновременная оптимизация и расчет, сканирование и др.

Метод Хартри-Фока основан на естественном приближении, согласно которому каждый электрон перемещается в потенциале, созданном ядром и средним потенциалом всех других электронов атома. Это приводит к модели независимой частицы, которая позволяет перейти от многоэлектронной проблемы к проблеме решения множества взаимосвязанных одноэлектронных уравнений. Во время расчета, программа делит систему на условно одночастичные системы, затем эти системы рассчитываются до получения устойчивого значения энергии системы. Этот метод обладает высокой точностью, но и при этом требует мощную ЭВМ и большого времени. Для расчетов относительно простых систем, каковыми являются большинство лекарственных веществ (парацетамол, сульфаниламиды, анестетики, адреналин и др.) удобнее использовать полуэмпирический метод.

Основное отличие полуэмпирического метода от метода Хартри-Фока заключается в полном или частичном отказе от вычисления одноэлектронных и двухэлектронных интегралов. Вместо точного оператора Фока используется приближенный, элементы которого получают из экспериментальных данных. Соответствующие параметры подбирают для каждого атома. В итоге время расчетов сокращается, но при этом точность может быть даже выше. Недостаток этого метода в том, что его применение ограничено соединениями, для которых эмпирические данные имеются. Если попытаться посчитать соединения, не входящие в этот список, то можно получаются совершенно неверные результаты.

Для расчета УФ спектра мы использовали метод DFT (теория функционала плотности). При расчетах спектров используется концепция переходного состояния. Это позволяет анализировать состояние так, как если это была бы реальная молекула.

Вышеописанные методы использованы нами для исследования молекулы парацетамола. Используя стандартные возможности программы, нами была создана структура молекулы (рис. 1).

Затем были установлены необходимые параметры и запущена калькуляция нажатием кнопки «Submit…» (рис. 2), после завершения которого стали доступны его результаты.

На рисунке 4 показан график УФ-видимый спектр, а на рисунке 5 – краткая сводка результатов работы программы по расчету паратемров парацетамола. Сравнивая с эмпирическими показаниями спектра мы можем судить о чистоте анализируемого вещества, а также создавать вещества с зарание заданными свойствами.

Рис. 1 Структура молекулы.

Рис.2 Параметры расчета

Рис. 3. Процесс расчета

Рис. 4. Результат расчета электронного спектра поглощения парацетамола

Рис.5. Краткие результаты работы программы

Код для цитирования: Скопировать