IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Целью написания статьи послужило более подробное изучение квантовой химии и относительно молодой связанной с ней компьютерной химии. Изучение этих разделов химии является весьма актуальными в наши дни, так как развитие вычислительной техники дало развитие науки, как в целом, так и развитие этих отдельных дисциплин в частности. Но что изучают эти науки? Квантовая химия - это раздел химии, которая изучает строение и свойства химических соединений, а именно реакционную способность, кинетику и механизм химических реакций на основе принципов квантовой механики. Основной задачей квантовой химии является решение уравнения Шредингера для атомов и молекул. С квантовой химией неразрывно связана и компьютерная химия – дисциплина, использующая математические методы для расчета молекулярных свойств веществ и амплитуду нахождения электронов в атомах. Использование квантово-механических расчетов для предсказания геометрического строения, энергии, термодинамических характеристик и др. для известных и предполагаемых молекул является, в настоящее время, одним из важных и быстроразвивающихся химических исследований, как в нашей стране, так и за рубежом. Компьютерное моделирование структуры и свойств веществ не только дополняет экспериментальные методы исследования, но и дает принципиально новую информацию. В настоящее время существует большое количество программ предназначенных для квантово-химических расчетов и одним из таких компьютерных комплексов является Gaussian. Данный комплекс позволяет строить структуры, показывать различные спектры, рассчитывать энергию молекулы. Изучать молекулы можно, как в чистом виде, так и в каком-либо предлагаемом программой растворе.

Основное содержание

После установки и входа в программу нужно построить нужную молекулу, а именно молекулу сульфапиридазина. Осуществить это возможно с помощью подпрограммы GaussView, которая является графическим редактором программы Gaussian. GaussView позволяет получить графическое изображение молекулярных структур, а также позволяет ее вращать и перемещать в пространстве. GaussView состоит из одной контрольной панели, но в ходе работы с ней будут открываться новые окна, предназначенные для различных действий и решения различных задач. Для создания активного окна, в котором будет расположена наша молекула, нажимаем комбинацию клавиш Ctrl+N.(рис.1). Так как это гетерофункциональное соединение, поэтому построить эту молекулу можно только по ее отдельным фрагментам и затем эти фрагменты соединить.

Рис. 1 Контрольная панель и активное окно.

Для построения фрагментов в контрольной панели имеется таблица элементов, а также некоторые уже готовые фрагменты. Выбранный определенный фрагмент первоначально появляется на контрольной панели и только затем после нажатия мыши появляется в активном окне. В начале, нам надо добавить в активное окно молекулу бензола, чтобы ее добавить находим на панели команду Ringfragment.

Затем нам нужно добавить аминогруппу к бензолу, для этого нажимаем Elementfragment и заменяем один атом водорода в бензоле на азот, а также добавляем два атома водорода, которые будут расположены свободно относительно первоначальной молекулы. Чтобы соединить нужные атомы ковалентной связью, нажимаем на контрольной панели ModifyBond и соединяем их. Чтобы выровнять длины связей между расположенными атомами, нажимаем на контрольной панели команду Clean. В результате мы получаем молекулу анилина (Рис. 2) После построения молекулы анилина по -пара положению достраиваем остальные фрагменты молекулы, а именно: достраиваем анилин до молекулы сульфонильной группы. После этого создаем фрагмент пиридазина с метокси группой и соединяем ее сульфонильной группой. В результате построения получаем нашу молекулу (Рис. 3)Для удобства построения можно перемещать молекулу. Для перемещения молекулы в активном окне используем следующие клавиши: с помощью левой кнопки осуществляется вращение молекулы, Shift + левая кнопка мыши – перемещение молекулы вплоскости экрана. Правая кнопка мыши – перемещение молекулы перпендикулярно плоскости экрана активного окна.

Рис. 2 Построенная молекула анилина

Рис. 3 Построенная молекула сульфапиридазина

Как говорилось ранее в основе работы программы Gaussian лежит уравнение Шредингера. Это уравнение описывает стационарное состояние атома, то есть то состояние, при котором оно имеет постоянную энергию. При этом используется адиабатическое приближение Борна-Оппенгеймера. Суть этого приближения заключается в том, что в системе раздельно описывают состояние ядра и электронов. Это в свою очередь 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 того, чтобы просчитать спектры и другие характеристики молекулу нужно ее оптимизировать.

Для оптимизации молекулы были использованы два метода: Hartree-Fock и Semi-empirical. 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 работу вычислительной системы, также очень много времени. Вместо точного оператора Фока используется приближенный, элементы которого получают из экспериментальных данных. Недостаток этого метода в том, что его применение ограничено соединениями заложенное программой. Если попытаться подсчитать соединения, не входящие в этот список можно получить совершенно неверные результаты.

В начале, был подсчет по методу Хартри-Фока. (Рис. 4)После проведения подсчетом программа предоставила 37 положений, из которых последняя является наиболее выгодной. Также была предоставлена сводка полученных результатов. ( Рис. 5)

Как мы видим, общее время необходимое на проведения оптимизации составило 6 часов 25 минут. Е(RHF)=-1263.33822969 a.u.(E(RHF) - энергия по ограниченному методу Хартри-Фоку). DipoleMoment=4.8324 Debye (Это число означает распределение положительных и отрицательных зарядов в электрически нейтральной частице).

Рис. 4 Оптимизация молекулы по методу Хартри-Фока.

Рис. 5 Краткий результат оптимизации сульфапиридазина по методу Хартри-Фока.

Теперь ради эксперимента оптимизируем молекулу по методу Semi-empirical.(Рис.6). После оптимизации мы имеем всего 16 положений (рис.7)

Рис. 6 Оптимизация молекулы по полуэмпирическому методу

Рис. 7 Положение молекулы сульфапиридазинапо по полуэмпирическому методу.

Время на проведения всей оптимизации составило всего 21 секунду. Е(RPM6)=-0.06826203a.u.DipoleMoment=7.1015Debye(Рис.8) Рис. 8 Краткий результат оптимизации сульфапиридазина по полуэмпирическому методу.

Также с помощью программы были подсчитаны IR Spectrumи UV-VIS Spectrum после оптимизации по методу Semi-empirical.

Заключение

В заключении я бы хотел обратить внимание на различии дипольных моментов после оптимизации молекулы способами Hartree-Fock и Semi-empirical. На мой взгляд, это различие связано больше не из-за ошибки вычисления программы, а из-за положений, способов и методов оптимизации молекулы. Благодаря, этой программы и многим другим сходным можно получить данные, которые другим способом бывает иногда получить невозможно или проблематично и поэтому, на мой взгляд, развитие компьютерной химии должно продолжаться и дальше, так как это поможет людям, которые связали свою жизнь не только химией, но и с наукой в целом.

Использованные источники

1. [Электронный ресурс]. – http://dic.academic.ru

2. [Электронный ресурс]. – http://bibliofond.ru

3. [Электронный ресурс]. – http://www.studfiles.ru

Код для цитирования: Скопировать