Počítačová chemie
description
Transcript of Počítačová chemie
![Page 1: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/1.jpg)
Počítačová chemie
Daniel Svozil
Laboratoř informatiky a chemie
FCHT
![Page 2: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/2.jpg)
Přednášky online
http://ich.vscht.cz/~svozil/teaching.html
![Page 3: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/3.jpg)
1. přednáška
Shrnutí teoretické chemie
![Page 4: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/4.jpg)
Teoretická chemie
• používá zákonů fyziky pro popis chemických vlastností– geometrie, relativní (interakční) energie, distribuce
náboje, dipólmomenty, vibrační frekvence, reaktivita, spektroskopické vlastnosti
![Page 5: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/5.jpg)
• hrubší přiblížení: atomy se chovají dle zákonů klasické (Newtonovské) mechaniky
• pro popis systémů atomových či menších rozměrů je nutno použít aparátu kvantové mechaniky– kvantová teorie zevšeobecňuje klasické teorie
(Newtonovská mechanika, elektromagnetismus) a vysvětluje mnohé dříve nepochopitelné jevy
![Page 6: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/6.jpg)
Hierarchie teoretických metod
• Kvantová chemie• Ab initio• Popis systému na úrovni elektronů• Minimální aproximace• ~ 100 atomů
![Page 7: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/7.jpg)
Hierarchie teoretických metod
• Molekulová mechanika a dynamika– Popis systému na úrovni atomů, pohyb
elektronů zahrnut v „globálnější“ podobě.– Nepopisují vznik vazeb– ~10 000 atomů
![Page 8: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/8.jpg)
Hierarchie teoretických metod
• Bioinformatika– Analýza biologických databází a statistika nad
takto získanými daty– Strukturní bioinformatika– Sekvenční bioinformatika
![Page 9: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/9.jpg)
Molekulová a kvantová mechanika
![Page 10: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/10.jpg)
Molekulová dynamika/mechanika
• počítačová simulace• atomy/molekuly interagují po jistou dobu
dle zákonů KLASICKÉ fyziky• výsledkem je pohled na časový vývoj
systému• interaguje obecně mnoho částic a není
možno zjistit dynamické vlastnosti takového systému analyticky => numerika
![Page 11: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/11.jpg)
Born-Oppenheimerova aproximace
• oddělení elektronického a jaderného pohybu
• kvantové elektrony vs. klasická jádra• celkovou energii systému je možno psát
jako funkci pozice jader
E = f(R)
a popsat aparátem klasické fyziky
![Page 12: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/12.jpg)
PES (Potential Energy Surface)• přímý důsledek Born-Oppenheimerovy
aproximace
• energie molekuly v základním stavu je funkcí toliko souřadnic jejích jader– při změně polohy jader se mění energie
molekuly– změna polohy – např. rotace kolem vazby
• energetická cena závisí na typu změny– změna C-C o 0.1 Å, cca 3 kcal.mol-1
– změna Ar ... Ar o 1 Å, cca 0.1 kcal.mol-1
![Page 13: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/13.jpg)
A. R. Leach, Molecular Modelling, 2001
v tomto případě je PES fcí pouze jedné souřadnice (torze)
stacionární body – první derivaceenergie je 0, síly na atomy jsou 0
minima na PES odpovídají stabilnímstrukturám a jsou jedním z možnýchstacionárních bodů
![Page 14: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/14.jpg)
• čili my potřebujeme nějak vyjádřit energii systému jako funkci souřadnic jader
• to je doménou větve počítačové chemie nazývající se molekulová mechanika (či metody silového pole – force field)
• tyto metody tedy zanedbávají elektronický pohyb a tudíž je není možno použít na popis vlastností/jevů na elektronech závisejících (např. vznik/zánik vazeb)
![Page 15: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/15.jpg)
Empirický potenciál
• energie jako funkce pozice atomů (jader) je konstruována jako empirický potenciál (silové pole)
• to znamená, že celkovou energii molekuly rozbijeme na menší části, ty nějak vypočítáme a pak to všechno posčítáme dohromady
• molekulová mechanika MM
![Page 16: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/16.jpg)
Empirický potenciál
![Page 17: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/17.jpg)
vazebné příspěvky nevazebné příspěvky
![Page 18: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/18.jpg)
vazebné příspěvky
nevazebné příspěvky
parametry
![Page 19: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/19.jpg)
• silové pole (force field) – funkční tvar příspěvků i sada parametrů pro jednotlivé příspěvky
torsions pairsnonbonded
ijritorangle
ianglebonds
ibond rEEElEE
![Page 20: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/20.jpg)
Molekulová dynamika
• nyní když víme jak vypočítat energii (potenciál) systému tak můžeme vypočítat i časový vývoj systému
• vzpomeňte si na kulečníkové koule, znám-li v daném časovém okamžiku polohy, hmotnosti a rychlosti všech koulí, pak dokažu vypočítat jejich polohy a rychlosti o kousek později (plus použiji zákon dopadu a odrazu)
![Page 21: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/21.jpg)
Kvantová mechanika
![Page 22: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/22.jpg)
Klasika vs. kvanta
• 17. století – Isaac Newton + další pánové vybudovali teorii pohybu těles platnou až na úroveň planet
• klasickou mechaniku známe důvěrně z vlastní zkušenosti
![Page 23: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/23.jpg)
NA VELIKOSTI ZÁLEŽÍ
• ale na velmi malých vzdálenostech či rozměrech se věci nechovají známým způsobem, klasická mechanika k vysvětlení takových jevů nestačí, to je doménou kvantové mechaniky
![Page 24: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/24.jpg)
Kvantové podivnosti ?
• kvantová mechanika neskýtá přepych, že bychom si dokázali představit pohyb kvantové částice
• Newtonovská mechanika – deterministický pohled na svět
• kvantová mechanika – vnáší prvek neurčitosti– jak k tomu ale došlo???
![Page 25: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/25.jpg)
Heisenbergův princip neurčitosti
• klasičtí fyzikové se totiž mýlí ve své víře, že je možné změřit polohu a zároveň rychlost částice s neomezenou přesností
• Planckova konstanta je děsně nízká – omezení přesnosti měření má zanedbatelný dopad v reálném světe
hpx
![Page 26: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/26.jpg)
Stav klasického systému
• polohy částic, jejich hmotnosti, jejich rychlosti (tedy hybnosti)
![Page 27: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/27.jpg)
Schrödingerova rovnice
• rozhodující průlom• byla uhádnuta, není možno ji odvodit !!• umožňuje vypočítat, jak se kvantové
pravděpodobnostní vlny pohybují• kvantová obdoba Newtonových
pohybových zákonů
HE ˆ
![Page 28: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/28.jpg)
Vlnová funkce
• plně popisuje vlastnosti každého systému• obecně je závislá na souřadnicích a čase
ψ(r,t)• její interpretace: |ψ(r,t)|2 je
pravděpodobnost výskytu částice v daném místě
=> musí být tedy normovaná, tj. součet přes všechny možné polohy musí být roven 1
![Page 29: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/29.jpg)
Stav kvantového systému
• vlnová fce, fcí souřadnic (a času)
![Page 30: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/30.jpg)
• vlnová funkce je vlastní funkcí a energie vlastní hodnotou Hamiltoniánu
• klasicky-mechanické kvantity jsou v kvantové mechanice charakterizovány operátory– např. energie ... Hamiltonián
• při měření vlastnosti dané operátorem se získá pouze jedna z vlastních hodnot
EH
![Page 31: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/31.jpg)
Exemplární primitivní případy
• částice v 1D (energie je kvantována), 3D (energie je degenerovaná)
• harmonický oscilátor (vibrace, ZPVE)
• tuhý rotor (rotace molekuly)
• atom vodíku
![Page 32: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/32.jpg)
Atom vodíku
• atomový orbitál• kvantová čísla
– n ... hlavní– l ... vedlejší, l = 0 ... n-1 (s, p, d, f)– m ... magnetické, m = -l, ..., 0, ..., l (px, py, pz)
,mlnlnlm YrR
radiální (n,l) úhlová (l,m)
![Page 33: Počítačová chemie](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062221/5681400c550346895dab4519/html5/thumbnails/33.jpg)
Hartre-Fock method (HF)
Electron correlation
Configuration Interaction (CI)Coupled Clusters (CC)Perturbation Theory (PT, MP)
Semiempirical methods(NDO, AM1, PM3)
Extended Hückel TheoryHückel MO
Non-interacting electrons
Additional approximation
EΨΨH