Teorik Kimya ve Bilgisayar - KimyaKongreleri.orgkimyakongreleri.org/K2013/K2013-045.pdfTeorik Kimya...
Transcript of Teorik Kimya ve Bilgisayar - KimyaKongreleri.orgkimyakongreleri.org/K2013/K2013-045.pdfTeorik Kimya...
Teorik Kimya ve Bilgisayar
Yazılımları ile Kozmetik Ürün Tasarımı
Doç. Dr. Armağan KINALEge Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü
Fizikokimya Anabilim Dalı
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Giriş Teorik Kimya nedir?
Hesapsal kimya yöntemleri Moleküler mekanik
Moleküler dinamik
Kuantum kimyasal yöntemler
Kozmetik ürün tasarımı
Kozmetik ürün tasarımında bilgisayar kullanımı
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Teorik Kimya nedir?
Teorik Kimya
Teorik kimya: Kimya biliminin, moleküllerin davranışlarını ve özelliklerini
anlamak, moleküler olayları taklit etmek (simülasyon), yeni moleküllerin
özelliklerini tahmin etmek için fizik, matematik ve bilgisayarlardan yararlanan
dalıdır.
Elektronik yapı
ve kimyasal bağ
teorileri
İstatistiksel
Mekanik
Tepkime
Dinamiği
Kuantum kimyası
Değerlik bağ teorisi
Moleküler orbital teorisi
Hesapsal KimyaKuantum istatistiği
Boltzman ortalama teorisi
Topluluklar teorisi
Parça ve korelasyon teorileri
Moleküler dinamik
Kinematik
Enformasyon teorisi
Adiabatik yaklaşımı
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Hesapsal Kimya nedir? Hesapsal kimya : Teorik kimyanın, kimyasal problemleri kuantum mekaniği
ya da klasik fizik kurallarını kullanarak bilgisayar ve bilgisayar programları
yardımı ile çözmeyi amaçlayan branşıdır. Hesapsal kimyada, nümerik olarak
temsil edilen moleküler sistemlerin özellikleri ve davranışları kuantum ya da
klasik fizik denklemlerinin çözülmesi ile belirlenir.
Hesapsal KimyaMoleküler
mekanik
Moleküler
dinamik
Kuantum
Kimyasal
yöntemler
Ab initio yöntemler
Yarı deneysel yöntemler
Yoğunluk fonksiyoneli
teorisi
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
NMR spektrumları
• Özellikler
ESP
Mekanizma
IR spektrumları
UV spektrumları Yığın özellikleri
Hesapsal Kimya ile neler hesaplanabilir?
• Geometrik yapı
• Enerji
, ,E H G
Tepkime kinetiği ve termodinamiği
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Moleküler MekanikMoleküler mekanik: Moleküler sistemleri modellemek için klasik mekanik
metotları kullanan bu yöntemde, sistemin enerjisi molekül içi ve moleküller
arası etkileşimleri içeren kuvvet alanları kullanılmak sureti ile hesaplanır.
Van der Waals etkileşimleri
Elektrostatik etkileşimler
Kimyasal bağlar
Açılar
Dönme açıları (torsiyonlar)
Moleküler
arası
etkileşimler
Molekül içi
etkileşimler
Potansiyel enerji
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Moleküler DinamikMoleküler dinamik: Dinamik bir sistem
içerisindeki atom ve moleküllerin
hareketlerini modelleyen bir benzetişim
yöntemidir.
• Tipik bir moleküler dinamik benzetişi-
minde, atom ve moleküllerin yörüngeleri
Newton’un hareket denklemlerinin
nümerik olarak çözülmesi ile elde edilir.
• Sistem içindeki taneciklerin etkileşimleri
ise moleküler mekanik kuvvet alanları
tarafından tanımlanan potansiyel enerji
ve kuvvetler ile belirlenir.
)( ijiii rUrmF
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Moleküler DinamikMoleküler dinamik: Dinamik bir sistem
içerisindeki atom ve moleküllerin
hareketlerini modelleyen bir benzetişim
yöntemidir.
• Tipik bir moleküler dinamik benzetişi-
minde, atom ve moleküllerin yörüngeleri
Newton’un hareket denklemlerinin
nümerik olarak çözülmesi ile elde edilir.
• Sistem içindeki taneciklerin etkileşimleri
ise moleküler mekanik kuvvet alanları
tarafından tanımlanan potansiyel enerji
ve kuvvetler ile belirlenir.
)( ijiii rUrmF
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Kuantum Kimyasal YöntemlerKuantum Kimyasal Yöntemler : Moleküler enerji ve yapı belirlemesinin kuantum
mekaniği kurallarının kullanılmasıyla yapıldığı yöntemlerdir.
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Kuantum Kimyasının TemelleriKuantum Kimyasal Yöntemler : Moleküler enerji ve yapı belirlemesinin kuantum
mekaniği kurallarının kullanılmasıyla yapıldığı yöntemlerdir.
Schrödinger denklemi
H E Toplam enerji operatörü
Enerji
Dalga fonksiyonu
ˆ : E:
:
H
Erwin Schrödinger Paul A. M. Dirac
1933 Nobel Fizik ödülü‘Atom teorisinin verimli ve yeni
formulasyonunun keşfi ile’
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Gelişmiş Kuantum Kimyasal HesaplarGelişmiş kuantum kimyasal hesaplamalar bugün kimyasal problemlerin çözümünde
önemli rol oynayan yöntemlerdir.
1998 Nobel Kimya
ödülü
Walter Kohn John A. Pople
„Yoğunluk fonksiyoneli
teorisinin keşfi ile‟
“kuantum kimyasındaki
hesapsal yöntemleri
geliştirmesi ile”
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Ab initio Yöntemler
• Ab initio Latince ‘en baştan, en temelden’ anlamındadır.
• Ab initio yöntemlerde denklemler tamamen kuantum teorisinin
prensiplerine dayalı olarak türetilirler, deneysel hiçbir veri
içermezler.
• Yalnızca çeşitli seviyelerde yaklaştırmalar yapılarak Schrödinger
denkleminden oluşan diferansiyel denklemin yaklaşık çözümüne
ulaşılmaya çalışılır.
• Ab initio hesapları genel olarak çok iyi nitel sonuçlar verir ve
doğruluk sistematik olarak arttırılabilir.
• En temel ab initio hesabı Hartree-Fock (HF) yöntemidir.
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Hartree Fock Yöntemi
• Temel yaklaşım ortalama alan yaklaşımıdır.
• Ortalama alan yaklaşımında, elektronların
potansiyellerinin sadece çekirdekten uzaklık-
larına göre değiştiği ve her elektronun diğer tüm
elektronların yarattığı ortalama elektrik alanın
etkisini hissettikleri varsayılır.
• Dalga fonksiyonları atomik orbitallerin doğrusal
kombinasyonları ile tanımlanır.
n1 n2
e1e2
Çekirdeklerin
kinetik enerjisi
Elektronların
kinetik enerjisi
Çekirdeklerin
potansiyel enerjisi
Çekirdek-elektron
etkileşim enerjisi
Elektron-elektron
etkileşim enerjisi
ˆn e n n e e eH T T V V V
H E
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Hartree Fock Yöntemi
,n,l ,m(r,,) NYl,m (,)rn1
er
,l x ,ly ,lz(x,y,z) Nx
lx yly z
lzer 2
Slater Tipi Orbital
Gaussian Tipi Orbital
ˆ H el 2
2me
i
2
i
Z e
2
rii
e 2
riji j
j
ˆe e n e e eH T V V
Born Oppenheimer (BO)’ın çekirdek hareketlerini ihmal eden yaklaştırmasından
sonra elektronik toplam enerji operatörü, He
ˆ H el el (r;R) Eel el (r;R)
e-e etkileşimi
tam çözüme
izin vermez.
HF yönteminde dalga fonksiyonu bir tek Slater determinantı ile tanımlanır. Böylece
her elektron sadece ortala e-e itme etkileşimi hisseder, ani elektron hareketlerinden
kaynaklanan etkileşi HF yönteminde yoktur.
el dii d00 i
d11 d22 ...
0 1
N!
1 (1) 1(1) 2 (1) M(1)
1 (2) 1(2) 2 (2) M(2)
1 (N ) 1(N) 2 (N ) M(N)
Slater determinantı
i ckik
k
M
Baz seti
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Elektron Korelasyon Yöntemleri HF yöntemi ile hesaplanan enerji ile sistemin Schrödinger denkleminin tam
çözümünden elde edilen gerçek enerjisi arasındaki farka Elektron
Korelasyon Enerjisi denir.
Ecorr = Etam - EHF
HF yönteminde ihmal edilen anlık e-e- etkileşimlerini içerir.
Daha yüksek seviyeli diğer ab initio yöntemlerde Korelasyon enerjisi HF
dalga fonksiyonunun uyarılmış hallerinin doğrusal bileşiminin dalga
fonksiyonu olarak kullanılması ile hesaba katılır.
el d0HF dii
i1
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
• HF denklemlerinin çeşitli integral terimlerinin ihmali ve hesap sonuçlarını
deneysel verilere uyduran parametrelerin kullanılması prensibine
dayanırlar.
• Elektron korelasyonunu deneysel verilerin kullanılması nedeniyle dolaylı
olarak hesaba katarlar.
• Yapılan yaklaştırmalardan dolayı denklem çözümleri daha kısa zaman
alır, yani yarı deneysel yöntemler ab initio yöntemlere göre çok daha az
zaman alırlar.
• Doğrulukları sistematik olarak arttırılamaz. 100-10000 atomlu sistemlere
uygulanabilirler.
Yarı Deneysel Yöntemler
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
• Fonksiyonel: fonksiyonunun fonksiyonu demektir.
• Elektron yoğunluğu dalga fonksiyonunun karesinin tüm
elektronlar üzerinden integrali ile hesaplanır.
• Dalga fonksiyonu (DF) elektron sayısı arttıkça
karmaşıklaşırken, elektron yoğunluğu sadece üç koordinata
bağlıdır.
• 1964’te Hohenberg ve Kohn tarafından atomik bir sistemin
elektronik temel hal enerjisinin sadece elektron
yoğunluğundan belirlenebileceği teorisi geliştirildi. Yani
enerji elektron yoğunluğunun bir fonksiyonelidir.
• Yoğunluk fonksiyoneli teorisinde Kohn-Sham tarafından HF
yaklaşımına benzer bir formulasyon yapıldı.
Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (DFT)
( )E f n r
)()()(2/
*rrrn i
M
i
i
Elektron
yoğunluğu
Enerji
fonksiyoneli
2
3
i
1 ( ') 1( ) n | ' | ( )
2 2 | ' | 2 | |
occ Nj k
i ext i XC
i jk j k
Z Zn rE n r V d r E n r
r r R R
Değiş-tokuş
korelasyon enerjisi
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
• Ancak, değiş-tokuş korelasyon enerjisini veren fonksiyonun ne olduğu
bilinmemektedir. Bu nedenle, yoğunluk fonksiyoneli teorisinin temel
amacı bu enerjiyi en iyi şekilde tanımlayabilen bir fonksiyonelin
bulunmasıdır.
• Bu da DFT yöntemlerinin (fonksiyonellerinin) neden bu kadar çeşitli
olduğunu açıklamaktadır.
• Yoğunluk fonksiyoneli teorisi metotlarına örnekler:
Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (DFT)
2
3
i
1 ( ') 1( ) n | ' | ( )
2 2 | ' | 2 | |
occ Nj k
i ext i XC
i jk j k
Z Zn rE n r V d r E n r
r r R R
Değiş-tokuş
korelasyon enerjisi
En popüler DFT
yöntemi
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Kozmetikte Hesapsal Kimya
Yöntemlerinin Kullanımı Kozmetik alanında hesapsal kimya yöntemleri ve bilgisayar
yazılımlarının kullanımı aşağıdaki temel başlıklar altında
toplanabilir.
Kozmetik kimyasalları-
nın özelliklerinin hesap-
sal kimya yöntemleri ile
araştırılması
Kozmetik kimyasalları-
nın etki değerlerinin
Nicel Yapı Aktivite
İlişkisi (QSAR) yöntemi
ile ortaya çıkarılması
Kozmetik kimyasalları
ile cilt etkileşimlerinin
moleküler dinamik yön-
temlerle modellenmesi
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Kozmetikte kullanılan kimyasalların özelliklerinin
hesapsal yöntemlerle araştırılması
Kullanıldığı alan, çoğu kez bir molekülün bilim
insanlarının ilgisini çekebilmesi için yeterlidir.
Vitaminler, alfa hidroksi asitler, fenoller, UV emici
benzofenon gibi aromatikler ve benzeri pek çok bileşik
kozmetik alanında kullanılmaları nedeniyle bilim
insanlarının ilgisini çekmektedirler.
Bu nedenle bu tür moleküllerin özelliklerinin tayin
edilmesi için hesapsal kimya yöntemleri
kullanılmaktadır.
Aşağıda bu tür çalışmalara birkaç örnek verilmiştir:
Kozmetik
koruyucular
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Kozmetikte kullanılan kimyasalların özelliklerinin
hesapsal yöntemlerle araştırılması
Bu çalışmada, gıda, içki, ilaç ve kozmetik
alanlarında renklendirici ajan olarak kullanılan
ponceau 4R molekülünün Raman spektrumu
DFT-B3LYP yöntemiyle hesaplanmış ve bu
boyanın optimize edilmiş geometrisi ve titreşim
frekansları hakkında önemli ve deneysel
sonuçlarla karşılaştırılabilir veriler elde
edilmiştir. Yanda deneysel olarak elde edilmiş
ve hesaplanmış Raman spektrumlarının
benzerliği görülmektedir.
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Bu çalışmada ise, kozmetikte
nemlendirici olarak kullanılan digliserol
bileşiğinin gliserol molekülünden
katalitik olarak elde edilmesi sırasında
oluşan ürün ve izomer dağılımın
kontrolünün nasıl yapılacağı DFT
hesaplamaları yardımı ile
belirlenmektedir.
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Kozmetik kimyasalları ile cilt etkileşimlerinin
moleküler dinamik yöntemlerle modellenmesi
• Kozmetik ürün ile cilt arasındaki etkileşim mekanizmaların deneysel yöntemlerle
ortaya çıkarılmaları ya da anlaşılmaları oldukça zordur.
• Moleküler görüntülemedeki teknolojik gelişmeler oldukça artmış olmasına rağmen
moleküler yapıları görüntüleyen teknoloji hala henüz yeterli değildir.
• Hatta, moleküllerin deneysel olarak elde edilmiş yapıları biliniyor olsa bile moleküller
hareketli tanecikler oldukları için bunlardan extrapolasyon yöntemi ile dinamiğe ya da
mekanizmaya ait sonuçlar çıkartmak aldatıcı olabilir.
• Bu etkileşimleri gözlemenin yolu, uygun fiziksel parametrelerin kullanıldığı hesapsal
modeller oluşturup moleküler dinamik (MD) yöntemiyle atomik ve moleküler
hareketlerin simülasyonlarını yapmaktan geçmektedir.
Hiperpolarize C-13 NMR görüntüleme Moleküler modeller ve MD
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Stratum corneum, epidermisin en üst
tabakasına verilen isimdir. Cilt yoluyla vücuda
girecek maddelerin ilk karşılaştığı bariyer
olarak nitelendirilebilir. Bu derlemede, cilt
geçirgenliğinin arttırıcı stratejilerin ve fiziksel
gözlemlerle desteklene hesapsal benzetişim
(simülasyon) bulgularından elde edilen
stratum corneum’un içine difüzyon
mekanizmalarının sağlayacağı bakış açısının
avantajları ve sınırlamaları tartışılmıştır.
Wiley interdisciplinary reviews-nanomedicine and nanobiotechnology
Vol 3 Pages: 449-462 Yayın tarihi: SEP-OCT 2011
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Stratum corneum, epidermisin en üst
tabakasına verilen isimdir. Cilt yoluyla vücuda
girecek maddelerin ilk karşılaştığı bariyer
olarak nitelendirilebilir. Bu derlemede, cilt
geçirgenliğinin arttırıcı stratejilerin ve fiziksel
gözlemlerle desteklene hesapsal benzetişim
(simülasyon) bulgularından elde edilen
stratum corneum’un içine difüzyon
mekanizmalarının sağlayacağı bakış açısının
avantajları ve sınırlamaları tartışılmıştır.
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Kozmetik Kimyasallarının Etki Değerlerinin
Nicel Yapı Aktivite İlişkisi (QSAR) Yöntemi ile
ortaya çıkarılması
Nicel Yapı Aktivite İlişkisi (QSAR) nedir?
Kantitatif Yapı Aktivite İlişkisi (QSAR) bir moleküler sistemin biyolojik
aktivitesi ile o sistemin geometrisinin ve kimyasal özelliklerinin arasındaki
matematiksel ilişkidir.
moleküler geometri ve kimyasal özellikler HataAktivite f
QSAR biyolojik aktivite ve moleküler özellikler arasında tutarlı bir ilişki
bulmaya çalışır, böylece bu "kurallar" yeni bileşiklerin aktivitesini
değerlendirmek için kullanılabilir.
Genel QSAR formülü
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Kantitatif Yapı Aktivite İlişkisi (QSAR) Yöntemi
• Moleküllerin özelliklerini karakterize eden sayısal değerlere Moleküler
Tanımlayıcılar (molecular descriptors) denir.
• Pek çok yapısal benzerlikleri olan molekül için bu değerlere bağlı
aktivite biliniyorsa, o zaman aktivitenin moleküler tanımlayıcılara
bağımlılığı istatistiksel yöntemlerle hesaplanabilir.
MT-1 MT-2 …. MT-n Aktivite
Mol-1 0.7 0.8 … 2.1 11.1
Mol-2 1.1 2.3 … 5.1 17.2
….. …
Mol-m 0.2 0.3 3.3 13.2
Örneğin; elimizde çeşitli
özellikleri (MT-1,MT-2,.. ) ve
bunlara ait aktiviteleri bilinen
m tane molekül (Mol-1,Mol-
2,..) var ise; bu moleküler
tanımlayıcıların fonksiyonu o-
lan aktivite QSAR yöntemi ile
istatistiksel olarak tanım-
lanabilir.
0 1 1 2 2Aktivite ( ) ( ) ... ( )n nc c MT c MT c MT
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
QSAR yöntemi içeren yazılımlar
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
QSAR yöntemi içeren yazılımlar
http://www.qsarworld.com/free-programs.php
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya
Popüler Hesapsal Kimya Yazılımları
• GAUSSIAN
• GAMESS
• MOPAC
• Accelrys
• Hyperchem
• MOLPRO
• MOLCAS
• JAGUAR
• Quantum-espresso
• Spartan
• CASTEP
• ABINIT
• …..
Sabrınız için teşekkürler
3. Kozmetik Kongresi, 15-17 Subat 2013, Antalya