Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

6.5: Молекулярне моделювання

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    28293

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Форми молекул можна передбачити шляхом підрахунку оцінок стеричних і крутильних взаємодій. Це завдання називають розрахунком молекулярної механіки. Використовуваний базовий набір може відрізнятися від наведеного тут, але ідея однакова: обмежений набір інформації застосовується до молекул, незалежно від того, наскільки великі або складні, з метою вимірювання відносної енергії різних конформацій. Зазвичай за розрахунком йде зміна десь двогранного кута, розрахунок повторюється і так далі, так що в кінцевому підсумку знайдеться найбільш стійка конформація.

    Такий розрахунок може зайняти дуже багато часу. Навіть на комп'ютері зазвичай виникає необхідність прискорити ситуацію. Загальний короткий зріз для використовує наступний підхід. Якщо зміна двогранного кута призводить до зменшення енергії, розрахунок триває з новою зміною цього двогранного кута. Зрештою, якщо зміни призводять до збільшення енергії, програма передбачає, що найнижча енергія вже пройдена, і вона знову повертається до цього моменту. Потім він може спробувати інший двогранний, використовуючи той же метод. Таким чином комп'ютер не витрачає час на розрахунки, пов'язані з високою енергією затемнених конформацій або зі стеричними проблемами. Як результат, розрахунок молекулярної механіки зазвичай може оцінити найнижчий енергетичний конформер за кілька секунд.

    Обмеження цього підходу можна побачити в загальному сюжеті енергії проти конформаційних змін, в якому існує більше одного низькоенергетичного конформера. Як розрахунок визначає, що він знайшов абсолютну найнижчу енергію конформера, а не просто занурення в енергетичну поверхню?

    Графік енергії проти конформаційних змін. Глобальний мінімум і локальний мінімум позначені.
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Ділянка енергії проти конформаційної зміни для вигаданої молекули.

    Наприклад, у сюжеті відносної енергії бутану проти його двогранного кута навколо C2-C3. Конформація Гоше займає «місцевий енергетичний мінімум», що означає, що енергія тут нижча, ніж коли двогранний кут або більший, або менший, оскільки в будь-якому напрямку молекула прийде до затемненої конформації з вищою енергією. У описаному вище підході, як правило, за замовчуванням підхід у більшості розрахунків, комп'ютер може застрягти в конформації Гош, оскільки зміна в будь-якому напрямку призводить до збільшення енергії. Однак, якщо комп'ютер просто підштовхне ці енергетичні максимуми, то він прибуде до анти конформації, яка є «глобальним мінімумом енергії», з найнижчою енергією з усіх.

    • Остерігайтеся локальних мінімумів, шукаючи найстабільніший конформер на комп'ютері.
    • Зазвичай, ви можете сказати, чи має комп'ютер правильну відповідь, виходячи з вашого розуміння стерики.

    Повний конформаційний аналіз іноді вимагає певного методу «двогранного кутового водіння». У такому підході користувач програмного забезпечення може сказати комп'ютеру обчислити енергії задану кількість разів навколо заданого двогранного кута; наприклад, можливо, розрахунок буде проводитися кожні шістдесят градусів для двогранної навколо зв'язку C2-C3 в бутані, або, може бути, кожні тридцять градусів. Таким чином, комп'ютер обов'язково знайде глобальний мінімум для конкретного двогранного кута.

    Для досягнення правильних низькоенергетичних структур для більш складних молекул можуть знадобитися більш досконалі методи. Наприклад, водневий зв'язок явно є основним фактором, що контролює структуру молекул, таких як ДНК та білки. Ми розглянули лише стеричні та крутильні деформації, оскільки вони повсюдно поширені в молекулярній механіці, але різні базисні набори та різні типи обчислень можуть враховувати додаткові взаємодії, такі як водневе зв'язування або інші електронні явища, які допомогли б правильно встановити форми більш складних молекул.