مقدمه ای بر علم شیمی محاسباتی

شیمی محاسباتی از طریق روشهای متفاوتی انجام می‌پذیرد. یکی از روشهای بسیار مهم، مدلسازی یک سیستم مولکولی قبل از سنتز آن مولکول در آزمایشگاه می‌باشد. اگر چه مدلهای محاسباتی ممکن است که کامل نباشند، ولی با این وجود آنها اغلب برای ۹۰ درصد ترکیبات شیمیایی ممکن جوابگو هستند. اطلاعات به دست آمده از این مدلهای محاسباتی باارزش هستند، زیرا سنتز یک ماده‌ی جدید نیازمند ماهها کار در آزمایشگاه و مواد اولیه جدید هست و در کنار محصول اصلی، محصولات سمی جانبی نیز تولید می‌شود. مزیت دوم استفاده از شیمی محاسباتی، درک کامل مسأله می‌باشد. تعدادی از خواص مولکولی هست که دستیابی به آنها با روشهای محاسباتی نسبت به روشهای عملی آسانتر می‌باشد. همچنین یک سری اطلاعاتی راجع به پیوندهای مولکولی هست که تنها باروشهای محاسباتی قابل حصول هستند و هیچ روش تجربی برای رسیدن به این اطلاعات وجود ندارد. بنابراین، امروزه شیمیدانهای تجربی زیادی با استفاده از روشهای مدلسازی محاسباتی، امکان وجودی ترکیبات مد نظرشان را قبل از اقدام به سنتز در آزمایشگاه مورد بررسی قرار می‌دهند. هر چقدر که استفاده از شیمی محاسباتی آسانتر می‌شود، شیمیدانهای محاسباتی حرفه‌ای بیشتر به مسائل مدلسازی سخت توجه می‌کنند. مسئله آسانتر شدن شیمی محاسباتی نیست، چرا که همیشه مسائل سختتری وجود دارد که نیاز به کار بیشتری دارد.

شیمی محاسباتی (یا مدلسازی مولکولی) مجموعه‌ای از روشهایی برای حل مسائل شیمیایی از طریق کامپیوتر می‌باشد. مسائلی که به روشهای محاسباتی توانایی بررسی شدن را دارند، به طور خلاصه در ادامه توضیح داده می‌شوند:

– ساختار مولکولی: حالتهایی که مولکولها می‌توانند داشته باشند-طول پیوندها، زاویه‌ها و دی‌هدرالها.

– انرژی مولکولها و حد واسطها: این بررسی نشان می‌دهد که کدام ایزومر در یک تعادل شیمیایی مناسبتر است، و اینکه یک واکنش چگونه پیش می‌رود (از انرژی مربوط به واکنشگرها و حالتهای گذار).

– واکنش‌پذیری شیمیایی: برای مثال: دانستن محل انباشتگی الکترونها (محلهای نوکلئوفیلی) و محلهایی که الکترون به آنها مهاجرت می‌کند (محلهای الکتروفیلی) ما را قادر به پیش‌بینی این امر می‌کند که کدام نوع از واکنشگرها توانایی حمله به مولکول را دارند.

– طیفهای IR، UV و NMR: این طیفها می‌توانند با روشهای محاسباتی به دست آیند، و اگر مولکولی ناشناخته باشد، شیمیدان می‌تواند با این روشها ساختار مولکول را حدس بزند.

– برهم‌کنش یک پیش‌ماده با یک آنزیم: دانستن نحوه‌ی اتصال یک مولکول به محل فعال یک آنزیم، توانایی طراحی و ساخت داروهای بهتر را ایجاد می‌کند.

– خواص فیزیکی مواد: این خواص مربوط به دانستن خواص مولکولهای اولیه و نحوه‌ی برهم‌کنش آنها با همدیگر می‌باشد. برای مثال، دانستن قدرت و یا نقطه ذوب یک پلیمر وابسته به دانستن نحوه‌ی اتصال مونومرها به همدیگر و مقدار نیرویی که بین آنها وجود دارد، می‌باشد.

شیمیدانهای محاسباتی برای دانستن موارد اشاره شده، نیاز به گزینش روشهای محاسباتی موجود هستند. بهترین روشهای محاسباتی در پنج گروه، دسته‌بندی می‌شوند:

– مکانیک مولکولی (MM)

-روشهای نیمه تجربی (SE)

– روشهای اب‌اینیشیو (Ab initio)

– نظریه‌ی تابعیت چگالی (DFT)

– دینامیک مولکولی (MD) و شبیه‌ سازی مونت کارلو