Mgr. Radka Svobodová Vařeková

Prezentace na téma: "Mgr. Radka Svobodová Vařeková"— Transkript prezentace:

1 Mgr. Radka Svobodová Vařeková
PV082 Počítačová chemie Mgr. Radka Svobodová Vařeková

2 Počítačová chemie „...snaha modelovat všechny aspekty reálné chemie co možná nejpřesněji tak, že je dána přednost výpočtům před experimenty.“ R. Schleyer

3 simulace nebo jiné využití chemického software
počítačová chemie klasická chemie chemická teorie matematický model implementace modelu chemický problém simulace nebo jiné využití chemického software experiment výsledky výstupní data vyhodnocení

4 Souřadnice difrakcí RTG-záření na krystalu a jejich intenzita
počítačová chemie klasická chemie Schrodingerova rovnice + aproximace Vlastnosti Rontgenového záření Teorie o krystalové struktuře Kvantová teorie Kvantová molekulová dynamika Jaká geometrická uspořádání (konformace) molekuly jsou stabilní v definovaném prostředí Vykrystalování látky v daném prostředí, aplikace RTG-analýzy na krystal Aplikovat molekulovou dynamiku na studovanou molekulu Souřadnice difrakcí RTG-záření na krystalu a jejich intenzita Molekulově dynamická trajektorie Analýza trajektorie a nalezení stabilních konformerů Analýza RTG-dat a zjištění konformace molekuly

5 Výhody počítačové chemie ve srovnání s experimentální chemií
Vyhneme se práci s toxickými, výbušnými a radioaktivními látkami Můžeme pracovat i s nestabilními látkami Ušetříme náklady za chemikálie a za realizaci experimentu Ušetříme čas experimentálním chemikům :-) ...

6 Molekula v počítačové chemii
Základní objekt, se kterým chemie pracuje, je molekula. Popis molekuly v počítačové chemii: Struktura molekuly: Definuje, které atomy tvoří molekulu a jakými vazbami jsou spojeny. Geometrie molekuly: Popisuje polohu atomů v prostoru.

7 Molekula v počítačové chemii - příklad: methan
Popis struktury: Molekula obsahuje 4 atomy H a atom C. Všechny H jsou vázány jednoduchou vazbou na C. Strukturní vzorec: Popis geometrie: kartézské souřadnice atom osa x osa y osa z C H H H H Model molekuly:

8 Molekula v počítačové chemii - příklad 2: diethylamid kyseliny lysergové
Strukturní vzorec: Model molekuly:

9 Cíle předmětu PV082 Pro vybrané* problémy počítačová chemie:
Nastínit chemický význam problému Popsat problém z informatického hlediska a diskutovat jeho složitost Ukázat a porovnat algoritmy, které problém řeší * Vybírány problémy z hlediska počítačové chemie významné a z hlediska informatiky zajímavé. Při výběru byla snaha obsáhnout většinu z nejfrekventovanějších problémů počítačové chemie. Ukázat chemii jako vědu, sloužící k pochopení hmotné podstaty světa.

10 Sylabus Úvod Definice počítačové chemie Informace o předmětu
Sylabus předmětu Vstupní požadavky předmětu Požadavky ke zkoušce a k zápočtu Materiály ke studiu Historie počítačové chemie

11 Sylabus II Molekula Struktura molekuly Geometrie molekuly
molekulový graf, izomerie, izomorfismus, automorfismus, chemická vzdálenost, kanonické indexování, hledání cyklů Geometrie molekuly definice, kartézské a interní souřadnice, porovnávání geometrií Vhled do praxe vytváření molekul, vyhledávání molekul v databázích, vizualizace molekul

12 Sylabus III Molekulové modelování Molekulová mechanika (MM)
silové pole, potenciální energie, hyperplocha potenciální energie (PES), minimalizace, prohledávání Kvantová mechanika (QM) semiempirické a ab initio metody Klasická a kvantová molekulová dynamika (MD) Vhled do praxe ukázka výpočtu potenciální energie molekuly a minimalizace molekuly (pomocí MM i QM), ukázka trajektorií z MD

13 Vstupní požadavky Informatika - pojmy z oblasti:
Návrhy algoritmů I Matematika - základní znalosti z oblastí: Lineární algebra Matematická analýza Teorie grafů (tyto pojmy budou vždy nejdříve znovu definovány) Chemie: výhodou jsou znalosti na středoškolské úrovni všechny netriviální pojmy budou před použitím zadefinovány v případě, že něčemu neporozumíte, se prosím ihned zeptejte

14 Požadavky ke zkoušce a hodnocení
Požadavky: znalosti v rozsahu přednášek :-) Hodnocení: A: % B: % C: % D: % E: % F: % Poznámka: Součástí zkoušky nebudou znalosti z oblasti chemie. Za tyto znalosti však lze získat bonusové body :-).

15 Požadavky k zápočtu Požadavky: Hodnocení: Poznámka:
Vypracovat zápočtový projekt (zadání projektu získá student po domluvě s učitelem). Hodnocení: z projekt splňuje požadavky, domluvené při zadávání n jinak Poznámka: Předmět PV082 nelze ukončit kolokviem.

16 Materiály ke studiu Slidy: http://ncbr.chemi.muni.cz/~n19n/vyuka/
/pocitacova_chemie u Marečka Literatura: U každého tématu jsou na slidech uvedeny odkazy na knihy a www stránky.

17 Konzultační hodiny Kdy: Pondělí: 14: :00 Kde: Kancelář C503.

18 Domácí úkoly Budu zadávat na každé přednášce.
Jejich řešení budu prezentovat na následující přednášce nebo je zveřejním na Internetu. Jsou dobrovolné & neodevzdávají se :-). Když si je vyřešíte, pochopíte problematiku lépe.

19 Historie počítačové chemie
Vznik filosofických teorií Starověk století Tvorba teoretických modelů 17. století Moderní počítačová chemie dosud

20 Vznik filosofických teorií
Antika: Svět se skládá z jediné pralátky. Co je pralátka: Terasoniální teorie Atomistická teorie

21 Vznik filosofických teorií II
Terasoniální teorie (Empedokles a Aristoteles): Pralátka je spojitá a je tvořena kombinací čtyř základních elementů. Jednotlivým živlům přísluší vždy dvě základní vlastnosti, jak vyjadřuje schéma:

22 Vznik filosofických teorií III
Atomistická teorie (Leukippos a Demokritos): Pralátka se skládá z velice malých dále nedělitelných částic, které byly nazvány atomy (z řeckého atomos - nedělitelný). Rozmanitost ve vlastnostech látek byla vysvětlována tím, že atomy těchto látek se od sebe liší tvarem a velikostí. Aristoteles měl větší autoritu - jeho teorie byla uznávána až do 17. století :-).

23 Tvorba teoretických modelů
Aristotelova teorie konečně překonána :-). 1661 R. Boyle: "Pochybovačný chemik, čili rozpravy o pokusech, které se obvykle konají na důkaz čtyř elementů" Návrat k Demokritově atomistické teorii.

24 Tvorba teoretických modelů II
1808 J. Dalton rozšířil Demokritovu teorii: i) Nejmenší částice hmoty, které nelze dále dělit ani fyzikálně ani chemicky, jsou atomy. ii) Atomy téhož prvku jsou stejné co do kvality, velikosti a hmoty a liší se v těchto vlastnostech od atomů jiných prvků. iii) Při chemickém slučování dochází ke sdružování vždy jen celistvého počtu atomů, příslušejících prvkům, z nichž se skládá uvažovaná sloučenina.

25 Tvorba teoretických modelů III
Postupně zpochybňována nedělitelnost atomu. 1897 J.J. Thompson objevil elektron (při zkoumání katodového záření). 1904 J.J. Thompson navrhl první model atomu - tzv. „pudinkový model“. Atom je kladně nabitá koule, uvnitř níž jsou (jako hrozinky v pudinku :-) stejnoměrně rozmístěny záporné elektrony.

26 Tvorba teoretických modelů IV
1911 E. Rutherford objevil existenci atomového jádra (při odstřelování zlaté fólie částicemi a). 1911 E. Rutherford navrhl tzv. „planetární model atomu“: Záporně nabité elektrony obíhají podle zákonů klasické fyziky kolem kladně nabitého jádra (jako planety kolem slunce).

27 Tvorba teoretických modelů V
1913 N. Bohr zdokonalil Rutherfordův model - formuloval následující postuláty: 1. Elektron se může bez vyzařování energie pohybovat kolem jádra jen po určitých dráhách – orbitalech. 2. Elektron vyzařuje nebo přijímá energii pouze při přeskoku z jedné energetické hladiny (odpovídající určitému orbitalu) na druhou. = kvantování energie

28 Tvorba teoretických modelů VI
Vzniká nutnost vytvořit široce platnou mechaniku, postihující oblast mikrosvěta i makrosvěta - tzv. kvantovou mechaniku. 1925 a 1926 W. Heisenberg a E. Schrodinger publikovali fundamentální myšlenky kvantové teorie.

29 Tvorba teoretických modelů VI
1926 E. Schrodinger formuloval vlnovou funkci, která popisuje pravděpodobnost výskytu elektronu v elektronovém obalu atomu.* Vlnovou funkci lze získat řešením Schrodingerovy rovnice. *Oblast pravděpodobného výskytu elektronu = atomový orbital. 30-tá léta E. Schrodinger navrhl kvantově mechanický model atomu. Tento model využívá dualistický princip (elektron má vlastnosti částice i vlnění) a vlnovou funkci.

30 Tvorba teoretických modelů VII
Pro složitější molekuly nelze Schrodingerovu rovnici analyticky vyřešit v reálném čase => nutnost vytvořit vhodnou aproximaci. 1927 Born-Oppenheimerova aproximace: První aproximace využitelná při řešení Schrodingerovy rovnice. (Jádra jsou těžší než elektrony, proto se pohybují pomaleji a pohyb jader a elektronů lze počítat odděleně.)

31 Tvorba teoretických modelů VIII
1931 R.S.Mulliken a F.Hund formulovali Teorii molekulových orbitalů, popisující pravděpodobnost výskytu atomu v rámci molekuly. 1946 C.C. Roothaan publikoval metodu MO-LCAO (molecular orbital - linear combination of atomic orbitals), která popisuje výpočet molekulových orbitalů pomocí atomových orbitalů.

32 Tvorba teoretických modelů IX
V 50-tých letech se objevily první pokusy o vytvoření metod pro simulace fyzikálně-chemických procesů. Například: 1953 A. Metropolis a jeho spolupracovníci popsali aplikaci metody Monte Carlo. 1955 E. Scherr realizoval první ab initio výpočty pro systém N2.

33 Moderní počítačová chemie
Od 60-tých let se staly pro výzkumné laboratoře dostupné počítače a s nimi i programovací jazyky, vhodné pro vědecké výpočty (FORTRAN, C, atd.). Díky tomu vzniká v 60-tých letech moderní počítačová chemie, která je schopna teoretické modely nejen navrhovat, ale i implementovat.

34 Moderní počítačová chemie II
Počet programů, zabývajících se počítačovou chemií, narůstá velmi rychle. 1962 je na Universitě v Indianě vytvořena QCPE (Quantum Chemistry Program Exchange), první organizace, která sloužila k distribuci těchto programů.

35 Moderní počítačová chemie III
Začínají se také objevovat první práce, zabývající se počítačovou chemií. Od 60-tých let až dosud vzrůstá význam počítačové chemie a také počet lidí, kteří se tímto vědním oborem zabývají.

36 Moderní počítačová chemie IV
Počítačová chemie úzce spolupracuje s klasickou chemií a pomáhá jí v oblastech, kde je experimentální řešení nemožné nebo příliš časově či ekonomicky náročné. V rámci počítačové chemie vznikají další specializace (například molekulová mechanika, kvantová mechanika, molekulová dynamika, ...). Tyto specializace mají svou vlastní historii (která bude popsána vždy na začátku výkladu o dané specializaci).

37 Literatura o historii počítačové chemie
Leach A.R.: Molecular modelling. Longman (1996) Jensen F.: Computational chemistry. Wiley (1999) Streitwieser A.: History of computational chemistry: A personal view, Encyclopedia of Computational Chemistry. John Wiley & Sons (1998) Richon A.B.: A History of Computational Chemistry. Network science (2001):