معرفی شیمی محاسباتی

شیمی محاسباتی ” Computational chemistry “ یا شیمی تئوری ” Theoretical chemistry “ ( همچنین به عنوان مدل سازی مولکولی ” Molecular modelling ” هم مطرح می شود که در واقع هر سه دارای یک معنا می باشند ) عبارت است از مجموعه ی تکنیک هایی که برای حل و بررسی مسائل شیمی بر روی کامپیوتر مورد استفاده قرار می گیرد و همانند دیگر روش ها در شیمی ، ابزاری در جهت درک واکنش ها و فرایندهای شیمیایی فراهم می کند که انگیزه اساسی در این روش ، گسترش علم شیمی است .

در واقع شیمی محاسباتی شاخه ای از شیمی است که از نتایج بدست آمده از نرم افزار های کامپیوتری برای تعیین هندسه مولکول و همچنین ویژگی های آن استفاده می شود و با کمک این نرم افزار ها می توان به اطلاعات با ارزشی از مولکول دست پیدا کرد که میزان مطابقت اطلاعات بدست آمده از این نرم افزار ها با داده های تجربی بستگی به عوامل مختلفی دارد مانند :

۱- حالت ماده و خلوص آن

۲- شرایط آزمایشگاهی و روش های مورد استفاده و دقت آن روش

۳- نوع روش کامپیوتری به کار گرفته شده و دقت آن و…

در شیمی تئوری شیمیدانان و فیزیکدانان با همکاری یکدیگر الگوریتم ها و برنامه هایی را توسعه می دهند که می تواند ویژگی های اتم ها و مولکول ها و همچنین مسیر انجام واکنش را پیش بینی کند.

برای یک شیمی دان تئوری دو جنبه مختلف از شیمی تئوری وجود دارد :

۱- مطالعات کامپیوتری می تواند منجر به پیدا کردن یک نقطه شروع برای یک سنتز آزمایشگاهی باشد و یا به فهمیدن و درک داده های آزمایشگاهی ( مانند محل یک پیک در یک طیف ) کمک کند.

۲- مطالعات کامپیوتری می توانند برای پیش بینی در مورد مولکول های که تاکنون ناشناخته مانده اند استفاده شوند و همچنین می توانند برای نشان دادن مکانسیم واکنش هایی که با روش های آزمایشگاهی قادر به تعیین آن نیستیم به شیمی دانان کمک کند.

برخی از سوالاتی که می توان با روش های محاسباتی به آنها جواب داد عبارت اند از:

۱- هندسه مولکول : شکل هندسی مولکول که عبارت است از طول پیوند ها و زوایا انرژی مولکول و انرژی حالت برانگیخته آن : این قسمت برای مثال اشاره بر این دارد که در بین ایزومر های مختلف یک مولکول ( ایزومر های ساختاری و ایزومر های کنفورماسیونی ) کدام یک از لحاظ انرژی پایدارتر است ( هر چه سطح انرژی پایین تر باشد پایداری بیشتر می شود ). همچنین با محاسبه انرژی حالت برانگیخته مشخص می شود که یک واکنش با چه سرعتی و در چه جهتی پیشرفت می کند.

۲- فعالیت شیمیایی : برای مثال دانستن اینکه الکترون ها کجا متمرکز شده اند ( مکان هایی هسته دوستی ) و اینکه الکترون ها کجا می خواهند بروند ( مکان های الکترون دوستی ) ما را قادر می سازد تا پیش بینی کنیم چه نوعی از واکنش دهنده هایی می توانند به مولکول مورد نظر حمله کنند و با آن وارد واکنش شوند.

۳- طیف های IR ، NMR و UV-VIS : همه ی این طیف ها می توانند محاسبه شوند و اگر مولکول شناخته شده باشد می توانیم از این طیف های تئوری برای توجیه و تفسیر بهتر طیف های حاصل از کار تجربی استفاده کنیم یا طیف تئوری و طیف بدست آمده از کار تجربی را با هم مقایسه کنیم. برای مثال یک پیک خاص در طیف IR را نمی توانیم تفسیر کنیم که برای کدام ارتعاش است بنابراین با مقایسه طیف های تئوری و تجربی با یکدیگر می توان پیک مد نظر را توجیه و تفسیر کرد.

۴- برهمکنش بین سوبسترا و آنزیم : می توانیم ببینیم که یک مولکول چگونه به سایت فعالش متصل می شود. با استفاده از نتایج حاصل می توان داروهایی بهتر و با کارایی بیشتر را تولید نمود.

۵- ویژگی های فیزیکی مواد : این ها بستگی به ویژگی های منحصر به فرد مواد و اینکه این مولکول ها چگونه در توده نمونه فعل و انفعال می کند ، بستگی دارد. برای مثال نقطه جوش یک پلیمر آلی ( مثل پلاستیک ) وابسته به نحوه فیت شدن مولکول ها و همچنین نیرو های بین مولکولی آنهاست. افرادی که بررسی ها شبیه به این را انجام می دهند در شاخه ای به نام علم مواد مشغول به فعالیت می باشند.

با توجه به کارهایی که این نرم افزار ها می توانند انجام می دهند می توان بسیاری از آزمایش های وقت گیر و پر هزینه را حذف کرد. ابزار های نرم افزاری که در شیمی محاسباتی استفاده می شوند اغلب براساس اطلاعات تجربی می باشد و ما برای استفاده موثر از این ابزار ها نیاز به درک درستی از روش پیاده سازی این تکنیک ها و ماهیت پایگاه اطلاعاتی مورد استفاده برای پارامتریزه کردن آن ، داریم. با این دانش ما می توانیم ابزار هایی را برای تحقیقات خاص دوباره طراحی کنیم و به نتایج بدست آمده از آنها بیشتر اعتماد کنیم .

 

 

شبیه سازی مولکولی

 

سطح انرژی پتانسیل

 

هندسه بهینه شده

 

رابط کاربری یکی از نرم افزار های محاسباتی

 

نرم افزار گوسین

 

NMR

مقایسه طیف تئوری و عملی

 

مسیر انجام واکنش IRC

 

مقایسه طیف تئوری و عملی

 

نمایش اوربیتال مولکولی با انرژی آنها

 

نمایش مولکولی

 

شبیه سازی مولکولی

 

طیف VCD

 

شبیه سازی مولکولی

 

شبیه سازی مولکولی

 

قابلیت های شیمی محاسباتی : ‘

انرژی مولکول و ساختار آن “Molecular energies and structures”

ساختار بهینه بدست آمده از ورودی تجربی “Geometry optimization from an empirical input”

انرژی و ساختار حالت برانگیخته “Energies and structures of transition states”

انرژی پیوند “Bond energies”

انرژی واکنش و تمام ویژگی های ترمودینامیکی ” Reaction energies and all thermodynamic properties”

اوربیتال های مولکولی “Molecular orbitals”

ممان چند قطبی “Multipole moments”

بار های اتمی و پتانسیل الکترواستاتیکی “Atomic charges and electrostatic potential”

فرکانس های ارتعاشی“Vibrational frequencies”

طیف مادون قرمز و رامان“IR and Raman spectra”

طیف ان ام آر” NMR spectra “

طیف سی دی  ” CD spectra”

ویژگی های مغناطیسی “Magnetic properties”

قابلیت قطبی شدن و فوق قطبی شدن“Polarizabilities and hyperpolarizabilities”

مسیر واکنش ” Reaction pathway”

ویژگی مانند پتانسیل یونیزاسیون الکترون “Properties such as the ionization potential electron”

مدل سازی حالت برانگیخته “Modeling excited states”

مدل سازی ویژگی های سطح و… “Modeling surface properties and”

خرید سمینار آماده شیمی محاسباتی