Tutaj zebraliśmy wszystkie informacje dotyczące modelowania molekularnego, oprogramowania, zagadnień, sposobu rozwiązywania problemów - czyli wszystko to co może się przydać każdemu chemikowi, farmaceucie, biologowi czy pasjonatowi.

Wykonanie powierzchni energii potencjalnej dla układu bez relaksacji możemy zrobić przygotowując serie plików wsadowych, w którym każdy z nich jest jednym punktem na wykresie. Proces ten możemy z automatyzować i przygotować jeden plik wsadowy zawierający instrukcje postępowania. Jedna z metod zostanie przedstawiona na przykładzie cząsteczki H2O2[1].

W tym celu budujemy strukturę startową i zapisujemy ją w postaci Z-macierzy (opis Z-macierzy znajduje się na portalu molnet.eu):

H
O 1 B1
O 2 B2 1 A1
H 3 B3 2 A2 1 D1

B1 0.96000000
B2 1.32000000
B3 0.96000000
A1 109.50000032
A2 109.49999973
D1 0.00000000

Badanie powierzchni energii potencjalnej (PES – Potential Energy Surface) podczas zmiany parametrów geometrycznych układu można wykorzystać do:

- obliczania energii stanów przejściowych reakcji bądź zmiany konformacji
- szukania konformerów o najniższej energii, badanie minimów energetycznych – określanie typu oraz ilości minimów energetycznych
- wytłumaczenia niektórych badań spektroskopowych
- PES jest przydatne w badaniach dynamiki układów, termodynamiki
- prezentacji wyników obliczeniowych

Obliczanie energii oddziaływania

Pierwszym etapem obliczeń energii oraz sposobów oddziaływania jest optymalizacja kompleksu cząsteczek. Należy tak zbudować cząsteczki i tak ustawić je koło siebie, żeby jak najlepiej odzwierciedlały możliwe oddziaływania. Następnie taki układ poddajemy procesowi optymalizacji. Czasami do końca nie wiemy, w którym miejscu następuje oddziaływanie wówczas próbujemy różnych sposobów.

Jeżeli otrzymaliśmy zoptymalizowany kompleks dwóch cząsteczek, wówczas przystępujemy do analizy wiązań wodorowych (odległości, kąty) lub do klasyfikacji występujących oddziaływań. Tą analizę opieramy na strukturze kompleksu. Jednym z ważniejszych parametrów są obliczenia energii. Załóżmy, że nasz kompleks składa się z dwóch fragmentów: A i B. Jeżeli znamy energie zoptymalizowanych osobno fragmentów A i B oraz energię kompleksu, wówczas możemy obliczyć energię dysocjacji kompleksu. Liczona jest ona jako różnica energii kompleksu AB i osobno fragmentów A i B. Można to wyrazić wzorem:

ΔEdysocjacji = EAB – EA’ – EB'

Oddziaływania

Obliczenie energii oraz sposobu oddziaływania cząsteczek, atomów wykorzystuje się między innymi do:

  • badania oddziaływań ligand – enzym
  • tłumaczenie zjawisk obserwowanych np.: zmiana przesunięcia chemicznego, częstości drgań
  • w nanotechnologii w projektowanie katalizatorów, na którym następuje adsorbcja składników na powierzchni, np.: materiały do magazynowania, chemochipy, usuwanie zanieczyszczeń
  • w badaniu właściwości chemicznych substancji – cieczy, gazów, ciał stałych
  • wizualizacja eksperymentów

Przeliczanie jednostek energii

Zaczynając obliczenia niejednokrotnie będziemy się spotykać z wyliczonymi wartościami energii. Energie wyliczona przez program Gaussian jest podawana w Hartree. Hartree jest to jednostka energii w układzie jednostek atomowej nazwana na cześć matematyka i fizyka Douglasa Hartree. Nie mniej jednak potrzebne jest niejednokrotnie podanie energii w innych jednostkach. Do przeliczania jednostek można zastosować poniższą tabelę:

jednostka hartree kJ mol-1 kcal mol-1 eV cm-1
hartree 1 2625.50 627.509 391 27.211 3845(23) 2.1947x105
kJ mol-1 3.8088x10-4 1 0.23901 1.0364x10-2 83.593
kcal mol-1 1.5936x10-3 4.1840 1 4.3363x10-2 349.75
eV 3.6749x10-2 96.485 23.061 1 8065.5
cm-1 4.5563x10-6 1.1963x10-2 2.8591x10-3 1.2398x10-4 1
 
Chcąc przeliczyć na przykład 10 Hartree na kcal/mol możemy posłużyć się prostą proporcją:
1 Hartree → 627.509 391 kcal/mol
10 Hartree → x kcal/mol
-------------------------------------------------
x = (10 Hartree * 627.509 391 kcal/mol )/ 1 Hartree
x = 6275.09391

Druga ważna sprawa to "wyczucie" wielkości energii – co oznacza duża energia oddziaływania, mała entalpia reakcji? Umiejętność ta umożliwia unikanie w prosty sposób błędów wynikających z obliczeń na przykład: jeżeli ktoś dostanie w obliczeniach, że energia oddziaływania cząsteczki glicyny z jedną cząsteczką wody wynosi 400.29 kcal/mol, a spodziewa się oddziaływania poprzez wiązanie wodorowe, a wie że wiązanie wodorowe w dimerze wody jest około 6 kcal/mol może łatwo zweryfikować czy otrzymany wynik jest realny. Energię oddziaływania można zobaczyć na diagramie:

Energia_trójkąt

Dalej