МОЛЕКУЛЯРНАЯ МЕХАНИКА
(м е т о д а т о м-а т о м н ы х п о т е н ц и а л ь н ы х ф у н к ц и й), расчетный эмпирич. метод определения геом. характеристик и энергии молекул. Основан на предположении о том, что энергия Емолекулы м. б. представлена суммой вкладов, к-рые м. б. отнесены к длинам связей r, валентным углам а и двугранным (торсионным) углам т (соответствующие компоненты энергии обозначаются E св, Е вал и Е тор). Кроме того, в общем выражении для энергии всегда имеется член Е вдв, отражающий ван-дер-ваальсово взаимод. валентно не связанных атомов, и член Е кул ,
учитывающий электростатич. взаимод. атомов и обусловливающий наличие эффективных атомных зарядов. Т. обр., полная энергия молекулы представляется суммой:
Для расчета первых двух слагаемых чаще всего применяют известный из механики Гука закон
(отсюда назв. метода):
Аналит. выражение для энергии Е тор, напр. для молекулы С 2 Н 6 , имеет вид:
где
потенц. барьер внутр. вращения. Энергии Е вдв и Е кул рассчитывают по ф-лам Леннард-Джонса или Букингема для модельных потенциалов (см. Меж молекулярные взаимодействия, Невалентные взаимодействия).
Параметры
a , r 0 , a 0 и др. во всех используемых ур-ниях подбираются таким образом, чтобы удовлетворить эксперим. структурным и термохим. данным для простейших молекул, выбираемых в качестве эталонов (для углеводородов эталонными молекулами служат СН 4 , С 2 Н 6 и нек-рые др.).
Полученный набор параметров затем применяют для расчета характеристик молекул определенного класса соед. (напр., предельных углеводородов, спиртов и т. п.), а также для исследования неизученных в-в. Расчет по методу М. м. состоит в минимизации каждого из энергетич. вкладов, что дает оптим. значения r, a и t и энергии Емолекулы в целом. Спец. программы для ЭВМ требуют гораздо меньше машинного времени, чем квантовохим. расчеты, а точность предсказаний сравнима с погрешностью структурных и термохим. измерений.
Метод М. м. позволяет получать информацию для полного описания геометрии разл. конформеров в осн. состоянии и в седловых точках на пов-сти потенц. энергии (ППЭ), а также геом. строения в кристалле. Определяют также теплоты образования, энергии напряжения, энергии отдельных конформеров и высоты барьеров для конформац. превращений, частоты колебаний, распределения электрич. заряда, дипольные моменты, хим. сдвиги в спектрах ЯМР, скорости хим. р-ций и др. Диапазон применения М. м. велик: от простых молекул до полисахаридов и белков. В сочетании с др. методами, в частности газовой электронографией и рентгеновским структурным анализом, надежность и точность определения геом. характеристик повышается.
На основе расчета структурных параметров и энергии молекул в равновесном состоянии исследуют возможности внутри- и межмол. движений, составляющих предмет изучения мол. динамики.
М. м. разработана в 60-х гг. 20 в. Т. Хиллом и А. И. Китайгородским. Термин предложен Л. Бартеллом в 1958.
Лит.:
Дашевский В. Г., Конформационный анализ органических молекул, М., 1982; Буркерт У., Эллинджер Н. Л., Молекулярная механика, пер. с англ., М., 1986; КоффиУ., Ивенс М., Григолини П., Молекулярная и спектры, пер. с англ., М., 1987. B.C. Мастрюков.
Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .
молекулярная механика - Molecular Mechanics Молекулярная механика Один из подходов в молекулярном моделировании, использующий классическую механику для описания физических основ модели. Атомы (ядра с электронами) представляются точечными массами с соответствующими… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.
Изучает вращательное и поступательное (трансляц.) движение молекул, а также внутримолекулярные движения: колебания атомов и атомных групп, конформац. перестройки, вращения отдельных мол. фрагментов и т. п. Характерные времена этих движений… … Химическая энциклопедия
Молекулярная физика раздел физики, который изучает физические свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения. Задачи молекулярной физики решаются методами физической статистики, термодинамики и физической кинетики, они… … Википедия
Раздел физики, в к ром изучаются физ. св ва тел в разл. агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопич. (молекулярного) строения. Задачи М. ф. решаются методами физ. статистики, термодинамики и физ. кинетики, они связаны с изучением… … Физическая энциклопедия
Механика сплошных сред Сплошная среда Классическая механика Закон сохранения массы · Закон сохранения импульса … Википедия
Раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопического (молекулярного) строения. Задачи М. ф. решаются методами физической статистики, термодинамики и… … Большая советская энциклопедия
Раздел физики, изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. Из молекулярной физики выделились в самостоятельные разделы физика твёрдого тела, физическая кинетика, физическая … Энциклопедический словарь
- (греч. μηχανική искусство построения машин) область физики, изучающая движение материальных тел и взаимодействие между ними. Движением в механике называют изменение во времени взаимного положения тел или их частей в пространстве.… … Википедия
Квантовая механика Принцип неопределённости Введение... Математическая формулировка... Основа … Википедия
Молекулярная механика представляет собой совокупность методов априорного определения геометрического строения и энергии молекул на основе модели, в которой (в отличие от методов квантовой химии) электроны системы явно не рассматриваются . Поверхность потенциальной энергии, которая в квантово-химических моделях подлежит прямому расчету, здесь аппроксимируется определенными эмпирическими функциями разной степени сложности, представляющими собой, например, суммы парных потенциалов взаимодействия атомов. Эти потенциальные функции, определяющие так называемое силовое поле молекулы, содержат некоторые параметры, численное значение которых выбирается оптимальным образом так, чтобы получить согласие рассчитанных и экспериментальных характеристик молекулы. В простейшем случае параметрами являются равновесные межьядерные расстояния (длины связей) и валентные углы, а также силовые постоянные, то есть коэффициенты жесткости упругих сил, связывающих пары атомов. Метод основан на допущении возможности переноса этих параметров из одной молекулы в другую, так что численные значения параметров, подобранные для некоторых простых молекул, используются далее при прогнозировании свойств других более сложных соединений.
Простейшие модели молекулярной механики учитывают растяжения связей, деформацию валентных и двугранных (торсионных) углов, взаимодействие валентно несвязанных атомов, называемое также ван-дер-ваальсовым взаимодействием, электростатические вклады и т.д.:
U = U раст + U деф + U торс + U вдв + U эл-стат.
Для каждого слагаемого записывается определенное аналитическое выражение (например, энергия электростатического вклада U эл-стат., описывается кулоновской функцией, но, быть может, с нецелыми зарядами в качестве параметров) и параметры соответствующих функций подгоняются по каким-либо свойствам базовых молекул. Например, для описания потенциальной функции предельных углеводородов при не очень высоких требованиях к точности расчета достаточно около десяти параметров.
Сумма всех перечисленных вкладов определяет энергию U молекулы как функцию геометрической конфигурации ядер, и для нахождения равновесной геометрической конфигурации исследуемой молекулы необходимо определить минимум U c помощью компьютерной программы поиска стационарных точек на многомерных потенциальных поверхностях. Таким образом, практические действия исследователя чаще всего сводятся только лишь к заданию стартовой геометрии и вызову программы оптимизации геометрических параметров из условия минимума энергии. На выдаче просматривается полученная структура и, если необходимо, анализируются энергия и ее составляющие.
Трудно переоценить роль молекулярной механики в современной химической практике. Поскольку все вычислительные проблемы относятся лишь к хорошо разработанным процедурам минимизации, даже на достаточно маломощных персональных компьютерах можно анализировать строение больших многоатомных молекул за разумное время. Возможность увидеть структуру молекулы на экране компьютера, рассмотреть ее с разных сторон, проверить возникающие предположения о стерических затруднениях и т.д. оказывает неоценимую помощь в работе. Молекулярная механика играет роль молекулярного конструктора: для первичной оценки строения интересующей нас молекулы зачастую проще собрать молекулу на компьютере, чем тратить время на поиск необходимой информации в справочной литературе. При расчетах молекулярной структуры на более высоком уровне методами квантовой химии полезно использовать координаты ядер молекулы, найденные с помощью молекулярной механики, в качестве начального приближения. Для многих задач, например для конформационного анализа, уровень моделирования методами молекулярной механики оказывается вполне достаточным для качественных и даже количественных заключений.
Тем не менее простота получения результатов иногда приводит к соблазну использовать эту методику и тогда, когда она неприемлема. В каждом конкретном случае необходимо интересоваться, для каких классов соединений параметризована та версия программы, которую предполагается применять при моделировании свойств нового соединения. Особенно осторожно следует относиться к оценкам энергий, хотя и для геометрических конфигураций возможны грубые ошибки.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ МЕХАНИКА
(м е т о д а т о м-а т о м н ы х п о т е н ц и а л ь н ы х ф у н к ц и й),
расчетный эмпирич. метод определения геом. характеристик и энергии молекул .
Основан на предположении о том, что энергия Е молекулы м. б. представлена
суммой вкладов, к-рые м. б. отнесены к длинам связей r, валентным углам
а и двугранным (торсионным) углам т (соответствующие компоненты энергии обозначаются
E св, Е вал и Е тор). Кроме
того, в общем выражении для энергии всегда имеется член Е вдв,
отражающий ван-дер-ваальсово взаимод. валентно не связанных атомов , и член Е кул,
учитывающий электростатич. взаимод. атомов и обусловливающий наличие эффективных
атомных зарядов. Т. обр., полная энергия молекулы представляется суммой:
Для расчета первых двух
слагаемых чаще всего применяют известный из механики Гука закон (отсюда
назв. метода):
Аналит. выражение для энергии
Е тор, напр. для молекулы С 2 Н 6 , имеет
вид:
где V 3 -
потенц. барьер внутр. вращения. Энергии Е вдв и Е кул
рассчитывают по ф-лам Леннард-Джонса или Букингема для модельных потенциалов
(см. Меж молекулярные взаимодействия, Невалентные взаимодействия). Параметры
k r , k a , r 0 , a 0 и др.
во всех используемых ур-ниях подбираются таким образом, чтобы удовлетворить
эксперим. структурным и термохим. данным для простейших молекул , выбираемых
в качестве эталонов (для углеводородов эталонными молекулами служат СН 4 ,
С 2 Н 6 и нек-рые др.). Полученный набор параметров затем
применяют для расчета характеристик молекул определенного класса соед. (напр.,
предельных углеводородов , спиртов и т.п.), а также для исследования неизученных
в-в. Расчет по методу молекулярной механики состоит в минимизации каждого из энергетич. вкладов,
что дает оптим. значения r, a и t и энергии Е молекулы в целом.
Спец. программы для ЭВМ требуют гораздо меньше машинного времени, чем квантовохим.
расчеты, а точность предсказаний сравнима с погрешностью структурных и термохим.
измерений.
Метод молекулярной механики позволяет получать информацию для полного описания геометрии разл. конформеров в осн. состоянии и в седловых точках на пов-сти потенц. энергии (ППЭ), а также геом. строения в кристалле . Определяют также теплоты образования , энергии напряжения, энергии отдельных конформеров и высоты барьеров для конформац. превращений, частоты колебаний, распределения электрич. заряда, дипольные моменты , хим. сдвиги в спектрах ЯМР , скорости хим. р-ций и др. Диапазон применения молекулярной механики велик: от простых молекул до полисахаридов и белков . В сочетании с др. методами, в частности газовой
Полуэмпирические методы
Метод MNDO (1977)- один из наиболее распространенных полуэмпирических методов.
Основные приближения частичное пренебрежение дифференциальным перекрыванием дает возможность оптимизации структуры соединений (валентные связи, углы, двугранные углы). Учитывает направленность р -орбиталей.
Полуэмпирические методы не универсальные. Они дают достаточно точные результаты для того класса, группы соединений, для которого проводилась параметризация. Эмпирические данные, получаются как правило из спектральных данных.
Метод основа на представлениях теоретической механики. Метод рассматривает молекулу как некоторый набор атомов, который управляется потенциальными функциями, как в классической механике.
Зависимость энергии от межатомного расстояния r описывается кривой Морзе. Минимум энергии соответствует равновесному расстоянию r 0 . Аналитическое выражение потенциальной кривой Морзе является сложным.
Вопрос упрощается за счет того, что в большинстве случаев изменение r 0 происходит в небольшой области. В этой области кривой Морзе закон Гука является хорошим приближением к реальной кривой энергии. Закон Гука имеет вид:
,
где U- потенциальная энергия, k- постоянная величина.
Расчет потенциальной энергии или сжатия химической связи прост и не требует больших затрат машинного времени.
Если длина связи выходит за пределы выделенного участка к выражению потенциальной энергии добавляют кубический член (r-r 0) 3 . Тогда потенциальная функция приобретает вид:
+ k 2 (r-r 0) 3
Потенциал угловой деформации энергии взаимодействия возрастает, если валентный угол отклоняется от равновесного значения q 0 .Потенциальная функция также получается пропорциональной (q 0 -q) 2 .
При больших отклонениях от значения равновесного угла, необходимо вносить поправки пропорциональные кубу разности углов.
Следующая поправка связана с изменением энергии при отклонении торсионных углов от равновесного значения.
Сочетание взаимодействием, связанных изменением длины химических связей, валентных углов, торсионных углов называется валентным силовым полем.
В более точных расчетах необходимо учитывать взаимодействие Ван-дер-Ваальса.
Если молекула содержит полярные группы, возникает электростатическое взаимодействие и диполь-дипольное взаимодействие.
В методе молекулярной механики все рассмотренные взаимодействия переносятся из одной молекулы в другую, что упрощает расчеты.
Таким образом, создается механическая модель молекулы. Целью компьютерных программ является нахождение оптимальной структуры и энергии, соответствующей данной модели.
Такой подход даёт возможность исследовать наиболее сложные системы, недоступные сегодня для квантовой механики.
Главным преимуществом методов квантовой химии остается определение электронной структуры.
Молекулярная механика представляет собой совокупность методов априорного определения геометрического строения и энергии молекул на основе модели, в которой (в отличие от методов квантовой химии) электроны системы явно не рассматриваются . Строго говоря, Молекулярная механика (ММ) - метод определения молекулярной структуры, основанный на представлении молекулы в виде набора точек определенной массы, удерживаемых классическими силами . Молекулярную механику еще часто называют методом атом - атомных потенциальных функций . Этот метод основан на предположении о том, что энергия Е молекулы может быть представлена суммой вкладов, которые могут быть отнесены к длинам связей r, валентным углам и двугранным (торсионным) углам.
Вклады в молекулярную энергию включают упругую энергию связи (описывается законом Гука), энергии изгиба валентных углов и пространственных угловых деформаций и энергии электростатических и ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Кроме того, в общем выражении для энергии всегда имеется член Евдв, отражающий ван-дер-ваальсово взаимодействие валентно не связанных атомов, и член Екул, учитывающий электростатические взаимодействия атомов и обусловливающий наличие эффективных атомных зарядов.
Метод молекулярной механики успешно позволяет минимизировать энергию для больших молекулярных систем и кластеров, при разумных вычислительных затратах. Результаты расчетов методом молекулярной механики зависят от параметризации силового поля. Численное значение параметров выбирается так, чтобы получить согласие рассчитанных и экспериментальных характеристик молекулы. Параметрами являются равновесные межъядерные расстояния (длины связей) и валентные углы, а также силовые постоянные, то есть коэффициенты жесткости упругих сил, связывающих пары атомов . Простейшие модели молекулярной механики учитывают растяжения связей (Uраст.), деформацию валентных (Uдеф.) и двугранных (торсионных) углов (Uторс.), взаимодействие валентно несвязанных атомов, называемое также ван-дер-ваальсовым взаимодействием (Uвдв.), электростатические вклады (Uэл-стат.) и т.д. :
U = Uраст + Uдеф + Uторс + Uвдв + Uэл-стат (1)
Для каждого слагаемого записывается определенное аналитическое выражение (например, энергия электростатического вклада Uэл-стат., описывается кулоновской функцией, но, быть может, с нецелыми зарядами в качестве параметров) и параметры соответствующих функций подгоняются по каким-либо свойствам базовых молекул. Например, для описания потенциальной функции предельных углеводородов при не очень высоких требованиях к точности расчета достаточно около десяти параметров.
Метод молекулярной механики может также служить как вычислительная модель для оценки потенциальной энергии молекулы с учетом всех степеней свободы. Расчет по методу молекулярной механики состоит в минимизации каждого из энергетических вкладов, что даст оптимальные значения расстояний, валентных углов, диэдральных углов и энергии Е молекулы в целом. Специальные программы для ЭВМ, оперирующие расчетами по методу молекулярной механики, требуют гораздо меньше машинного времени, чем квантовохимические расчеты, а точность предсказаний структуры и энергий этим методом в большинстве случаев сравнима с погрешностью структурных и термохимических измерений .
Метод молекулярной механики позволяет получать информацию для полного описания геометрии различных конформеров в основном состоянии и в седловых точках на поверхности потенциальной энергии (ППЭ), а также геометрии строения в кристаллах и аморфных (стекловидных) телах . Этот метод также успешно применяется для определения теплоты образования, энергии напряжения, энергии отдельных конформеров и высоты барьеров для конформационных превращений, для определения частот колебаний и дипольных моментов, для распределения электрического заряда, и т.п. Диапазон применения молекулярной механики велик: от простых молекул до сложных металлокомплексов, полисахаридов и белков. В сочетании с другими методами, в частности газовой электронографией и рентгеновским структурным анализом, надежность и точность определения геометрических характеристик повышается.
Метод молекулярной механики неприменим: 1) для моделирования систем, свойства которых определяются электронными эффектами типа орбитальных взаимодействий и 2) в случае разрыва химических связей .
На основе расчетов методом молекулярной механики структурных параметров и энергии молекул в равновесном состоянии можно исследовать термодинамические параметры изучаемых систем с помощью метода Монте-Карло (метод решения математических задач путем моделирования случайных величин и по строения статистических оценок) и возможности внутри- и межмолекулярных движений в системе с помощью метода молекулярной динамики .
