Mavzu: Avogadro dasturida empirik hisoblashlar. Mavzu rejasi



Yüklə 0,71 Mb.
tarix11.04.2023
ölçüsü0,71 Mb.
#96321

3-MA’RUZA: Mavzu: Avogadro dasturida empirik hisoblashlar.
Mavzu rejasi:

  1. Avogadro dasturida birikmalar 3D strukturalarini hosil qilish.

  2. Geometriyalarni optimallash.

  3. Empirik usullarni parametrlash moxiyati.

  4. Real va ideal bog’ uzunliklari.

Avogadro – interfeys hamda molekulyar mexanika hisoblash majmuasi (bepul). Birikmalar geometriyasi chizish (draw tool) yo’li bilan hosil qilinadi. “Draw tool” programmada “qalam” belgisi bilan ifodalangan.





Chizilgan C atomlariga “Add hydrogens” tugmasini bosish orqali H atomlarini qo’shish mumkin.

Avogadro programmasi ko’pchilik kvant-kimyoviy hisoblash majmualari uchun input fayllar tuzish ko’zda tutilgan.

Birikma geometriyasi chizilayotganda boglangan atomlar ketma-ketligi saqlanishi kerak. Hisoblash jarayonlari visuallashtirilgan majmualarda notartib holatda chizilgan struktura normal optimizasiya qilinishi mumkin. Lekin, Gamess, Gaussian kabi programmalarda noempirik hisoblashlarda xatoliklarga yo’l qo’yilishi mumkin.

Molekulyar mexanika nazariyalari o’tgan asrning 60-chi yillarida T. Xill va A.I. Kitaygorodskiylar tomonidan yaratilgan. Molekulyar mexanika termini 1958 yilda L. Bartell tomonidan taklif qilingan. Birinchi molekulyar mexanika tipidagi hisoblashlarni amalga oshiruvchi programma K.B. Viberg (K.B. Wiberg) tomonidan 1965 yilda ishlab chiqilgan. 1976 yilda N.L. Ellinjer (N.L. Allinger) MM1 usulini, 1977 yilda esa MM2 usulini taklif qildi.


Molekulyar mexanika (MM) usullarida atomlar kuch maydonlarida joylashgan N’yuton zarrachalari deb qaraladi. Ularning o’zaro ta’siri potensial energiya bilan ifodalanadi. Potensial energiya bog’ uzunliklari (r), bog’lar orasidagi butchak (vb), ikki yonli (torsion) burchak va bog’lanmagan fragmendar orasidagi elektrostatik (k) hamda Van-der-vaals ta’siriashuvlariga bog’liq. MM yoki kuch maydonlari usullarida umumiy potensial energiya yuqorida keltirilgan ta’sirlashuvlar energiyalarining yig’indisi sifatida topiladi:
E=Ebog’+Evb+Etb+Evdv+EKulon (19)

Bog’ energiyasini ifodalash
MM usuli empirik usul –tajribada olingan geometrik va boshqa kattaliklar asosida parametrlanadi. Ma’lum bo’lgan, alohida olingan har bitta kimyoviy bog’ uzunligi ideal bog’ uzunligi (r0) sifatida kiritilgan. Masalan, sp3 gibridlangan C atomlari orasidagi C-C bog’ uzunligi 1.508 Å, sp2 gibridlangan C atomlari orasidagi C=C bog’ uzunligi 1.333 Å va sp gibridlangan C atomlari orasidagi C≡C bog’ uzunligi 1.200 Å deb kiritilgan. Bog’ energiyasini topishda quyidagi ifoda yordamida minimal energetik holat energiyasi olinadi:
( 20)

bu yerda, k-parametrlashda aniqlanadiga o’zgarmas kattalik, r0 –parametrlashda kiritilgan ideal bog’ uzunligi va r –qaralayotgan birikmadagi ideal bog’ uzunligidan farq qiluvchi (real) bog’ uzunligi. Ma’lumki, kimyoviy bog’lar uzunligi belgilangan masofagach uzayishi va qisqarishi mumkin. Yadrolar orasidagi masofa oshishi bilan potensial energiya ham keskin oshadi (-rasm). MM usulida kimyoviy bo’glar prujinadek tasaffur qilinadi.






C=0 va C-C bog’ uzunligining energiyaga bog’liqlik diagrammasi.
Valent va torsion burchak energiyasini ifodalash
M M usulida valent burchak energiyasini ifodalashda quyidagi ifodadan foydalaniladi:

Ayrim MM programmalarida vb kattaliklarini tajribadagi vb kattaliklariga yaqinlashtirish maqsadida yuqoridagi ifoda mukammallashtirilgan:


Evb=ki/2(ϕi- ϕ0)2(1-k’(ϕi- ϕ0)-k”(ϕi- ϕ0)2-k’”(ϕi- ϕ0)3-k””(ϕi- ϕ0)4…) (22)


Torsion bog’ energiyasi qquyidagi ko’rinishdagi ifodalar yordamida aniqlanadi



Van-der-Vaals va Kulon ta’sirlashuvlari energiyalarini ifodalash VdV ta’sirni to’liq ifodalovchi formulalardan biri Leonard-Jons potensiali hisoblanadi:

bu yerda, €ijva σij potensial o’ra chuqurligini ifodalovchi kattaliklar.
K ulon ta’sirni to’liq ifodalovchi formulalar quyidagicha:

bu yerda, q1 va q2 o’zaro ta’sirlahsyotgan ikkita zarrachaning zaryadi, r- qx va q2 orasidagi masofa, £0 - elektr doimiysi: £0 =8.85-10"12 Farada/metr , £ - zaryad atrofidagi muhitning dielektrik singdiruvchanligi.


MM usuli programmalari С atomlarini va boshqa atomlarni gibridlanish holati va strukturasining o’ziga xos xususiyadarini to’liq namoyon etishi uchun parametrlash jarayonida qaytadan nomerlangan (-jadval). Masalan, har bir sinf birikmalaridagi С atomining electron tuzilishlarini inobatga olgan holda С atomi uchun 15 ta raqamlash kiritilgan. Alkenlardagi sp2-gibridlangan С atomi karbonildagi sp2-gibridlangan С atomidan farq qilishi maktab kimyosidan ma’lum. Kislorod atomi uchun 7 xil, N atomi uchun 10 xil raqamlash kiritilgan.
-Jadval. MM usulida atomlarning turlari va raqamlanishi



Raqam

Simvol

Tavsifi

Raqam

Simvol

Tavsifi

1

С

sp3-uglerod

28

H

enol yoki amid

2

С

sp2-uglerod, alken

48

H

ammoniy

3

С

sp3-uglerod, C=0(N)

36

D

deyteriy

4

С

sp-uglerod

20

EJ

electron juft

22

С

Siklopropan

15

S

sulfide, R2S

29

С-

radikal

16

S+

R3S+

30

С+

karbokation

17

s

Sulfoksid, R2SO

38

С

sp2-uglerod,siklopropen

18

s

R2SO2

50

С

sp2-uglerod, aromatik

42

s

sp2-S, tiofen

56

С

sp3-C, siklobutan

11

F

ftorid

57

С

sp2-C, siklobuten

12

Cl

xlorid

58

С

Karbonil, siklobutanon

13

Br

bromid

67

С

C=0, siklopropanon

14

I

yodid

68

С

Karbonil, keten

26

В

Boron, trigonal

71

С

Keton uglerodi

27

В

Boron, tetroganal

8

N

sp3-azot

19

Si

silan

9

N

sp3-azot, amid

25

P

Fosfin, R3P

10

N

sp-azot

60

P

5 valentli P

37

N

Azo yoki piridin, -N=

51

He

geliy

39

N+

sp3-N, R4N+

52

Ne

neon

40

N

sp2-azot, pirrol

53

Ar

argon

43

N

Azoksi, -N=N-0

54

Kr

kripton

45

N

Azid

55

Xe

ksenon

46

N

Nitro, -N02

31

Ge

germaniy

72

N

Imin, oksim, =N-

32

Sn

qalay

6

0

sp3-kislorod

33

Pb

Qo’rg’oshin, R4Pb

7

0

sp2-kislorod, karbonil

34

Se

selen

41

0

sp2-kislorod, furan

35

Те

tellur

47

0"

karboksilat

59

Mg

magniy

49

0

epoksi

61

Fe

Temir (II)

69

0

Amin oksid

62

Fe

Temir (III)

70

0

keton

63

Ni

Nikel (II)

5

H

Vodorod

64

Ni

Nikel (III)

21

H

Spirtlardagi, OH

65

Co

Kobalt (II)

23

H

Amin, NH

66

Co

Kobalt (III)

24

H

Karboksil, COOH










Bugungi kunda, ko’pchilik hisoblash majmualari uchun MM usullari yaratilgan va kiritilgan:

  1. MM2 (ChemOffice);

  2. MMX (PCModel);

  3. MM+, Amber, OPLS, BIO+ (HyperChem);

  4. Ghemical, MMFF94, MMFF94s, UFF (Avogadro);

  5. UFF, Dreiding, Amber (Gaussian). UFF-universal force field (Universal kuch maydoni), MMFF-Merk Molecular Force Field.

MM usuli kvant-kimyoviy usullarga nisbatan juda tezkor usul sanaladi. Lekin, aniqligi yarim empirik va noempirik usullarnikiga nisbatan past. MM usullarida N, O kabi atomlaridagi bog’lanmagan elektron juft ta’sirlashuvlari to’liq inobatga olinmagan. Tautomerlar, konformerlar va boshqa birikmalarning umumiy energiyasi hisobida tajriba bilan mos tushadigan ma’lumotlar olingan.
Ayrim MM usullari atom zaryadlari va hosil bo’lish issiqligini hisoblashga parametrlangan.
Keyingi vaqtlarda MM usulining tezkorligi asosida kvant-kimyo va MM usullari birlashtirgan, gibrid usullar (QM/MM) yaratish ustida izlanishlar olib borilmoqda. Bunga misol qilib Morokumaning ONIOM usulini misol qilib keltirish mumkin.
Molekulyar dinamika
Molekulyar dinamika molekulalarning harakatini mikrodarajada modellash orqali ma’lum birikmalarning fizikaviy makroxarakteristikalarini aniqlash imkonini bermoqda. Makroxarakteristikalar - molekulalarning ma’lum vaqt davomida fazodagi harakati natijasida qoldirgan izi, ya’ni trayektoriyasini qayd qilish orqali aniqlanadi.
Molekulyar dinamikada zarrachalarning harakati (dinamikasi) Nyuton qonunlari bilan ifodalashnadi (F=ma, F=-F). Atomlarning harakatini modellashtirish jarayonida har bir atomga ta’sir qiluvchi kuch (F) quyidagicha topilishi mumkin:

bu yerda, U-potensial energiya funktsiyasi, r-i atomning holati. Tezlanish (a), tezlik (v) va holat o’zgarishi (ri) quyidagi ifodalar bilan aniqlanadi.


Umumiy energiya kinetik (k) va potensial (u) energiya yig’indisidan aniqlanadi. Potensial energiya mm usuludagi umumiy energiyani toppish formulasidan, yani: u = Еbog ’+ Еvb + Еtb + ЕVdV + ЕKulon topiladi. Kinetik energiya quyidagi ifoda yordamida hisoblanadi:


Zarrachalarning ma’lum bir vaqt ichidagi harakatining (trayektoriyasining) sanoqli yechimini topish uchun funksiyalarni Taylor qatoriga yoyish kabi amaliyotlaridan foydalaniladi.


Zarrachaning x o’qi bo’yicha dastlabki (t vaqtdagi) holati va tezligini quyidagicha aniqlab olsak:

t +Δt vaqtdagi holati (sistema dinamikasining 1-chi qadami) quyidagicha aniqlanadi:

x(t+ Δt) yordamida x(t+2Δt) aniqlanishi mumkin. Xuddi shuningdek, dasdabki tezlik v(t) yordamida keyingi qadamdagi tezlik v(t+At) aniqlanishi mumkin.



Trayektoriyani vaqt bo’yicha ifodalash qoidalari.
Trayektoriyalar temperature va bosim ta’sirini o’zgarishi ta’sirini inobatga olgan holda yozilishi mumkin. Vaqt o’lchovi sifatida - femtosekund (10-15s.), pikosekund (s) yoki nanosekund olinadi. Quyida vaqt davomida sistema energiyasi o’zgarishini ko’rsatuvchi diagramma keltirilgan.
Vaqt davomida sistema energiyasi o’zgarishini ko’rsatuvchi MD hisoblash diagrammasi.
Bugungi kunda biologik makromolekulalarni o’rganishda MD usullari keng qo’llanilmoqda. MD usullarida ta’sirlashayotgan biologik sistemalarning energetik sathdagi global minimumini topish makromolekulada mavjud bo’lgan ko’pchilik lokal minimumlar tufayli juda murakkab. Shuning uchun ham tarkibida 1000-dan ortiq suv molekulasini, ligand molekulasini va makromolekulani birgalikda qo’shib hisoblaydigan MD hisoblashlari asosan superkompyuterlarda olib boriladi. Masalan, quyidagi oqsil molekulasini (a) MD usulida o’rganish uchun 15800-ta suv molekulasini tutgan sferik yacheyka hosil qilingan (b):

Oqsil molekulasini va 15800-ta suv molekulasini tutgan sferik yacheyka.
Ushbu ko’rinishdagi sistemalarni talab qilingan qadam (500 qadam/1 ps) va tezlikni (24 qadam/sek) inobatga olgan holda 30 ns davomidagi dinamikasini shaxsiy kompyuterlarda hisoblash uchun qariyb 20000 soat (833 kun) vaqt ketadi. Superkompyuterlarda qariyb 1 oy mobaynida hisoblash mumkin.
MD hisoblashlarini uchun mo’ljallangan Gromacs, LAMMPS, AMBER, Monte Carlo va boshqa programmalar mavjud. HyperChem programmasida ham kichik molekulalar uchun MD hisoblashlarini ma’lum vaqt davomida qizdirish yoki sovitish natijasida umumiy energiya o’zgarishini hisoblash mumkin. Undan tashqari, birikmalarni suv muhitidagi (200-dan ortiq suv molekulasini tutgan to’rtburchak yacheyka) ma’lum bir vaqt oralig’idagi dinamikasini hisoblash mumkin.

Foydalanilgan adabiyotlar:



  1. J.C.Cramer, Essentials ofcomputational chemistry. Theories and Models. Second Edition. John Wiley.2004.

  2. A.G.Eshimbetov, A.X.Xayitboyev, S.A.Maulyanov, H.S.Toshev. Kompyuter kimyosi. O’zMU. 2015. 112 b.

  3. Кларк Т. Компьютерная химия, М., Мир, 1990.

Yüklə 0,71 Mb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

gir | qeydiyyatdan keç
    Ana səhifə


yükləyin