8. Teoretyczne metody pozyskiwania geometrii układów chemicznych. Dlaczego znajomość geometrii układu chemicznego jest ważna?

Question 1

Dlaczego znajomość geometrii układu chemicznego jest ważna?

Answer 1

Zrozumienie geometrii molekularnej cząsteczki jest ważne, ponieważ relacja przestrzenna między atomem określa jego reaktywność, kolor, aktywność biologiczną, stan skupienia, polarność i inne właściwości

Question 2

Teoretyczne metody pozyskiwana geometrii - analiza konformacyjna

Answer 2

Analiza konformacyjna ma na celu znalezienie stabilnych konformacji (tj. układów geometrycznych) badanej cząstki w zależności od danego kąta (zmienia się wartość kąta i bada energię cząsteczki szukając jak najmniejszej wartości).

(i) Algorytmy poszukiwania systematycznego
(ii) Metody oparte na budowaniu modelu
(iii) Podejścia losowe
(iv) Metody oparte na odległościach
(v) Metody symulacyjne np. dynamika molekularna

Question 3

Algorytmy poszukiwania systematycznego

Answer 3

• Identyfikacja wiązań rotowalnych
• Systematyczna rotacja wokół tych wiązań w pełnym zakresie (360°) z określonych krokiem (np. co 10 °), pozostałe wiązania i kąty są „zamrożone”
• Każda znaleziona konformacja jest optymalizowana
  Wady: ogromna liczba generowanych struktur (oprócz minimów otrzymujemy również struktury o wysokiej energii). Jest to nieefektywna metoda dla dużych układów, nie nadaje się do układów z pierścieniami.

Question 4

Metody oparte na budowaniu modelu

Answer 4

• Utworzenie modelu w oparciu o istniejące fragmenty
• Manualna lub zautomatyzowana manipulacja celem znalezienia możliwych kombinacji
• Każdy fragment musi być konformacyjnie niezależny od innych fragmentów w cząsteczce
• Konformacje dla każdego fragmentu muszą pokrywać się z konformacjami pełnego układu

Question 5

Podejścia losowe (analiza konformacyjna)

Answer 5

• Nieprzewidywalny sposób eksplorowania przestrzeni konformacyjnej
• Eksploracja pod wpływem zmian we współrzędnych kartezjańskich lub kątów torsyjnych
• Podczas każdej iteracji, losowa zmiana jest wprowadzana do bieżącej konformacji
• Energia nowej konformacji jest minimalizowana - Jeśli taka zminimalizowana konformacja nie była wcześniej znaleziona to jest akceptowana
• Obliczenia prowadzi się do momentu wyczerpania zadanej liczby iteracji lub do momentu, gdy algorytm nie znajduje już nowych konformacji

Wady: brak zdefiniowanego końca poszukiwań (zależy wyłącznie od badacza) - zależnie od czasu prowadzenia obliczeń możemy otrzymać różne wyniki.

Question 6

Metody oparte na odległościach (analiza konformacyjna)

Answer 6

• Odległości pomiędzy wszystkimi parami atomów (N(N-1)/2) międzyatomowych odległości w cząsteczce)
• N x N symetryczna macierz, elementy diagonalne są równe zero
• Działanie metody opiera się na fakcie, że odległości są ze sobą ściśle powiązane i wiele kombinacji nie jest po prostu możliwych
• Przydatna metoda, jeśli można ją połączyć z pomiarami (np. z technik NMR, NOESY, COSY)

Question 7

Metody symulacyjne np. dynamika molekularna (analiza konformacyjna)

Answer 7

Konformacje powinny być zbliżone do tych, pochodzących z danych doświadczalnych (XRD, NMR)