Введение к работе
Актуальность темы. Как в природе, так и в искусственных условиях значительная часть химических и подавляющая часть биохимических реакций протекает в растворе. Несмотря на то, что многие жид-кофазные реакции легко экспериментально и осуществляются, и анализируются, в настоящее время не существует единого подхода к теоретическому описаюио влияния растворителя в физико-химическом эксперименте. Точный расчет эффектов сольватации связан с нахождением волновой функции раствореннной молекулы. Квантовохи-мические методы, позволяющие решить данную задачу, ограничены очень малыми системами из-за вычислительных и методологических трудностей.Методы численного моделирования.такие как молекулярная динамика (МД),метод Монте-Карло (МК),оптимизационньіе методы, основанные на приближении атом-атомных потенциалов, позволяют расчитывать системы, содержащие сотни молекул растворителя, но являются весьма дорогостоящими и трудоемкими. Получаемая информация сложна в гаїтерпретации и требует дополнительной обра-ботки.Большинство упрошенных модельных подходов учета эффектов сольватации также не лишены недостатков.
Цель работы состоит в создании математической модели сольватации и реализации ее в виде программного комплекса, позволяющего расчитывать энергетические и структурные характеристики сольват-ных комплексов ионов и молекул.
Связь с планом основных научных работ. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой научно-исследовательской работы Института химических наук им. А.Б.Бектурова "Создать научные основы новых направлений переработки фосфатного сырья на продукты химизации сельского хозяйства и неорганические материалы" (N госрегистрации 01890052171).
Научная новизна работы. В настоящей работе предлагается простой, но достаточно строгий и не требующий огромных затрат ма-
4.
шинного времени способ построения математической дискретно-континуальной модели учета эффектов сольватации. Построение сольватной оболочки и нахождение стабильной конфигурации соль-ватного комплекса осуществляются методами оптимизации. Для описания водородных связей предложен модифицированный атом-атомный потенциал. Математическая модель реализована в виде комплекса программ. Комплекс сопровождается графическим интерфейсом, включающем библиотеки подпрограмм по молекулярной графи-ке,создания диалоговых систем, обработки результатов эксперимента и отображения их в форме графиков, векторной алгебре и аналитической геометрии и оптимизации.
Научная ценность. Предложенная математическая модель и разработанный на ее основе комплекс программ позволяют моделировать и изучать пространственную и энергетическую структуры сольватных оболочек, вычислять поправки к энергиям на потенциальной поверхности молекулы или реагентов, обусловленные взаимодействием со средой, анализировать структуру и энергетику водородных связей в сольватных комплексах. Дополняя квантовохимические исследования, метод естественным образом сочетается с любым квантовохимическим методом и может давать хорошую стартовую точку для расчетов методами молекулярной динамики и Монте-Карло. Предложенный метод позволяет при сравнимой точности получать результаты на 1-2 порядка быстрее, чем в методах МК и МД и в десятки раз быстрее, чем при квантовохимическом расчете. Получаемые результаты просты в интерпретации и почти не требуют дополнительной обработки.
Возможная область применения результатов. Предлагаемая математическая модель может быть применима к широкому ряду задач физической,органической,неорганической и биоорганической хи-мии,т.к. позволяет определять энергии образования ван-дер-ваальсовых комплексов и комплексов с водородной связью, моделировать и расчитывать влияние сольватации на стабильность конформе-
5.
ров, тепловой эффект химической реакции, изменение химического равновесия путем моделироваїшя сольватации начального и конечного продукта, а также учитывать влияние сольватации на скорость химической реакции путем моделироваїшя исходного и переходного состояний, моделировать и изучать адсорбцию ионов и малых молекул на диэлектрических поверхностях (полимерах, микрокристаллах) и сорбцию ионов хелатами и краун-зфирами, оценивать энергии стабилизации или дестабилизации клатратных соединений за счет взаимодействия "хозяина" и "гостя". Алгоритмы и разработанные на их основе программы могут быть полезны при научно-технических расчетах и обработке экспериментальных данных. Автор выносит на защиту:
математическую модель учета эффектов сольватации и алгоритмы построения модели;
комплекс программ, реализующий модель учета эффектов сольватации;
потенциал водородной связи;
результаты моделирования сольватных оболочек однозарядных ионов.
Публикация и аппробация работы. По материалам работы опубликовано 6 работ. Результаты работы докладывались на VII Всесоюзной конференции "Использование вычислительных машин в химических исследованиях и спектроскопии молекул" (Рига ,1986 г.), II Республиканской конференции "Проблемы вычислительной математики и автоматизации научных исследований" (Алма-Ата, 1988 г.), VI Всесоюзной конференции молодых ученых по физической химии "Физхішия -90" (Москва, 1990), Всесоюзном координационном совещании по квантовой химии (Новосибирск, 1990).
Объем работы. Работа изложена на 189 страницах машинописного текста. Она состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 16 таблиц,25
6.
рисунков. Список литературы включает 180 источников.
