Számítógépes kémia Egér a lombikban !? Fogarasi Géza, ELTE Elméleti Kémiai Tanszék

Kiindulás egy paradigma: A kémia kísérleti tudomány

A kezdetek. Robert Boyle (1627–1691) was born at Lismore Castle, Munster, Ireland, the fourteenth child of the Earl of Cork.

Robert Boyle: The Skeptical Chemist, 1661 (!)   "Én megpróbáltam a kémiát más szempontok szerint művelni, nem úgy, ahogy az eddigi kémikusok tették, hanem ahogy egy tudóshoz illik." .... "Bár viselnék az emberek inkább a tudományok előrehaladását szívükön, mint önző érdeküket, akkor könnyen belátnák, hogy nagyobb szolgálatot tennének a világnak, ha minden erejüket kísérletek végzésére és megfigyelések gyűjtésére fordítanák, ahelyett hogy kísérleti alapozás nélküli elméleteket állítanának fel. "

English theologian and scientist. Priestley, Joseph, 1733–1804 English theologian and scientist. In 1774, he found that mercury when heated with air formed a red compound which he placed in a test tube and heated it in the path of a beam of focussed sunlight. The result was shinny globules of mercury and a colorless gas that was able to burn combustibles more brightly than air and was also able to relight a smoldering wooden splint. He applied the phlogiston theory and named the gas "dephlogisticated air". He found it had opposite effects to Rutherford's phlogisticated air in that mice became extra active and breathing the gas made him feel "light and easy". This discovery was later named oxygen.

Antoine Lavoisier (1743 to 1794) In 1772 he found, contrary to the Phlogiston theory, that burning both phosphorus and sulfur increases their weights, producing acid forming gases. When Priestly visited Paris in October 1774, he met Lavoisier and shared his discovery of dephlogisticated air. Lavoisier amplified Priestly's experiment to prove that that air absorbed by heating mercury gently to form the red calx is exactly the same volume as the dephlogisticated air liberated by heating more strongly.

The Burning lenses

Calcination of a piece of metal with the burning lenses

És a ma: Egészen fantasztikus kísérleti munkák .... Egy friss példa: ammóniaszintézis szobahőmérsékleten és közönséges nyomáson (!). Az élet keletkezéséhez szükséges első kémiai lépések ....

ELTE, Általános és Szervetlen Kémiai Tanszék SZERVETLEN KÉMIAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Videofelvételek Jegyzetek: s,p-mezõ elemeinek kémiája d,f-mezõ elemeinek kémiája Reakciókinetika Segédprogramok A felvételeket elsőéves kémiatanár- és vegyész-szakos hallgatók készítették. Vágta, az utómunkát végezte és rendezte: Dr. Rohonczy János, egyetemi docens. Ezen termék a GNU licensz szabályok szerint a szerzõi jogok fenntartása mellett, változtatás nélkül, ingyenesen terjeszthetõ. Budapest, 2003.

Kémiatanár-szakos hallgatók ELTE TTK, 2002/2003 tanév

Vegyész-szakos hallgatók ELTE TTK, 2002/2003 tanév

Az ELMÉLETI MEGKÖZELíTÉS alapja: Atomelmélet (Dalton ~1805) A XIX. sz. folyamán: az atom oszthatatlan (belső szerkezete NINCS) Maxwell idézet: .....   (Maxwell, around 1875, describing atoms:) "foundation stones of the material universe ... unbroken and unworn. They continue to this day as they were createdperfect in number and measure and weigth."   (Scientific American, Aug. 1997, p. 73.)

elektronokkal kapcsolatos XX. sz. eleje: atomok belső szerkezete. A kémiai kötés az elektronokkal kapcsolatos

H = E Egy egy új paradigma? A kémia elméleti háttere: Kvantummechanika Az alapegyenlet, szimbolikusan: H = E (Schrödinger, 1925)

Elektronok a magok körül: nincs klasszikus pálya (bolygók) csak tartózkodási valószínűség, "elektron-sűrűség"(elektron-felhő) A pozitív töltésű magokat az elektronfelhő tartja össze

Elektroneloszlás a H-atom különböző állapotaiban Elektronsűrűség az 1s állapotban Elektronsűrűség a 2s állapotban

Elektroneloszlás a H-atom különböző állapotaiban Elektronsűrűség a 3s állapotban Elektronsűrűség a 2pz állapotban

A kémiai kötés A H2 molekula. 19. sz.: hogyan kapcsolódhat össze két azonos atom !? Berzelius, Avogadro ….

Két távoli H-atom Közeled- nek H2 molekula

Matematikailag: a molekulát leíró hullámfüggvény Molekulapályákból (MO) épül fel:

Gyakorlati számítások: Kvantumkémia (hagyományosan erős magyar terület) Számítógépek szerepe .....

Kvantumkémiai számítások. ELTE Elméleti Kémiai Tanszék FORMAMID: Számított elektronsűrűség

FORMAMID: Számított elektronsűrűség

FORMAMID: Elektronpályák Két felső -pálya: tipikus 3-centrumú, rezonancia-szerk.  10=-0.569 a.u. 12=-0.420 a.u.

Ab initio számítások már akár 50-100 atomos molekulákra is: Benzene (left) and aspartyl protease inhibitors (right) showing an iso-contour through their respective electron densities

infravörös spektrumok számítása (kísérleti spektrum értelmezése) Alkalmazások 1: infravörös spektrumok számítása (kísérleti spektrum értelmezése) Magyar siker: 31. Pulay P, Fogarasi G, Pongor G, Boggs, J.E., and Vargha, A.: Combination of theoretical ab initio and experimental information to obtain reliable harmonic force constants – scaled quantum-mechanical force fields for glyoxal, acrolein, butadiene, Formaldehyde and ethylene. J Am Chem Soc 105 (24): 7037-7047 1983. Cited: 631

IR spektrométer: Az infravörös sugárzás elnyelésének mértéke a hullámhossz függvényében az anyagra jellemző "újjlenyomat" - információ a molekularezgésekről

Egy spektrométer elvi vázlata

Eredmény: a spektrum

NMR spektrumok számítása (kísérleti spektrum értelmezése) Alkalmazások 2.: NMR spektrumok számítása (kísérleti spektrum értelmezése) Elv: az atommag kis elemi mágnes – külső mágneses térrel kölcsönhatás Az elektron-”felhő” árnyékolja a magokat, ez ma már ab initio szépen számítható

Az “igazi” kémia felé: Molekuladinamika

Klorid-ion és 6 vízmolekula időbeli viselkedése:

Molekuladinamika folyt.

Klorid-, ill. fluorid-ion kölcsönhatása vízzel: “pillanatfelvételek” a dinamikából, t = 0, 0.4, 0.8, 1.2 ps

számítások 100-1000 atomos molekulákra is A pragmatikusabb szemlélet: Empirikus alapon, számítások 100-1000 atomos molekulákra is

Alkalmazások 1: QSAR A CoMSIA analysis of thrombin inhibitors. On the left, an inhibitor is positioned in the site based on X-ray coordinates. On the right, CoMSIA contours show regions predicted to prefer steric bulk (green) and other regions (yellow) where steric interactions are unfavorable. The sterically favorable contour lies within the pocket, while the sterically unfavorable contours intersect the surface, confirming the CoMSIA analysis

Alkalmazások 2: CADD Computer-Aided Drug Design Computational Screening Studies for Core-Binding Factor Beta (CBF-     ): Use of Multiple Conformations to Model Receptor Flexibility Ryan Lilien - Bruce Randall Donald, Donald Lab Dartmouth Algorithmic research in computational structural biology can assist in our long-range goal of understanding biopolymer interactions in systems of significant biochemical as well as pharmacological interest

Rendszeres konferenciák, pl. Az Amerikai Kémiai Társaság szervezésében: COVER STORY FROM THE ACS MEETING October 8, 2001 Volume 79, Number 41 CENEAR 79 41 pp. 39-44 ISSN 0009-2347 [Previous Story] [Next Story] COMPUTERS & CHEMISTRY Symposium speakers showcase new developments in computational chemistry

Egyre több folyóirat: Molecular Graphics J. of Theoretical and Computers & Chemistry Molecular Graphics and Modelling J. of Theoretical and Computational Chemistry J. of Computational Biology J. of Computational Chemistry

Egy kapcsolódó kérdés: "Láthatóak"-e az atomok?

A számítógép mint rajzeszköz

Hagyományosan: fizikai molekula-modellek. Nagy molekulákra ez igen fáradságos lehet...

50 éves a kettős spirál forrás: C&EN     MODEL COMPOUND Watson (left) and Crick pose with their model of DNA in 1953. A. BARRINGTON BROWN/PHOTO RESEARCHERS INC.

Számítógépppel könnyebb lehet: Molekulagrafika

A DNS kettős spirálja

Együtt a legjobb: Egy fantasztikus preparatív eredmény, melyet számítógépes grafika tud igazán Látványosan bemutatni...

LOTS O' SPACE Metal-organic framework crystals composed of OZn4(CO2)6 clusters (blue) and naphthalene linkers (gray) can adsorb several weight % of hydrogen (orange).

THE END