Hesaplamalı Kimyanın Temelleri

Hesaplamalı kimya, kimyasal sistemlerin yapılarını, özelliklerini ve reaksiyonlarını anlamak, modellemek ve tahmin etmek için matematiksel hesaplamalar, bilgisayar simülasyonları ve teorik yöntemler kullanan bir bilim dalıdır. Hesaplamalı kimya kuantum mekaniği, moleküler mekanik ve istatistiksel yöntemler gibi teorik temellere dayanarak moleküler yapıların enerji seviyelerini, dinamiklerini ve etkileşimlerini incelemektedir. Örneğin bir ilaç adayı molekülün, enzimin aktif bölgesine yerleşimini (docking) incelemek amacıyla kullanılabilir. Malzeme biliminde ise katıların (örneğin plastiklerin) ve çeşitli nanomalzemelerin özelliklerini araştırmak ve laboratuvarda ya da endüstride önemli olan reaksiyonlardaki katalizi incelemek için kullanılmaktadır (1). Hesaplamalı kimya, doğrudan yeni teorik yöntemler geliştirmekten ziyade, kimyasal problemlere ilişkin sonuçlar elde etmeye odaklanmaktadır. Teorik kimya ile hesaplamalı kimya arasında güçlü bir etkileşim vardır. Yeni teorik modellerin geliştirilmesi, yeni problemlerin çalışılmasını mümkün kılabilir ve hesaplama sonuçları, teorinin sınırlamalarını ortaya koyarak iyileştirmeler önerilmesine katkı sağlayabilir. İstenen doğruluğa ve incelenen sistemin doğasına bağlı olarak, günümüzde birkaç bin parçacık içeren sistemler için faydalı bilgiler elde etmek mümkündür. Hesaplamalı kimyanın en büyük sorunlarından biri, belirli bir problem için uygun teori seviyesini seçmek ve elde edilen sonuçların kalitesini değerlendirebilmektir (2).

Hesaplamalı kimyada yaygın olarak araştırılan konular şunlardır:

Moleküler geometri: Moleküllerin şekilleri, bağ uzunlukları, açıları ve dihedral açıları (3).

Moleküllerin ve geçiş durumlarının enerjileri: Bu durum, hangi izomerin dengede daha avantajlı olduğunu ve (geçiş durumu ve reaktif enerjilerinden) bir reaksiyonun ne kadar hızlı gerçekleşmesi gerektiğini açıklamaktadır (4).

Şekil 1. Moleküllerin geçiş durumlarının enerjisini gösteren temsili bir görsel. (Görsel, yapay zeka kullanılarak oluşturulmuştur)

Kimyasal reaktivite: Örneğin, elektronların yoğunlaştığı bölgelerin (nükleofilik bölgeler) ve gitmek istedikleri yerlerin (elektrofilik bölgeler) bilinmesi, çeşitli reaktiflerin bir moleküle nereden saldıracağının tahmin edilmesine yardımcı olmaktadır. Bu durumun özellikle yararlı bir uygulaması, katalizörlerin olası etki mekanizmalarının aydınlatılmasıdır; bu da geliştirilmiş versiyonların ortaya çıkmasına yol açabilir (5).

IR, UV ve NMR spektrumları: Moleküllere ait IR, UV ve NMR gibi spektrumlar hesaplamalı kimya yöntemleri ile hesaplanabilir (6).

Şekil 2. Curcumin molekülünün deneysel spektrumu: (A) FT-IR spektrumu. (B) B3LYP/6-311G** teori seviyesiyle hesaplanan spektrum (7).

Substrat - enzim etkileşimi: Bir molekülün, enzimin aktif bölgesine nasıl yerleştiğini görmek daha iyi ilaçlar tasarlamak için kullanılan bir yaklaşımdır (8).

Şekil 3. N-(2-((2-kloro-4,5disiyanofenil)amino)etil)-4-metilbenzensulfonamid (ADK-1), molekülü ile birlikte 1E9Z proteinine ait üç boyutlu yapı (9).

Maddelerin fiziksel özellikleri: Fiziksel özellikler, moleküllerin özelliklerine ve moleküllerin yığın (bulk) halde nasıl etkileştiğine bağlıdır. Örneğin bir polimerin (plastik vb.), dayanıklılığı ve erime noktası, moleküllerin birbirine ne kadar iyi yerleştiğine ve aralarındaki kuvvetlerin ne kadar güçlü olduğuna bağlıdır (10).

Hesaplamalı Kimyanın Tarihçesi

Hesaplamalı kimya, kuantum mekaniğinin teorileri ve keşifleri üzerine inşa edilmiştir. 1927'de Walter Heitler ve Fritz London, kimyada ilk teorik hesaplamaları gerçekleştirmiştir (11). 1940'larda bilgisayar teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, karmaşık atomik sistemlerin dalga fonksiyonlarının detaylandırılması erişilebilir bir hedef olmaya başlamıştır. İlk yarı ampirik atomik orbital hesaplamaları 1950'lerin başında gerçekleştirilmiştir (12). 1956'da, MIT'de iki atomlu moleküller için ab initio Hartree-Fock hesaplamaları yapılmıştır (13). 1950'lerde Boys ve çalışma arkadaşları, Cambridge Üniversitesi'ndeki EDSAC bilgisayarında GAUSSIAN orbitalleri kullanarak ilk konfigürasyon etkileşim hesaplamalarını gerçekleştirmiştir (13). 1964'te Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley ve Oxford Üniversitesi'ndeki bilgisayarlarda, Hückel hesaplamaları yani atomik orbitallerin lineer kombinasyonu (LCAO) yöntemi kullanılarak konjuge sistemlerdeki π-elektronlarının moleküler orbitallerinin elektronik enerjileri hesaplanmıştır (14). 1970'lerde, ATMOL, GAUSSIAN, IBMOL ve POLYAYTOM gibi verimli bilgisayar programları, moleküler orbital ab initio hesaplamalarını hızlandırmak için kullanılmıştır (15). Bu dört programdan günümüzde yaygın olarak kullanılmaya devam eden yalnızca GAUSSIAN'dır ancak bunların dışında pek çok başka program da geliştirilmiştir.

1970'lerde, hesaplamalı kimyanın bir disiplin olarak ortaya çıkmasıyla birlikte farklı yaklaşımlar bu alana dahil edilmeye başlanmıştır. Pople, Schrödinger denklemi bağlamında dalga fonksiyonlarını tanımlayan yöntemler sunmuş ve hesaplamalı kimya için sistematik olarak doğruluğu kontrol edilebilen, giderek daha hassas yaklaşımlar içeren teorik modeller geliştirmiştir (16). 1960'larda Walter Kohn, kuantum mekaniksel bir sistemin enerjisinin yalnızca elektron yoğunluğu tarafından belirlendiğini öne sürmüştür. Bu, Schrödinger denklemindeki karmaşık dalga fonksiyonlarına kıyasla çok daha kolay ele alınabilir bir niceliktir. Kohn, elektron yoğunluğu ve sistemin enerjisinin çözümünü elde etmek için bir denklem türetme yöntemini de sağlamıştır. Basitliği ve daha büyük moleküllere uygulanabilirliği sayesinde bu yöntem, yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) olarak bilinir ve hesaplamalı kimyada sıklıkla kullanılmaktadır (17). Walter Kohn, "yoğunluk fonksiyonel teorisinin geliştirilmesi" ve John Pople, "kuantum kimyasında hesaplamalı yöntemlerin geliştirilmesi" nedeniyle 1998 Nobel Kimya Ödülü'nü almışlardır.

Hesaplamalı Kimyada Kullanılan Yazılımlar ve Araçlar

Hesaplamalı kimyada kullanılan yazılımlar ve araçlar, moleküler modelleme, kimyasal reaksiyonların simülasyonu, enerji hesaplamaları, moleküler dinamik analizleri ve diğer teorik çalışmalar için geniş bir yelpazede hizmet sunmaktadır.

Gaussian: Elektron yapısı teorisi, moleküler optimizasyon ve geçiş durumu aramaları için yaygın olarak kullanılmaktadır (18).

ORCA: Açık kaynaklı, çok yönlü bir kuantum kimya yazılımıdır (19).

GAMESS: Moleküler yapıların, enerjilerin ve dalga fonksiyonlarının hesaplanması için kullanılır (20).

Q-Chem: Modern kuantum kimya yöntemlerini destekleyen bir yazılımdır (21).

CP2K: Yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) ve moleküler dinamik simülasyonları için uygundur (22).

NWChem: Hem klasik hem de kuantum mekaniksel hesaplamaları destekleyen bir yazılım. Yoğunluk fonksiyonel teorisi, ab initio yöntemleri ve moleküler dinamik çalışmaları için kullanılmaktadır (23).

Quantum Espresso: Periyodik sistemlerde DFT hesaplamaları için açık kaynaklı bir yazılımdır. Özellikle katı hâl fiziği ve malzeme biliminde oldukça popülerdir (24).

REFERANSLAR

1. Errol G. Lewars. (2011). Computational Chemistry: Introduction to the Theory and Applications of Molecular and Quantum Mechanics. doi: https://doi.org/10.1007/978-90-481-3862-3

2. Jensen, F. (2017). Introduction to computational chemistry (Third edition). John Wiley & Sons, Ltd.

3. Choudhary, V. K., Mandhan, K., Dash, D., Bhardwaj, S., Kumari, M., & Sharma, N. (2022). Density functional theory studies on molecular geometry, spectroscopy, HOMO-LUMO and reactivity descriptors of titanium(IV) and oxidozirconium(IV) complexes of phenylacetohydroxamic acid. Journal of computational chemistry, 43(31), 2060–2071. https://doi.org/10.1002/jcc.27004 

4. Wei, W. X., Li, Y., Wen, Y. T., Li, M., Li, X. S., Wang, C. T., Liu, H. C., Xia, Y., Zhang, B. S., Jiao, R. Q., & Liang, Y. M. (2021). Experimental and Computational Studies of Palladium-Catalyzed Spirocyclization via a Narasaka-Heck/C(sp3 or sp2)-H Activation Cascade Reaction. Journal of the American Chemical Society, 143(20), 7868–7875. https://doi.org/10.1021/jacs.1c04114

5. Rajmohan, V., Deepa, S., Asha, S., Priya, S. V., Sagaama, A., & Raja, M. (2023). Synthesis, solvation effects, spectroscopic, chemical reactivity, topological analysis and biological evaluation of 4-chloro-N-(2, 6-dichlorobenzylidene) benzohydrazide. Journal of Molecular Liquids, 390, 122955. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.122955

6. Manhas, F. M., Fatima, A., Verma, I., Siddiqui, N., Muthu, S., AlSalem, H. S., ... & Javed, S. (2022). Quantum computational, spectroscopic (FT-IR, NMR and UV–Vis) profiling, Hirshfeld surface, molecular docking and dynamics simulation studies on pyridine-2, 6-dicarbonyl dichloride.Journal of Molecular Structure, 1265, 133374. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2022.133374 

7. Benassi, R., Ferrari, E., Lazzari, S., Spagnolo, F., & Saladini, M. (2008). Theoretical study on Curcumin: A comparison of calculated spectroscopic properties with NMR, UV–vis and IR experimental data. Journal of Molecular Structure, 892(1-3), 168-176. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2008.05.024

8. Arulaabaranam, K., Mani, G., & Muthu, S. (2020). Computational assessment on wave function (ELF, LOL) analysis, molecular confirmation and molecular docking explores on 2-(5-Amino-2-Methylanilino)-4-(3-pyridyl) pyrimidine. Chemical Data Collections, 29, 100525. https://doi.org/10.1016/j.cdc.2020.100525

9. Dege, N., Gökce, H., Doğan, O. E., Alpaslan, G., Ağar, T., Muthu, S., & Sert, Y. (2022). Quantum computational, spectroscopic investigations on N-(2-((2-chloro-4, 5-dicyanophenyl) amino) ethyl)-4-methylbenzenesulfonamide by DFT/TD-DFT with different solvents, molecular docking and drug-likeness researches. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 638, 128311.

10. Minissale, M., Aikawa, Y., Bergin, E., Bertin, M., Brown, W. A., Cazaux, S., ... & Dulieu, F. (2022). Thermal desorption of interstellar ices: A review on the controlling parameters and their implications from snowlines to chemical complexity. ACS Earth and Space Chemistry, 6(3), 597-630. https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.1c00357

11. Heitler, W., & London, F. (1927). Wechselwirkung neutraler Atome und homöopolare Bindung nach der Quantenmechanik. Zeitschrift für Physik, 44(6), 455-472.

12. Murrell, J. N., & Harget, A. J. (1972). Semi-empirical self-consistent-field molecular orbital theory of molecules.

13. Boys, S. F., Cook, G. B., Reeves, C. M., Shavitt, I. (1956). "Automatic Fundamental Calculations of Molecular Structure". Nature. 178 (4544): 1207–1209. https://doi.org/10.1038/1781207a0 

14. Streitwieser, A., Brauman, J. I., Coulson, C. A. (1965). Supplementary Tables of Molecular Orbital Calculations. Oxford: Pergamon Press.

15. Ma, Xiaoyue (2022-12-01). "Development of Computational Chemistry and Application of Computational Methods". Journal of Physics: Conference Series. 2386 (1): 012005.

16. Pople, John A.; Beveridge, David L. (1970). Approximate Molecular Orbital Theory. New York: McGraw Hill.

17. Kohn, W. & Sham, L. J. (1965). "Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects". Physical Review, 140(4A), A1133–A1138.

18. Gaussian 09, Revision A.02, M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, X. Li, M. Caricato, A. Marenich, J. Bloino, B. G. Janesko, R. Gomperts, B. Mennucci, H. P. Hratchian, J. V. Ortiz, A. F. Izmaylov, J. L. Sonnenberg, D. Williams-Young, F. Ding, F. Lipparini, F. Egidi, J. Goings, B. Peng, A. Petrone, T. Henderson, D. Ranasinghe, V. G. Zakrzewski, J. Gao, N. Rega, G. Zheng, W. Liang, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, K. Throssell, J. A. Montgomery, Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, T. Keith, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, J. M. Millam, M. Klene, C. Adamo, R. Cammi, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, O. Farkas, J. B. Foresman, and D. J. Fox, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2016.

19. Neese, F. The ORCA program system Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci., 2012, 2, 1, 73–78 https://doi.org/10.1002/wcms.81 

20. Barca, G. M. J., et al. (2020). "Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system." The Journal of Chemical Physics 152(15): 154102. https://doi.org/10.1063/5.0005188 

21. Y. Shao, Z. Gan, E. Epifanovsky, A. T. B. Gilbert, M. Wormit, J. Kussmann, A. W. Lange, A. Behn, J. Deng, X. Feng, D. Ghosh, M. Goldey P. R. Horn, L. D. Jacobson, I. Kaliman, R. Z. Khaliullin, T. Kús, A. Landau, J. Liu, E. I. Proynov, Y. M. Rhee, R. M. Richard, M. A. Rohrdanz, R. P. Steele, E. J. Sundstrom, H. L. Woodcock III, P. M. Zimmerman, D. Zuev, B. Albrecht, E. Alguire, B. Austin, G. J. O. Beran, Y. A. Bernard, E. Berquist, K. Brandhorst, K. B. Bravaya, S. T. Brown, D. Casanova, C.-M. Chang, Y. Chen, S. H. Chien, K. D. Closser, D. L. Crittenden, M. Diedenhofen, R. A. DiStasio Jr., H. Dop, A. D. Dutoi, R. G. Edgar, S. Fatehi, L. Fusti-Molnar, A. Ghysels, A. Golubeva-Zadorozhnaya, J. Gomes, M. W. D. Hanson-Heine, P. H. P. Harbach, A. W. Hauser, E. G. Hohenstein, Z. C. Holden, T.-C. Jagau, H. Ji, B. Kaduk, K. Khistyaev, J. Kim, J. Kim, R. A. King, P. Klunzinger, D. Kosenkov, T. Kowalczyk, C. M. Krauter, K. U. Lao, A. Laurent, K. V. Lawler, S. V. Levchenko, C. Y. Lin, F. Liu, E. Livshits, R. C. Lochan, A. Luenser, P. Manohar, S. F. Manzer, S.-P. Mao, N. Mardirossian, A. V. Marenich, S. A. Maurer, N. J. Mayhall, C. M. Oana, R. Olivares-Amaya, D. P. O’Neill, J. A. Parkhill, T. M. Perrine, R. Peverati, P. A. Pieniazek, A. Prociuk, D. R. Rehn, E. Rosta, N. J. Russ, N. Sergueev, S. M. Sharada, S. Sharmaa, D. W. Small, A. Sodt, T. Stein, D. Stück, Y.-C. Su, A. J. W. Thom, T. Tsuchimochi, L. Vogt, O. Vydrov, T. Wang, M. A. Watson, J. Wenzel, A. White, C. F. Williams, V. Vanovschi, S. Yeganeh, S. R. Yost, Z.-Q. You, I. Y. Zhang, X. Zhang, Y. Zhou, B. R. Brooks, G. K. L. Chan, D. M. Chipman, C. J. Cramer, W. A. Goddard III, M. S. Gordon, W. J. Hehre, A. Klamt, H. F. Schaefer III, M. W. Schmidt, C. D. Sherrill, D. G. Truhlar, A. Warshel, X. Xua, A. Aspuru-Guzik, R. Baer, A. T. Bell, N. A. Besley, J.-D. Chai, A. Dreuw, B. D. Dunietz, T. R. Furlani, S. R. Gwaltney, C.-P. Hsu, Y. Jung, J. Kong, D. S. Lambrecht, W. Liang, C. Ochsenfeld, V. A. Rassolov, L. V. Slipchenko, J. E. Subotnik, T. Van Voorhis, J. M. Herbert, A. I. Krylov, P. M. W. Gill, and M. Head-Gordon. Advances in molecular quantum chemistry contained in the Q-Chem 4 program package.

22. Thomas D. K"uhne, Iannuzzi, M., Del Ben, M., Rybkin, V. V., Seewald, P., Stein, F., … J"urg Hutter. (2020). CP2K: An electronic structure and molecular dynamics software package - Quickstep: Efficient and accurate electronic structure calculations. The Journal of Chemical Physics, 152(19), 194103. https://doi.org/10.1063/5.0007045 

23. E. Aprà, E. J. Bylaska, W. A. de Jong, N. Govind, K. Kowalski, T. P. Straatsma, M. Valiev, H. J. J. van Dam, Y. Alexeev, J. Anchell, V. Anisimov, F. W. Aquino, R. Atta-Fynn, J. Autschbach, N. P. Bauman, J. C. Becca, D. E. Bernholdt, K. Bhaskaran-Nair, S. Bogatko, P. Borowski, J. Boschen, J. Brabec, A. Bruner, E. Cauët, Y. Chen, G. N. Chuev, C. J. Cramer, J. Daily, M. J. O. Deegan, T. H. Dunning Jr., M. Dupuis, K. G. Dyall, G. I. Fann, S. A. Fischer, A. Fonari, H. Früchtl, L. Gagliardi, J. Garza, N. Gawande, S. Ghosh, K. Glaesemann, A. W. Götz, J. Hammond, V. Helms, E. D. Hermes, K. Hirao, S. Hirata, M. Jacquelin, L. Jensen, B. G. Johnson, H. Jónsson, R. A. Kendall, M. Klemm, R. Kobayashi, V. Konkov, S. Krishnamoorthy, M. Krishnan, Z. Lin, R. D. Lins, R. J. Littlefield, A. J. Logsdail, K. Lopata, W. Ma, A. V. Marenich, J. Martin del Campo, D. Mejia-Rodriguez, J. E. Moore, J. M. Mullin, T. Nakajima, D. R. Nascimento, J. A. Nichols, P. J. Nichols, J. Nieplocha, A. Otero-de-la-Roza, B. Palmer, A. Panyala, T. Pirojsirikul, B. Peng, R. Peverati, J. Pittner, L. Pollack, R. M. Richard, P. Sadayappan, G. C. Schatz, W. A. Shelton, D. W. Silverstein, D. M. A. Smith, T. A. Soares, D. Song, M. Swart, H. L. Taylor, G. S. Thomas, V. Tipparaju, D. G. Truhlar, K. Tsemekhman, T. Van Voorhis, Á. Vázquez-Mayagoitia, P. Verma, O. Villa, A. Vishnu, K. D. Vogiatzis, D. Wang, J. H. Weare, M. J. Williamson, T. L. Windus, K. Woliński, A. T. Wong, Q. Wu, C. Yang, Q. Yu, M. Zacharias, Z. Zhang, Y. Zhao, and R. J. Harrison, “NWChem: Past, present, and future”, The Journal of Chemical Physics 152, 184102 (2020). DOI: https://doi.org/10.1063/5.0004997 

24. Giannozzi, P., Andreussi, O., Brumme, T., Bunau, O., Buongiorno Nardelli, M., Calandra, M., Car, R., Cavazzoni, C., Ceresoli, D., Cococcioni, M., Colonna, N., Carnimeo, I., Dal Corso, A., de Gironcoli, S., Delugas, P., DiStasio, R. A., Jr, Ferretti, A., Floris, A., Fratesi, G., Fugallo, G., … Baroni, S. (2017). Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO. Journal of physics. Condensed matter : an Institute of Physics journal, 29(46), 465901. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79