13. Методы упрощения, применяемые в молекулярной механике

Молекулярная механика использует для поверхности потенциальной энергии эмпирически выведенную систему уравнений, математическая форма которых заимствована из классической механики. Эта система потенциальных функций называется силовым полем. Она содержит параметры, численное значение которых выбирается таким образом, чтобы получить наилучшее согласие рассчитанных и экспериментальных характеристик молекулы. В методе силового поля используется допущение о том, что возможен перенос параметров и силовых постоянных, характерных для одной молекулы, на другие молекулы. Иными словами, числовые значения параметров, определенные для некоторых простых молекул, можно использовать в качестве фиксированных величин для остальных родственных соединений.

Простые силовые поля молекулярной механики включают растяжение связей, деформацию валентных и торсионных углов, а также ван-дер-ваальсовы взаимодействия:

Более сложные силовые поля могут также включать перекрестные члены, учитывать электростатические взаимодействия и т. д.

Молекулярную механику часто называют также расчетным методом, использующим силовое поле. Силовые поля первоначально были развиты в спектроскопических исследованиях. Позже выяснилось, что они удобны для применения в молекулярной механике. Первым таким примером стало центральное силовое поле, в котором фигурируют только межъядерные расстояния, имеющиеся в молекуле. Перекрестными членами, соответствующими одновременному изменению двух межъядерных расстояний, обычно пренебрегают, поэтому получается диагональное силовое поле.

Другой простой вариант силового поля называется валентным силовым полем. Он наилучшим образом соответствует принятым представлениям о природе действующих в молекуле сил. Валентное силовое поле задается так называемыми внутренними координатами, а именно:

•все длины связей;

•все независимые валентные (двугранные) углы:

•все независимые торсионные (азимутальные) углы.

Это означает, что возвращающие силы действуют вдоль и поперек ковалентных связей, стремясь восстановить равновесные длины связей r,валентные углы и торсионные углы.

14. Достоинства и недостатки методов молекулярной механики

Методы молекулярной механики и молекулярной динамики основаны на классических представлениях. Частицы в этих случаях рассматриваются как материальные точки, взаимодействующие через так называемые силовые поля, а сами силовые поля определяются потенциалами взаимодействия. Методы молекулярной механики используют подход традиционной химии. Визуально молекулы представляются как набор шариков и стержней, при этом каждый шарик обозначает атом, а каждый стержень - связь между ними. В зависимости от вида связей выбирают потенциалы взаимодействия, также энергию и параметры, соответствующие определенным локальным конфигурациям атомов. При таком подходе молекулярная механика потенциальная энергия - это сумма членов, описывающих растяжение, изгиб и кручение связей, а также электростатическое взаимодействие между несвязанными атомами. Позволяющего провести точный расчет геометрического строения молекул и их энергии на основе имеющихся экспериментальных данных. Он использует классическую идею о химических связях между атомами в молекуле и ван-дер-ваальсовых силах, действующих между валентно-несвязанными атомами.

«-«Однако методы молекулярной механики могут успешно применяться лишь для сравнительно узкого класса молекулярных структур в конфигурациях, близких к равновесному состоянию.

Методы молекулярной механики и молекулярной динамики основаны на классической физике систем многих частиц и не способны описывать квантовые эффекты. Более того, для получения численных результатов они требуют детального знания взаимодействий между частицами, поэтому в каждом отдельном случае необходимо использование разных моделей. Для получения реалистичных результатов в большинстве случаев требуется дополнительная подгонка указанных потенциалов к экспериментальным данным. Таким образом, неоднозначность критериев моделирования, используемых в молекулярной механике и молекулярной динамике, ограничивает широкое применение этих методов. В то же время они позволяют рассматривать большие наносистемы, содержащие до 10 атомов.