계산화학 - Computational chemistry [1]

계산화학 - Computational chemistry

컴퓨터 화학은 화학적 문제 해결에 도움을 주기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하는 화학의 한 분야다. 그것은 분자와 고체의 구조와 성질을 계산하기 위해 효율적인 컴퓨터 프로그램에 통합된 이론 화학의 방법을 사용한다. 수소 분자 이온(다이수소 양이온)에 관한 비교적 최근의 결과와는 별도로, 양자 다체 문제는 폐쇄적인 형태로는 훨씬 더 적게, 분석적으로 해결될 수 없기 때문에 필요하다. 계산 결과는 보통 화학 실험을 통해 얻은 정보를 보완하지만, 어떤 경우에는 지금까지 관찰되지 않은 화학적 현상을 예측할 수 있다. 신약과 재료의 설계에 널리 사용되고 있다. 그러한 특성의 예로는 구조(즉, 구성 원자의 예상 위치), 절대 및 상대적(상호작용) 에너지, 전자 전하 밀도 분포, 쌍극 및 더 높은 다중 홀 모멘트, 진동 주파수, 반응도 또는 기타 분광학적 양, 그리고 다른 입자와의 충돌을 위한 단면이 있다.

사용된 방법은 정적 및 동적 상황을 모두 포함한다. 모든 경우에 있어서, 컴퓨터 시간 및 기타 자원(메모리, 디스크 공간 등)은 연구되고 있는 시스템의 크기에 따라 급격히 증가한다. 그 시스템은 하나의 분자, 한 그룹의 분자 또는 고체가 될 수 있다. 계산 화학 방법은 매우 근사적인 것에서부터 매우 정확한 것까지 다양하다. 후자는 보통 작은 시스템에만 가능하다. Ab initio 방법은 전적으로 양자역학과 기본적인 물리적 상수에 기초한다. 다른 방법들은 추가적인 경험적 파라미터를 사용하기 때문에 경험적 방법 또는 반감기적 방법이라고 불린다.

초기 접근법과 반감기 접근법 모두 근사를 포함한다. 이러한 범위는 풀기가 더 쉽거나 빠른 제1원칙 방정식의 단순화된 형태에서부터 시스템의 크기를 제한하는 근사치에 이르기까지 모든 해결책을 달성하기 위해 필요한 기본 방정식에 대한 기본적인 근사치까지 다양하다. 예를 들어 대부분의 아비니시오 계산은 Born-Openheimer 근사치를 만들어 계산하는 동안 핵이 제자리에 있다고 가정하여 기본적인 슈뢰딩거 방정식을 크게 단순화시킨다. 원칙적으로 ab initio 방법은 근사치가 감소함에 따라 결국 기초 방정식의 정확한 해법으로 수렴한다. 그러나 실제로 모든 근사치를 제거하는 것은 불가능하며, 잔여 오차는 불가피하게 남아 있다. 계산 화학의 목표는 계산을 추적 가능한 상태로 유지하면서 이 잔류 오차를 최소화하는 것이다.

전자구조의 디테일이 분자의 오랜 위상공간 행동보다 덜 중요한 경우도 있다. 단백질과 단백질-리거 및 결합 열역학과의 일치 연구에서도 그렇다. 분자역학의 장기적 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해 전자 계산보다 계산적으로 덜 집약적이기 때문에 잠재적 에너지 표면에 대한 고전적 근사치가 사용되며, 일반적으로 분자역학 분야에서는 분자역학 분야와 함께 사용된다. 게다가, 체조학은 물리화학적인 성질에 기초한 기계 학습과 같은 훨씬 더 경험적인 (그리고 계산적으로 더 저렴하게) 방법을 사용한다. 척수학에서 대표적인 문제는 주어진 대상에 대한 약물 분자의 결합 친화력을 예측하는 것이다.

역사

양자역학의 역사에서 창시된 발견과 이론을 바탕으로, 화학에서 최초의 이론적 계산은 1927년 월터 하이틀러와 프리츠 런던의 그것이었다. 계산 양자 화학의 초기 발전에 영향을 미친 책으로는 리너스 폴링과 E가 있다. 브라이트 윌슨의 1935년 양자역학에 대한 소개 - 화학, 에이링, 월터, 킴볼의 1944년 양자화학에 응용한 하이틀러의 1945년 초파역학 - 양자화학에 응용한 하이틀러의 1945년 초파역학, 그리고 그 후 수십 년 동안 각각 화학자들의 일차적 참고자료는  1952년 교과서 발랑스이다.

1940년대 효율적인 컴퓨터 기술의 발달과 함께 복잡한 원자 시스템에 대한 정교한 파동 방정식의 해결은 실현 가능한 목표가 되기 시작했다. 1950년대 초, 최초의 반감기 원자 궤도 계산이 수행되었다. 이론 화학자들은 초기 디지털 컴퓨터의 광범위한 사용자가 되었다. 1951년 클레멘스 C. J. Roothaan의 현대 물리학 리뷰지에 실린 논문 중 한 가지 주요 진전은 주로 "LCAO MO" 접근법(원자 궤도 Molecular Organals의 선형 결합)에 관한 논문에서 여러 해 동안 두 번째로 인용된 논문과 함께 나왔다. 영국에서의 그러한 사용에 대한 매우 상세한 설명은 스미스와 서트클리프에 의해 주어진다. 첫 번째 아비니시오 하트리-이원자 분자에 대한 포크 방법 계산은 1956년 MIT에서 슬레이터 궤도 기본 세트를 사용하여 수행되었다. 이원자 분자의 경우, 최소 염기 집합과 더 큰 염기 집합의 첫 번째 계산을 사용한 체계적 연구가 1960년에 각각 란실과 네스베트에 의해 발표되었다. 가우스 궤도를 이용한 최초의 다원자 계산은 1950년대 후반에 수행되었다. 첫 번째 구성 상호작용 계산은 1950년대에 소년과 동료들에 의한 가우스 궤도를 이용하여 EDSAC 컴퓨터의 케임브리지에서 수행되었다. 1971년까지 아비니티오 계산의 참고 문헌이 발표되었을 때, 가장 큰 분자는 나프탈렌과 아줄렌이었다. Ab initio 이론의 많은 초기 발전들의 추상들은 Schaefer에 의해 출판되었다.

1964년, Hukel 방법 계산(결합 탄화수소 시스템에서 π 전자의 분자 궤도의 전자 에너지를 결정하기 위해 원자 궤도(LCAO)의 단순한 선형 결합을 사용하여) 분자의 부타디엔과 벤젠에서 오발렌에 이르는 복잡성이 버클리와 옥스포드의 컴퓨터에서 생성되었다. 이러한 경험적 방법은 1960년대에 CNDO와 같은 반감광적 방법으로 대체되었다. 1970년대 초, 분자 궤도의 초기 계산 속도를 높이기 위해 ATMOL, 가우스안, IBMOL, PLAYTOM과 같은 효율적인 아비 이니시오 컴퓨터 프로그램이 이용되기 시작했다. 이 4개의 프로그램 중 현재 크게 확장되어 있는 가우스만 여전히 사용되고 있지만, 다른 많은 프로그램들이 현재 사용되고 있다. 동시에 MM2 힘장 등 분자역학의 방법들은 주로 노먼 앨링거에 의해 개발되었다.

컴퓨터 화학이라는 용어의 첫 언급 중 하나는 시드니 펀바흐와 아브라함 하스켈 타우브가 쓴 1970년 책 "컴퓨터와 물리과학에서의 그들의 역할"에서 찾을 수 있는데, 여기서 그들은 "따라서 '컴퓨터 화학'이 마침내 점점 더 현실화될 수 있을 것 같다"고 말한다. 1970년대 동안, 널리 다른 방법들이 새로운 컴퓨터 화학 분야의 한 부분으로 인식되기 시작했다. 컴퓨터 화학 저널은 1980년에 처음 출판되었다. 컴퓨터 화학은 1998년과 2013년에 가장 두드러진 몇몇 노벨상 수상작에 실렸다. '밀도 기능 이론'의 발터 콘과 '양자 화학에서의 연산 방법의 개발'의 존 포플은 1998년 노벨 화학상을 받았다. 마틴 카플러스, 마이클 레빗, 아리 워셸은 "복잡한 화학 시스템을 위한 멀티스케일 모델 개발"로 2013년 노벨 화학상을 받았다.

적용분야

이론 화학이라는 용어는 화학에 대한 수학적 설명으로 정의될 수 있는 반면, 계산 화학은 보통 수학적 방법이 충분히 발달되어 컴퓨터에서 구현을 위해 자동화할 수 있을 때 사용된다. 이론 화학에서 화학자, 물리학자, 수학자들은 화학반응을 위한 원자 및 분자 특성 및 반응 경로를 예측하는 알고리즘과 컴퓨터 프로그램을 개발한다. 이와는 대조적으로 계산 화학자들은 기존의 컴퓨터 프로그램과 방법론을 특정 화학 질문에 간단히 적용할 수 있다.

계산 화학에는 두 가지 다른 측면이 있다.

• 실험실 합성의 출발점을 찾거나 분광 피크의 위치 및 출처와 같은 실험 데이터를 이해하는 데 도움이 되는 계산 연구.
• 지금까지 전혀 알려지지 않은 분자의 가능성을 예측하거나 실험을 통해 쉽게 연구되지 않은 반응 메커니즘을 탐구하는 데 사용되는 계산 연구.

따라서 계산 화학은 실험 화학자를 돕거나 실험 화학자가 완전히 새로운 화학 물질을 찾도록 도전할 수 있다.

연산 화학에서 몇 가지 주요 영역을 구별할 수 있다.

• 핵의 위치가 변화함에 따라 에너지 표면에서 정지점을 찾기 위해 힘 시뮬레이션 또는 보다 정확한 양자 화학적 방법을 사용하여 분자의 분자 구조를 예측한다.
• 화학 물질에 대한 데이터 저장 및 검색.
• 화학 구조와 특성 간의 상관 관계 식별.
• 화합물의 효율적인 합성에 도움이 되는 계산적 접근법.
• 다른 분자와 특정한 방식으로 상호작용하는 분자를 설계하기 위한 컴퓨터 접근법.