Introdução à Modelagem Molecular

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1 Introdução à Modelagem Molecular Prof. Alex Fabiano C. Campos, Dr Introdução Métodos teóricos e técnicas computacionais para modelar ou imitar o comportamento de moléculas e sistemas atômicos. Empregados na química, física, biologia, farmácia computacional e ciência dos materiais. Permite estudar sistemas moleculares de pequenos porte à grandes moléculas biológicas e materiais. São necessários computadores para realizar cálculos de sistemas de qualquer tamanho. 1

2 Introdução Modelagem Molecular Métodos Clássicos Métodos Quânticos Mecânica Molecular Métodos baseados na função de onda Teoria do Funcional de Densidade (DFT) Campos de Força Dinâmica Molecular Métodos Semiempíricos Cálculo ab initio Introdução Teoria de Campos: Quântica e Relativística Mecânica Quântica (temporal) Ψ ĤΨ = iħ t Mecânica Quântica ĤΨ = EΨ Métodos Semi-Empíricos ĤΨ = EΨ Aproximação Métodos Clássicos (empíricos) Mecânica de Newton 2

3 Introdução Os limites atuais Qualidade na Energia Tempo de CPU Mecânica Quântica (ab-initio) Métodos Semi-empíricos Métodos Clássicos (Eqs.de Newton) Número de átomos Onde estão os Problemas? 10 3 Átomos 10 5 Átomos 5x10 11 Átomos ĤΨ= EΨ refere-se ao uso da Mecânica Newtoniana para modelar sistemas. Trata a molécula como um conjunto de esferas ligadas por molas Vantagens: Investiga grandes sistemas que são impossíveis por MQ; Fácil de entender; Total flexibilidade para definir os cálculos. Desvantagens: Pode ser difícil definir os potenciais de interação; Acurácia baixa; Nenhuma informação sobre as propriedades eletrônicas. 3

4 Campo de Força se refere à forma funcional e conjunto de parâmetros usados para descrever o potencial de energia de um sistema de partículas (tipicamente átomos). Funções de campo de Força e conjunto de parâmetros são derivados de trabalhos experimentais e cálculos de mecânica quântica. O campo de força é usado para minimizar a energia da ligação da molécula. A energia total é formada pela soma de diversos componentes: Parâmetros dependem do átomo e tipo de ligação; 4

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6 A análise conformacional é realizada pela rotação de ligações, com mudança paralela dos ângulos torcionais e diédricos e por cálculos correspondentes da energia estérica decorrente da sobreposição espacial de átomos não ligados e barreiras torcionais de rotação. φ Quase nunca uma molécula desenhada inicialmente estará em sua configuração de menor energia. Mínimo local Mínimo absoluto 6

7 O que podemos calcular com a principalmente? Energia conformacional Calor de formação Química Quântica Ramo especializado tanto da Química como da Física que, usando as ferramentas da Mecânica Quântica. Visa explicar e prever o comportamento de sistemas físicoquímicos microscópicos, tais como átomos, moléculas, íons e redes cristalinas. Ab initio - cálculo de primeiros princípios. Nenhum dado empírico é usado. Métodos semiempíricos - emprega fundamentalmente duas aproximações importantes: interações entre os elétrons da camada de valência apenas; núcleos estacionários. 7

8 Química Quântica O que podemos calcular com a Química Quântica principalmente? Energia dos orbitais de fronteira Propriedades termodinâmicas Cargas elétricas dos átomos Momento dipolar Energia de solvatação 8