Компьютерное моделирование (в химии)

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ (компьютерное экспериментирование) в химии, раздел науки, в котором на основании разного рода моделей химических систем, процессов и явлений расчётным путём прогнозируется ход и выявляются причинно-следственные связи изучаемых процессов или/и явлений. Представляет собой междисциплинарную область знания, использующую для решения теоретических и прикладных проблем химии методы моделирования математического, реализуемые новейшими вычислительными системами.

В методологии моделирования математические задачи делятся на прямые, когда по заданной модели процесса (явления) прогнозируется его ход и исследуется зависимость его параметров от вариации параметров модели, и обратные, при решении которых на основании экспериментальных данных либо создаётся сама математической модели, либо находятся значения определяющих её величин. Все причинно-следственные связи формируются либо в форме алгебраических или функциональных соотношений (непрерывная модель), либо в форме считающихся достоверными высказываний исчислений, например: «если есть явление А, то произойдёт событие В», при этом связь А и В не детализируется (дискретная модель). Принято называть второй подход методом «чёрных ящиков»; математические правила оперирования ими устанавливаются булевой алгеброй и предикатов исчислением. Использование дискретной или непрерывной модели изучаемого объекта связано как с природой самого объекта, так и с тем, какие задачи ставит перед собой исследователь. Совершенствование вычислительной техники не только позволило ускорить процесс получения результата и усложнить задачи, сделав их многопараметрическими, но и поставить и решить принципиально новые проблемы. Развитие средств общения человека и компьютера, особенно компьютерной графики, способствовало использованию для восприятия результатов расчётов важнейшего канала получения информации - зрительного. Возникла ранее отсутствовавшая возможность проведения опережающих вычислительных экспериментов, что позволило резко сократить поиск наиболее рационального пути достижения цели и ограничить выбор объектов и устройств, наиболее пригодных для решения поставленной задачи. Это принципиально меняет всю методологию работы с объектами молекулярного мира и является решающим для создания новых материалов, лекарственных препаратов, проектирования наноустройств и наномашин разного назначения и т.д.

Условно можно выделить четыре направления компьютерного моделирования в химии: 1) традиционное - термодинамические расчёты химических реакций, разделительных процессов в хроматографии и др.; 2) поиск связей структура - свойства; 3) квантовомеханические расчёты основных характеристик индивидуальных молекул и элементарных актов, механизмов реакций и кинетических закономерностей; 4) создание экспертных систем. Применение компьютеров для решения задач первого направления увеличило вычислительные возможности, но теоретическая база в основном осталась прежней. Другие перечисленные направления возникли и начали развиваться в последней трети 20 века и объединяются общим термином «математическая химия».

При выявлении соотношений между структурой вещества и его свойствами главными математическими средствами являются методы дискретной математики, использующей логические операции; импликацию, логическое умножение и др. Получение нужного вывода обязательно связано с предварительным «обучением» компьютера с помощью анализа больших, собранных в банки данных, массивов экспериментальных фактов для сходных ситуаций. Хорошие результаты в прогнозировании свойств химических соединений достигаются при использовании аппарата нейронных сетей. Наибольшее развитие получило направление QSAR (количественные соотношения структура - свойства). Применение методов QSAR позволило, в частности, на порядки снизить вариабельность при поиске новых лекарственных препаратов, что даёт очень большой экономический эффект.

Третье направление возникло после создания квантовой механики и привело к развитию количественной теории различных типов молекулярных спектров и квантовой химии. Реальные расчёты как спектров для разных спектральных областей и условий возбуждения, так и основных характеристик молекул (пространственное строение, дипольный момент, распределение электронной плотности и др.) и механизмов химических реакций стали возможными не только в результате интенсивного развития математического аппарата и вычислительной техники, но и в результате выбора очень удачных физических моделей: линейная комбинация атомных орбиталей и др. При решении многих проблем нет ограничений на размеры объектов и тип молекул (исключая атомы тяжёлых элементов). Достигается достаточно хорошее качественное согласие поведения моделей с поведением натурных объектов при различных воздействиях. Для решения научных и технических задач и для подготовки специалистов разного профиля и уровня принципиально важно сформулировать проблему создания виртуального молекулярного мира, в котором можно не только генерировать молекулярные модели, но и имитировать их реакции на самые разнообразные воздействия и проводить большой спектр компьютерных экспериментов, достаточно близко отражающих реальность. К этому направлению примыкают методы так называемого молекулярного моделирования, с помощью которых на основании решения классических уравнений движения и эмпирических атом-атомных потенциалов создаются анимационные картины поведения больших ансамблей частиц или определяются пространственные структуры очень крупных систем, вплоть до белков. Методы позволяют моделировать процессы растворения, некоторые стадии фермент-субстрактных взаимодействий и многое другое.

Четвёртое направление заключается в разработке теории и создании действующих экспертных систем. Задачей таких систем является получение однозначного вывода на основе ряда экспериментов, причём в условиях, когда даже вся совокупность экспериментов не является достаточной, и базы знаний главных закономерностей, определяющих строение и поведение изучаемых объектов. При этом исходное число гипотез может достигать десятков миллионов. Система моделирует процесс рассуждений человека, делающего логический вывод из исходных положений. Наиболее развитой является экспертная система «Structure Elucidation» для определения структуры неизвестных соединений. Система позволяет анализировать молекулы, состоящие из нескольких десятков скелетных атомов. Она широко используется фармацевтическими фирмами при создании новых лекарственных препаратов. Система аккумулирует подходы и методы трёх предыдущих направлений, а также химического знания (теорию строения и др.).

Лит.: Киреев В. А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций. 2-е изд. М., 1975; Gray N. А. В. Computer-assisted structure elucidation. N. Y., 1986; Элягиберг М. Е. Экспертные системы для установления структуры органических молекул спектральными методами // Успехи химии. 1999. Т. 68. Вып. 7; Combinatorial chemistry / Ed. G. Jung. Weinheim; Camb., 1999; Грибов Л. А., Баранов В. И. Теория и методы расчетов молекулярных процессов. М., 2006.