La química computacional és una branca de la química que utilitza ordinadors per ajudar a resoldre problemes químics. Utilitza els resultats de la química teòrica, incorporats en algun programari per calcular les estructures i les propietats de molècules i cossos sòlids. Tot i que els resultats obtinguts normalment complementen la informació de proves químiques, poden, en alguns casos, predir fenòmens químics que no han estat experimentats. La química computacional és àmpliament utilitzada en el disseny de nous fàrmacs i materials.
Exemples de propietats i estructures (i de la posició esperada d'àtoms constituents) poden ser l'energia absoluta i relativa, la distribució de càrrega electrònica, el dipol elèctric i moments multipolars superiors, freqüències vibratòries, reactivitat química o altres quantitats espectrals i seccions eficaces per a la col·lisió amb altres partícules.
Els mètodes utilitzats cobreixen situacions estàtiques i dinàmiques. En tots els casos, el temps de càlcul augmenta ràpidament a mesura que la mida del sistema estudiat creix. Aquest sistema pot ser una simple molècula, un grup d'aquestes o un cos sòlid. Aquests mètodes, per tant, es basen en teories que van des de l'alta precisió, però apropiats per a petits sistemes, a les bones aproximacions, però apropiades per a grans sistemes. Els mètodes més precisos són anomenats mètodes ab initio, els quals es basen totalment en la teoria dels primers principis. Els menys precisos són anomenats empírics o semiempírics, pel fet que són obtinguts de resultats experimentals, sovint d'àtoms o molècules relacionades, s'usen en conjunt a la teoria.
Història Sobre la base dels descobriments i la teoria a la història de la mecànica quàntica, els primers càlculs teòrics en química van ser els de Walter Heitler i Fritz London el 1927. Els llibres que van influenciar els inicis de la química quàntica computacional inclouen: Introduction to Quantum Mechanics - with Applications to Chemistry de Linus Pauling i E Bright Wilson, 1935; Quantum Chemistry de Henry Eyring, John Walter i George Kimball, 1944; Elementary Wave Mechanics - with Applications to Quantum Chemistry de Walter Heitler, 1945 i més tard el llibre Valence de Charles Coulson, els quals van servir de referència primària per als químics en dècades posteriors.
Amb el desenvolupament d'una eficient tecnologia computacional, durant els anys 1940, les solucions d'elaborades equacions d'ona per complexos sistemes atòmics comencen a ser un objectiu realitzable. A principis dels anys 1950 van ser duts a terme els primers càlculs orbitals atòmics semiempírics. Químics teòrics es van convertir en una gran quantitat d'usuaris dels primers ordinadors digitals. Una molt detallada descripció d'aquest ús al Regne Unit està donat per Smith i Sutcliffe.Smith, S. J.; Sutcliffe B. T., (1997). "The development of Computational Chemistry in the United Kingdom". Reviews in Computational Chemistry 70: 271-316. El primer càlcul ab initio va ser el mètode de Hartree-Fok sobre molècules diatòmiques, el qual es va dur a terme el 1956 a l'Institut Tecnològic de Massachusetts utilitzant un conjunt base d'orbitals de tipus Slater. Per a molècules diatòmiques, un estudi sistemàtic utilitzant un conjunt funcional mínim i els primers càlculs dels més grans conjunts de bases van ser publicats per Ransil i Nesbet respectivament el 1960.Schaefer, Henry F. III (1972). The electronic structure of atoms and molecules. Reading, Massachusetss: Addison-Wesley Publishing Co, 146. El primer càlcul poliatòmic usant òrbites gaussianes van ser portats a terme a finals dels anys 1950. Els primers càlculs d'interacció de configuracions van ser realitzats a Cambridge a l'ordinador EDSAC als anys 50 per S. Francis Boys i els seus companys de treball, utilitzant orbitals gaussians.Boys, S. F.; Cook G. B., Reeves C. M., Shavitt, I. (1956). "Automatic fonamental calculations of molecular structure". Nature 178(2): 1207. El 1971, quan una bibliografia de càlculs ab initio va ser publicada,Richards, W. G.; Walker T. E. H and Hinkley R. K. (1971). A bibliography of ab initio molecular wave functions. Oxford: Clarendon Press. les molècules més grans incloses van ser la naftalina i l'azulè.Preuss, H. (1968). International Journal of Quantum Chemistry 2: 651.Buenker, R. J.; Peyerimhoff S. D. (1969). Chemical Physics Letters 3: 37. Resums de molts dels primers desenvolupaments a la teoria ab initio han estat publicades per Schaefer.Schaefer, Henry F. III (1984). Quantum Chemistry. Oxford: Clarendon Press.
El 1964, càlculs del mètode Hückel, que són un simple mètode CLOA per a la determinació de l'energia d'electrons d'òrbites moleculars de electrons en sistemes conjugats d'hidrocarburs, que van des de sistemes senzills com ara el butadiè o el benzè fins a l'ovalè amb 10 anells fusionats de 6, van ser generats en ordinadors a Berkeley i Oxford.Streitwieser, A.; Brauman J. I. and Coulson C. A. (1965). Supplementary Tables of Molecular Orbital Calculations. Oxford: Pergamon Press. Aquests mètodes empírics van ser substituïts als anys 1960 per mètodes semiempírics com CNDO.Pople, John A.; David L. Beveridge (1970). Approximate Molecular Orbital Theory. New York: McGraw Hill.
A principis dels anys 1970, eficients programes computacionals ab initio com ara ATMOL, Gaussian, IBMOL i POLYAYTOM comencen a ser utilitzats per a accelerar els càlculs ab initio d'òrbites moleculars. D'aquests programes només Gaussian, massivament expandit, està encara en ús, sent un dels més utilitzats avui en dia. Al mateix temps, els mètodes de mecànica molecular, com ara MM2, van ser desenvolupats principalment per Norman Allinge.Allinge, Norman (1977). "Conformational analysis. 130. MM2. A hydrocarbon force field utilizing V1 and V2 torsional terms". Journal of the American Chemical Society 99: 8127-8134.
Una de les primeres vegades que el terme "química computacional" va ser esmentat es poden trobar en el llibre Computers and Their Role in the Physical Sciences de 1970, escrit per Sydney Fernbach i Abraham Haskell Taub, on diuen: "Sembla, per tant, que la 'química computacional' pot finalment ser més i més una realitat".Fernbach, Sidney; Taub, Abraham Haskell (1970). Computers and Their Role in the Physical Sciences. Routledge. . Durant els 70', diferents mètodes comencen a ser vistos com a part d'una nova disciplina emergent de química computacional.Reviews in Computational Chemistry vol 1, preface. La primera publicació del jornal de química computacional va ser publicat el 1980.
Conceptes El terme química teòrica pot ser definit com una descripció matemàtica de la química, mentre que la química computacional és normalment usat quan un mètode matemàtic està prou ben desenvolupat que pot ser automatitzat mitjançant una implememtació computacional. Recordeu que les paraules exacte i perfecte no apareixen aquí, ja que molt pocs aspectes de la química poden ser calculats de manera exacta. No obstant això, gairebé qualsevol aspecte de la química pot ser descrit de manera qualitativa o aproximadament quantitativament mitjançant un esquema computacional.
Les molècules estan conformades de nuclis i electrons, de manera que els mètodes de la mecànica quàntica poden aplicar-s'hi. Químics computacionals sovint intenten resoldre la no-relativista equació de Schrödinger, amb correccions relativistes agregades, encara que alguns progressos han estat fets resolent l'equació de Schrödinger relativista per complet. Teòricament, és possible resoldre l'equació de Schrödinger, ja sigui en la seva forma temps-dependent o independent de manera apropiada per a poder ser manejada, però això a la pràctica només és possible per a sistemes molt petits. Per tant, un gran nombre de mètodes d'aproximació s'esforcen per arribar de la millor manera la disjuntiva entre precisió i cost computacional. La precisió pot sempre ser millorada incrementant el cost computacional. La química computacional d'aquest pot calcular amb exactitud de manera rutinària les propietats de les molècules que contenen més de 40 electrons. Errors per a l'energia poden estar sota 1 kcal/mol. Per a les geometries, la mida de les cadenes pot ser predit als pocs picòmetres si els angles de les cadenes amb . El tractament de grans molècules que contenen desenes d'electrons és computacionalment tractable mitjançant un mètode d'aproximació com ara la teoria del funcional de la densitat (DFT, de l'anglès density functional theory). Hi ha certa controvèrsia en el camp a causa de si els últims models són suficients per descriure reaccions químiques complexes, com les presents a la bioquímica. Grans molècules poden ser estudiades per mitjà de mètodes aproximats semiempírics. Fins i tot les molècules més grans són tractades per mètodes de la mecànica clàssica que són anomenats mecànica molecular.
A la química teòrica, químics, físics i matemàtics desenvolupen algorismes i programari per predir propietats atòmiques i moleculars i per trobar els camins que porten a les reaccions químiques. Per contra, els químics computacionals poden simplement aplicar els programes i metodologies existents per a les preguntes químiques específiques. Hi ha dos aspectes diferents per a la química computacional:
Estudis computacionals que es poden dur a terme per tal de trobar un punt de partida per a la síntesi de laboratori o per ajudar en l'enteniment de la data experimental, com ara la posició i fonts espectroscòpiques peaks. Estudis computacionals que poden ser usats per a predir molècules fins ara totalment desconegudes o explorar mecanismes de reacció que no han estat fàcils d'estudiar mitjançant experiments.
Així, la química computacional pot ajudar els químics experimentals o els pot desafiar a trobar objectes químics totalment nous.
Dins de la química computacional destaquen algunes àrees importants:
La predicció de l'estructura molecular de les molècules per l'ús de simulació de forces, o més precisió en els mètodes de la química quàntica, per trobar punts estacionaris sobre les hipersuperfícies d'energia com la posició dels nuclis que és variada. Emmagatzematge i recerca de dades en entitats químiques. Identificar correlacions entre estructures químiques i propietats. Enfocaments computacionals per ajudar a una eficient síntesi de components. Enfocaments computacionals per dissenyar molècules que interaccionin de manera específica amb altres molècules (per exemple disseny de fàrmacs).
Mètodes Una fórmula molecular donada pot representar un nombre de molècules isòmeres. Cada isòmer és un mínim local d'energia sobre la superfície (anomenat energia potencial de superfície) creada de l'energia total (energia dels electrons més l'energia de repulsió dels nuclis) com una funció de coordenades de tots els nuclis. Un punt estacionari és una geometria tal que la derivada de l'energia respecte a tots els desplaçaments dels nuclis és zero. Un mínim local (d'energia) és un punt estacionari on tots aquests desplaçaments condueixen a un augment d'energia. El més baix mínim local és anomenat mínim global i correspon a l'isòmer més estable. Si hi ha un canvi en una coordenada en particular que porti a una disminució de l'energia total en les dues direccions al punt estacionari és un estat de transició i la coodenada és la coordenada de reacció. Aquest procés de determinar els punts estacionaris s'anomena optimització geomètrica.