Для решения вопросов компьютерной химии необходимы

Обновлено: 04.07.2024

Характер познавательной деятельности учащихся определяется не только целями и задачами обучения, но и содержанием учебного материала, формами организации работы с ними.

Развитие познавательной деятельности предусматривается и в требованиях предметными умениями, таких, например, как умение пользоваться химическим языком. Химический язык включает в себя несколько компонентов знаний, один из которых символика. Учащиеся 5-7-х классов успешно овладевают этим компонентом, используя компьютерную программу "Химическая энциклопедия”, которая является обучающейся программой и используется на пропедевтических занятиях.

Глава 1. Компьютерные технологии на уроках химии

Развитие знаний химического языка продолжается через компьютерную программу " Органическая химия", состоящую из нескольких блоков:

1. номенклатура органических веществ,

2. составление структурных формул,

3. химические свойства органических веществ.

Эта программа успешно используется в 10 - 11 классах как средство самоконтроля при подготовке к обобщающим урокам и контроля знаний.

Отличительная черта компьютерной программы " Производство серной кислоты" - широкое использование моделирования химических процессов, протекающих в специальных устройствах, что позволяет обучаемому сконцентрировать свое внимание на основных особенностях рассматриваемых процессов.

Организовать и тем более достичь развитие познавательной деятельности учащихся в процессе выполнения ими химического эксперимента несомненно сложно. Компьютерная программа "Химик" - одна из форм проведения химического эксперимента, признаки химических реакций сопровождаются изменением цвета, появлением осадка, газа.

Большое значение для развития познавательной деятельности учащихся имеют упражнения в решении расчетных задач. Компьютерную программу "Решение задач по химии " можно использовать как обучающую и контролирующую. В программе представлены задачи разной степени сложности, показаны алгоритмы их решений.

Сегодня компьютерные технологии всё шире используются в практике преподавания не только информатики, но и других дисциплин как математика, физика, биология, химия. Опыт работы показал, что компьютерные технологии непременно должны сочетаться с традиционными формами обучения химии. Полученная здесь информация передается при работе с компьютером, где происходит закрепление знаний повышение их прочности.

Глава 2. Компьютерная химия

Компьютерная химия (Математическая химия) — сравнительно молодая область химии, основанная на применении теории графов к химическим задачам фундаментального и прикладного характера. Исходя из общего определения химии как науки о веществах и превращениях их в друг друга, можно сказать, что вещества (молекулы) моделируются в компьютерной химии молекулярными графами, а превращения веществ (химические реакции) — формальными операциями с графами. Такой формально-логический подход в ряде случаев заметно упрощает алгоритмизацию химических задач, сводя их к типовым задачам комбинаторики и дискретной математики и позволяет искать решения с помощью компьютерных программ. При этом наряду со специальными программами в компьютерной химии могут применяться и универсальные программы: для работы с таблицами, математические программы (например, Maple или Mathematica) и т. д.

В качестве примера типовых задач компьютерной химии можно назвать: поиск зависимостей типа «структура — свойство»; генерацию наборов химических структур, отвечающих заданным параметрам (составу, наличию функциональных групп и т. д.); перечисление всевозможных химических реакций между заданными реагентами (так называемый «компьютерный синтез») и т. д. Наряду с общими химическими задачами в компьютерной химии существует также большая группа узкоспециальных задач, тесно связанных с задачами химической информатики, например, задачи распознавания химических структур при обращении к химическим и физико-химическим базам данных. Эта группа задач в свою очередь тесно связана с проблемой изоморфизма графов.

При решении задач компьютерной химии широко используются различные вычислительные методы и операции с топологическими индексами (инвариантами графов). В ряде случаев формально-логический подход расширяется химическими подходами, например, в дополнение к топологическим индексам, отражающим строение молекулы, используются электроотрицательности атомов в молекуле, отражающие состав вещества. Методы компьютерной химии часто используются в сочетании с методами квантовой химии, молекулярной механики и др. Для обработки результатов вычислительного эксперимента широко применяются методы математической статистики. В некоторых случаях для поиска решений применяются методы искусственного интеллекта.

Особую роль методы компьютерной химии играют в органической химии, что объясняется трудной формализуемостью последней, как по сравнению с другими естественными науками, например, с физикой, так и по сравнению с другими областями химии, например, с неорганической химией. Компьютерная химия имеет большое значение и для многих важнейших областей биохимических исследований, например, при решении задач типа «структура-фармакологическая активность», часто в таких исследованиях методы компьютерной химии дополняются методами моделирования, специфическими для молекулярно-биологических систем.

В период становления и формирования в самостоятельную область новое научное направление нередко получает разные названия у разных авторов. Так произошло и с компьютерной химией: исторически закрепились два названия — «компьютерная химия» и «математическая химия». Так, один из научных журналов, оказавший значительное влияние на становление компьютерной химии, называется «Journal of Mathematical Chemistry». Однако название «математическая химия» представляется неудачным, если учесть, что многие области химии, сформировавшиеся задолго до появления компьютерной химии, изначально были основаны на математическом фундаменте, например, физическая химия, кинетика и катализ, квантовая химия. При том, что ряд основополагающих работ в компьютерной химии был выполнен во время ЭВМ первых поколений, развитие компьютерной химии стало возможным только с появлением современных компьютеров. Несмотря на то, что сегодня компьютеры используются практически во всех областях современной химии как для теоретических так и для экспериментальных исследований, именно компьютерная химия гораздо больше многих других областей химии зависит от уровня развития компьютерных технологий. Такая зависимость связана прежде всего со спецификой важнейших алгоритмов теории графов, многие из которых имеют экспоненциальную вычислительную сложность — теоретическая оценка времени, затраченного на исполнение алгоритма, является экспоненциальной функцией от размера графа, то есть от количества его вершин и ребер, или говоря общехимическим языком — от числа атомов и химических связей в молекуле.

С другой стороны, многие задачи химической информатики, решаемые с помощью методов компьютерной химии, уже по своей постановке невозможны без использования компьютера, например, формирование и эксплуатация компьютерной базы данных по свойствам химических соединений. Необходимо при этом отметить, что сама химическая информатика возникла задолго до появления компьютеров. Так, были и продолжают широко использоваться многочисленные химические справочники и реферативные журналы, отпечатанные на бумаге. Существуют зарекомендовавшие себя и ставшие классическими методы поиска по этим изданиям с применением всевозможных печатных указателей (авторского, предметного, формульного и т. д.), организуемые без привлечения аппарата компьютерной химии. Таким образом, в отличие от компьютерной химии, химическая информатика, как и подавляющее большинство традиционных областей химии, основана на применении докомпьютерных технологий. В этом и заключается основное методологическое отличие компьютерной химии. С известной долей неточности можно утверждать, что если целью большинства химических исследований является установление некоторых химических закономерностей, то целью исследований в компьютерной химии является, как правило, некоторый алгоритм и реализующая его компьютерная программа, позволяющая искать химические закономерности, эксплуатация такой программы может проходить уже вне области компьютерной химии.

Полезно

Google Play и Apple Store содержит много школьных и обучающих программ. Среди них можно выделить три приложения для решения задач, уравнений по химии. Они содержат полезную справочную информацию и помогут при обучении школьникам, студентам.

Все три мобильных сервиса для решения задач, уравнений по химии обладают четырьмя особенностями:

Лаконичный, ненавязчивый дизайн;
Удобное управление, система поиска;
Программы занимают мало памяти, поэтому пользователь может установить на свой телефон три программных продукта;
Наличие дополнительных инструментов, справочной информации, необходимой при решении задач, уравнений, контрольных работ.

Химия от Denis Chaschin

Приложение предоставляет возможность решать уравнения по химии разной сложности с одним или несколькими неизвестными. В любой момент ученик может открыть таблицу Менделеева, растворимости веществ, воспользоваться специальным калькулятором высчитывания молярной массы.

Программа рассчитана на решение задач из разделов органической, неорганической химии. Пользователю предоставляются реакции в стандартном, ионном виде. Чтобы узнать сведения об элементе, достаточно нажать на него при просмотре удобной интерактивной таблицы Менделеева. Все необходимые данные для решения уравнений, лучшего усвоения материала содержит одно приложение. Это позволяет обойтись без учебников или справочников.

Сервис содержит таблицы электрической отрицательности элементов, молекулярной массы, электрохимического ряда активности металлов. Программа отличается удобным, понятным на интуитивном уровне интерфейсом. Пользователи отмечают при написании отзывов, что используют сервис для проверки заданий. Количество скачиваний в Google Play – более 1000 000.

Лабораторный практикум по дисциплине «Компьютерная химия» состоит из четырех работ и предназначен для приобретения навыков оперативного решения различных химических задач с применением математических методов и программных средств. Выполнив все задания, Вы научитесь определять корреляционные зависимости, создавать двумерные и трехмерные структуры молекул, оптимизировать их геометрию, ознакомитесь с методами молекулярной механики, молекулярной динамики и квантовой химии с использованием программных средств Open Source. Для запуска требуется открыть файл «index».

Глоссарий по компьютерной химии
Глоссарий по UNIX
Общие сведения о курсе
Описание программы GChemPaint
Описание программы Ghemical

Установка пакета
Внешний вид и управление
Начало работы
Изображение молекул
Добавление атомов водорода
Оптимизация геометрии
Изменение 3D просмотра
Маркировка атомов и связей
Режим представления
Инструменты
Настройка метода вычислений
Инструмент "Формула"
Инструменты измерения
Инструменты визуализации
Расчет энергии
Молекулярная механика
Построение 1D и 2D энергетических диаграмм
Молекулярная динамика
Квантовая механика

Лабораторная работа №1 Создание базы данных химических соединений и вычисление корреляционных зависимостей структура-свойство. Создание молекулярных моделей.

Лабораторная работа №2 Исследование внутримолекулярных и межмолекулярных взаимодействий методом молекулярной механики

Лабораторная работа №3 Исследование динамики локальных движений методом молекулярной динамики

Лабораторная работа №4 Квантово-химический расчет полуэмпирическим методом геометрии органических соединений

Файловый архив

Лабораторный практикум (полный архив)
Установочный пакет GChemPaint 0,8,0 (Linux)
Установочный пакет Ghemical 2,99 (Linux)
Установочный пакет Ghemical 2,10 (Windows)

В 2013 году Нобелевский комитет, определяя лауреатов премии за исследования в области химии, из числа многих достойных претендентов выбрал ученых, занимающихся компьютерным моделированием сложных химических систем. Эта работа совмещает в себе достижения химии, классической и квантовой физики и математического моделирования.

Мартин Карплус, гражданин Австрии и США, родился в Вене в 1930 году. После аншлюса Австрии гитлеровской Германией он вместе с матерью и братом Робертом (будущим известным физиком) покинул страну. Через Швейцарию семья добралась до США, где Мартин Карплус учился в Гарварде и Калифорнийском технологическом институте. В дальнейшем ученый работал в Оксфорде, Иллинойском, Колумбийском и Гарвардском университетах. В данный момент Мартин Карплус занимает должности профессора в Гарварде и университете Страсбурга.

Второй лауреат Майкл Левитт (Michael Levitt), уроженец южноафриканской Претории. Родившийся в 1947 году, он самый младший из трех лауреатов. Учился Левитт в Королевском колледже в Лондоне, затем в Кембридже. Работал в Лаборатории молекулярной биологии Кембриджского университета, Институте имени Вейцмана. В данный момент Майкл Левитт – профессор в Медицинской школе Стэнфордского университета.

Арье Варшель (Arieh Warshel) родился в 1940 году в кибуце в Британской подмандатной территории Палестины, которая через восемь лет после его рождения стала независимым государством Израиль. Учился в Технионе в Хайфе, а затем писал диссертацию в Институте имени Вейцмана в Реховоте. Затем работал в Гарварде, Институте имени Вейцмана и в Кембридже, а с 1976 года работает в Университете Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе.

Всех троих ученых объединяет интерес к вычислительной и структурной биохимии, то есть к определению структуры молекул сложных химических веществ. Если когда-то химикам для демонстрации структуры молекул было достаточно шариков и стержней, то теперь, чтобы, например, представить структуру молекулы необходимо компьютерное моделирование. Моделирование помогает не только представить себе строение вещества, моделируется также и ход химических реакций. В современной биологии наряду с терминами in vivo и in vitro уже используется выражение in silico, которое обозначает компьютерное моделирование процесса.

Молекулы белков могут состоять из нескольких тысяч аминокислот, а также включать в себя другие компоненты. За счет водородных связей цепочки аминокислот образуют спирали или слои – вторичную структуру белка. Спирали сворачиваются в «клубки», образуя третичную структуру. При этом следует понимать, что «клубки» образуются не случайным образом, а имеют характерную для каждого белка форму. Объединение нескольких «клубков» – это четвертичная структура белка, например, молекула человеческого гемоглобина состоит из четырех таких «клубков». Современные компьютерные программы предсказывают по последовательности аминокислот (первичной структуре), какова будет вторичная и третичная структура белковой молекулы. Полностью задача предсказания третичной структуры белка по данной последовательности аминокислот не решена, слишком больших вычислительных мощностей она требует. Но уже смоделированы структуры многих белковых молекул. В создании таких программ принимал активное участие один из нынешних лауреатов – Майкл Левитт.

Однако представить структуру молекулы – не единственная цель ученого. Важно понять, как пойдет химическая реакция. Проводя реакцию в пробирке, ученый может оценить лишь начальную и конечную стадии процесса. К тому же исследователь, которому нужно, например, подобрать лекарство, которое ингибировало бы определенную химическую реакцию в организме, должен перебрать тысячи веществ, чтобы найти то, которое обеспечивает нужный эффект. Это долго, дорого, трудоемко. Конечно, такому исследователю хочется, чтобы большую часть работы за него сделал компьютер, смоделировавший ход всех этих реакций и отобравший в результате из тысяч претендентов молекулы с подходящими свойствами. Именно эту задачу начали решать в 1970-е годы сегодняшние нобелевские лауреаты.

Но здесь начинаются свои сложности. Можно построить модель хода реакций, исходя из классической ньютоновской физики. Но точность такого моделирования оказывается недостаточной. Атомы и электроны всё-таки не упругие шарики, наделенные электрическим зарядом. В химических реакциях нельзя не учитывать квантовые эффекты. Но переходя к моделированию с учетом квантовой физики, мы быстро обнаруживаем, что компьютер не справляется. Можно смоделировать лишь очень простые реакции. Слишком большие объемы расчетов, вычислительных мощностей не хватает. Пожалуй, главной заслугой Карплуса, Левитта и Варшеля стало то, что они нашли способ совместить классическую и квантовую физику в компьютерном моделировании химических реакций. Например, квантовая динамика используется при моделировании поведения реакционного центра белковой молекулы, а для других ее частей достаточно классической механики. В наши дни компьютерное моделирование структуры веществ и хода реакций активно используется в фармакологии при поиске новых лекарств.

Еще одно важное преимущество компьютерного моделирования реакций состоит в том, что порой только оно дает нам возможность узнать, что происходит на промежуточных этапах реакции. Например, как вещества взаимодействуют с катализатором. Многие реакции происходят настолько молниеносно, что узнать детали их хода или вовсе невозможно, или можно лишь с помощью косвенных и неточных методов.

Арье Варшель и Мартин Карплус начали работать над компьютерным моделированием химических реакций в 1970-е годы. Первая созданная ими программа определяла структуру лишь сравнительно простых плоских молекул. Уже в этой программе сочеталось использование классической и квантовой физики. Для атомных ядер и σ-электронных орбиталей использовалась ньютоновская физика, для π-электронных орбиталей – квантовая. В 1976 году Варшель и Левитт показали, что можно научить программу по формальным признакам разделять электроны, которые включены в классическую модель, и электроны, описанные при помощи квантовой химической модели. Они построили модель, описывающую, как фермент лизоцим расщепляет гликозиды. Также в те годы Левитт и Варшель описали третичную структуру белка апротипина.

Как расчитать биомолекулу

Новость о присуждении Нобелевской премии по химии прокомментировали для Полит.ру российские ученые. Беседовала Наталия Демина.

Владимир Польшаков, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории магнитной томографии и спектроскопии Факультета фундаментальной медицины МГУ.

Как бы вы описали научный вклад Мартина Карплуса, Майкла Левитта и Арье Варшеля?

Трое нынешних лауреатов внесли значительный вклад в развитие методов расчета сложных молекул, прежде всего, биомолекул, таких как белки или нуклеиновые кислоты. Такие молекулы также являются химическими соединениями, но очень крупными. Это те молекулярные машины, которые определяют жизнь любой живой клетки. Премия присуждена, в основном, за теоретические разработки.

Все трое внесли значительный вклад в развитие методов моделирования структуры, динамики и функций биомолекул, включая методы молекулярной динамики, квантовой химии и комбинацию методов квантовой механики с классическими расчетными подходами. Эти методы позволяют, например, моделировать ход ферментативных реакций, в которых участвует белок-фермент, механизм сворачивания небольших биополимеров, поведение биомолекул в растворе и т.д. Благодаря работам Нобелевских лауреатов, методы расчета сложных молекул фактически стали инструментарием, который позволяет понять, как функционирует биомолекула – крупное химическое образование или даже комплекс нескольких биомолекул.

Кроме того, Мартин Карплус в своих ранних работах внес ценный вклад в развитие методологии спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для расчета структуры молекул. Знаменитое уравнение Карплуса связывает т.н. вицинальные константы спин-спинового взаимодействия – параметры, которые мы можем измерить экспериментально из спектра ЯМР, c дидральными углами, т.е. геометрическими параметрами, характеризующими взаимное расположение атомов в молекуле. И это важный кирпичик для определения структур молекул, включая и такие крупные, как белки или нуклеиновые кислоты.

Но я полагаю, что Мартину Карплусу дали Нобелевку не столько за это, сколько за его последующие работы по созданию методов моделирования структуры крупных биомолекул и молекулярных систем. Потому что все трое, а именно он, а также Майкл Левитт и Арье Варшель сделали много именно в этом направлении.

Можно ли сказать, что эта премия – на стыке математики и химии?

Да, более того – на стыке химии, физики, биологии и математики.

Вы удивились, что премию получили именно эти трое?

Да нет, это активно работающие в науке ученые.

Когда мы общались с биологами о премии по медицине, то прозвучало мнение, что Нобелевский комитет дает премию ученым, чьи имена уже не на слуху и чей научный вклад уже давно в учебниках…

Мартин Карплус, например, сделал свои фундаментальные открытия в области ЯМР в конце 1950-х – начале 1960-х годов. И уравнение Карплуса уже стало нарицательным, его, вероятно, многие даже не ассоциирует с конкретным человеком. Но после этого Мартин много работал в области расчета и моделирования структуры и динамики биомолекул. Он и до настоящего времени является активно работающим в науке человеком. Так, в 2012 -2013 годах им опубликовано несколько работ, в том числе посвященных анализу механизма функционирования макромолекулярных комплексов расчетными методами.

Другой вопрос: я на 100% не убежден, что премию нужно было вручать именно этим трем исследователям. Есть много других выдающихся ученых, работающих в этой области, но это уже выбор Нобелевского комитета.

Есть ли в России ученые, которые работают по этой теме на мировом уровне?

Да, у нас есть много работающих на мировом уровне исследователей, но все они не столько развивают методики, которые получили признание Нобелевского комитета, сколько их используют для решения конкретных научных проблем. Можно, например, назвать Романа Ефремова из Института биоорганической химии РАН, который является специалистом в области расчета сложных биомолекул и молекулярных комплексов, включая, например, биологические мембраны.

Как разрабатываются такие методики, заслужившие признание Нобелевского комитета? Насколько они включают в себя программирование?

Конечно, для развития этих подходов необходимо было и программирование, но премию дали не за создание конкретных программ, а за концептуальные разработки, за создание принципов расчета. А дальше, конечно, чтобы эти концепции воплотились в жизнь, работали и программисты. Кроме того, нужна работа вычислительных машин, в том числе суперкомпьютеров, потому что такие расчеты требуют очень интенсивных вычислений.

Артем Оганов - Ph.D. в кристаллографии University College London, доктор наук (Habilitation) Швейцарского федерального политехнического института в Лозанне, профессор Университета штата Нью-Йорк, адъюнкт-профессор МГУ:

Как бы вы оценили научный вклад трех лауреатов?

Они создали программы и методы для моделирования биомолекул – белков, ДНК. Это дало возможность моделировать биохимические реакции, действие ферментов, динамику белков и т.д. В этом – ключ к пониманию болезней и действия лекарств на молекулярном уровне. На мой взгляд, премия – вполне заслуженная премия.

Получается, что за такими исследованиями в области компьютерной химии, моделирования сложных молекул – будущее?

Да, за ними будущее.

Знакомы ли вы с кем-то из лауреатов?

Я немного знаком с Мартином Карплусом.

В.И. Польшаков из МГУ сказал, что он на 100% не может уверенно сказать, что выбор именно этих троих правилен, что в этой области работают много выдающихся коллег. На ваш взгляд, что предопределило выбор в пользу именно этих трех ученых?

Они очень давно этим занимаются, стояли у истоков, написали те программы, которыми пользуются чуть ли не все ученые в этой области. Вообще, выделение лауреатов всегда сопряжено с условностями и даже субъективностью.

Читайте также: