Szupramolekuláris és katalitikus kémiában előforduló bonyolult molekuláris kölcsönhatások pontos modellezése
A bio- vagy katalitikus kémiában nagy számban jelen lévő, pl. a reakciómechanizmust is jelentősen befolyásoló intermolekuláris kölcsönhatások kísérleti és számítógépes modellezés alapú vizsgálata is rendkívül bonyolult. Például számításos kémiában rutinszerűen alkalmazott sűrűségfunkcionál módszerek a távolra ható kölcsönhatásokat jelentős közelítésekkel tudják csak kezelni. Ezzel szemben a nagy pontosságú hullámfüggvény módszerek (pl. CC módszer – Coupled Cluster – csatolt klaszer) szisztematikusan pontosíthatók, de hagyományos formájukban 20-25 atomos molekulákra is már túlságosan számításigényesek. További nehézség, hogy a nemkovalens kölcsönhatások pontos modellezésére jóval kiterjedtebb bázisfüggvény-készletet kell alkalmaznunk.
A hullámfüggvény módszerek számítási igényének csökkentésére a BME Spektroszkópia Kutatócsoport is javasolt hatékony eljárásokat (LNO – Local Natural Orbital, lokális természetes pálya), így akár több száz atomos molekulák pontos vizsgálata is lehetővé vált [1]. Egy közelmúltban készült tanulmány azonban megmutatta, hogy a kiterjedt és polarizálható molekulakomplexek esetén az LNO-CC és további referencia módszerekkel számított kölcsönhatási energiák bonyolult esetekben nincsenek mindig összhangban [2].
A kölcsönhatási energiák számítását ezért tovább pontosítottam a kölcsönható régióba helyezett bázisfüggvények felhasználásával (nem atomcentrált – NAC bázisfüggvények). Mivel a korábbi, viszonylag kevés NAC függvényeket hasznosító tanulmány csak kis méretű (10-20 atom) molekula komplexeket vizsgált [3], ezért több új NAC bázis alapú számítási protokollokat dolgoztam ki, melyek akár több száz atomos komplexekre is alkalmazhatók. Többek közt optimalizáltam a NAC függvények helyzetét, számát, illetve exponenseit a leggyakrabban használt atomcentrált bázisfüggvény-készleteket kiegészítve olyan módon, hogy ez nagyobb és általánosabb szerkezetű molekulakomplexek esetén is alkalmazható legyen. Az új stratégiákat az LNO-CC módszerekkel ötvözve kiterjedt szupramolekuláris komplexek kölcsönhatásának, valamint még nehezebben modellezhető organokatalitikus reakciók átmeneti állapotainak leírására hasznosítottam. Az eredmények alapján a kidolgozott NAC függvény technikák jelentősen növelik a molekuláris kölcsönhatások pontosságát, illetve csökkentik a teljes bázis határ eléréséhez szükséges számítási igényt.
Irodalomjegyzék
[1] Nagy, P.R., Kállay, M., J. Chem. Theory Comput., 15, 5275 (2019)
[2] Nagy, P.R., Al-Hamdani, Y.S. et al., Nat. Commun., 12, 3927 (2021)
[3] Matveeva, R., Erichsen, M.F., Koch, H. et al., J. Comput. Chem., 43, 121 (2022)
szerző
-
Lőrincz Balázs
Vegyészmérnöki mesterképzési szak, nappali MSc
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Dr. Nagy Péter
tudományos munkatárs, Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék
