在電腦中模擬化學(xué)反應(yīng)

楊先碧

現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)可以模擬自然界的許多事物。比如，科幻影片中未來世界的場(chǎng)景。同樣，用現(xiàn)有技術(shù)手段都難以觀察到的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)變化，計(jì)算機(jī)也可以模擬。這樣的研究領(lǐng)域被稱為計(jì)算化學(xué)。

2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就授予了三位在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家，他們分別是美國(guó)理論化學(xué)家馬丁·卡普拉斯、美國(guó)生物物理學(xué)家邁克爾·萊維特和化學(xué)家亞利耶·瓦謝爾。

誰(shuí)來演繹化學(xué)反應(yīng)？

世間萬(wàn)物的基本組成是分子、原子或離子。在物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，分子、原子或離子之間的化學(xué)鍵會(huì)斷裂，原子、原子團(tuán)或離子重新組合成新的物質(zhì)。

那么，如何直觀地表述這些化學(xué)反應(yīng)的過程呢？

除了符號(hào)化的化學(xué)反應(yīng)方程式外，化學(xué)家還采用模型來描述。物質(zhì)的化學(xué)模型常用棍和球來表示，棍代表化學(xué)鍵，球代表原子或離子。化學(xué)鍵本質(zhì)上是一種電磁力，因此球棍模型建立的基礎(chǔ)是經(jīng)典物理學(xué)。

用球棍模型研究簡(jiǎn)單物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)比較有效，比如水分解成氫氣和氧氣?？墒?，如果換成復(fù)雜物質(zhì)，這種辦法就比較艱難了，比如復(fù)雜的光合作用。

既然如此，那么用理論的方法行不行呢？

按照這個(gè)思路，化學(xué)家們引入了量子理論，因?yàn)榱孔永碚撃芨玫亟忉屛⒂^世界中基本粒子的活動(dòng)規(guī)律。化學(xué)反應(yīng)涉及電子轉(zhuǎn)移與重組，而電子既可以是粒子，同時(shí)也可以是波，所以電子的狀態(tài)可以用量子力學(xué)來處理。

想法有了，可是做起來依然不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)橐肓孔游锢韺W(xué)后計(jì)算量驚人，靠人工計(jì)算簡(jiǎn)直是難以完成的任務(wù)。直到計(jì)算機(jī)發(fā)明，人們才看到了曙光。

計(jì)算機(jī)大顯神威

二十世紀(jì)六七十年代，在老百姓還不知道計(jì)算機(jī)為何物時(shí)，一些科學(xué)家已經(jīng)開始使喚這個(gè)好幫手了。在化學(xué)研究中，計(jì)算機(jī)更是幫了大忙。卡普拉斯、萊維特和瓦謝爾是利用這項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)行科學(xué)研究的先行者。

二十世紀(jì)七十年代初，卡普拉斯便開發(fā)出一套用量子物理方法模擬化學(xué)反應(yīng)的電腦程序，為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)設(shè)計(jì)了多尺度模型。

而在千里之外的以色列，瓦謝爾在讀博士期間與萊維特合作，也開發(fā)出了一套電腦程序，使所有分子建模成為可能。博士畢業(yè)后，瓦謝爾加入到卡普拉斯的團(tuán)隊(duì)。他們合作開發(fā)出一套新的程序，用于對(duì)化學(xué)反應(yīng)中不同的電子進(jìn)行不同種類的計(jì)算。

卡普拉斯的研究從視網(wǎng)膜開始。

眼睛視網(wǎng)膜的分子中存在一些自由電子。當(dāng)光照射到視網(wǎng)膜上時(shí)，這些自由電子就能夠獲得能量，改變分子的結(jié)構(gòu)，這是人類形成視覺的初級(jí)階段。卡普拉斯和瓦謝爾成功建立了視網(wǎng)膜的電腦模型，開發(fā)了一套電腦程序：當(dāng)計(jì)算自由電子時(shí)，使用量子物理的方法，在涉及其他的電子和原子核的計(jì)算時(shí)，則使用更為簡(jiǎn)單的經(jīng)典物理學(xué)方法。因此，他們的研究方法被人們稱為“多尺度模型”。

1972年，二人的研究成果發(fā)布，多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型的出現(xiàn)，翻開了化學(xué)史的“新篇章”。

現(xiàn)在，用計(jì)算機(jī)模擬化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)成為一個(gè)分支學(xué)科，名為“計(jì)算化學(xué)”。如今，發(fā)展迅猛、能力超群的計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為量子化學(xué)計(jì)算最得力的輔助工具。

計(jì)算化學(xué)改善生活

你可能會(huì)想，諾貝爾獎(jiǎng)是最高級(jí)別的科學(xué)大獎(jiǎng)，那些深?yuàn)W的理論和發(fā)明跟我們的日常生活是不是太遠(yuǎn)了呢？

其實(shí)，這樣的想法是不準(zhǔn)確的。我們不妨看看這次獲獎(jiǎng)的成果吧。

對(duì)化學(xué)家來說，計(jì)算機(jī)已經(jīng)和試管一樣重要。通過計(jì)算機(jī)模擬，化學(xué)家能更快獲得比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)結(jié)果。

比如，計(jì)算化學(xué)可以更好地理解復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的機(jī)制，給我們的生產(chǎn)和生活帶來實(shí)惠。舉個(gè)例子，研究健康細(xì)胞轉(zhuǎn)化為癌細(xì)胞的過程，可以知曉是哪些生物大分子產(chǎn)生了什么樣的變異，就可以開發(fā)出針對(duì)性較強(qiáng)的藥物。

再比如，計(jì)算化學(xué)可以為合成新物質(zhì)提供線索和指明方向。過去，化學(xué)家合成所需新物質(zhì)的方法只能是不斷嘗試，用不同物質(zhì)多次交叉嘗試，最終找到合適的原料。這樣的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又浪費(fèi)資源。有了計(jì)算機(jī)后，化學(xué)家就可以先用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，排除不可能的反應(yīng)路徑，找到最有可能的路徑。

你看，深?yuàn)W的科技其實(shí)離我們不遠(yuǎn)。

鏈接

在新藥的開發(fā)中，怎樣從大量的候選分子中篩選有用的藥物呢？

目前流行的做法是先找出最有可能成為藥物的先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和建立數(shù)據(jù)庫(kù)。藥物化學(xué)家實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)用不同的篩選程序，將不可能成功的化合物提早淘汰。另外，他們還可以利用計(jì)算機(jī)程序預(yù)測(cè)候選藥物在體內(nèi)吸收、分布、代謝、排泄及其毒副反應(yīng)等特點(diǎn)，這樣在進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)前，就可以將那些不合格的品種排除在外。