CHƢƠNG II ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Tính tốn các thơng số hóa lƣợng tử Chƣơng trình Gaussian
2.2.1. Bộ thơng số hóa lượng tử
Thơng số hóa lƣợng tử tỏ ra khá hiệu quả trong nghiên cứu QSAR xét về chất lƣợng thông tin mô tả cấu trúc phân tử lẫn mức độ phức tạp trong thiết lập mơ hình tính tốn cũng nhƣ độ chính xác thu đƣợc từ các mơ hình tính. Do đó, khá nhiều thơng số hóa lƣợng tử đƣợc khảo sát và ứng dụng trong các nghiên cứu QSAR. BPA BPF TCBPA Luciferin + ATP Luc Tế bào MVLN ERα Phát quang sinh học
Khi xét đến tính đơn giản trong luận giải mối quan hệ cấu trúc - hoạt tính, đồng thời để đảm bảo sự đánh giá khách quan trên diện rộng về những yếu tố quy định dạng phụ thuộc cấu trúc - hoạt tính. Trong luận án này, với kích thƣớc của bộ hợp chất đƣợc lựa chọn để nghiên cứu, tôi ƣu tiên chọn lựa những thông số lƣợng tử cơ bản và cho phép tính tốn với độ chính xác cao bằng các công cụ đƣợc chọn lựa.
Theo đó, bộ thơng số hóa lƣợng tử đƣợc đƣa vào tính tốn trong khn khổ của luận án này đã đƣợc chọn lựa và trình bày ở Bảng 2.3.
Bảng 2.3. Các thông số lượng tử được khảo sát để xây dựng mơ hình
STT Tên và ký hiệu các thông số lƣợng tử Đơn vị
1 Độ dài liên kết Å
2 Góc liên kết Độ
3 Góc nhị diện Độ
4 EHOMO - Năng lƣợng của orbital phân tử bị chiếm cao nhất eV 5 ELUMO- Năng lƣợng của orbital phân tử chƣa bị chiếm thấp nhất eV
6 µ- Moment lƣỡng cực phân tử Debye
7 Esp-Tổng năng lƣợng phân tử eV
8 ΔE = ELUMO - EHOMO: đặc trƣng độ chênh lệch giữa hai mức năng
lƣợng orbital phân tử HOMO và LUMO eV
9 ( )
2
LUMO HOMO
E E
: độ âm điện của phân tử (trong khuôn khổ thuyết Koopman ELUMO = -A, EHOMO= -I, trong do A: ái lực electron, I- năng luong ion hóa )
eV 10 2 LUMO HOMO E E độ cứng của phân tử; eV 11 2 2 : chỉ số độ phản ứng (reactivity index)
12 Mật độ electron tại các nguyên tử carbon trên khung phân tử
13 R1_HOMO, R1_LUMO, R2_HOMO, R2_LUMO, GOC_HOMO,
GOC_LUMO: Phần trăm đóng góp vào EHOMO, ELUMO của các thành
phần R1, R2 và vòng thơm trong phân tử khảo sát
2.2.2. Phương pháp tính B3LYP. Chương trình Gaussian
Lý thuyết DFT cho phép tính tốn nhiều đặc tính về cấu trúc hình học của phân tử cũng nhƣ các năng lƣợng liên kết trong phân tử. Tuy nhiên, nhƣ đã đề cập ở trên, hiệu quả của phƣơng pháp phiếm hàm mật độ DFT phụ thuộc vào việc lựa chọn các phiếm hàm tƣơng quan-trao đổi phù hợp. Trong khn khổ của hóa học lƣợng tử, có quá nhiều phiếm hàm DFT đƣợc nghiên cứu và tích hợp trong các phần mềm tính tốn với những ƣu điểm và những hạn chế khác nhau. Bên cạnh đó, với cùng một phiếm hàm DFT, các tính tốn tỏ ra khá hiệu quả đối với nhóm tính chất lƣợng tử này lại tỏ ra kém hiệu quả đối với nhóm tính chất lƣợng tử khác. Ngồi ra, chọn lựa một bộ hàm cơ sở thích hợp cũng góp phần cải thiện và nâng cao chất lƣợng và tốc độ của các tính tốn. Do đó, bài tốn quan trọng trong tính tốn các cấu trúc lƣợng tử là khảo sát, đánh giá, so sánh và lựa chọn các phiếm hàm DFT phù hợp với các dạng tham số lƣợng tử cần tính tốn, kết hợp với các bộ hàm cơ sở tƣơng thích.
Trong khn khổ luận án này, để có đƣợc chất lƣợng tính tốn tốt cho nhóm tính chất lƣợng tử cần tính (Bảng 2.3), tơi tiến hành tìm kiếm và phân tích các tài liệu đánh giá về chất lƣợng của một số phiếm hàm DFT đối với nhóm tính chất kể trên.
Các phân tích cho thấy, phƣơng pháp B3LYP tỏ ra khá hiệu quả và đƣợc sử dụng trong nhiều cơng trình nghiên cứu với độ chính xác đáng tin cậy [27, 74, 102]. Bên cạnh đó, trong các nghiên cứu về liên kết hydro, các bộ cơ sở chuẩn 6-31+G(d), 6-31++G(d), 6-31++G(d,p) và 6-311++G(d,p) thƣờng đƣợc sử dụng và cho kết quả tính tốn tốt. Đối với các tính tốn về các năng lƣợng electron khác và các tần số dao động, các bộ cơ sở 6-31+G(d) và 6-31++G(d,p) thƣờng đƣợc sử dụng để đảm bảo độ khuyếch tán và tính linh hoạt góc cho các orbital nguyên tử. Tuy nhiên, bộ cơ sở lớn 6-31++G(d,p) cho kết quả tính tốn rất chậm [77, 23].
Để thực hành phƣơng pháp tính nói trên, tơi sử dụng bộ phần mềm Gaussian 09 và Gaussview 06, trình tự tính tốn đƣợc cho trên Hình 2.3.
Hình 2.3. Trình tự tính tốn thơng số hóa lượng tử sử dụng bộ phần mềm Gaussian 09 và Gaussview 06
- Thiết kế phân tử: cấu trúc phân tử của bộ chất cần tính đƣợc thiết lập
bằng phần mềm Gaussvie 06. Thông số đầu vào cho việc thiết kế phân tử bao gồm: thông tin về cấu trúc phân tử nhƣ ma trận Z hoặc bảng tọa độ các nguyên tử (Molecular Specification); điện tích và độ bội (Charge & Multiple.); phƣơng pháp tính và bộ hàm cơ sở (Route Section) …
- Tối ưu hố hình học: các cấu trúc vừa xây dựng đƣợc tối ƣu hóa hình học.
- Tính tốn các thơng số lượng tử: thực hiện trên các cấu trúc đã tối ƣu
hóa ở trên, giá trị các thơng số cấu trúc tính đƣợc sẽ đóng vai trị là các biến độc lập để xây dựng mơ hình QSAR.