Новости химической науки > Как провести молекулярного червя через лабиринт?

Особенности прохождения молекулы-субстрата через «лабиринт» каталитической системы представляют собой факторы, критические для реализации каталитических и других технологических процессов, для изучения взаимодействий молекулы с внутренними полостями катализатора обычно используют компьютерное моделирование.

В прошлом такое моделирование требовало больших затрат как по машинным ресурсам, так и по времени, необходимому для проведения расчетов, однако исследователи из Национальной Лаборатории Лоуренса Беркли разработали новый алгоритм расчета, который может упростить и ускорить будущие расчеты подобных систем, а также позволит рассчитывать характеристики взаимодействия субстрата с катализатором с большей точностью.

На картине отображено прохождение молекулы бутана через кристаллическую решетку цеолитного катализатора, применяющегося для крекинга алканов. Для расчета кратчайшего маршрута молекулы бутана по элементарной кристаллической ячейке был использован новый алгоритм. (Рисунок из PNAS 2009 106:21472)

Руководитель группы исследователей, разработавших новый алгоритм, Мачей Харанчик (Maciej Haranczyk), отмечает, что главным фактором, затрудняющим проведение подобных анализов, является необходимость молекулярных симуляций большого количества возможных структур, описывающих взаимодействие субстрата с катализатором. Харанчик заявляет, что новый подход позволяет автоматизировать анализ таких структур, значительно ускорив при этом весь процесс скрининга.

Ключом для успеха в разработке нового алгоритма явился отход от традиционных представлений о молекулах как о жестких сферах с фиксированным радиусом. Вместо этого Харанчик и Джеймс Сетиан (James Sethian) предложили концепцию «молекулярных червей», представляющих собой блоки, связанные гибкими сочленениями. Такие «молекулярные черви» более реалистично отображают геометрическое строение молекулы, тем самым позволяя получить более точную картину прохождения молекулой-субстратом химического лабиринта с заданной геометрией.

Харанчик отмечает, что на практике большая часть изучаемых молекул редко характеризуется сферической формой, поэтому представление в виде сферы в расчетах даже простейших молекул газов или растворителей может приводить к накоплению ошибок в расчете. Разработанные Харанчиком и Сетианом молекулярные черви могут менять форму при прохождении через химический лабиринт, что невозможно представить в описании молекулы моделью сферы или системой с фиксированным объемом и размерами. Новая модель существенно увеличивает количество структур, которые могут быть изучены с помощью нового подхода в единицу времени.

При прохождении молекулы через систему гетерогенного катализатора ее взаимодействие с определенными фрагментами катализатора может определять реакционную способность субстрата. Активные центры катализатора могут быть скрыты в расщелинах, «карманах» или скрытых полостях гетерогенной каталитической системы. Доступный объем химической системы – свободный объем полостей гетерогенного катализатора, доступный для молекулы-субстрата, является важным фактором для физических свойств каталитической системы, включая диффузию, вязкость и электропроводность. В первую очередь расчеты должны дать ответ на вопрос – сможет ли молекула пройти через «химический лабиринт», а во вторую – определить кратчайший маршрут движения молекулы по этому лабиринту, и вычислить доступный химический объем.

Проведение расчетов серьезно усложняется тем, что при каждой итерации расчета необходимо рассчитывать весь пакет взаимодействий, характерный для всех атомов молекулы субстрата со всеми атомами, образующими лабиринт, при этом эта операция должна повторяться на каждом шаге квантово-химического моделирования. Поскольку молекула субстрата до своего высвобождения может отражаться от стен каталитической системы, расчет доступного объема и пути молекулы чрез химический лабиринт может представлять собой очень сложную задачу.

Чтобы проверить, как минимизируются проблемы, связанные с расчетом свойств системы гетерогенный катализатор – субстрат с помощью нового алгоритма «молекулярный червь» исследователи успешно протестировали разработанный алгоритм на системе алкан-цеолит (цеолиты представляют собой микропористые материалы, которые с конца 1950-х применяются в качестве катализаторов для крекинга нефтепродуктов, разделительных мембран и смягчителей воды).

Источник: PNAS 2009 106:21472; doi:10.1073/pnas.0910016106

метки статьи: #квантовая химия, #кинетика и катализ, #химия поверхности