RSS RSS print

Teoretická a výpočtová chémia (Študujeme molekuly pomocou počítača)

Molekuly menia laserové lúče

Vďaka vysokej koherencii a monochromatickosti je možné v laserovom lúči sústrediť veľkú energiu na malej ploche, čo vytvára možnosti širokého využitia v modernej optoelektrotechnike (CD, DVD, Blu-ray, magnetooptické disky, optické komunikácie), spracovaní materiálov (rezanie a vŕtanie), ale aj v medicíne (napr. operácie očnej sietnice). Mnohé lasery dokážu pracovať len pri istej frekvencii (resp. vlnovej dĺžke) žiarenia, kým pre potreby praxe je potrebné túto frekvenciu modifikovať. Niektoré chemické látky práve toto dokážu. Napríklad pri procese, ktorému hovoríme druhá harmonická generácia (angl. second-harmonic generation, SHG) sa pri prechode vhodným materiálom frekvencia laserového lúča zdvojnásobí (Obrázok 1). Takéto procesy sa nazývajú nelineárne optické (NLO) javy.

 

Obrázok 1 Zmena frekvencie (farby) laserového lúča pri prechode NLO materiálom.

 

Väčšina NLO materiálov používaných v súčasnosti bola pripravená na báze anorganických kryštálov (napr. GaAs, CdSe, KH2PO4 - KDP, KTiOPO4 – KTP). Ukazuje sa však, že zaujímavé NLO vlastnosti vykazujú aj organické látky, pričom tieto majú výhodu, že sa dajú pomerne ľahko chemicky modifikovať, čím sa dajú “ladiť” aj ich vlastnosti. Na našom pracovisku používame moderné teoretické prístupy na pochopenie vzťahov medzi štruktúrou chemických látok a ich vlastnosťami, čo nám umožňuje navrhovať nové materiály pre aplikácie v oblasti nelineárnej optiky. V spolupráci s renomovanými pracoviskami v zahraničí (napr. FUNDP v belgickom Namure, NHRC v Aténach, Université de Nantes vo Francúzsku) sa zameriavame najmä na dizajn organických NLO materiálov na báze π-konjugovaných reťazcov polymetylénimínu (PMI) a jeho analógov. Podarilo sa nám pre organickú syntézu navrhnúť viaceré stabilné chemické látky, ktoré majú predpoklad vykazovať výnimočné NLO vlastnosti. 
Štúdium NLO procesov a dizajn nových látok realizujeme pomocou metód počítačovej chémie, ktorá sa vďaka enormnému vývoju v oblasti paralelného a gridového počítania stala rovnocenným partnerom experimentálnej chémie.

 

Obrázok 2 Štruktúra polyfluoroacetylénu, ktorý vykazuje viac ako päťnásobne vyššie hodnoty NLO vlastností ako TT-PMI, ktorý je považovaný za jeden z najefektívnejších organických NLO materiálov. Vľavo je vidieť π-konjugovaný elektrónový oblak, vpravo rozloženie elektrónovej hustoty.

 

Výber z našich publikácií:

1. XENOGIANNOPOULOU, E., MEDVEĎ, M., ILIOPOULOS, K., COURIS, S., PAPADOPOULOS, M. G., BONIFAZI, D., SOOAMBAR, C., MATEO-ALONSO, A., PRATO, M.: Non-linear Optical Properties of Ferrocene- and Porphyrin-[60]fullerene Dyads, ChemPhysChem, vol. 8 (7), 2007, pp. 1056-1064.
2. JACQUEMIN, D., PERPETE, E. A., MEDVEĎ, M., SCALMANI, G., FRISCH, M. J., KOBAYASHI, R., ADAMO, C.: First hyperpolarizabilities of polymethineimine with long-range corrected functionals, J. Chem. Phys., vol. 126, 2007, 191108.
3. MEDVEĎ, M., STACHOVA, M., JACQUEMIN, D., ANDRE, J.-M., PERPETE, E. A.: A generalized Romberg differentiation procedure for calculation of hyperpolarizabilities. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM, vol. 847, 2007, 39-46.
4. MEDVEĎ, M., BUDZAK, Š., ČERNUŠAK, I.: High second-order NLO responses of dehydrogenated hydrogen cyanide borane(1) oligomers. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM, vol. 961, 2010, 66-72.
5. MEDVEĎ, M., BUDZAK, Š., PLUTA, T.: Static NLO responses of fluorinated polyacetylene chains evaluated with long-range corrected density functionals. Chem. Phys. Lett., vol. 515, 2011, 78-84.

........................................................................................................................................................................................................................................................................

 

Molekuly si vymieňajú elektróny

Hlavným objektom záujmu chémie boli dlhý čas hlavne procesy vzniku a zániku chemických väzieb – chemické reakcie. Posledné desaťročia moderného výskumu však ukázali, že napríklad pre správne zapojenie rôznych molekúl do fungovania organizmu sú potrebné oveľa jemnejšie mechanizmy interakcie. Napríklad mechanizmom účinku mnohých liečiv nie je tvorba chemických väzieb s cieľovým receptorom, ale vznik slabo (čo v praxi znamená aj reverzibilne) viazaného komplexu. Zoskupenia skladajúce sa z dvoch alebo viacerých organických molekúl, z ktorých jedna je ochotná elektrón odovzdať druhá prijať, sa nazývajú komplexy s prenosom náboja. Tejto oblasti výskumu sa intenzívne venujeme aj na našom pracovisku. Interakcie s prenosom náboja študujeme v komplexoch medzi molekulou TCNE (výborný, zrejme najsilnejší organický akceptor) a viacerými donormi – najmä metylbenzénmi (Obrázok 3), kde s pribúdajúcim počtom metylových skupín rastie schopnosť poskytovať elektróny. Základným prejavom vzniku týchto komplexov v roztoku je ich výrazné sfarbenie, ktoré je spôsobené elektrónovým prechodom, v ktorom sa prenáša elektrón medzi donorom a akceptorom. Sila tejto interakcie, farba komplexu, jeho vlastnosti, ale hlavne možnosť analyzovať toto všetko na úrovni molekulových orbitálov je dostupná vďaka počítačovej chémii. Na tento druh výpočtov sa používajú superpočítače a rozsiahlejšie počítačové klastre (Obrázok 4).

 

Obrázok 3 Rozloženie elektrónovej hustoty a) komplexu medzi benzenom a TCNE. b) nedávno pripraveného komplexu, kde sú donor (v strede) a akceptor 
(na okrajoch) prepojené pomocou alifatických mostíkov do jednej molekuly.

 

Obrázok 4 Počítačový klaster UMB v Banskej Bystrici. 24 výpočtových uzlov, každý z nich 12 jadier, 48 GB RAM, 1 TB lokálny disk, operačný systém: Scientific Linux, výpočtová sieť: 40GB/s infiniband.

 

Výber z našich publikácií:

1. KYSEĽ, O., BUDZÁK, Š., MEDVEĎ, M., MACH, P.: MP2, DFT-D, and PCM study of the HMB-TCNE Complex: Thermodynamics, Electric Properties, and Solvent Effects. In International Journal of Quantum Chemistry, 2008, vol. 108, issue 9, p. 1533-1545.
2. KYSEĽ, O., BUDZÁK, Š., MACH, P., MEDVEĎ, M.: MP2 and DFT study of IR spectra of TCNE-methylsubstituted benzene complexes: Is charge transfer important? In International Journal of Quantum Chemistry, 2010, vol.110, iss. 9, p. 1712-1728.
3. MACH, P., BUDZÁK, Š., MEDVEĎ, M., KYSEĽ, O.: Theoretical analysis of charge-transfer electronic spectra of methylated benzenes – TCNE complexes including solvent effects: Approaching experiment. In Theoretical Chemistry Accounts, vol. 131, p. 1268 -1282.
4. MACH, P., JUHÁSZ, G., KYSEĽ, O.: Theoretical study of electronic absorptions in aminopyridines - TCNE CT complexes by quantum chemical methods, including solvent. In Journal of Molecular Modeling, Doi 10.1007/s00894-012-1437-9.

........................................................................................................................................................................................................................................................................

 

Molekuly spomaľujú rast nádorov

Zhubný nádor (tumor, rakovina) je chorobný útvar, ktorý vzniká nadmerným a nezávislým delením buniek. Zhubné nádory sú štatisticky na druhom mieste úmrtí na Slovensku a počet nových ochorení stále stúpa. Hlavné súčasné postupy liečby onkologických ochorení sú: chirurgický zákrok, liečba ožarovaním (rádioterapia) a chemoterapia. Každý nový spôsob liečby však prináša nádej pre pacientov s týmto ochorením.
Judah Folkman z Harvadskej univerzity v Bostone v USA prišiel v roku 1971 s teóriou, že všetko, čo rýchlo rastie, potrebuje veľa živín a kyslíka. Podobne aj nádor, ako rýchlo rastúce tkanivo, potrebuje dostatočný prísun týchto látok, a na to nutne potrebuje nové cievy. Logicky z toho plynie, že ak sa podarí zablokovať prísun nevyhnutných substancií k nádoru, napr. zamedzením tvorby nových ciev (neovaskularizácie, angiogenézy), ktoré nádor zásobujú, jeho rast sa zastaví alebo aspoň spomalí. Trvalo však celých tridsať rokov, kým sa podarilo klinicky dokázať, že nádory môžeme skutočne „vyhladovať“ farmakologickou cestou, a tým spôsobiť ich regresiu.
Hľadaním účinných molekúl, ktoré je možné použiť na účely ovplyvňovania rôznych procesov v živých organizmoch sa zaoberá pomerne nový odbor chémie - medicínska chémia. Je to interdisciplinárna vedná oblasť spájajúca biologický a chemický výskum. Jej hlavným cieľom je návrh a príprava nových typov účinných liečiv (anti-neoplastík, antiangiogeník), ktoré rozšíria terapeutické možnosti liečby onkologických ochorení.

 

Obrázok 5: Proces tumorovej angiogenézy (tvorby nových ciev vetvením z už existujúcich ciev)
Tumor vysiela do svojho okolia rastové faktory bielkovinovej povahy (napr. VEGF, bFGF...), ktoré slúžia ako signálne molekuly spúšťajúce novotvorbu ciev z existujúcich ciev v blízkom okolí (angiogenéza). Neovaskularizácia následne vedie k rastu a rozvoju tumoru a tvorbe metastáz. Cievy, ktoré sa takto vytvoria, majú abnormálnu štruktúru (iný priemer, vretenovitý tvar, inú priepustnosť pre proteíny a plazmu).

 

Väčšina NLO materiálov používaných v súčasnosti bola pripravená na báze anorganických kryštálov (napr. GaAs, CdSe, KH2PO4 - KDP, KTiOPO4 – KTP). Ukazuje sa však, že zaujímavé NLO vlastnosti vykazujú aj organické látky, pričom tieto majú výhodu, že sa dajú pomerne ľahko chemicky modifikovať, čím sa dajú “ladiť” aj ich vlastnosti. Na našom pracovisku používame moderné teoretické prístupy na pochopenie vzťahov medzi štruktúrou chemických látok a ich vlastnosťami, čo nám umožňuje navrhovať nové materiály pre aplikácie v oblasti nelineárnej optiky. V spolupráci s renomovanými pracoviskami v zahraničí (napr. FUNDP v belgickom Namure, NHRC v Aténach, Université de Nantes vo Francúzsku) sa zameriavame najmä na dizajn organických NLO materiálov na báze π-konjugovaných reťazcov polymetylénimínu (PMI) a jeho analógov. Podarilo sa nám pre organickú syntézu navrhnúť viaceré stabilné chemické látky, ktoré majú predpoklad vykazovať výnimočné NLO vlastnosti. 
Štúdium NLO procesov a dizajn nových látok realizujeme pomocou metód počítačovej chémie, ktorá sa vďaka enormnému vývoju v oblasti paralelného a gridového počítania stala rovnocenným partnerom experimentálnej chémie.

 

Obrázok 6: Potenciálne inhibítory receptora VEGFR2 v jeho aktívnom mieste

........................................................................................................................................................................................................................................................................

=