Farkas Ödön és Gáspári Zoltán Molekuláris informatika előadás és gyakorlat Tematika 1., történet; Molekulák reprezentációja I. 2. Molekulák reprezentációja II. 3. Reakciók reprezentációja; Kémiai adatbázisok I. 4. Kémiai adatbázisok II. Keresés adatbázisokban 5. Interneten elérhető adatok, adatbázisok; Fájl formátumok 6. Kémiai informatikai programozási környezet használata 7. Modellezés és dokkolás I. 8. Modellezés és dokkolás II. 9. Modellezés a gyakorlatban 10. Adatkezelés 11. Szerkezet-tulajdonság összefüggés 12. Adatkezelés, modellalkotás, modell igazolása 1
Kísérleti kémia Experimental chemistry Molekuláris informatika Elhelyezés Preparatív kémia Spektroszkópia Szerkezetvizsgálat Elválasztástechnika Reakciókinatika Biokémia Gyógyszerkutatás stb, stb K é m i a i i n f o r m a t i k a Számítási, elméleti kémia omputational, theoretical chemistry Elméleti kémia Kvantumkémia Elméleti szerkezetvizsgálat Molekulamodellezés stb, stb Optimization algorithm for molecular mechanics - Newton-Raphson step The basis of the most commonly used quasi-newton related optimization methods is the Newton-Raphson step. It has the following form with the projected MM essian: q = x t qfq = B( B t t B) B fq = B( B B) f MM MM x t t S ( B MMB) f x = PTR ( B MMB) f x We need a bit complicated way for calculating the established force change related to the actual internal coordinate step ( q ): t t S t ( B MMB)( B B) B q = fx 2
Molekuláris informatika Elhelyezés Kvantumkémia, számítási kémia Kémia Kvantummechanika Biológia Kémiai informatika Bioinformatika 3
1900 1937 1970 2000 Molekuláris informatika Miért molekuláris? Ismert vegyületek száma Szerves 80 000 470 000 3 000 000 ~15 000 000 Szervetlen 30 000 50 000 2007 ~50 000 000? A lehetséges és külön egyéniséggel bíró szénvegyületek száma korlátlan, a molekuláris kémia döntő része a szerves kémia tárgykörébe sorolható.? 4
T (K) 15000000 A molekuláris kémia hőmérsékleti elhelyezése Nap magja 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 Nap felszíne Föld magja Föld felszíne Világűr Molekuláris kémia 0 5
Molekuláris kémia A sokszínűség oka: rendkívül bonyolult potenciális-energia felület 6
Idő 1661-80 ~1790 1803-08 Személy Boyle Lavoisier Dalton Bepillantás a szerves kémia történetébe Anyagismeret Reakciók, technikák Elmélet korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis 1824 1830 Liebig Wöhler Berzelius ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend 1832 1838 1848 1853 1854 Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland optikailag tiszta borkősav benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók enantiomerek elválasztása dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet vegyértékfogalom 1858-65 1865 1874, ouper, Butlerov van t off, Le Bel benzol szerkezete képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia 7
Idő 1661-80 ~1790 1803-08 1824 1830 1832 1838 1848 1853 1854 1858-65 1865 1874 Személy Boyle Lavoisier Dalton Liebig Wöhler Berzelius Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland, ouper, Butlerov van t off, Le Bel Bepillantás a szerves kémia történetébe Anyagismeret ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria hidrogén optikailag tiszta borkősav benzol szerkezete Típuselmélet l sósav : Reakciók, technikák benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók enantiomerek elválasztása metán O víz N ammónia Elmélet korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet vegyértékfogalom képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia 8
Idő 1661-80 ~1790 1803-08 1824 1830 1832 1838 1848 1853 1854 1858-65 1865 1874 Személy Boyle Lavoisier Dalton Liebig Wöhler Berzelius Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland, ouper, Butlerov van t off, Le Bel Bepillantás a szerves kémia történetébe Anyagismeret O 2 ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria 3 ouper optikailag tiszta borkősav benzol szerkezete Reakciók, technikák Képletírás benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók enantiomerek elválasztása Elmélet korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet A 2 6 O összegképletű alkohol szerkezeti képletei 3 2 O Butlerov O 1870-től vegyértékfogalom képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia 9
Idő 1661-80 ~1790 1803-08 1824 1830 1832 1838 1848 1853 1854 1858-65 1865 1874 Személy Boyle Lavoisier Dalton Liebig Wöhler Berzelius Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland, ouper, Butlerov van t off, Le Bel Bepillantás a szerves álma: kémia a benzol szerkezete történetébe Anyagismeret ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria optikailag tiszta borkősav benzol szerkezete Reakciók, technikák benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók enantiomerek elválasztása Elmélet A 6 6 összegképletű benzol szerkezeti képletei Melyik az igazi? korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet vegyértékfogalom képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia 10
Idő 1661-80 ~1790 1803-08 1824 1830 1832 1838 1848 1853 1854 1858-65 1865 1874 Személy Boyle Lavoisier Dalton Liebig Wöhler Berzelius Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland metán, ouper, Butlerov van t off, Le Bel Bepillantás a szerves kémia történetébe Anyagismeret ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria optikailag tiszta borkősav R benzol szerkezete Q Reakciók, technikák Sztereokémia Y X benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók enantiomerek elválasztása Y X enantiomer pár Q R Elmélet korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend dualista gyökelmélet dualista Q gyökelmélet optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet R X Y vegyértékfogalom képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia 11
Idő 1661-80 ~1790 1803-08 1824 1830 1832 1838 1848 1853 1854 1858-65 1865 1874 Személy Boyle Lavoisier Dalton Liebig Wöhler Berzelius Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland, ouper, Butlerov van t off, Le Bel Bepillantás a szerves kémia történetébe Anyagismeret ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria optikailag tiszta borkősav benzol szerkezete Reakciók, technikák Sztereokémia benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók enantiomerek elválasztása eptahelicén konformációs enantiomerek Elmélet korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet vegyértékfogalom képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia 12
Idő 1661-80 ~1790 1803-08 1824 1830 1832 1838 1848 1853 1854 1858-65 1865 1874 Személy Boyle Lavoisier Dalton Liebig Wöhler Berzelius Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland, ouper, Butlerov van t off, Le Bel Bepillantás a szerves Tautomerizáció kémia történetébe Anyagismeret Protonok helyzetéből adódó Reakciók, konstitúciós technikák izoméria ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria stabilabb optikailag tiszta borkősav benzol szerkezete benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók enantiomerek elválasztása stabilabb Elmélet korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet vegyértékfogalom képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia Dinamikus egyensúly konstitúciós izomerek között (pl. keto enol tautomerizáció): 13
Mi a molekula? ogyan ábrázoljuk? - Röntgen szemmel: Metán Ammónia Víz - Kémikus szemmel: 14
Mi a molekula? Etanol 15
Molekuláris informatika Problémák kezelési módja 1. A molekuláris kémia elméleti alapját a kvantummechanika adja, de a valóságban kémiai kérdések nagyon kis hányada válaszolható meg a kvantummechanika közvetlen használatával A kvantumkémia, molekulamodellezés közelítések bevezetésével képes az elméleti tárgyalás határait kiterjeszteni. (deduktív megközelítés) 2. A kémiai rendszerek, problémák informatikai kezelése komplexitásukban jelenleg leghatékonyabban analógiák felhasználásával, lényegében elméleti háttér felállítása nélküli modellek kialakításával történik. Mindez nagymennyiségű adat tárolását, kezelését igényli. (induktív megközelítés) 16
Molekuláris informatika Feladatok A kémikus alapvető feladata a kívánt tulajdonságokkal bíró vegyületek előállítása tulajdonság ) szerkezet szerkezet- hatás, tulajdonság összefüggés (Q)SAR, (Q)SPR szerkezet ) kiindulási anyagok reakciótervezés szintézis ) termék szerkezetvizsgálat 17
A molekuláris informatika Történet Szerkezeti adatbázisok A National Bureau of Standards eljárást dolgoz ki kémiai szerkezetek keresésére rész-szerkezet alapján (substructure search). Az NSF 1960-tól támogatja a hemical Abstracts Service-t (AS), hogy kidolgozza kémiai szerkezetek és egyéb információk tárolásának, keresésének módszereit. Több vegy- és gyógyszeripari cég is egyidejűleg rendszerbeállít saját adatbázist. Szerkezet-hatás összefüggés ammet és Taft (1950-es évek), ansh (1964-), Free-Wilson (1964). Alapvetően kémiai reaktivitás és biológiai aktivitás előrejelzése a cél. Gyógyszeripar! Molekulamodellezés 1960-as évek vége: 3D szerkezetek képernyőn való megjelenítése, ezzel egyidőben az első molekulamechanikai erőterek megjelenése. Szerkezetvizsgálat 1964- Stanford, DENDREL project, tömegspektroszkópiához kapcsolódva. Reakciótervezés 1967 reakció adatbázis, Sheffield 1969- számítógépes támogatású reakciótervezés, arvard 18
A molekuláris informatika Rendelkezésre álló számítógépes programok hemaxon (http://www.chemaxon.com), operációs rendszertől független MarvinSketch Szerkezetek berajzolása Számítások plugin -eken keresztül MarvinView Szerkezetek megjelenítése MarvinSpace Szerkezetek megjelenítése, biomolekulás alkalmazások Jhem / Instant Jhem Szerkezeti és reakció adatbázisok kezelése Reakciótervezés ambridgesoft hemoffice, Windows alkalmazások Integrált kémiai informatikai rendszer Gaussian Kvantumkémiai programcsomag 19