Ученые из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН провели сопоставление точности и надежности четырех вычислительных подходов, применяемых для анализа органических кристаллов, содержащих бром и хлор. Анализ показал, что при работе с кристаллами, содержащими бром, результаты, полученные с использованием различных методов, могут значительно отличаться. Поэтому такие результаты требуют дополнительной проверки с помощью альтернативных, более точных вычислительных методов или экспериментальных исследований. Результаты этой работы были опубликованы в научной статье вышла в Molecules.
Для определения характеристик перспективных материалов используют расчетные методы, которые сейчас широко применяются, особенно в контексте развития машинного обучения в химической области.
«В ходе реализации проекта мы использовали гнущиеся органические кристаллы и обнаружили, что различные подходы приводят к неоднозначным результатам при определении одних и тех же характеристик для одной и той же структуры. По мнению старшего научного сотрудника ИХТТМ СО РАН, кандидата химических наук Дениса Александровича Рычкова, причиной расхождений могло быть влияние атомов брома на рассчитанные параметры конкретной системы, и для проверки этой гипотезы было принято решение провести дополнительные исследования. — Мы применяли полуэмпирические методы, сочетающие черты теории функциональной плотности (DFT, Density Functional Theory) и молекулярной механики, для определения энергии кристаллической решетки и барьера смещения слоев».
Существует несколько способов определения характеристик материалов. Можно применять высокоточные методы, однако такие расчеты отнимают значительное количество времени и ресурсов. Альтернативой являются более простые подходы, предполагающие определенные упрощения, что позволяет снизить затраты, но и уменьшить точность результатов. К числу наиболее затратных и сложных относится квантово-химический метод, например, основанный на теории возмущений. Далее следуют расчеты с использованием теории функционала плотности (DFT) и полуэмпирические методы. «Полуэмпирические методы могут представлять собой оптимальный баланс между скоростью и точностью при решении определенных задач», – отмечает Денис Рычков. «В рамках нашей работы мы исследовали, с какой степенью достоверности полуэмпирическими методами удается определить свойства органических кристаллов, содержащих бром. В качестве эталона, для сравнения, был выбран метод DFT, являющийся наиболее распространенным, но требующим больше времени и вычислительных ресурсов».
При проведении исследований были применены две модификации программы CrystalExplorer: DFTB3-D3BJ, представляющая собой упрощенную версию теории функциональной плотности, и PM7, который обычно используется для определения характеристик отдельных молекул. В результате было применено четыре полуэмпирических метода.
Для проведения расчетов исследователи отобрали шесть групп полиморфных форм кристаллов различных веществ. Полиморфные модификации характеризуются идентичным химическим составом, но отличаются структурой и, как следствие, свойствами – ярким примером этого являются графит и алмаз. В итоге было получено 14 кристаллов (в некоторых группах насчитывалось по три полиморфные формы), которые были разделены на три категории: содержащие исключительно хлор, содержащие хлор и бром, содержащие только бром.
Для оценки достоверности вычислительных подходов химики выбрали в качестве критерия стабильность полиморфных форм. На основе литературных данных, полученных как в ходе лабораторных экспериментов (кристалл выращивался и характеризовался), так и с использованием метода DFT, авторы построили рейтинг кристаллов, расположив их от наиболее стабильных к наименее стабильным. В сущности, стабильность определяется энергией кристаллической решетки, которую исследователи рассчитывали четырьмя различными методами, точность которых они стремились проверить.
«Расчет стабильности для хлора оказался успешным, поскольку полученные значения соответствовали прогнозируемым, тогда как для брома — нет, — отмечает Денис Рычков. — Зафиксирована значительная разница в энергии по сравнению с эталонными данными: она составляла около 2 килоджоулей на моль для систем, содержащих хлор, и примерно 20 килоджоулей на моль для бромсодержащих».
Существует широкий спектр практических задач, требующих определения стабильности полиморфных модификаций или прогнозирования кристаллических структур, особенно в фармацевтической отрасли. Денис Рычков подчеркивает, что на рынок невозможно вывести соединение, структура которого не установлена. «Для прогнозирования строения кристалла можно сначала рассчитать энергии потенциальных структур с использованием более простых и быстрых методов, выявить несколько наиболее вероятных вариантов, а затем применить более трудоемкие, сложные и точные методы для окончательной проверки, — поясняет Денис Александрович. — Но если на начальном этапе была допущена ошибка, то определить структуру такого кристалла уже не удастся, так как он не будет учтен среди кандидатов, энергии которых будут уточнены с помощью более совершенных подходов. Поэтому важно учитывать ограничения используемых методов и выбирать наиболее подходящие для решения конкретной задачи».
Соединения, содержащие бром, могут служить эталонным образцом для оценки различных методик, разрабатываемых научными коллективами. По словам Дениса Рычкова, машинное обучение открывает возможности для совершенствования вычислительных подходов, однако для их обучения требуются обширные и надежные данные, которых недостаточно, поскольку бром, как правило, не учитывается в большинстве баз данных. Предлагается более широкое использование подобных соединений для подтверждения корректности применяемых методов».
Данная работа была осуществлена при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) № 23-73-10142, целью которого является разработка методов для определения и прогнозирования свойств органических материалов нового поколения, обладающих высокой способностью к механической деформации, с использованием современных вычислительных технологий».
Автор: Юлия Позднякова
Фото Юлии Поздняковой