Teorik Kimya ve Bilgisayar Yazılımları ile Kozmetik Ürün Tasarımı

Transkript

1 Teorik Kimya ve Bilgisayar Yazılımları ile Kozmetik Ürün Tasarımı Doç. Dr. Armağan KINAL Ege Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü Fizikokimya Anabilim Dalı

2 Giriş Teorik Kimya nedir? Hesapsal kimya yöntemleri Moleküler mekanik Moleküler dinamik Kuantum kimyasal yöntemler Kozmetik ürün tasarımı Kozmetik ürün tasarımında bilgisayar kullanımı

3 Teorik Kimya nedir? Teorik kimya: Kimya biliminin, moleküllerin davranışlarını ve özelliklerini anlamak, moleküler olayları taklit etmek (simülasyon), yeni moleküllerin özelliklerini tahmin etmek için fizik, matematik ve bilgisayarlardan yararlanan dalıdır. Elektronik yapı ve kimyasal bağ teorileri Teorik Kimya Tepkime Dinamiği Kuantum kimyası Değerlik bağ teorisi Moleküler orbital teorisi Hesapsal Kimya İstatistiksel Mekanik Kuantum istatistiği Boltzman ortalama teorisi Topluluklar teorisi Parça ve korelasyon teorileri Moleküler dinamik Kinematik Enformasyon teorisi Adiabatik yaklaşımı

4 Hesapsal Kimya nedir? Hesapsal kimya : Teorik kimyanın, kimyasal problemleri kuantum mekaniği ya da klasik fizik kurallarını kullanarak bilgisayar ve bilgisayar programları yardımı ile çözmeyi amaçlayan branşıdır. Hesapsal kimyada, nümerik olarak temsil edilen moleküler sistemlerin özellikleri ve davranışları kuantum ya da klasik fizik denklemlerinin çözülmesi ile belirlenir. Moleküler mekanik Hesapsal Kimya Kuantum Kimyasal yöntemler Moleküler dinamik Ab initio yöntemler Yarı deneysel yöntemler Yoğunluk fonksiyoneli teorisi

5 Hesapsal Kimya ile neler hesaplanabilir? Enerji Özellikler E, H, G Geometrik yapı ESP IR spektrumları Tepkime kinetiği ve termodinamiği Mekanizma UV spektrumları Yığın özellikleri NMR spektrumları

6 Moleküler Mekanik Moleküler mekanik: Moleküler sistemleri modellemek için klasik mekanik metotları kullanan bu yöntemde, sistemin enerjisi molekül içi ve moleküller arası etkileşimleri içeren kuvvet alanları kullanılmak sureti ile hesaplanır. Potansiyel enerji Van der Waals etkileşimleri Elektrostatik etkileşimler Moleküler arası etkileşimler Kimyasal bağlar Açılar Molekül içi etkileşimler Dönme açıları (torsiyonlar)

7 Moleküler Dinamik Moleküler dinamik: Dinamik bir sistem içerisindeki atom ve moleküllerin hareketlerini modelleyen bir benzetişim yöntemidir. Tipik bir moleküler dinamik benzetişiminde, atom ve moleküllerin yörüngeleri Newton un hareket denklemlerinin nümerik olarak çözülmesi ile elde edilir. F i m r i i U ( r ij ) Sistem içindeki taneciklerin etkileşimleri ise moleküler mekanik kuvvet alanları tarafından tanımlanan potansiyel enerji ve kuvvetler ile belirlenir.

8 Moleküler Dinamik Moleküler dinamik: Dinamik bir sistem içerisindeki atom ve moleküllerin hareketlerini modelleyen bir benzetişim yöntemidir. Tipik bir moleküler dinamik benzetişiminde, atom ve moleküllerin yörüngeleri Newton un hareket denklemlerinin nümerik olarak çözülmesi ile elde edilir. F i m r i i U ( r ij ) Sistem içindeki taneciklerin etkileşimleri ise moleküler mekanik kuvvet alanları tarafından tanımlanan potansiyel enerji ve kuvvetler ile belirlenir.

9 Kuantum Kimyasal Yöntemler Kuantum Kimyasal Yöntemler : Moleküler enerji ve yapı belirlemesinin kuantum mekaniği kurallarının kullanılmasıyla yapıldığı yöntemlerdir.

10 Kuantum Kimyasının Temelleri Kuantum Kimyasal Yöntemler : Moleküler enerji ve yapı belirlemesinin kuantum mekaniği kurallarının kullanılmasıyla yapıldığı yöntemlerdir. Schrödinger denklemi Ĥ E Hˆ : E: : Toplam enerji operatörü Enerji Dalga fonksiyonu Erwin Schrödinger Paul A. M. Dirac 1933 Nobel Fizik ödülü Atom teorisinin verimli ve yeni formulasyonunun keşfi ile

11 Gelişmiş Kuantum Kimyasal Hesaplar Gelişmiş kuantum kimyasal hesaplamalar bugün kimyasal problemlerin çözümünde önemli rol oynayan yöntemlerdir Nobel Kimya ödülü Walter Kohn Yoğunluk fonksiyoneli teorisinin keşfi ile John A. Pople kuantum kimyasındaki hesapsal yöntemleri geliştirmesi ile

12 Ab initio Yöntemler Ab initio Latince en baştan, en temelden anlamındadır. Ab initio yöntemlerde denklemler tamamen kuantum teorisinin prensiplerine dayalı olarak türetilirler, deneysel hiçbir veri içermezler. Yalnızca çeşitli seviyelerde yaklaştırmalar yapılarak Schrödinger denkleminden oluşan diferansiyel denklemin yaklaşık çözümüne ulaşılmaya çalışılır. Ab initio hesapları genel olarak çok iyi nitel sonuçlar verir ve doğruluk sistematik olarak arttırılabilir. En temel ab initio hesabı Hartree-Fock (HF) yöntemidir.

13 Hartree Fock Yöntemi Temel yaklaşım ortalama alan yaklaşımıdır. Ortalama alan yaklaşımında, elektronların potansiyellerinin sadece çekirdekten uzaklıklarına göre değiştiği ve her elektronun diğer tüm elektronların yarattığı ortalama elektrik alanın etkisini hissettikleri varsayılır. Dalga fonksiyonları atomik orbitallerin doğrusal kombinasyonları ile tanımlanır. e 1 e 2 n 1 n 2 Ĥ E Hˆ T T V V V n e n ne ee Çekirdeklerin kinetik enerjisi Elektronların kinetik enerjisi Çekirdeklerin potansiyel enerjisi Çekirdek-elektron etkileşim enerjisi Elektron-elektron etkileşim enerjisi

14 Hartree Fock Yöntemi Born Oppenheimer (BO) ın çekirdek hareketlerini ihmal eden yaklaştırmasından sonra elektronik toplam enerji operatörü, H e ˆ e e n e e e H T V V H ˆ el 2 2m e i 2 i Z e 2 i r i ˆ H el el (r;r) E el el (r;r) el j i j e 2 r ij d i i d 0 0 d 1 1 d i e-e etkileşimi tam çözüme izin vermez. 0 1 N! Slater determinantı 1 (1) 1 (1) 2 (1) M (1) 1 (2) 1 (2) 2 (2) M (2) 1 (N ) 1 (N) 2 (N ) M (N) HF yönteminde dalga fonksiyonu bir tek Slater determinantı ile tanımlanır. Böylece her elektron sadece ortala e-e itme etkileşimi hisseder, ani elektron hareketlerinden kaynaklanan etkileşi HF yönteminde yoktur. Baz seti i M k c ki k Slater Tipi Orbital Gaussian Tipi Orbital,n,l,m (r,,) NY l,m (,)r n1 e r,l x,l y,l z (x,y,z) Nx l x y l y z l z e r 2

15 Elektron Korelasyon Yöntemleri HF yöntemi ile hesaplanan enerji ile sistemin Schrödinger denkleminin tam çözümünden elde edilen gerçek enerjisi arasındaki farka Elektron Korelasyon Enerjisi denir. E corr = E tam - E HF HF yönteminde ihmal edilen anlık e-e- etkileşimlerini içerir. Daha yüksek seviyeli diğer ab initio yöntemlerde Korelasyon enerjisi HF dalga fonksiyonunun uyarılmış hallerinin doğrusal bileşiminin dalga fonksiyonu olarak kullanılması ile hesaba katılır. el d 0 HF i 1 d i i

16 Yarı Deneysel Yöntemler HF denklemlerinin çeşitli integral terimlerinin ihmali ve hesap sonuçlarını deneysel verilere uyduran parametrelerin kullanılması prensibine dayanırlar. Elektron korelasyonunu deneysel verilerin kullanılması nedeniyle dolaylı olarak hesaba katarlar. Yapılan yaklaştırmalardan dolayı denklem çözümleri daha kısa zaman alır, yani yarı deneysel yöntemler ab initio yöntemlere göre çok daha az zaman alırlar. Doğrulukları sistematik olarak arttırılamaz atomlu sistemlere uygulanabilirler.

17 Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (DFT) Fonksiyonel: fonksiyonunun fonksiyonu demektir. Elektron yoğunluğu dalga fonksiyonunun karesinin tüm elektronlar üzerinden integrali ile hesaplanır. Dalga fonksiyonu (DF) elektron sayısı arttıkça karmaşıklaşırken, elektron yoğunluğu sadece üç koordinata bağlıdır. n( r) Elektron yoğunluğu M / 2 * i ( r) i ( r) i 1964 te Hohenberg ve Kohn tarafından atomik bir sistemin elektronik temel hal enerjisinin sadece elektron yoğunluğundan belirlenebileceği teorisi geliştirildi. Yani enerji elektron yoğunluğunun bir fonksiyonelidir. Yoğunluk fonksiyoneli teorisinde Kohn-Sham tarafından HF yaklaşımına benzer bir formulasyon yapıldı. E Enerji fonksiyoneli f n( r) occ 2 N 1 nr ( ') 3 1 ZZ j k En( r) n i i Vext d r ' i EXC n( r) i 2 2 r r' 2 jk Rj Rk Değiş-tokuş korelasyon enerjisi

18 Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (DFT) Değiş-tokuş korelasyon enerjisi occ 2 N 1 nr ( ') 3 1 ZZ j k En( r) n i i Vext d r ' i EXC n( r) i 2 2 r r' 2 jk Rj Rk Ancak, değiş-tokuş korelasyon enerjisini veren fonksiyonun ne olduğu bilinmemektedir. Bu nedenle, yoğunluk fonksiyoneli teorisinin temel amacı bu enerjiyi en iyi şekilde tanımlayabilen bir fonksiyonelin bulunmasıdır. Bu da DFT yöntemlerinin (fonksiyonellerinin) neden bu kadar çeşitli olduğunu açıklamaktadır. Yoğunluk fonksiyoneli teorisi metotlarına örnekler: En popüler DFT yöntemi

19 Kozmetikte Hesapsal Kimya Yöntemlerinin Kullanımı Kozmetik alanında hesapsal kimya yöntemleri ve bilgisayar yazılımlarının kullanımı aşağıdaki temel başlıklar altında toplanabilir. Kozmetik kimyasallarının özelliklerinin hesapsal kimya yöntemleri ile araştırılması Kozmetik kimyasalları ile cilt etkileşimlerinin moleküler dinamik yöntemlerle modellenmesi Kozmetik kimyasallarının etki değerlerinin Nicel Yapı Aktivite İlişkisi (QSAR) yöntemi ile ortaya çıkarılması

20 Kozmetikte kullanılan kimyasalların özelliklerinin hesapsal yöntemlerle araştırılması Kullanıldığı alan, çoğu kez bir molekülün bilim insanlarının ilgisini çekebilmesi için yeterlidir. Vitaminler, alfa hidroksi asitler, fenoller, UV emici benzofenon gibi aromatikler ve benzeri pek çok bileşik kozmetik alanında kullanılmaları nedeniyle bilim insanlarının ilgisini çekmektedirler. Bu nedenle bu tür moleküllerin özelliklerinin tayin edilmesi için hesapsal kimya yöntemleri kullanılmaktadır. Aşağıda bu tür çalışmalara birkaç örnek verilmiştir: Kozmetik koruyucular

21 Kozmetikte kullanılan kimyasalların özelliklerinin hesapsal yöntemlerle araştırılması Bu çalışmada, gıda, içki, ilaç ve kozmetik alanlarında renklendirici ajan olarak kullanılan ponceau 4R molekülünün Raman spektrumu DFT-B3LYP yöntemiyle hesaplanmış ve bu boyanın optimize edilmiş geometrisi ve titreşim frekansları hakkında önemli ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılabilir veriler elde edilmiştir. Yanda deneysel olarak elde edilmiş ve hesaplanmış Raman spektrumlarının benzerliği görülmektedir.

22 Bu çalışmada ise, kozmetikte nemlendirici olarak kullanılan digliserol bileşiğinin gliserol molekülünden katalitik olarak elde edilmesi sırasında oluşan ürün ve izomer dağılımın kontrolünün nasıl yapılacağı DFT hesaplamaları yardımı ile belirlenmektedir. 3. Kozmetik Kongresi, Subat 2013, Antalya

23 Kozmetik kimyasalları ile cilt etkileşimlerinin moleküler dinamik yöntemlerle modellenmesi Kozmetik ürün ile cilt arasındaki etkileşim mekanizmaların deneysel yöntemlerle ortaya çıkarılmaları ya da anlaşılmaları oldukça zordur. Moleküler görüntülemedeki teknolojik gelişmeler oldukça artmış olmasına rağmen moleküler yapıları görüntüleyen teknoloji hala henüz yeterli değildir. Hatta, moleküllerin deneysel olarak elde edilmiş yapıları biliniyor olsa bile moleküller hareketli tanecikler oldukları için bunlardan extrapolasyon yöntemi ile dinamiğe ya da mekanizmaya ait sonuçlar çıkartmak aldatıcı olabilir. Bu etkileşimleri gözlemenin yolu, uygun fiziksel parametrelerin kullanıldığı hesapsal modeller oluşturup moleküler dinamik (MD) yöntemiyle atomik ve moleküler hareketlerin simülasyonlarını yapmaktan geçmektedir. Hiperpolarize C-13 NMR görüntüleme Moleküler modeller ve MD

24 Wiley interdisciplinary reviews-nanomedicine and nanobiotechnology Vol 3 Pages: Yayın tarihi: SEP-OCT 2011 Stratum corneum, epidermisin en üst tabakasına verilen isimdir. Cilt yoluyla vücuda girecek maddelerin ilk karşılaştığı bariyer olarak nitelendirilebilir. Bu derlemede, cilt geçirgenliğinin arttırıcı stratejilerin ve fiziksel gözlemlerle desteklene hesapsal benzetişim (simülasyon) bulgularından elde edilen stratum corneum un içine difüzyon mekanizmalarının sağlayacağı bakış açısının avantajları ve sınırlamaları tartışılmıştır.

25 Stratum corneum, epidermisin en üst tabakasına verilen isimdir. Cilt yoluyla vücuda girecek maddelerin ilk karşılaştığı bariyer olarak nitelendirilebilir. Bu derlemede, cilt geçirgenliğinin arttırıcı stratejilerin ve fiziksel gözlemlerle desteklene hesapsal benzetişim (simülasyon) bulgularından elde edilen stratum corneum un içine difüzyon mekanizmalarının sağlayacağı bakış açısının avantajları ve sınırlamaları tartışılmıştır.

26 Kozmetik Kimyasallarının Etki Değerlerinin Nicel Yapı Aktivite İlişkisi (QSAR) Yöntemi ile ortaya çıkarılması Nicel Yapı Aktivite İlişkisi (QSAR) nedir? Kantitatif Yapı Aktivite İlişkisi (QSAR) bir moleküler sistemin biyolojik aktivitesi ile o sistemin geometrisinin ve kimyasal özelliklerinin arasındaki matematiksel ilişkidir. Genel QSAR formülü Aktivite f moleküler geometri ve kimyasal özellikler Hata QSAR biyolojik aktivite ve moleküler özellikler arasında tutarlı bir ilişki bulmaya çalışır, böylece bu "kurallar" yeni bileşiklerin aktivitesini değerlendirmek için kullanılabilir.

27 Kantitatif Yapı Aktivite İlişkisi (QSAR) Yöntemi Moleküllerin özelliklerini karakterize eden sayısal değerlere Moleküler Tanımlayıcılar (molecular descriptors) denir. Pek çok yapısal benzerlikleri olan molekül için bu değerlere bağlı aktivite biliniyorsa, o zaman aktivitenin moleküler tanımlayıcılara bağımlılığı istatistiksel yöntemlerle hesaplanabilir. Örneğin; elimizde çeşitli özellikleri (MT-1,MT-2,.. ) ve bunlara ait aktiviteleri bilinen m tane molekül (Mol-1,Mol- 2,..) var ise; bu moleküler tanımlayıcıların fonksiyonu o- lan aktivite QSAR yöntemi ile istatistiksel olarak tanımlanabilir. MT-1 MT-2. MT-n Aktivite Mol Mol Mol-m Aktivite c c ( MT ) c ( MT )... c ( MT ) n n

28 QSAR yöntemi içeren yazılımlar

29 QSAR yöntemi içeren yazılımlar

30 Popüler Hesapsal Kimya Yazılımları GAUSSIAN GAMESS MOPAC Accelrys Hyperchem MOLPRO MOLCAS JAGUAR Quantum-espresso Spartan CASTEP ABINIT.. Sabrınız için teşekkürler