A química computacional é o ramo da química que usa os princípios da ciência da computação para resolver problemas químicos. Utiliza os resultados da química teórica, incorporados em programas de computador, para calcular as estruturas e propriedades de moléculas e sólidos. Enquanto seus resultados normalmente complementam a informação obtida a partir de experimentos químicos, eles podem, em alguns casos, prever fenômenos químicos não observados inicialmente. A química computacional é amplamente utilizada no projeto de novos fármacos e materiais.
Entre exemplos de propriedades calculadas estão estrutura química (i.e., a posição esperada dos átomos constituintes), energias (de interação) absoluta e relativa, distribuição eletrônica de carga, momento do dipolo elétrico e de multipolos superiores, frequências vibracionais, reatividade e outras quantidades espectroscópicas e seção de choque de colisão com outras partículas.
Introdução Os métodos de cálculo empregados em química computacional cobrem tanto situações estáticas quanto dinâmicas. Em todos os casos, o tempo de cálculo e a utilização de outros recursos computacionais (como memória e espaço em disco) aumentam rapidamente com o tamanho do sistema estudado. O sistema em estudo pode ser uma única molécula, um grupo de moléculas ou um sólido. Os métodos de química computacional baseiam-se em teorias que vão desde as de alta precisão, aplicáveis apenas para sistemas pequenos, às muito aproximadas, apropriadas para sistemas grandes. Os métodos ab initio, mais precisos, são baseados inteiramente na teoria dos primeiros princípios. Outros métodos (tipicamente menos precisos) são conhecidos como empíricos ou semi-empíricos, uma vez que empregam alguns parâmetros experimentais, em geral obtidos de modelos aceitáveis de átomos ou de moléculas relacionadas, como aproximações de alguns elementos da base teórica.
Tanto os métodos semi-empíricos quanto os ab initio utilizam aproximações. Estas podem ser, por exemplo, formas simplificadas das equações de primeiros princípios que seriam mais rápidas e fáceis de se resolver, aproximações limitando o tamanho do sistema (como condições de contorno periódicas) ou aproximações necessárias nas equações para se poder chegar a alguma solução. Por exemplo, a maioria dos cálculos ab initio faz uso da aproximação de Born-Oppenheimer, a qual simplifica significativamente a equação de Schrödinger por considerar que não há deslocamento dos núcleos atômicos durante o cálculo. Em princípio, os métodos ab initio eventualmente convergem para a solução exata das equações fundamentais à medida que o número de aproximações é reduzido. Na prática, entretanto, permanece inevitavelmente um erro residual, pois é impossível eliminar todas as aproximações. O objetivo da química computacional é minimizar este erro residual e, ao mesmo tempo, manter os cálculos factíveis.
Em alguns casos, os detalhes da estrutura eletrônica são menos importantes do que o comportamento molecular espaço fásico durante um longo intervalo de tempo. Este é o caso do estudo conformacional de proteínas e da termodinâmica da ligação proteína-ligante. Para permitir simulações de dinâmica molecular por longos períodos de tempo, são empregadas aproximações clássicas para a superfície de energia potencial, pois são computacionalmente menos intensivas que o cálculo dos estados eletrônicos. Adicionalmente, a quimioinformática emprega métodos ainda mais empíricos (e computacionalmente menos custosos), como a aprendizagem de máquina, baseados em propriedades físico-químicas. Um problema geralmente abordado pela quimioinformática é a previsão da constante de afinidade entre fármacos uma dada molécula-alvo.
História Construída sobre as descobertas e teorias enunciadas no início da história da mecânica quântica, os primeiros cálculos teóricos em química foram efetuados por Walter Heitler e Fritz London em 1927. Dentro deste contexto, os livros que influenciaram o desenvolvimento inicial da química quântica computacional foram:
Introduction to Quantum Mechanics – with Applications to Chemistry de Pauling e Wilson (1935). Quantum Chemistry de Eyring, Walter e Kimball (1944). Elementary Wave Mechanics – with Applications to Quantum Chemistry de Heitler (1945). Valence de Charles Coulson (1952).
Estes títulos foram referências fundamentais para os químicos das décadas posteriores.
Com o desenvolvimento da informática nos anos de 1940, o cálculo mais elaborado de soluções para equações de onda de sistemas atômicos complexos começou a se tornar um objetivo possível de realizar. No início dos anos de 1950, foram efetuados os primeiros cálculos semi-empíricos de orbitais atômicos. Os químicos teóricos tornaram-se então usuários intensivos dos primeiros computadores digitais. Uma descrição detalhada de tal utilização é dada por Smith e Sutcliffe. Os primeiros cálculos do tipo ab initio Hartree-Fock sobre moléculas diatômicas foram efetuados em 1956 no MIT, utilizando funções-base de orbitais de Slater. Para moléculas diatômicas, um estudo sistemático usando um conjunto mínimo de funções-base e um primeiro cálculo com um conjunto grande de funções-base foram publicados respectivamente por Ransil e Nesbet em 1960. Os primeiros cálculos empregando orbitais gaussianas foram realizados no fim dos anos de 1950. O primeiro cálculo de interação de configurações usando orbitais gaussianas foi desenvolvido em Cambridge no computador EDSAC na década de 1950, por Boys e colaboradores. Em 1971, quando uma bibliografia de cálculos ab initio foi publicada, as maiores moléculas incluídas eram o naftaleno e o azuleno. Um resumo de muitos dos desenvolvimentos iniciais em teoria ab initio foi publicado por Schaefer.
Em 1964, um estudo realizado nos computadores de Berkeley e Oxford utilizou o método de Hückel, um método simples que emprega uma combinação linear de orbitais atômicos (sigla LCAO, em inglês) para a determinação da energia eletrônica dos orbitais moleculares com elétrons π em sistemas de hidrocarbonetos conjugados, em moléculas que iam do butadieno e benzeno ao ovaleno (com 10 anéis de 6 elementos fundidos). Estes métodos empíricos foram pouco a pouco sendo substituídos por métodos semi-empíricos como o CNDO.
No início da década de 1970, programas ab initio (relativamente) eficazes como ATMOL, POLYATOM, IBMOL e GAUSSIAN começaram a serem usados para acelerar o cálculo de orbitais moleculares. Dos programas iniciais, apenas o GAUSSIAN (muito mais expandido) continua em uso, sendo um de muitos empregados atualmente. Ao mesmo tempo, métodos de mecânica molecular, como o MM2, foram desenvolvidos principalmente por Norman Allinger.
Uma das primeiras menções ao termo "química computacional" pode ser encontrada no livro Computers and Their Role in the Physical Sciences (1970), de Sidney Fernbach e Abraham Haskell Taub, onde afirmam "Parece que, consequentemente, a 'química computacional' pode finalmente cada vez mais ser uma realidade". Durante os anos de 1970 muitos métodos diferentes surgiram e começaram a ser vistos como parte de uma nova e emergente disciplina de química computacional. Durante os anos de 1980, as bases da química computacional foram estabelecidas. Várias publicações especificamente dedicadas ao assunto começaram a surgir, como o Journal of Computational Chemistry, por exemplo, que foi editado pela primeira vez em 1980.
Conceitos O termo química teórica pode ser definido como a descrição matemática da química, enquanto que química computacional é usualmente empregado quando um método matemático está suficientemente bem desenvolvido de forma que possa ser programado e executado em um computador. É importante ressaltar que as palavras 'exato' e 'perfeito' não aparecem aqui, pois muito poucos tópicos em química podem ser computados exatamente. Entretanto, praticamente todos os aspectos da química podem ser descritos por algum esquema computacional de forma qualitativa ou em uma forma quantitativa aproximada.
As moléculas são constituídas por núcleos e elétrons, e consequentemente os métodos de mecânica quântica podem ser aplicados. Químicos computacionais frequentemente tentam resolver a equação de Schrödinger não relativística, com correções relativísticas, apesar de alguns progressos já feitos na solução da equação de Dirac totalmente relativística. Em princípio, é possível resolver a equação de Schrödinger tanto na sua forma dependente quanto na forma independente do tempo, de acordo com o problema abordado: na prática, isto só é possível para sistemas muito pequenos. Entretanto, um grande número de métodos aproximados é empregado para se conseguir a melhor relação entre precisão e custo computacional. A precisão nos cálculos pode sempre ser melhorada com um aumento do custo computacional. Erros significantes podem estar presentes em modelos ab initio, devido ao gasto computacional dos métodos relativísticos completos. Este fato complica o estudo de moléculas interagindo com átomos que possuem unidade de massa atômica alta, como os metais de transição e suas propriedades catalíticas. Os algoritmos atuais normalmente calculam com suficiente precisão as propriedades de moléculas que contenham até 40 elétrons. Os erros para as energias podem ser inferiores a 1 kcal/mol. Com relação às geometrias, as distâncias de ligação podem ser previstas com uma margem de alguns picômetros e os ângulos de ligação ficam dentro do 0,5 grau. O tratamento para moléculas maiores que contenham algumas dezenas de elétrons é possível por métodos aproximados como a teoria do funcional da densidade (DFT). Existe alguma controvérsia dentro da área se os últimos modelos são suficientes para descrever reações químicas complexas, como as presentes em bioquímica. Grandes moléculas podem ser estudadas por métodos aproximados semi-empíricos. Moléculas maiores (ou sistemas com muitas moléculas) podem ser tratadas por mecânica clássica em métodos chamados de mecânica molecular (MM). Nos métodos do tipo QM/MM, pequenas porções de grandes complexos são tratados por mecânica quântica (QM) e o restante do sistema é tratado aproximadamente por mecânica molecular (MM).
Em química teórica, os químicos, físicos e matemáticos desenvolvem algoritmos e programas de computador para prever propriedades atômicas, moleculares e caminhos de reação para reações químicas. Os químicos computacionais podem, por outro lado, simplesmente aplicar os programas e metodologias já existentes para questões químicas específicas. Existem dois diferentes aspectos na química computacional: Estudos computacionais podem ser efetuados para encontrar o ponto de partida para uma síntese de laboratório, ou no auxílio e compreensão de dados experimentais, como a posição e origem de picos espectroscópicos. Estudos computacionais podem ser empregados na previsão de uma molécula completamente desconhecida até agora ou na exploração de mecanismos de reação difíceis de serem estudados por métodos experimentais. Dessa forma, a química computacional pode auxiliar os químicos experimentais ou pode desafiá-los a procurar substâncias químicas totalmente novas. Dentro da química computacional podem ser distinguidas várias áreas: Previsão da estrutura molecular por utilização de simulação de forças, ou métodos mecânicos-quânticos mais precisos, para encontrar pontos estacionários na superfície de energia potencial em função da variação na posição dos núcleos. Armazenamento e busca de dados de compostos químicos (bancos de dados químicos). Identificação de correlações entre a estrutura química e propriedades (QSPR e QSAR). Abordagens computacionais no auxílio de sínteses mais eficientes de compostos químicos. Abordagens computacionais no desenho de moléculas que interajam de modos específicos com outras moléculas (por exemplo, desenho de fármacos e catálise).
Métodos