Естествознание

Метод молекулярной механики появился как естественное продолжение известных идей о химических связях между атомами в молекуле и о вандерваальсовых силах, действующих между валентно-несвязанными атомами. Также полагается, что химические связи характеризуются некоторыми "естественными" длинами и валентными углами, а молекулы будут стоиться так, чтобы в простых случаях сохранить эти величины. Пространственные взаимодействия рассматриваются с помощью функции Ван-дер-Ваальса. Энергия молекулы в основном электронном состоянии представляет собой функцию ее ядерных констант.Для описания энергии молекулы, как функции положения ядер, используется поверхность Борна-Оппенгеймера, которая на самом деле является многомерным пространством.В молекулярной механике такое пространство просто называется поверхностью потенциальной энергии. При рассмотрении структур, находящихся на обсуждаемой потенциальной поверхности, полезно придерживаться определенной терминологии.Каждой точке, относящейся к минимуму энергии, отвечает конформер. Точки, которые могут быть как-то выделены, но необезательно относятся к минимумам энергии, соответствуют конформациям. Так, в случае бутана для трех минимумов энергии мы имеем три конформера, но можно выделить и другие конформации,как, например, конформацию с двумя затененными метильными группами; она соответствует седловой точке и характеризуется единственной в своем роде энергией и геометрическим строением, которые однозначно определяются двугранным углом внутреннего вращения относительно центральной связи.Более сложные молекулы в общем случае могут иметь много минимумов энергии, различающихся по глубине. В первом приближении такая молекула характеризуется структурой, отвечающей наиболее глубокому минимуму энергии. Следующее приближение состоит в описании равновесной смеси молекул, ходящихся во всех минимумах энергии в соответствии с распределением Больцмана.

Еще одно, более точное приближение уже больше не рассматривает молекулы неподвижными, находящимися в точках с минимальной энергией, а учитывает их колебательное движение по некоторой части поверхности вблизи минимума энергии.Наконец, тепловое движение может переносить часть молекул через седловые точки из одного минимума в другой со скоростью, соответствующей свободной энергии Гиббса.Система потенциальных функций, математическая форма которых заимствована из классической механики, называемая силовым полем, содержит некоторые варьируемые параметры, численное значение которых выбираются оптимальным образом так, чтобы получить наилучшее согласие рассчитаных и экспериментальных характеристик молекул, как, например, геометрическое строение, конформационные энергии, теплоты образования и т.п.