Глава 1. Обзор литературы

Минск – 2010 г.

Оглавление

Оглавление 2

Список обозначений к выпускной работе 3

Реферат на тему «Прикладная квантовая химия» 4

Введение 4

Глава 1. Обзор литературы. 5

Глава 2. Экспериментальные результаты и их обсуждение. 8

Заключение 22

Список литературы к реферату 22

Предметный указатель к реферату 23

Интернет ресурсы в предметной области исследования 24

Вопросы к тестам по ИТ. 27

Действующий личный сайт в WWW. 28

Граф научных интересов 29

Презентация магистерской диссертации 30

Список литературы к выпускной работе 32

 

Список обозначений к выпускной работе

GAMESS –программа для квантово-химических расчетов

Gaussian – программа для квантово-химических расчетов

Gaussian03 – модификация программы Gaussian

Dalton – программа для квантово-химических расчетов

NWChem – программа для квантово-химических расчетов

HyperChem – программа для квантово-химических расчетов

ПРИРОДА – программа для квантово-химических расчетов

ИК - иннфрокрасный

ППЭ – поверхность потенциальной энергии

Реферат на тему «Прикладная квантовая химия»

Введение

Скорость развития современного общества не только не замедляется, но и постоянно возрастает. Различные отрасли производства становятся все более технологичными, наука сталкивается с новыми сложными задачами, решение которых требует использование усовершенствованных методов не только для получения экспериментальных данных, но и для их обработки. Информационные технологии играют важную роль в этих процессах. Их использование позволяет не только ускорить получение конечных результатов эксперимента, но и открывает новые горизонты для решения теоретических и прикладных задач возникающих у исследователей.

    Химическая наука не является исключением и, также, широко использует достижения информационных технологий. С одной стороны используются общие пакеты программ для работы с текстом, графикой: Microsoft Office, ABBYY FineReader, Adobe Reader, WinDjView, Adobe Photoshop, CorelDRAW, ACDSee, Origin и др. С другой стороны используются специализированные программы, предназначенные для проведения сложных расчетов, облегчения визуализации объектов, программы, содержащие обширные базы данных различных параметров соединений и использующиеся для их идентификации: ChemDraw, Isis/Draw, ChemBioDraw, HyperChem  6.0, Atomic Models v1.0 , MOPAC, GAUSSIAN и др. Так же специализированным является программное обеспечение, предназначенное для работы исследовательского оборудования: ЯМР-, ИК-спектрометры, просвечивающие и сканирующие электронные микроскопы и другие приборы.

    В данной работе будет рассмотрены возможности использования компьютерной программы GAUSSIAN03, в области химических исследований.

Глава 1. Обзор литературы

Развитие электронно-вычислительной техники позволило ученым различных научных областей осуществлять расчеты, проведение которых “вручную” не представляется возможным. Это позволяет более точно и качественно описывать исследуемые явления.

Использование квантово-химической теории для расчета структуры и свойств молекулярных систем требует использование высокопроизводительной вычислительной техники. Помимо мощности ЭВМ, для решения таких задач, важную роль играет программное обеспечение, используемое для этих целей. Из существующих пакетов программ можно выделить следующие: GAMESS , Gaussian , программные комплексы Dalton  и NWChem , HyperChem , ПРИРОДА .

Программа GAMESS. General Atomic and Molecular Electronic Structure System – система общего назначения для расчетов атомных и молекулярных структур. GAMESS на данный момент существует в виде трех разновидностей, версии программы поддерживаются и обновляются в США (US), Великобритании (UK) и России (PC). Основным достоинством GAMESS-PC является высокая скорость работы по сравнению с другими квантово-химическими программами, что немаловажно при исследованиях сложных молекулярных систем. Однако на данный момент более функциональной (но и более медленной) является версия GAMESS-US.

Некоторые из возможностей программы GAMESS представлены ниже:

1) Возможность расчета молекулярных волновых функций методом самосогласованного поля в приближении RHF, UHF, ROHF, GVB и MCSCF;

2) Учет энергии электронной корреляции на основе теории возмущений, конфигурационного взаимодействия, связанных кластеров и функционала плотности;

3) Возможность выполнения полуэмпирических расчетов методами MNDO, AM1 и PM3;

4) Автоматическая оптимизация геометрии, поиск переходных состояний с использованием аналитических градиентов;

5) Решение колебательной задачи – расчет частот валентных колебаний ИК- и спектров комбинационного рассеяния;

6) Вычисление молекулярных свойств, таких как дипольный момент, электростатический потенциал, электронная и спиновая плотность, анализ заселенностей по Малликену и Лёвдину;

7) Возможность моделирования влияния растворителя.

Программа Gaussian . Программные комплексы Gaussian на данный момент являются наиболее популярным средством выполнения неэмпирических квантово-химических расчетов. Основными причинами этого являются широкий спектр реализованных квантово-химических методик, высокая эффективность и удобный интерфейс пользователя.

Основные возможности пакетов программ G98 и G03:

1) Расчеты энергий и оптимизация структур исследуемых систем методами молекулярной механики, полуэмпирическими приближениями, ограниченным и неограниченным методом Хартри-Фока;

2) Широко реализованы методы учета корреляционной энергии – возможен расчет энергии и оптимизация с аналитическими градиентами для методов теории возмущений, связанных кластеров, конфигурационного взаимодействия, функционала плотности, многоконфигурационного метода самосогласованного поля;

3) Возможность моделирования сверхбольших молекулярных систем благодаря методике парционирования молекул ONIOM, развитой проф. Морокумой и др., в которой молекулярная система разбивается на 3 области, которые рассматриваются с разной степенью точности;

4) Аналитическое вычисление силовых констант для методов RHF, UHF, DFT, RMP2, UMP2 и CASSCF;

5) Возможность расчета обширного спектра молекул, в т.ч. прецизионное определение термохимических параметров и химических сдвигов ЯМР.

6) Учет влияния растворителя на свойства исследуемых систем.

Программные комплексы Dalton  и NWChem . Данные программные комплексы для Unix-систем (Linux, Mac OS и т.д.) имеют хорошую функциональность и свободно распространяются.

Отличительными чертами программы Dalton являются:

1) Распространение в виде исходных текстов;

2) Поддержка 64-битных процессоров и операционных систем;

3) Хорошая масштабируемость расчетов, эффективное распараллеливание;

4) Вычисление релятивистских эффектов;

5) Специализация на расчетах свойств молекул с интенсивным учетом электронной корреляции, в особенности с помощью теории связанных кластеров и многодетерминантного подхода.

Программа HyperChem. Совмещает в себе как функции визуализатора 3D-структуры соединений, так и возможности выполнения квантово-химических расчетов.

Наряду с молекулярной динамикой и полуэмпирическими методами реализован учет электронной корреляции методами теории возмущений второго порядка и функционала плотности.

К достоинствам данной программы можно отнести обширный каталог молекулярных фрагментов, облегчающих задание исходной геометрии, а также возможность ее контроля по мере выполнения расчета (все изменения в ходе оптимизации незамедлительно отражаются на экране).

Однако ряд недостатков не позволяет рекомендовать данную программу в качестве основного инструмента исследователя. А именно:

1) Неэффективное использование ресурсов компьютера, в том числе организация процедуры оптимизации геометрии, приводящая к значительным временным потерям;

2) Ограниченный выбор базисных наборов и методов учета электронной корреляции;

3) Учет симметрии возможен только при задании исходной геометрии в виде Z-матрицы, что значительно снижает ценность интерактивного построения молекулярной структуры;

Программа ПРИРОДА . Данная квантово-химическая программа является примером реализации оригинального подхода к решению ресурсоемких задач молекулярного моделирования. С помощью метода функционала плотности PBE в сочетании с трехэкспоненциальным базисным набором становится возможным снизить затратность расчетов до N¹ вместо N⁴. Наряду с DFT реализованы методы теории возмущений и связанных кластеров, существует возможность использовать корреляционно-согласованные базисы Даннинга и базисы с псевдопотенциалом, учитывающие релятивистские поправки.

К недостаткам можно отнести «негибкость» используемых расчетных методик – в частности, невозможность включения в базисный набор диффузных оболочек или дополнительных поляризационных функций.

В данной работе более конкретно будут рассмотрены возможности программы Gaussian, как одной из самых функциональных и популярных программ в своем классе.