Kvantově-chemické programy

Kvantově-chemické programy
Zdeněk Havlas
Ústav organické chemie a biochemie AV ČR
a
Centrum komplexních molekulových systémů
a biomolekul
Department of Molecular Modeling
Obecné poznámky o programovacích jazycích,
programování kvantově-chemických úloh.
Využitelné počítače pro kvantovou chemii.
Nejpoužívanější QCH programy.
Výčet možností programu Gaussian03 (G03)
a porovnání s jinými kódy.
Struktura vstupních souborů pro G03
A. Molekulové geometrie
B. Báze atomových orbitálů
Department of Molecular Modeling
Programování
Programováníaaprogramovací
programovacíjazyky
jazyky
Programy
komerční
“universitní”
Programovací jazyky
vlastní
tools fortran
c/c++
skript ostatní
Ideální
Ideálníprogram:
program:
--Rychlý,
Rychlý,ideálně
ideálněparalelní
paralelníaavyžadující
vyžadujícímalou
maloupaměť
paměťaadisk
disk
--Kompilovatelný
Kompilovatelnýna
navšech
všechOS
OSaakompilátorech
kompilátorechbez
bezchyb
chyb
--Využívající
rychlých
knihoven,
které
jsou
dostupné
pro
Využívající rychlých knihoven, které jsou dostupné provšechny
všechnyplatformy
platformy
--Program
Program„umí“
„umí“všechny
všechnymetody
metodyaajejepravidelně
pravidelněaarychle
rychledoplňován
doplňován
--Je
Jekkdispozici
dispozicizdrojový
zdrojovýtext
textpro
propřípadné
případnéúpravy
úpravyaadoplňky
doplňky
--Má
Májednoduché
jednoduché(nejlépe
(nejlépegrafické)
grafické)ovládání
ovládání
--Standardní
Standardnínastavení
nastaveníparametrů
parametrůprogramu
programuvyhovuje
vyhovujevětšině
většiněúloh,
úloh,ale
alejeje
možné
možnévšechny
všechnyparametry
parametrypodle
podlelibosti
libostijednoduše
jednodušenastavovat
nastavovat
--Je
Jekkdispozici
dispoziciúplná
úplnáaapřehledná
přehlednádokumentace
dokumentace
--Je
Jezadarmo
zadarmo
Department of Molecular Modeling
Výpočetní technika: HLRC Stuttgart
Department of Molecular Modeling
Výpočetní technika: ÚOCHB
Department of Molecular Modeling
Pracoviště
Klastr
KlastrÚOCHB
ÚOCHB
Síť ÚOCHB
Sněhurka
G
SGI
steel
gold
niob
32
AMD
32
AMD
32
AMD
64
AMD
42
8
40
24
platinum titanium
cobalt
vanad
humboldt
iron
64
Intel
32
Intel
32
Intel
32
Intel
32
Intel
2
40
16
4
6
32
64
64
Intel AMD SGI
AMD
20
14
8
Department of Molecular Modeling
Klastr
KlastrÚOCHB
ÚOCHBvv„atomovém“
„atomovém“krytu
krytuCO
CO
Department of Molecular Modeling
Nejpoužívanější kvantově-chemické programy
Semiempirické
Semiempirickémetody
metody
MOPAC,
MOPAC,ZINDO
ZINDO
“Windows-like”
“Windows-like”(black
(blackboxes)
boxes)programy
programy
Spartan,
Spartan,Hyperchem
Hyperchem
Ab
AbInitio
Initio(+DFT)
(+DFT)metody
metody
Gaussian98,
Gaussian98,GAMESS,
GAMESS,Turbomole,
Turbomole,MOLPRO,
MOLPRO,
ACESII,
ACESII,MOLCAS
MOLCAS
DFT
DFTmetody
metody
ADF,
ADF,DeMon,
DeMon,DMol
DMol
Department of Molecular Modeling
Gaussian 03
Energie:
¾ Molekulární mechanika (AMBER,DREIDING, UFF)
¾ Semiempirické metody (CNDO, INDO, MINDO/3, MNDO, PM3)
¾ SCF metody (RHF, UHF, ROHF)
¾ Poruchové metody (MP2 až MP5)
¾ Konfigurační interakce (CID, CISD)
¾ Metody vázaných klastrů (CCD, CCSD, QCISD, BD, CCSD(T) )
¾ DFT metody (LSDA, BLYP, hybridní metody,vlastní)
¾ Kombinované, vysoce přesné metody (G1, G2, CBS, …)
¾ MCSCF metody (včetně CAS-MP2, RASSCF)
¾ Metody valenční vazby (GVB)
¾ Stabilita SCF a DFT řešení
¾ Energie excitovaných stavů (CI-S, TD-HF, TD-DFT, ZINDO, SAC-CI)
Gradienty a optimalizace:
¾ Analytický výpočet derivací
¾ Optimalizace minim a sedlových bodů
¾ Vnitřní reakční koordináta (IRC)
¾ Dvou a tří vrstvá metoda ONIOM
¾ Konické křížení (užívá metodu SA-CASSCF)
¾ Výpočet klasických dynamických trajektorií (s QM PES)
Department of Molecular Modeling
Druhé derivace a frekvence:
¾ Analytický výpočet druhých derivací, polarizabilit, hyperpolarizabilit a derivací
dipólových momentů
¾ Numerické diference prvních derivací
¾ Harmonická vibrační analýza
¾ Termochemie
¾ Intenzity IČ a Ramanových přechodů
¾ Harmonická a anharmonická rotačně-vibrační vazba
Molekulové vlastnosti:
¾ Populační analýzy, multipólové rozvoje, elektrostatické potenciály
¾ NMR stínící tenzory (HF, DFT, MP2)
¾ CD, VCD, intenzity
¾ Elektronová afinita a ionizační potenciál (metodou propagátorů)
¾ Spin-orbitální vazba (jednoelektronová aproximace)
¾ Optická rotace, optická rotační disperse
¾ spektra hyperjemného štěpení
Solvatační modely:
¾ Osnagerův model
¾ Polarizované kontinuum
¾ IPCM (isodesmický povrch)
¾ SCI-PCM (self-konsistentní isodesmický povrch)
¾ analytické derivace pro HF a DFT metody
Department of Molecular Modeling
Gaussian 03
L0
¾ Portováno na velké množství počítačů
¾ Využívá 64-bitové architektury
¾ Používá vektorových knihoven
¾ Některé části programu jsou paralelizovány
¾ Program je psaný ve Fotranu (malé části v C)
¾ Kód obsahuje více než milion řádek
¾ in-core, direct, semi-direct, konvenční algoritmy
L1
L202
L301
L401
L502
L103
Department of Molecular Modeling
Gaussian 03:
vstupní soubor
%chk=/scratch/lubos/Znnh3
%mem=16MW
# B3LYP/6-311+G(d) Opt Pop=Full
title section
21
Zn
7
7
1
1
1
1
1
1
0.000095
2.002964
-2.003258
2.402260
2.402335
2.402136
-2.402375
-2.402423
-2.402445
0.000003
0.000006
0.000000
0.047332
0.799035
-0.846487
0.855161
-0.066882
-0.788275
-0.000001
-0.000007
0.000004
0.950002
-0.516016
-0.433925
0.416513
-0.948822
0.532309
Department of Molecular Modeling
Molekulová geometrie: Z-matice
vnitřní souřadnice: vazebné délky, úhly,
torzní (dihedrální) úhly
Department of Molecular Modeling
Báze atomových orbitálů
Vlnová funkce ← molekulové orbitály ← báze
Obecné pravidlo: čím větší báze, tím lepší výsledky
(a mnohem delší výpočet)
Základní funkce: s, p (d)
Polarizační funkce: p, d (f, g, ...)
Difusní funkce: s, p (d)
p = c1 p1 + c2 p2 + c2 p3 + "
SZ
DZ
TZ
6-311++G**
6 gaussiánů (typu s) pro
popis vnitřních elektronů
pi = ∑ k n g n
polarizační funkce
difusní funkce
3+1+1 gaussiánů (typu s a p)
pro popis valenčních elektronů
Department of Molecular Modeling
Příklad: kontrahované 1s funkce na atomu C
15
g=e
-αr 2
α
f (r)
10
3047.525
χ=0.00183*g1
+0.01404*g2
+0.06884*g3
+0.23218*g4
+0.46794*g5
+0.36231*g6
457.369
103.949
29.210
9.287
5
3.164
0
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
r (bohr)
Department of Molecular Modeling
Příklad:
6-311+G(d) báze pro C
carbon 6-311+G(d)
S 6 1.00
0.4563240000E+04 0.1966650000E-02
0.6820240000E+03 0.1523060000E-01
0.1549730000E+03 0.7612690000E-01
0.4445530000E+02 0.2608010000E+00
0.1302900000E+02 0.6164620000E+00
0.1827730000E+01 0.2210060000E+00
SP 3 1.00
0.2096420000E+02 0.1146600000E+00 0.4024870000E-01
0.4803310000E+01 0.9199990000E+00 0.2375940000E+00
0.1459330000E+01 -0.3030680000E-02 0.8158540000E+00
SP 1 1.00
0.4834560000E+00 0.1000000000E+01 0.1000000000E+01
SP 1 1.00
0.1455850000E+00 0.1000000000E+01 0.1000000000E+01
SP 1 1.00
0.4380000000E-01 0.1000000000E+01 0.1000000000E+01
D 1 1.00
0.8000000000E+00 0.1000000000E+01
Department of Molecular Modeling