5 quants / Лабораторный практикум Квантово-химическое моделирование соединений в пакете HyperChem Учебно-методическое пособие

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования "Кемеровский государственный университет"

Кафедра экспериментальной физики

Лабораторный практикум Квантово-химическое моделирование соединений в пакете

HyperChem

Учебно-методическое пособие

Кемерово 2013

I. ПАКЕТ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

HYPERCHEM

1.Введение

Внастоящее время компьютерное моделирование методами квантовой химии и молекулярной динамики электронной и атомной структур молекулярных и кластерных систем переходных наноразмеров различной сложности получило широкое распространение. Квантово-химические методы с большой точностью, не прибегая к дорогостоящему эксперименту, позволяют не только рассчитать свойства отдельных молекулярных систем, но и выявлять общие закономерности, присущие классам соединений, обосновывать существующие закономерности, проводить корреляции [1-14].

Как известно, в основе квантово-химических расчетов лежит решение уравнения Шредингера. Однако даже для многоэлектронных атомов и тем более для многоатомных систем решение уравнения точным численным методом неприемлемо из-за очень большого расчетного времени. Точное решение невозможно даже для молекулы водорода. Последовательное применение приближенного метода решения уравнений Хартри-Фока-Рутаана - метода самосогласованного поля (ССП) - для молекул, состоящих всего из нескольких атомов, может натолкнуться на непреодолимые вычислительные проблемы.

По этой причине в квантовой химии значение приобретают полуэмпирические (приближенные) методы решения этого уравнения. Поиск путей решения уравнения Шредингера для молекул в рамках схемы ССП может идти по нескольким направлениям. В зависимости от степени приближения все квантово-химические методы можно разделить на неэмпирические (первопринципный ab initio (от лат. «от начала») и функционала плотности), полуэмпириче-

ские, эмпирические (группа методов молекулярной механики) и методы молекулярной динамики.

На сегодняшний день в мире существует много вычислительных комплексов и программных продуктов, в которых реализованы методы квантовой химии. Наиболее полный список программ с описанием возможностей представлен в работе [15]. Широко используются такие пакеты, как Gaussian (www.gaussian.com), Gamess (www.msg.ameslab.gov/GAMESS), ChemCraft, как средство визуа-

3

лизации программ расчетных файлов Gaussian и Gamess (www.chemcraftprog.com), MOPAC (openmopac.net), Molden и мно-

гие другие. К таковым относится и пакет программ HyperChem, возможности которого будут рассмотрены в данном пособии. Бесплатную демонстрационную 10-дневную, но полнофункциональную, версию программы можно получить на сайте компании Hypercube (www.hyper.com). Программа снабжается документацией

(на английском языке) в файлах: CDK.pdf, GetStart.pdf, Referenc.pdf (основаны на версии 5.0), hyperchem_getting_started.pdf (для версии

7.5), hyper8.pdf (описание текущей версии 8.0).

HyperChem – комплексный программный продукт, предназначенный для задач квантово-механического моделирования атомных и молекулярных структур (рис. 1.1). Он включает в себя программы, реализующие методы молекулярной механики, квантовой химии и молекулярной динамики. Силовые поля молекулярной механики, которые могут использоваться в HyperChem – это ММ+, Amber, OPLS и BIO+ (на базе CHARMM). Реализованы полуэмпирические методы: расширенный метод Хюккеля, CNDO, INDO, MINDO/3, MNDO, AM1, PM3, ZINDO/1, ZINDO/S и другие. Представлены не-

эмпирические методы расчета: ab initio (Хартри-Фока) и метод функционала плотности.

Все результаты квантово-химических расчетов, представленные в данном пособии, могут быть получены с использованием различных версий программы HyperChem старше 6.0. Приведенные ниже практические инструкции по работе с программой основаны на имеющейся у автора коммерческой версии HyperChem 8.07.

Пакет программ HyperChem позволяет проводить неэмпирические и полуэмпирические расчеты геометрических, электронных, спектральных и магнитных характеристик молекул, межмолекулярных комплексов и наноструктур, а также вычислять энергию переходных состояний комплексов, расчеты электронных и колебательных спектров, характеристики систем в гидратной (сольватной) оболочках, производить простейшие расчеты характеристик кристаллов. Данный пакет предназначен в первую очередь для решения вычислительных задач компьютерной химии, нанофизики. Во многих случаях имеется возможность сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными.

4

HyperChem. К сожалению, ab initio расчеты даже в базисе 3-21G требуют значительных ресурсов оперативной, общей памяти ЭВМ, большой мощности процессора. В настоящее время этот метод редко применяется для молекул или молекулярных фрагментов, содержащих более 10 атомов.

Самым несомненным преимуществом программы HyperChem является возможность наглядного изображения графической структуры молекулы (рис. 1.1) и изменение геометрических параметров при оптимизации системы в интерактивном режиме. Также программа отличается возможностями визуализации полученных в результате расчетов: молекулярных орбиталей, относительной интенсивности электронных переходов, потенциалов в двумерном изображении и анимация колебательных мод.

При изложении материала предполагалось, что читатель знаком с основами химического строения веществ, университетским курсом атомной физики, а также с базовыми основами квантовой механики и квантовой химии. И хотя пособие ориентировано на студентов физиков, не специализирующихся на квантовой химии, квантовохимические программы нельзя использовать как некий «черный ящик», не понимая идеи и методы современной квантовой химии. Необходимо также отметить, что для успешного освоения программы пользователю потребуются базовые навыки работы в операционной системе Windows.

2. Использование графического режима в пакете HyperСhem

2.1. Рабочее окно HyperChem

Главное окно программы HyperChem представлено на рис. 1.2. Окно программы, являющееся стандартным окном Windowsприложения, содержит строку названия, строку меню, панель инструментов, строку состояния и основное рабочее поле визуализации и построения, где находится текущая молекулярная система.

Строка названия вверху экрана показывает имя файла, с которым Вы работаете. Если Вы работаете во вновь созданном файле, появляется имя untitled. А также здесь расположены кнопки управления окном, которые содержат команды, позволяющие менять размеры, перемещать, расширять и закрывать окно HyperChem.

6

Строка меню содержит имена ниспадающих списков команд основного HyperChem меню: File (Файл), Edit (Редактирование), Build (Построение объектов), Select (Выделение), Display (Экран), Databases (Базы данных), Setup (Установки), Compute (Расчет), Annotations (Подписи), Script (Сценарий), Cancel (Отмена), Help (По-

мощь).

Рис. 1.2. Элементы рабочего окна HyperChem

Панель инструментов Левая сторона строки инструментов содержит восемь кнопок инструментальных средств, которые Вы используете, чтобы построить, выбрать, отобразить, и переместить

атом или молекулу . Правая сторона содержит

набор стандартных кнопок , выполняющих типичные действия с файлами и объектами в Windowsприложениях.

В рабочем поле отображаются все загружаемые или создаваемые исследователем структуры. По умолчанию рабочее поле имеет черный фон. При желании цвет фона можно изменить, например, на

7

более привычный белый, в пункте Preferences (Настройки) главного меню File (Файл).

Строка состояния в нижней части экрана показывает в зависимости от режима работы программы текущую информацию, такую как количество атомов в молекуле, состояние, результаты вычисления или ход вычислительного процесса, энергию или величину градиента, длины выбранных связей или углов, подсказки и т.п. Когда Вы выбираете пункт меню, краткое описание пункта появляется в строке состояния.

В правом углу строки состояния высвечивается сокращенное название выбранного вычислительного алгоритма (метода расчета), который в данный момент используется программой. Принцип работы программы таков, что для конкретной молекулярной модели, загруженной в окне визуализации, можно решать однотипные задачи, например, минимизировать энергию молекулы, используя различные методы. Выбор метода производится в пункте Setup основного меню. В частности, словосочетание Ab Initio в правом нижнем углу экрана на рис. 1.1 означает, что рабочим расчетным методом в данный момент является данный неэмпирический квантовохимический метод. На рисунке 1.2 выбран метод ММ+.

2.2. Использование мыши и инструментов

Работа в HyperChem по большей части происходит при помощи мыши. Она используется следующим образом:

1.L-Нажатие - щелчок левой кнопкой мыши.

2.R-Нажатие - щелчок правой кнопкой мыши. Обычно, R- нажатие имеет противоположный эффект L-нажатию.

3.Двойное нажатие - быстрый двойной щелчок левой кнопкой мыши.

4.L-протяжка или R-протяжка - нажатие на левую или правую кнопку мыши, и перемещение, не отпуская кнопки (скольжение), курсора в новую позицию в рабочей области.

5.LR-протяжка - нажатие и удержание левой кнопки мыши, затем правой кнопки и перемещение курсора в новую позицию в рабочей области.

6.RL-протяжка - так же, как LR-протяжка, но вначале происходит нажатие правой кнопки мыши.

Курсор мыши способен изменять форму. Чтобы это увидеть:

8

1. Нажмите левую клавишу на инструментальном изображении

(Draw - рисовать).

2.Переместите курсор в рабочую область. Курсор приобретает соответствующую форму: .

3.Укажите на инструментальное изображение (Select - выбор) и нажмите левую клавишу.

4.Переместите курсор в рабочую область. Он приобретает соответствующую форму: .

Таким же образом изменяется форма курсора при выборе остальных шести кнопок строки инструментов.

Rotate out of plane (XY-вращение, свободное 3-х мерное)

Rotate in plane (Z-вращение, вращение в плоскости экрана)

Translate (перемещение в плоскости экрана)

Z-translate (перемещение в Z-направлении, вглубь экрана)

Maghify/Shrink (масштабирование, увеличение / уменьшение)

Z-clipping planes (отрезание в z плоскости)

При указании мышкой на кнопку появляется всплывающая подсказка, указывающая назначение выбранной кнопки.

2.3.Открытие файла

Впрограмме HyperChem Вы можете работать с молекулами, полученными тремя различными способами:

1. Инструментальные средства дают возможность создать двухмерную (2D) структуру молекулы и затем преобразовывает ее с помощью моделепостроителя HyperChem в трехмерный (3D) вид (см. далее п. 3).

2. Последовательный выбор из базы данных HyperChem уже готовых остатков аминокислот и нуклеотидов (нуклеозидов) позволяет создать белки и нуклеиновые кислоты.

3. Чтение данных с диска из файла в виде набора атомных и молекулярных координат, которые были сохранены в HyperChem в собственном формате файла (файл с расширением HIN) или в фор-

9

мате белкового банка данных Brookhaven Protein Data Bank (файл ENT), а также в ряде других форматов.

Для открытия HIN файла с молекулярной структурой:

1.Левой кнопки мыши (L-нажатие) откройте меню File.

2.В меню выберите Open (Открыть).

3.Появляется список файлов в диалоговом окне, среди которых необходимо выбрать нужный и открыть его L-нажатием кнопки

Открыть.

Рис. 1.3. Диалог открытия файлов внутреннего формата HIN с примерами молекул из папки Samples

Если файл, который Вы хотите увидеть, находится не в текущей директории Samples (встроенном в программу каталогесправочнике химический соединений), то просто измените директорию или диск.

Чтобы появилась молекула фуллерена С60, как на рис. 1.4, выберите в директории Samples > Aromatic файл c60.hin. Вы можете также открывать файл двойным щелчком на имени файла.

2.4. Использование дисплейных установочных параметров

HyperChem автоматически использует дисплейные установочные параметры с последнего сеанса работы. Выбрать или изменить дисплейные установочные параметры можно, используя команды пункта меню Display (Экран).

10