Занятие 3. Abinitio вычисления для нафталина и азулена.

Суть задания: поэтапное освоение возможностей GAMESS как стандартного квантово-химического пакета. Необходимые сведения о работе с GAMESS см. здесь. Здесь находиться сайт с документацией к Molden.
Задание: поиск оптимальной геометрии для нафталена и азулена и расчет теплоты образования этих молекул разными подходами квантовой механики.

  1. Построим и оптимизируем с помощью MOPAC структуры нафталена и азулена (как в прошлом задании). SMILES представления этих молекул: 
    2. Azulene : C1=CC=C2C=CC=C2C=C1 
Napthalene: c1ccc2ccccc2c1

    В начале с помощью программы из babel построили 3D структуры:

    Просмотрим полученные структуры в PyMol для проверки плоскости геометрии ароматических систем:

    Оказалось,что молекула азулена неплоская, попробуем другие силовые поля (MMFF94, MMFF94s, UFF) в obgen:

    obgen myfile.smi -ff MMFF94 > my.mol

    Получили, что для силовых полей MMFF94 и MMFF94s - структура так же неплоская (красным - после obgenа, синим - после Mopac):

    А для силового поля UFF - структура плоская (красным - после obgenа, синим - после Mopac):

    Структура для напрофена под силовым полем UFF:

    В итоге получим два файла (оба сделаны под одинаковым силовым полем UFF): nap.out и azu.out.
    Теперь с помощью babel переформатируем координаты в gamin формат и имя файла в nap_opt.inp. Так же сделаем так, что бы заголовок выглядел так: 

     $CONTRL COORD=CART UNITS=ANGS   SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE $END
 $BASIS  GBASIS=N31 NGAUSS=6  $end
 $system mwords=2 $end
 $DATA
    Полученные файлы - это входные файлы для оптимизации геометрии средствами GAMESS.

  2. Проведем оптимизацию геометрии для обоих молекул. Для этого запустите GAMESS следующим образом: 

    gms nap_opt.inp  1 >& nap_opt.log 
gms azu_opt.inp  1 >& azu_opt.log
    Где 1 это количество ядер для расчёта, на текущий момент на kodomo параллельное использование GAMESS не реализовано. Внимание это длительный расчёт, он может занять до 5 минут на каждую задачу.
    Полученные файлы

  3. На основе полученных координат составим новые входные файлы для расчёта энергии. 

    Надо построить по два файла на каждую молекулу, в первом случае  расчёт будет вестись методом Хартри-Фока, а во втором используя теорию функционала плотности.Для использования babel надо будет переформатировать log файл gamout в  gamin.
Для расчёта по Хартри-Фоку надо составить файл с таким заголовком:
    $CONTRL COORD=CART UNITS=ANGS   SCFTYP=RHF RUNTYP=ENERGY $END
$BASIS  GBASIS=N31 NGAUSS=6
POLAR=POPN31 NDFUNC=1 $END
$GUESS  GUESS=HUCKEL $END
$system mwords=2 $end
$DATA
    В случае теории функционала плотности заголовок должен быть таким:

    $CONTRL COORD=CART UNITS=ANGS   dfttyp=b3lyp RUNTYP=ENERGY $END
$BASIS  GBASIS=N31 NGAUSS=6
POLAR=POPN31 NDFUNC=1 $END
$GUESS  GUESS=HUCKEL $END
$system mwords=2 $end
$DATA
    Рассчитать необходимо четыре системы: два способа на каждую молекулу.
    В итоге получаем файлы:
    для азулена - по Хартри-Фоку и теории Функцинала;
    для нафталена - по Хартри-Фоку и теории Функцинала

    .

  4. Найдем в log файлах расчёта энергии строчку с "TOTAL ENERGY = " и выпишим значения этой энергии в таблицу:
    Вещество Хартри-Фок DFT
    Naptdalene
    -383.3549157252
    -385.6401770003
    Azulene
    -383.2824744691
    -385.5856055087
    Δ, Hartree
    0,0724412561
    0,0545714916
    Δ, kCal/mol
    45.30
    34.05
    Известно, что энергия изомеризации нафталина в азулен составляет 35.3±2.2 kCal/mol . Поэтому мы можем сказать, что теория функционала дает более правдивое значение.

  5. Работа с molden. 

    Архив программы можно взять отсюда.Распакуем архив в любое место. Запустим X-ming->X-launch через список программ windows.
Выберем удобное расположение окон. В поле Display number установим значение 9999. В следующем экране wizard оставим отметку
напротив no client, Next->Next->Finish. Запустите molden.exe.
    Будем считать файл с результатом DFT, выбрать его можно кнопкой Read. Перейдем в режим плотности ("Dens. Mode"). Выберем HOMO орбиталь (HOMO-highest occupied molecular orbital ). Построим поверхность для этой орбитали (кнопка Space) со значением контура 0.05. Появятся красно-желтые контуры, перейдем в режим OpenGL с помощью кнопки с квадратиками правее кнопки Euclid. Выберем расположение молекулы и сохраним изображение. Сделаем тоже самое для LUMO (lowest unoccupied molecular orbital).
    LUMO
    HOMO
    Азулен
    Нафталин

    Видим,что различие на HOMO орбитале незначительное - плотность имеет примерно равное значение для всегоу нафталена, для LUMO - разница значительная. Плотности разделяются для каждого атома.

© Пискунова Юлия 2011