量子化学推算与分子仿照

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• Q-Chem 6.4 版本颁布日志：新职能全解析与机能升级
  ，助力量子化学推算
• Q-Chem 6.3颁布：大幅提高推算机能
  ，解锁光谱学与开壳层化学钻研新工具
• Q-Chem 6.2.2已正式颁布：新增ARM64 Mac支持、提高NBO限杜纂多项关键建改

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Q-Chem软件是一款高精怀抱子化学推算工具
，支持HF/DFT以及各类post-HF推算步骤
，在理论化学、资料化学、生物化学等有关领域的钻研和出产中阐扬了很大作用。量子化学步骤已被证明对钻研分子的化学和物理性质很有价值。所述Q-Chem软件汇集了各类推算步骤和工具重新推算软件包
，大大提高了速度和推算精度。此表
，Q-Chem将包容比以前更大的分子结构
，不会损失精度
，从而将量子化学的力量带到以前无法使用该工具的关键钻研项目中。这款量子化学软件包
，用于预测分子结构
，反映性以及振动
，电子和NMR光谱。

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Q-Chem是由多个钻研机构共同开发的重新推算量子化学软件包
，起头是由诺贝尔化学获得者John.A.Pople主导开发的。从1999年Q-Chem1.2颁布至今
，Q-Chem软件已经成为一个职能很强的量子化学推算法式。目前新的版本是Q-Chem 6.4。

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Q-Chem的特点：

• IQmol是Q-Chem的配套可视化软件
  ，能够领取。Q-Chem也支持第三方可视化软件
  ，如Avogadro、WebMO、Jmol等。

• 可进行跨节点并行推算。法式的代码经过美满
  ，占有更快的推算速度。

• 支持多种步骤分析势能面。如冻结带步骤、重新算分子动力学、蹊径积分蒙特卡洛步骤及偏Hessian分析。

• 可进行能量组成分析。如能够把能量分化成库伦项、互换项及电荷转移项。

• 可钻研电子转移耦合及引发能。支持的步骤有限度性DFT、直接耦合及分子片段电荷。

• 占有不一样的基态泛函。如色散校对泛函XDM、DF-04、XYGJ-OS、WB97X-2等。

• 快捷和越发正确的MP2步骤。如SOS-MP2、双基组MP2及局域MP2步骤。

• 支持引发态钻研（蕴含开壳层分子）。如SOS-CIS(D)、TDDFT、ADC等。

• Q-Chem 提供幼我技术服务
  ，并会凭据客户的要求开发所需的职能。

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职能：

基态自洽场步骤

1. Hartree-Fock步骤

限度性
，非限度性
，和限度性开壳层大局

用于结构的解析一阶导数

用于谐振频率分析的解析二阶导数

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2. 密度泛函理论

局域泛函和梯度校对泛函。互换泛函：Slater
，Becke'88
，Perdew'91
，Gill'96
，Gillbert-Gill'99
，Handy-Cohen OPTX。关联泛函：VWN5
，Lee-Yang-Parr
，Perdew-Zunger'81
，Perdew'86
，Wigner
，Perdew'91。EDF1互换-关联泛函。用户界说的互换-关联泛函。

HF--DFT混合泛函：B3LYP
，B3PW91
，B3LYP5
，用户界说的混合泛函。

局域数值格点的数值积分规划：SG-0尺度网格
，SG-1尺度网格
，Lebedev和Gauss-Legendre角向积分规划

用于结构的解析一阶导数

用于谐振频率分析的解析二阶路速

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3. 线性标度步骤

傅立叶变换库仑步骤

陆续多级步骤

线性标度HF互换步骤

基于格点的线性标度积分
，用于互换—关联泛函求值

线性标度NMR化学位移

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4. AOINT包用于双电子积分

结合了高机能积分技术的新进展：COLD PRISM；J-矩阵引擎

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SCF改进

in-core和直接SCF的混合

DIIS

初始猜测规划：沉叠球均匀原子密度
，广义Wolfsberg-Helmholtz
，从幼基组投影
，芯哈密顿量的猜测

SCF波函的分析

沉叠步骤

Fock矩阵的直接幼化

打算原子轨路对分子的幼基

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基于波函的电子关联处置

1. M?ller-Plesset萦绕理论

限度性
，非限度性
，和限度性开壳层大局

直接和半直接步骤推算能量

半直接步骤的解析梯度
，用于限度性和非限度性大局

在MP3
，MP4和MP4SDQ步骤的解析梯度推算中处置冻芯轨路

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2. 局域MP2步骤

凭据物理图像截断MP2的能量表白式
，从而削减推算量

削减推算量相对分析尺寸的标度
，近似为两倍
，却不显著迷失精度

利用表推PAO用于部门校对

可使用分子中的双原子和分析中的三原子技术

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3. RI-MP2

比MP2和部门MP2快十倍

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4. 耦合簇步骤

CCSD：能量
，以及作为能量有限差分的梯度

EOM--CCSD；=EE,EA,IP,SF
，可能处置自由基
，键的断裂
，以及对称破缺问题

耦合簇能量的非迭代校对：三级校对CCSD（T）
，三级和四级校对CCSD（2）

宽泛利用分析点群对称性
，以效能

二次双引发耦合簇

QCISD
，QCISD（T）和QCISD（2）用于能量

DIIS用于收敛加快

冻芯近似
，用于增长可处置系统的尺寸

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5. 轨路的耦合簇步骤

轨路的双引发耦合簇（OD）：可预防报答的对称破缺问题；均匀长参考轨路使能量变；Brueckner耦合簇；OD
，OD（T）
，和OD（2）的能量及梯度

价轨路的耦合簇步骤（VOD）：传统CASSCF步骤的耦合簇近似；在价活性空间利用截断的OD波函；比CASSCT有更少的磁盘空间需要和更幼的系统标度
，可处置较大系统；VOD
，VOD（T）
，VQCCD
，和VOD（2）的能量及梯度。

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引发态步骤

1. 推算类型

垂直引发吸收谱

通过引发态能量的有限差分
，进行引发态的结构

UCIS和RCIS进行引发态的振动分析

自旋回转DFT

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2. CIS步骤

从Hartree-Fock基态波函推算引发态：获得定性的单电子引发态；结构与频率与基态Hartree-Fock了局有可比性

的直接算法用于推算关壳层和开壳层系统的能量、解析梯度和二阶导数

XCIS用于二沉和四沉态推算

双引发微扰校对CIS（D）
，可使CIS误差削减两倍或更多
，靠近于MP2

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3. TDDFT

从Kohn-Sham基态波函推算引发态能量

对于低位价引发态
，TDDFT比CIS有相当大的推算量

提供引发态中关联效应的内涵图像

自由基的低位价引发态
，比CIS有相当大的

自旋回转密度泛函理论（SFDFT）：把TDDFT推广到低位价引发态之表；可用于键断裂的过程
，以及自由基和双自由基系统

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4. 基于耦合簇的引发态步骤

EOM-CCSD

自旋回转引发态步骤：了双、三自由基系统的处置；结合单行列式波函处置键断裂问题；可用于OD和CCSD理论

OOD步骤：与CCSD引发态步骤有险些一样的数值机能；比TDDFT精度
，到推算量更昂贵

EOM-VOOD步骤：于EOM-CCSD
，但使用VOOD规划

引发态推算：跃迁偶级矩和结构

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5. 分化分析

显示电子跃迁的工具
，用于把电子跃迁分类为价跃迁、Rydberg跃迁
，混合跃迁
，或电荷转换

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分析

1. 自动结构和过滤态

使用Jon Baker博士的OPTIMIZE法式包
，用约化内坐标迅速收敛
，预防初始力常数矩阵

拥有约束的结构：可施加于键角
，二面（旋转）角
，或平面表的弯曲；直角坐标中冻结原子；约束不愿定要加在初始结构上。

使用笛卡尔
，Z-矩阵或离域内坐标

本征矢跟踪算法
，用于过渡态和幼化

GDIIS算法用于幼化：使到平衡结构的收敛获得很大加快

内反映坐标跟踪；沿着反映蹊径的陆续平衡结构和过渡态

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2. 振动光谱

自动挪用解析和数值二阶导数

红表和拉曼强度

输出尺度的统计热力学信息

同位素代替
，用于与尝试进行比力

非谐性校对

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3. NMR屏蔽张量

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4. 天然键轨路分析

使用NBO 4.0

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5. Stewart原子

从分析密度沉新获得原子

Q-Chem用单元分化步骤推算这些值

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6. 动量密度

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7. Intracules

不一样的双电子函数
，提供分子中库仑能和互换能关于地位和动量的详尽信息

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8. 分析中的原子

利用AIMPAC进行AIM分析

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9. 溶化模型

的Onsager反映场模型

Langevin模型

SS（V）PE：一种新的电解质陆续模型

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10. 基于Dirac-Fock理论的相对论能量校对

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11. 对角热校对

推算Born-Oppenheimer对角建改
，钻研核与电子活动热距离的分化

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基组

1. 高斯基组

2. 赝势基组

3. 用户界说的基组和赝势

4. 基组沉叠误差（BSSE）校对

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QM/MM

1. 到CHARMM的接口

2. ONIUM

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Q-Chem 利用领域：

势能面扫描

Q-Chem 可能的给出分子在分歧构型下的能量
，援手我们找到分子部门的能量很幼值以获得不变的分子结构；鼓芄黄揪莘肿拥墓瓜蠼惺颇苊嫔。

下图给出了选取Q-Chem推算的di-Peptoid在分歧构象下的能量变动。钻研者能够通过拟合分子能量和构象的关系构建势能面或分子力场。

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分子间相互作用

Q-Chem选取Hartree-Fork
，基于泛函的DFT步骤和高精度的电子有关步骤
，多体微扰的MPn与Coupled-cluster理论来推算分子间的相互作用
，并能够便捷的进行BSSE改过。此表
，Q-Chem还能够基于ALMO步骤将分子之间的相互作用能进行分化。

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Unravelling the Origin of Intermolecular Interactions Using Absolutely Localized Molecular Orbitals.J.Phys. Chem. A. (2007), 111, 8753

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过渡态搜索和反映蹊径分析

Q-Chem 是业界公认的钻研化学反映的有力工具。Q-Chem多种过渡态搜索的步骤
，并可进一步对反映蹊径进行分析和。得益于Q-Chem软件的率
，钻研者能够方便的钻研化学反映有关问题。

Oxidative Dehydrogenation of Propane over a VO2-Exchanged MCM-22 Zeolite: A DFT Study.? ChemPhysChem (2010) , 11, 3432

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引发态和光谱推算

除了钻研基态的化学性质表
， Q-Chem还引发态结构的能量推算和
，新版本的Q-Chem还参与了M11等新的泛函并EOM-CCSD步骤。Q-Chem能够推算光谱性质
，：IR、Raman、紫表-可见、VCD、ECD等。下面的图片就是选取Q-Chem推算的DNA氘化碱基对的红表谱。

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Infrared Characterization of the Guanine Radical Cation: Finger Printing DNA Damage. J. Phys. Chem . B. (2010),114,3660.

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线性标度的量化推算

Q-Chem多种线性标度的量子化学反映
，：傅立叶变换库伦步骤
，线性标度HF互换步骤
，基于格点的线性标度积分等。鄙人图所示的工作中
，钻研者选取Q-Chem软件中线性标度的GIAO-HF步骤实现了含有1000多个原子系统的NMR化学推算。

Ab Initio NMR Spectra for Molecular Systems with a Thousand and More Atoms: A Linear-Scaling Method. Angew. Int. (2004), 43, 4485.

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QM/MM推算

Q-ChemONIOM推算并自带了与分子动力学仿照软件CHARMM的法式接口Ｄ芄环奖愕慕蠶M/MM推算。

下图所示的钻研工作选取Q-Chem和CHARMM软件调查了钙和镁离子在蛋白磷酸化酶中的作用机理。

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Calcium inhibition of Ribonuclease H1 Two-Metal Ion Catalysis. J. Am. Chem. Soc. ASAP.

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