Abinitio вычисления для нафталина и азулена

Суть задания состоит в поэтапном освоении возможностей GAMESS как стандартного квантово-химического пакета. Цель работы - найти оптимальную геометрию для нафталена и азулена и рассчитать теплоты образования этих молекул разными подходами квантовой механики.

  1. Оптимизация структур азулена и нафталина с помощью программы Mopac

    Построим и оптимизируем с помощью MOPAC структуры нафталена и азулена. SMILES представления этих молекул сохранены в файлах az.smi и nap.smi. Чтобы молекула азулена стала плоской, применим в obgen силовое поле UFF: 
    obgen az.smi -ff UFF > az.mol
    В результате работы MOPAC были получены файлы azu.out и nap.out. Визуализируем структуры в PyMol:


    Как видно, обе структуры nap.pdb и azu.pdb являются плоскими.
    С помощью babel переформатируем координаты в gamin формат и сохраним в файлах nap_opt.inp и azu_opt.inp. Сделаем так, чтобы заголовки выглядели следующим образом: 
     $CONTRL COORD=CART UNITS=ANGS   SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE $END
 $BASIS  GBASIS=N31 NGAUSS=6  $end
 $system mwords=2 $end
 $DATA

  2. Оптимизация геометрии с помощью GAMESS

    Проведем оптимизацию геометрии для обеих молекул. Для этого запустим GAMESS следующим образом: 
    gms nap_opt.inp  1 >& nap_opt.log 
gms azu_opt.inp  1 >& azu_opt.log
    В результате получаем оптимизированные файлы nap_opt.log и azu_opt.log. Оптимизация геометрии проводилась с базисом: 6 гауссовых функций для невалентных электронов и 4 гауссовые функции (2 блока: 3 и 1) для валентных электронов.

  3. Расчет энергии методами Хартри-Фока и теории функционала плотности

    На основе полученных координат составим новые входные файлы для расчёта энергии. Теперь построим по два файла на каждую молекулу, в первом случае будем вести расчёт методом Хартри-Фока, а во втором - используя теорию функционала плотности. Для использования babel переформатируем log файлы gamout в gamin и сохраним их в файлах nap_opt2.inp и azu_opt2.inp.
    Для расчёта по Хартри-Фоку составим файлы с таким заголовком: 
     $CONTRL COORD=CART UNITS=ANGS   SCFTYP=RHF RUNTYP=ENERGY $END
 $BASIS  GBASIS=N31 NGAUSS=6
 $SCF DIRSCF=.true. $end
 POLAR=POPN31 NDFUNC=1 $END
 $GUESS  GUESS=HUCKEL $END
 $system mwords=2 $end
 $DATA
    В случае теории функционала плотности заголовок будет таким: 
     $CONTRL COORD=CART UNITS=ANGS   dfttyp=b3lyp RUNTYP=ENERGY $END
 $BASIS  GBASIS=N31 NGAUSS=6
 $SCF DIRSCF=.true. $end
 POLAR=POPN31 NDFUNC=1 $END
 $GUESS  GUESS=HUCKEL $END
 $system mwords=2 $end
 $DATA
    Рассчитаем четыре системы: два способа на каждую молекулу. Сохраним результаты в файлах: nap_opt2HF.log (нафталин методом Хартри-Фока), nap_opt2DFT.log (нафталин по теории функционала плотности), azu_opt2HF.log (азулин методом Хартри-Фока) и azu_opt2DFT.log (азулин по теории функционала плотности).

  4. Расчет энергии изомеризации

    Метод Нафталин Азулен Δ, Hartree Δ, kCal/mol
    Хартри-Фок -383.355 -383.282 0.072 45.301
    DFT -385.64 -385.586 0.054 34.05
    Из эксперимента известно, что энергия изомеризации нафталина в азулен составляет 35.3±2.2 kCal/mol. 1 Hartree = 4,359 744 17(75)*10-18 Дж.
    Следовательно, результат, полученный с помощью теории функционала плотности (DFT) лучше отображает реальную картину.

  5. Построение поверхностей орбиталей с помощью программы molden

    Запустим molden.exe. Считаем файл с результатами DFT для азулена и нафталина (кнопка Read). Перейдем в режим плотности (Dens. Mode). Выберем HOMO орбиталь (HOMO-highest occupied molecular orbital) и построим поверхность для этой орбитали (кнопка Space) со значением контура 0.05. Перейдем в режим OpenGL с помощью кнопки с квадратиками правее кнопки Euclid и сохраним изображения. Затем проделаем тоже самое для LUMO (lowest unoccupied molecular orbital). Изображения HOMO и LUMO для нафталина и азулена представлены ниже:
      HOMO LUMO
    Азулен

    Нафталин

Назад