Ab initio вычисления для нафталена и азулена.

Расчет и оптимизация структуры нафталена и азулена с помощью MOPAC

Аналогично заданиями из предыдущих практикумов создаем пространственные структуры азулена и нафталена на основе SMILES-аннотации, а затем оптимизируем их с помощью MOPAC: 

export PATH=${PATH}:/home/preps/golovin/progs/bin
export MOPAC_LICENSE=/home/preps/golovin/progs/bin

echo "C1=CC=C2C=CC=C2C=C1  azulene" > azul.smi
obgen azul.smi > azul.mol
babel -imol azul.mol -omop azul.mop -xk "PM6"
MOPAC2009.exe azul.mop
babel -imopout azul.out -opdb azul.pdb

echo "c1ccc2ccccc2c1  naphthalene" > naph.smi
obgen naph.smi > naph.mol
babel -imol naph.mol -omop naph.mop -xk "PM6"
MOPAC2009.exe naph.mop
babel -imopout naph.out -opdb naph.pdb
Изображение полученной структуры азулена представлено на рисунке 1. Изображение полученной структуры нафталена представлено на рисунке 2.


Рисунок 1. Структура азулена, полученная из SMILES-аннотации и оптимизированная с помощью MOPAC.


Рисунок 2. Структура нафталена, полученная из SMILES-аннотации и оптимизированная с помощью MOPAC.

Полученная структура нафталена оказалась плоской, такой и должна быть ароматическая молекула. В то же время ароматическая молекула азулена оказалась непланарной. Поэтому попытаемся использовать силовое поле MMFF94 в obgen: 
obgen azul.smi -ff MMFF94 > azul_mmff94.mol
babel -imol azul_mmff94.mol -omop azul_mmff94.mop -xk "PM6"
MOPAC2009.exe azul_mmff94.mop
babel -imopout azul_mmff94.out -opdb azul_mmff94.pdb
Изображение структуры азулена, полученной с использованием силового поля MMFF94 представлено на рисунке 3.


Рисунок 3. Структура азулена, полученная с использованием силового поля MMFF94.

Полученная структура снова оказалась не плоской. Поэтому пробуем еще раз получить данную структуру, используя силовое поле MMFF94s: 
obgen azul.smi -ff MMFF94s > azul_mmff94s.mol
babel -imol azul_mmff94s.mol -omop azul_mmff94s.mop -xk "PM6"
MOPAC2009.exe azul_mmff94s.mop
babel -imopout azul_mmff94s.out -opdb azul_mmff94s.pdb
Изображение структуры азулена, полученной с использованием силового поля MMFF94s представлено на рисунке 4.


Рисунок 4. Структура азулена, полученная с использованием силового поля MMFF94s.

И снова полученная структура оказалась не плоской. Поэтому пробуем еще раз получить данную структуру, на этот раз будем использовать силовое поле UFF: 
obgen azul.smi -ff UFF > azul_uff.mol
babel -imol azul_uff.mol -omop azul_uff.mop -xk "PM6"
MOPAC2009.exe azul_uff.mop
babel -imopout azul_uff.out -opdb azul_uff.pdb
Изображение структуры азулена, полученной с использованием силового поля UFF представлено на рисунке 5.


Рисунок 5. Структура азулена, полученная с использованием силового поля UFF.

Наконец-то получили плоскую структуру азулена!

Оптимизация геометрии средствами GAMESS

В результате выполнения предыдущего задания получили 2 файла: nap.out (переименовали полученный файл naph.out) и azu.out (переименовали полученный файл azul_uff.out).
Сначала с помощью babel переформатируем координаты в gamin формат: 

babel -imopout azu.out -ogamin azu_opt.inp
babel -imopout nap.out -ogamin nap_opt.inp
Теперь поменяем заголовок в полученных файлах, чтобы он выглядел так: 
$CONTRL COORD=CART UNITS=ANGS   SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE $END
$BASIS  GBASIS=N31 NGAUSS=6  $end
$system mwords=2 $end
$DATA
Таким образом получили входные файлы для оптимизации геометрии средствами GAMESS. Проводим оптимизацию для обеих молекул и получаем .pdb-файл с их структурой: 
gms azu_opt.inp  1 >& azu_opt.log
babel -igamout azu_opt.log -opdb azu_gamess.pdb

gms nap_opt.inp  1 >& nap_opt.log
babel -igamout nap_opt.log -opdb nap_gamess.pdb
В результате оптимизации в структуре азулена изменилась длина двух связей с 1.4 &8491; до 1.5 &8491; (рисунок 6). В структуре нафталена в результате оптимизации изменений не произошло (рисунок 7).


Рисунок 6. Структура азулена до оптимизации GAMESS (слева, показана оранжевым цветом) и после (справа, изображена голубым цветом).


Рисунок 6. Структура нафталена до оптимизации GAMESS (слева, показана коричневым цветом) и после (справа, изображена зеленым цветом).

Расчет энергии методом Хартри-Фока и по теории функционала плотности (DFT)

На основе полученных координат составляем новые входные файлы для расчёта энергии. Сначала переформатируем .log файл gamout в gamin для исползования babel: 

babel -igamout azu_opt.log -ogamin azu_gamin.inp
babel -igamout nap_opt.log -ogamin nap_gamin.inp
Tеперь получаем файлы azuhf.inp и naphf.inp для расчета по Хартри-Фоку и файлы azudf.inp и napdf.inp для расчета по теории функционала плотности. Файлы для расчета методом Хартри-Фока содержат следующий заголовок: 
$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
Файлы для расчета по теории функционала плотности содержат следующий заголовок: 
$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
Теперь запустим GAMESS для расчета энергии: 
gms azuhf.inp  1 >& azuhf.log
gms azudf.inp  1 >& azudf.log

gms naphf.inp  1 >& naphf.log
gms napdf.inp  1 >& napdf.log

Сравнение методов

Таблица 1. Энергия молекул азулена и нафталена, полученная в результате расчетов методом Хартри-Фока и по теории функционала плотности.
  ENaptalene EAzulene ΔE , Hartree ΔE, kCal/mol
Хартри-Фок -383.35 -383.28 0.07 45.62
DFT -385.64 -385.59 0.05 34.32
Энергия изомеризации нафталена в азулен, полученная экспериментально, составляет 35.3±2.2 kCal/mol. Таким образом, теория функционала плотности дала результат более близкий к экспериментальным данным.

Полученные файлы

Азулен:

SMILES: azul.smi   Силовое поле MMFF94 Силовое поле MMFF94s Силовое поле UFF
  azul.arc azul_mmff94.arc azul_mmff94s.arc azul_uff.arc
Результат obgen azul.mol azul_mmff94.mol azul_mmff94s.mol azul_uff.mol
Результат babel azul.mop azul_mmff94.mop azul_mmff94s.mop azul_uff.mop
Результат MOPAC azul.out azul_mmff94.out azul_mmff94s.out azul_uff.out
  azul.pdb azul_mmff94.pdb azul_mmff94s.pdb azul_uff.pdb
Входной файл GAMESS: azu_opt.inp.
Результат GAMESS: azu_opt.log, azu_gamess.pdb, azu_gamin.inp.
Расчет энергии по Хартри-Фоку: azuhf.inp, azuhf.log.
Расчет энергии по теории функционала плотности: azudf.inp, azudf.log.

Нафтален:
SMILES: naph.smi
naph.arc
Результат obgen: naph.mol.
Результат babel: naph.mop.
Результат MOPAC: naph.out, naph.pdb.

Входной файл GAMESS: nap_opt.inp.
Результат GAMESS: nap_opt.log, nap_gamess.pdb, nap_gamin.inp.
Расчет энергии по Хартри-Фоку: naphf.inp, naphf.log.
Расчет энергии по теории функционала плотности: napdf.inp, napdf.log.

© Наталья Ланина
e-mail: n.lanina@fbb.msu.ru

последний раз обновлялось: 15.3.15