Практикум №3. Abinitio вычисления для нафталина и азулена: GAMESS¶

1. 3D-структуры нафталина и азулена¶

SMILES нафталина: c1ccc2ccccc2c1

SMILES азулена: c1cccc2cccc2c1

Построение и оптимизация 3D-структур нафталина и азулена:

obgen naphthalene.smi > naphthalene.mol
obgen azulene.smi > azulene.mol

babel -ipdb naphthalene.pdb -omop naphthalene_pm6.mop -xk "PM6"
babel -ipdb azulene.pdb -omop azulene_pm6.mop -xk "PM6"

MOPAC2009.exe naphthalene_pm6.mop
MOPAC2009.exe azulene_pm6.mop

babel -imopout naphthalene_pm6.out -opdb naphthalene_pm6.pdb
babel -imopout azulene_pm6.out -opdb azulene_pm6.pdb

from IPython.display import Image
Image(filename = 'naphthalene_pm6.png')

Image(filename = 'azulene_pm6.png')

Оптимизированная 3D-структура азулена не имеет плоской геометрии, поэтому к построенной 3D-структуре азулена было приложено силовое поле UFF и структура была оптимизирована заново:

obgen azulene.smi -ff UFF > azulene_UFF.mol
babel -ipdb azulene_UFF.pdb -omop azulene_UFF_pm6.mop -xk "PM6"
MOPAC2009.exe azulene_UFF_pm6.mop
babel -imopout azulene_UFF_pm6.out -opdb azulene_UFF_pm6.pdb

Image(filename = 'azulene_UFF_pm6.png')

2. Оптимизация 3D-структур нафталина и азулена с помощью GAMESS¶

Координаты 3D-структур нафталина и азулена, оптимизированных с помощью Mopac, были переведены в формат gamin:

babel -imopout naphthalene_pm6.out -oinp naphthalene_pm6.inp
babel -imopout azulene_UFF_pm6.out -oinp azulene_UFF_pm6.inp

Заголовки файлов в формате gamin были приведены к следующему виду:

 $CONTRL COORD=CART UNITS=ANGS SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE $END
 $BASIS  GBASIS=N31 NGAUSS=6  $END
 $SYSTEM MWORDS=2 $END
 $DATA

Оптимизация 3D-структур нафталина и азулена с помощью GAMESS:

gms naphthalene_pm6.inp 1 >& naphthalene_pm6.log 
gms azulene_UFF_pm6.inp 1 >& azulene_UFF_pm6.log

from IPython.display import FileLinks
FileLinks('pm6')

3. Расчет энергий нафталина и азулена с помощью GAMESS¶

Координаты 3D-структур нафталина и азулена, оптимизированных с помощью GAMESS, были переведены в формат gamin:

babel -igamout naphthalene_pm6.log -oinp naphthalene_pm6_gam.inp
babel -igamout azulene_UFF_pm6.log -oinp azulene_UFF_pm6_gam.inp

Заголовки файлов в формате gamin для расчета энергии методом Хартри-Фока были приведены к следующему виду:

 $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

Заголовки файлов в формате gamin для расчета энергии по теории функционала плотности были приведены к следующему виду:

 $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

Расчет энергий нафталина и азулена методом Хартри-Фока с помощью GAMESS:

gms naphthalene_pm6_gam_hf.inp 1 >& naphthalene_pm6_gam_hf.log
gms azulene_UFF_pm6_gam_hf.inp 1 >& azulene_UFF_pm6_gam_hf.log

Расчет энергий нафталина и азулена по теории функционала плотности с помощью GAMESS:

gms naphthalene_pm6_gam_dft.inp 1 >& naphthalene_pm6_gam_dft.log
gms azulene_UFF_pm6_gam_dft.inp 1 >& azulene_UFF_pm6_gam_dft.log

FileLinks('hf_dft')

4. Сравнение способов расчета энергии¶

	E\(_{Naphthalene}\)	E\(_{Azulene}\)	\(\Delta\)E, Hartree	\(\Delta\)E, kCal/mol
Hartree–Fock method	-383.3549	-383.2825	0,0724	45,4478
DFT	-385.6401	-385.5857	0,0545	34,1838

Поскольку экспериментально известно, что энергия изомеризации нафталина в азулен составляет 35.3±2.2 kCal/mol, расчет энергии по теории функционала плотности точнее.

5. Визуализация орбиталей нафталина и азулена с помощью Gabedit¶

Image(filename = 'naphthalene_HOMO.png')

Image(filename = 'naphthalene_LUMO.png')

Image(filename = 'azulene_HOMO.png')

Image(filename = 'azulene_LUMO.png')