C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -1- C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení Petr Kulhánek, Jakub Štěpán kulhanek@chemi.muni.cz Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita, Kotlářská 2, CZ-61137 Brno C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -2Výpočty v programu gaussian Gaussian http://www.gaussian.com/ Komerční program určený převážně pro kvantově chemické výpočty. Instalovaný na klastru WOLF. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -3Spouštění výpočtu 1) Aktivace modulu gaussian: $ module add gaussian:03.E1 2) Přímé spuštění výpočtu (NEPOUŽÍVAT v domovském adresáři !!!!): $ g03 soubor pouze jednou v daném terminálu jméno vstupního souboru bez přípony .com Po skončení výpočtu bude v adresáři nový soubor (soubor.log) obsahující výsledky výpočtu. Výpočty v programu gaussian provádíme na výpočetním klastru WOLF. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -4Spouštění výpočtu, II 3) Dávkové spouštění (PREFEROVANÝ ZPŮSOB): $ psubmit localhost@short soubor.com jméno vstupního souboru včetně přípony .com skript úlohy se vytvoří automaticky výpočet spustí na lokálním stroji ve frontě short Nezapomeň: • každý výpočet musí být spuštěn v samostatném adresáři!! C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -5Optimalizace geometrie C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -6Optimalizace geometrie, vstup # PM3 Opt NoSymm (prazdny radek) komentar (prazdny radek) naboj 1 znacka x y z znacka x y z znacka x y z ............... (prazdny radek) optimalizace geometrie neuvažovat symetrii celkový náboj systému (celé číslo) multiplicita, 1=singlet metoda komentář popisující výpočet značka jednotlivých atomů soubor ukládáme s příponou .com kartézské souřadnice atomů C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -7Opt. geometrie, ukázka vstupu # PM3 Opt Nosymm Ethan 0 1 C -8.17932 3.14871 -0.03132 C -7.00267 2.20120 0.03204 H -7.90498 4.06824 -0.55607 H -8.51264 3.41431 0.97740 H -9.01757 2.68656 -0.56001 H -6.16234 2.66559 0.55546 H -6.67317 1.93085 -0.97667 H -7.27527 1.28418 0.56205 prázdný řádek ethan.com kartézské souřadnice atomů v Ångströmech C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -8Příprava vstupního souboru, NEMESIS 1) Projekt: Build Structure 2) Sestavíme molekulu 3) Provedeme optimalizaci pomocí molekulové mechaniky 4) File->Export Structure as -> Gaussian Input 5) Nastavíme metodu a typ výpočtu, uložíme PM3 Optimalizace geometrie C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -9Výsledný soubor 1) Otevřete výstupní soubor v textovém editoru: $ kwrite soubor.log &> /dev/null & 2) Projděte souborem, pouvažujte nad významem jednotlivých sekcí: Input orientation: .... SCF Done: E(RPM3) = -0.289342988150E-01 A.U. after 8 cycles .... Center Atomic Forces (Hartrees/Bohr) .... Item Value Threshold Converged? Maximum Force 0.000311 0.000450 YES RMS Force 0.000068 0.000300 YES Maximum Displacement 0.009047 0.001800 NO RMS Displacement 0.004622 0.001200 NO .... Optimization completed. -- Stationary point found. ..... Normal termination of Gaussian 09 C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -10Načtení výstupního souboru, NEMESIS 1) Projekt: Trajectory 2) File->Import Trajectory as -> Gaussian Geometry Optimization dvojklik dvojklik průběh optimalizace C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -11Optimalizace geometrie alternativní postupy C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -12Příprava vstupního souboru, Avogadro Vstupní soubor pro výpočet můžeme vytvořit pomocí programu Avogadro. Příslušný nástroj naleznete v menu Extensions->Gaussian. ručně upravíme podle typu výpočtu vytvoří vstupní soubor pro výpočet Pokud je struktura výsledkem předchozího výpočtu v programu gaussian, neměli bychom tuto strukturu v programu Avogadro měnit (např. optimalizovat geometrii)! C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -13Optimalizace geometrie, výsledek 1) Aktivace modulu qmutil: $ module add qmutil 2) Zobrazení průběhu optimalizace (energie): $ extract-gopt-ene soubor.log 3) Průběh optimalizace (všechny geometrie): $ extract-gopt-xyz soubor.log > soubor_opt.xyz 4) Získání optimalizované geometrie (poslední): $ extract-xyz-str soubor_opt.xyz last > soubor_last.xyz pouze jednou v daném terminálu Je vhodné podívat se na průběh optimalizace, např. v programu vmd , Avogadro, nebo Nemesis. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -14Optimalizace geometrie, výsledek Průběh optimalizace (energie): [kulhanek@wolf ethan]$ extract-gopt-ene soubor.log # Coordinate: # Step Energy [kcal/mol] Energy [au] # --------- ------------------ ------------------ 1 0.000 -0.028650961 2 -0.171 -0.028922822 3 -0.188 -0.028950914 4 -0.190 -0.028953934 číslo optimalizačního kroku relativní energie vůči výchozí geometrii Energie optimalizované struktury, tedy geometrie obsažené v soubor_last.xyz, v Hartree. absolutní energie v Hartree C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -15Vibrační analýza C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -16Výsledkem vibrační analýzy jsou normální vibrace (lineárně nezávislé pohyby atomů v molekule) odpovídající zpřaženým harmonickým oscilátorům (jedná se o aproximaci). Vibrační analýzu lze využít k předpovědi absorpčních spekter v oblasti infračerveného záření (není příliš přesné) nebo k určení typu stacionárního bodu na ploše potenciální energie. Lze tak od sebe odlišit optimální strukturu (všechny frekvence vibrací jsou kladné) od tranzitního stavu (právě jedna frekvence musí být imaginární). Vibrační analýza se provádí pro geometrii, která byla optimalizována stejnou metodou, jaká bude použita pro vibrační analýzu. V opačném případě budou spočtené frekvence zcela chybné. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -17Vibrační analýza, vstup # PM3 FREQ NoSymm (prazdny radek) komentar (prazdny radek) naboj 1 znacka x y z znacka x y z znacka x y z ............... (prazdny radek) frekvenční analýza soubor ukládáme s příponou .com optimalizovaná geometrie C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -18Příprava vstupního souboru, NEMESIS 1) Optimalizaovaná geometrie 2) File->Export Structure as -> Gaussian Input 3) Nastavíme metodu a typ výpočtu, uložíme PM3 Frequencies Poslední (optimalizovaná) geometrie C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -19Výsledný soubor 1) Otevřete výstupní soubor v textovém editoru: $ kwrite soubor.log &> /dev/null & 2) Projděte souborem, pouvažujte nad významem jednotlivých sekcí: Input orientation: .... SCF Done: E(RPM3) = -0.289350395641E-01 A.U. after 9 cycles.... .... Harmonic frequencies (cm**-1), IR intensities (KM/Mole), Raman scattering activities (A**4/AMU), depolarization ratios for plane and unpolarized incident light, reduced masses (AMU), force constants (mDyne/A), and normal coordinates: 1 2 3 A A A Frequencies -- 224.6457 878.1828 878.1936.... ..... ------------------- - Thermochemistry - ------------------- ... Zero-point vibrational energy 194420.2 (Joules/Mol) ... Item Value Threshold Converged? Maximum Force 0.000005 0.000450 YES RMS Force 0.000002 0.000300 YES Maximum Displacement 0.000091 0.001800 YES RMS Displacement 0.000049 0.001200 YES ... Normal termination of Gaussian 09 at Sun Mar 10 20:23:36 2013. http://gaussian.com/g_whitepap/thermo.htm Vibrační analýzu lze provádět pouze na stacionárních bodech (optimalizovaných geometriích). C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -20Načtení výstupního souboru, NEMESIS 1) Projekt: Trajectory 2) File->Import Trajectory as -> Gaussian Vibrations dvojklik dvojklik zvolíme vibraci spustíme animaci C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -21Vibrační analýza alternativní postupy C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -22Vibrační analýza, výstup - Avogadro Do programu Avogadro načteme soubor.log, obsahující výsledky vibrační analýzy. Souhrn frekvencí jednotlivých normálních vibrací najdeme v menu Extensions->Vibrations. frekvence vibracívizualizace vibrací C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -23Vibrační analýza, výstup - Molekel http://www.youtube.com/watch?v=Aan97dvvVqk 1) Aktivace modulu molekel: $ module add molekel 2) Otevření programu molekel: $ molekel 3) Načíst do programu soubor soubor.log: 4) Animation->Per molecule settings … •Animation (Tab) → Animation mode → Vibration •Vibration (Tab) → zvolit danou vibraci 4) Animation->Start animation Molekel http://molekel.cscs.ch/wiki/pmwiki.php Program pro vizualizaci molekulárních struktur. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -24- Cvičení 1. Namodelujte molekulu formaldehydu. Najděte optimální geometrii. K výpočtu energie použijte semiempirickou kvantově chemickou metodu PM3. Jaká je délka vazby C=O? 2. Proveďte vibrační analýzu na optimalizované geometrii. Jaká je charakteristická vibrace vazby C=O? 3. Jaký je vztah normálních vibrací vůči vlastním číslům a vektorům Hessianu.