C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -1Petr Kulhánek kulhanek@chemi.muni.cz Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita, Kotlářská 2, CZ-61137 Brno 11. Projekt I C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -2- Obsah  Požadavky na zpracování výsledků  Tématické okruhy  Molekula vody  Dimer molekuly vody C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -3Požadavky na zpracování výsledků Výsledky jednotlivých cvičení budou zpracovány do protokolu, který bude mít následující náležitosti: • Jméno a příjmení, název cvičení a datum • Pro každý tematický okruh: • Stručné shrnutí tématu včetně reakčního schématu, pokud je to vhodné • Použitý software včetně verzí • Výsledky (tabulky) • Tabulky • čísla zarovnány doprava • energie na 6 platných míst (au) nebo 2 platná místa (kcal/mol) • délka na 4 platná místa (A) • úhel na 1 platné místo (deg) • náboj na 3 platná místa (au) • Diskuze výsledků dle zadání • Použitá literatura (např. u experimentálních hodnot) Protokol ve formátu pdf je nutné odevzdat do konce semestru. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -4Molekula vody (Téměř) Samostatný projekt C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -5- Úkoly 1) Vytvořte model molekuly vody a jeho geometrii zoptimalizujte pomocí molekulové mechaniky. 2) Zoptimalizujte geometrii molekuly vody pomocí metody HF/cc-pVDZ 3) Změřte významné geometrické parametry optimalizované geometrie a srovnejte je s výchozím modelem. 4) Ověřte, že nalezená geometrie odpovídá lokálnímu minimu na PES, pomocí vibrační analýzy. 5) Pro optimalizovanou geometrii proveďte výpočet energie včetně výpisu průběhu SCF výpočtu, dipólového momentu a Mullikenových a MK (Merz-Singh-Kollman) atomových nábojů pomocí metody HF/cc-pVDZ 6) Zobrazte elektronovou hustotu, zobrazte isoplochu elektronové hustoty a na ní namapovaný elektrostatický potenciál. 7) Na stejné geometrii opakujte výpočet uvedený v bodě 5 pro báze: cc-pVTZ, cc-pVQZ a cc-pV5Z 8) Energii molekuly vody extrapolujte na CBS (Complete Basis Set), tj. určete hodnotu energie pro metodu HF/CBS 9) Extrapolujte dipólový moment na CBS hodnotu. 10) Srovnejte hodnotu vypočteného dipólového momentu s experimentální hodnotou, případný rozdíl diskutujte. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -6- Řešení 1) Počáteční geometrii molekuly vody vytvořte v programu Avogadro nebo Nemesis. Geometrii modelu předoptimalizujeme pomocí molekulové mechaniky (silového pole). Zvolte takové silové pole, které dle vašeho názoru nejlépe vystihne geometrii molekuly vody. Předoptimalizované geometrie uložte ve formátu xyz pod názvem water.xyz do složky 00.input Štábní kultura 00.input 01.opt 02.freq 03.props 01.cc-pVDZ 02.cc-pVTZ 03.cc-pVQZ 04.cc-pV5Z 2) Soubor water.xyz překopírujte do adresáře 01.opt a přejmenujte jej na opt.com. Přejmenovaný soubor otevřete v textovém editoru a změňte jej na vstupní soubor pro optimalizaci geometrie v programu Gaussian. Spusťte výpočet. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -7- Řešení 3) V adresáři 01.opt otevřete soubor opt.log v textovém editoru a analyzujte jeho obsah. Ověřte, že výpočet proběhl v pořádku a nalezněte optimalizovanou geometrii. Soubor zavřete. Ze souboru opt.log vyextrahujte informace o změně energie, dále odpovídající geometrie a optimalizovanou geometrii do souboru s názvem last.xyz pomocí skriptů z modulu qmutil. Soubor last.xyz otevřete v programu vmd, Avogadro, či Nemesis a změřte významné geometrické parametry. 5) Soubor last.xyz překopírujte do adresáře 03.props/01.cc-pVDZ a přejmenujte jej na props.com. Přejmenovaný soubor otevřete v textovém editoru a upravte jeho obsah pro výpočet energie metodou HF/cc-pVDZ. Zvolte úplný výpis (#P) a výpočet ESP atomových nábojů metodou Merz-Singh-Kollman (Pop=MK). Spusťte výpočet. Výstupní soubor props.log otevřete v textovém editoru a vyextrahujte z něj data do dále uvedené tabulky. 6) Postupujte analogicky jako v bodě 5, použijte postupně metody: HF/cc-pVTZ, HF/ccpVQZ, HF/cc-pV5Z 4) Soubor last.xyz překopírujte do adresáře 04.freq a přejmenujte jej na freq.com. Přejmenovaný soubor otevřete v textovém editoru a upravte jeho obsah pro výpočet normálních vibrací na úrovni teorie HF/cc-pVDZ. Spusťte výpočet. Výstupní soubor freq.log otevřete v textovém editoru a určete typ stacionárního bodu. Normální vibrace zobrazte v programu Avogadro nebo Nemesis. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -8- Řešení 6) (aug-)cc-pVXZ jsou konzistentně korelační báze, které vykazují exponenciální pokles energie systému se vzrůstající velikostí báze. Tento fakt lze využít k extrapolaci energie na úplnou bázi (CBS – complete basis set neboli HF-limitu). Bx CBS AeExE  )( kde x je číselné vyjádření pro X: 2 (D), 3 (T), 4 (Q) ECBS, A, B jsou neznámé konstanty, které lze učit z hodnot energie pro tři hodnoty x (báze). xB CBS eAPxP ' ' )(   Podobná závislost platí i pro jiné vlastnosti systému, např. dipólový moment, frekvence vibrace, geometrický parametr, apod. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -9- Výsledky Metoda MM HF/cc-pVTZ Rozdíl d(HO) [Å] Q(HOH) [˚] Geometrie molekuly vody doplňte použité silové pole C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -10- Výsledky SCF Krok E [au] DEprev [au] 1 --- 2 3 4 ... Molekula vody – průběh SCF metody HF/cc-pVDZ doplňte podle skutečného počtu SCF kroků změna energie vůči předchozímu kroku Poznámka: Hodnoty energie vyextrahujte ze souboru manuálně nebo použijte příkaz grep. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -11- Výsledky Mulliken MK ESP Báze E [au] Er [kcal/mol] m [D] q(H) q(O) q(H) q(O) cc-pVDZ 0,0 cc-pVTZ cc-pVQZ cc-pV5Z CBS ---- ---- ---- ---- Molekula vody výsledek výpočtu absolutní energie (E(RHF)) relativní energie vůči bázi cc-pVDZ dipólový elektrostatický moment atomové náboje C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -12Dimer molekuly vody Samostatný projekt C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -13- Úkoly 1) Vytvořte model dimeru molekuly vody a jeho geometrii zoptimalizujte pomocí molekulové mechaniky. 2) Zoptimalizujte geometrii dimeru molekuly vody pomocí metody HF/cc-pVDZ 3) Změřte významné geometrické parametry optimalizované geometrie a srovnejte je s výchozím modelem. Pozorované rozdíly se pokuste zdůvodnit. 4) Ověřte, že nalezená geometrie odpovídá lokálnímu minimu na PES, pomocí vibrační analýzy. 5) Pro optimalizovanou geometrii proveďte výpočet energie se započítáním BSSE korekce. 6) Na stejné geometrii opakujte výpočet uvedený v bodě 5 pro báze: cc-pVTZ, cc-pVQZ a cc-pV5Z 7) Energii dimeru molekuly vody extrapolujte na CBS (Complete Basis Set), tj. určete hodnotu energie pro metodu HF/CBS 8) Pro každou bázi určete interakční energii mezi molekulami vod. Srovnejte ji s hodnotou vypočtenou s použitím úplné báze. Srovnejte hodnotu interakční energie s hodnotou BSSE chyby. Výsledky diskutujte. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -14- Řešení Postupuje se analogicky jako v předchozím případě. Do výpočtu energie je však nutné zahrnout korekci na BSSE (Counterpoise=2 + definice fragmentů). Štábní kultura 00.input 01.opt 02.freq 03.props 01.cc-pVDZ 02.cc-pVTZ 03.cc-pVQZ 04.cc-pV5Z C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -15- Výsledek Metoda MM HF/cc-pVTZ Rozdíl d(HO) [Å] Q(HOH) [˚] d(H...O) [Å] Geometrie dimeru molekuly vody doplňte použité silové pole vodíková vazba Dle vlastního uvážení uveďte další geometrické parametry, které nejlépe postihnou rozdíl mezi oběma geometriemi. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování - cvičení -16- Výsledek Báze E Er EBSSE EBSSE Ei [au] [kcal/mol] [au] [kcal/mol] [kcal/mol] cc-pVDZ 0,0 cc-pVTZ cc-pVQZ cc-pV5Z CBS výsledek výpočtu absolutní energie včetně korekce na BSSE relativní energie vůči bázi cc-pVDZ interakční energie mezi molekulami vody Dimer molekuly vody monomereri EEE *2dim 