Q-Chem - 量子化学程序包

 

Q-Chem软件是一款高精度量子化学计算工具，支持HF/DFT以及各种post-HF计算方法，在理论化学、材料化学、生物化学等相关领域的研究和生产中发挥了很大作用。量子化学方法已被证明对研究分子的化学和物理性质很有价值。所述Q-Chem软件汇集了各种计算方法和工具从头计算软件包，大大提高了速度和计算精度。此外，Q-Chem将容纳比以前更大的分子结构，不会损失精度，从而将量子化学的力量带到以前无法使用该工具的关键研究项目中。这款量子化学软件包，用于预测分子结构，反应性以及振动，电子和NMR光谱。

 

Q-Chem是由多个研究机构共同开发的从头计算量子化学软件包，开始是由诺贝尔化学获得者John.A.Pople主导开发的。从1999年Q-Chem1.2发布至今，Q-Chem软件已经成为一个功能很强的量子化学计算程序。目前新的版本是Q-Chem 6.2.0。

 

Q-Chem的特点：

• IQmol是Q-Chem的配套可视化软件，可以领取。Q-Chem也支持第三方可视化软件，如Avogadro、WebMO、Jmol等。

• 可进行跨节点并行计算。程序的代码经过完善，拥有更快的计算速度。

• 支持多种方法分析势能面。如冻结带方法、从头算分子动力学、路径积分蒙特卡洛方法及偏Hessian分析。

• 可进行能量组成分析。如可以把能量分解成库伦项、交换项及电荷转移项。

• 可研究电子转移耦合及激发能。支持的方法有限制性DFT、直接耦合及分子片段电荷。

• 拥有不一样的基态泛函。如色散校正泛函XDM、DF-04、XYGJ-OS、WB97X-2等。

• 快捷和更加准确的MP2方法。如SOS-MP2、双基组MP2及局域MP2方法。

• 支持激发态研究（包括开壳层分子）。如SOS-CIS(D)、TDDFT、ADC等。

• Q-Chem 提供个人技术服务，并会依据客户的要求开发所需的功能。

 

功能：

基态自洽场方法

1. Hartree-Fock方法

限制性，非限制性，和限制性开壳层形式

用于结构的解析一阶导数

用于谐振频率分析的解析二阶导数

 

2. 密度泛函理论

局域泛函和梯度校正泛函。交换泛函：Slater，Becke'88，Perdew'91，Gill'96，Gillbert-Gill'99，Handy-Cohen OPTX。关联泛函：VWN5，Lee-Yang-Parr，Perdew-Zunger'81，Perdew'86，Wigner，Perdew'91。EDF1交换-关联泛函。用户定义的交换-关联泛函。

HF--DFT混合泛函：B3LYP，B3PW91，B3LYP5，用户定义的混合泛函。

局域数值格点的数值积分方案：SG-0标准网格，SG-1标准网格，Lebedev和Gauss-Legendre角向积分方案

用于结构的解析一阶导数

用于谐振频率分析的解析二阶道速

 

3. 线性标度方法

傅立叶变换库仑方法

连续多级方法

线性标度HF交换方法

基于格点的线性标度积分，用于交换—关联泛函求值

线性标度NMR化学位移

 

4. AOINT包用于双电子积分

结合了高性能积分技术的新进展：COLD PRISM；J-矩阵引擎

 

SCF改进

in-core和直接SCF的混合

DIIS

初始猜测方案：重叠球平均原子密度，广义Wolfsberg-Helmholtz，从小基组投影，芯哈密顿量的猜测

SCF波函的分析

重叠方法

Fock矩阵的直接小化

计划原子轨道对分子的小基

 

基于波函的电子关联处理

1. M∅ller-Plesset围绕理论

限制性，非限制性，和限制性开壳层形式

直接和半直接方法计算能量

半直接方法的解析梯度，用于限制性和非限制性形式

在MP3，MP4和MP4SDQ方法的解析梯度计算中处理冻芯轨道

 

2. 局域MP2方法

根据物理图像截断MP2的能量表达式，从而减少计算量

减少计算量相对分析尺寸的标度，近似为两倍，却不明显丢失精度

应用外推PAO用于局部校正

可使用分子中的双原子和分析中的三原子技术

 

3. RI-MP2

比MP2和局部MP2快十倍

 

4. 耦合簇方法

CCSD：能量，以及作为能量有限差分的梯度

EOM--CCSD；=EE,EA,IP,SF，能够处理自由基，键的断裂，以及对称破缺问题

耦合簇能量的非迭代校正：三级校正CCSD（T），三级和四级校正CCSD（2）

广泛应用分析点群对称性，以效率

二次双激发耦合簇

QCISD，QCISD（T）和QCISD（2）用于能量

DIIS用于收敛加速

冻芯近似，用于增加可处理体系的尺寸

 

5. 轨道的耦合簇方法

轨道的双激发耦合簇（OD）：可避免人为的对称破缺问题；平均长参考轨道使能量变小；Brueckner耦合簇；OD，OD（T），和OD（2）的能量及梯度

价轨道的耦合簇方法（VOD）：传统CASSCF方法的耦合簇近似；在价活性空间利用截断的OD波函；比CASSCT有更少的磁盘空间需求和更小的体系标度，可处理较大体系；VOD，VOD（T），VQCCD，和VOD（2）的能量及梯度。

 

激发态方法

1. 计算类型

垂直激发吸收谱

通过激发态能量的有限差分，进行激发态的结构

UCIS和RCIS进行激发态的振动分析

自旋反转DFT

 

2. CIS方法

从Hartree-Fock基态波函计算激发态：获得定性的单电子激发态；结构与频率与基态Hartree-Fock结果有可比性

的直接算法用于计算闭壳层和开壳层体系的能量、解析梯度和二阶导数

XCIS用于二重和四重态计算

双激发微扰校正CIS（D），可使CIS误差减少两倍或更多，接近于MP2

 

3. TDDFT

从Kohn-Sham基态波函计算激发态能量

对于低位价激发态，TDDFT比CIS有相当大的计算量

提供激发态中关联效应的内在图像

自由基的低位价激发态，比CIS有相当大的

自旋反转密度泛函理论（SFDFT）：把TDDFT推广到低位价激发态之外；可用于键断裂的过程，以及自由基和双自由基体系

 

4. 基于耦合簇的激发态方法

EOM-CCSD

自旋反转激发态方法：了双、三自由基系统的处理；结合单行列式波函处理键断裂问题；可用于OD和CCSD理论

OOD方法：与CCSD激发态方法有几乎相同的数值性能；比TDDFT精度，到计算量更昂贵

EOM-VOOD方法：于EOM-CCSD，但使用VOOD方案

激发态计算：跃迁偶级矩和结构

 

5. 分解分析

显示电子跃迁的工具，用于把电子跃迁分类为价跃迁、Rydberg跃迁，混合跃迁，或电荷转换

 

分析

1. 自动结构和过滤态

使用Jon Baker博士的OPTIMIZE程序包，用约化内坐标迅速收敛，避免初始力常数矩阵

具有约束的结构：可施加于键角，二面（扭转）角，或平面外的弯曲；直角坐标中冻结原子；约束不一定要加在初始结构上。

使用笛卡尔，Z-矩阵或离域内坐标

本征矢跟踪算法，用于过渡态和小化

GDIIS算法用于小化：使到平衡结构的收敛获得很大加速

内反应坐标跟踪；沿着反应路径的连续平衡结构和过渡态

 

2. 振动光谱

自动调用解析和数值二阶导数

红外和拉曼强度

输出标准的统计热力学信息

同位素替换，用于与实验进行比较

非谐性校正

 

3. NMR屏蔽张量

 

4. 自然键轨道分析

使用NBO 4.0

 

5. Stewart原子

从分析密度重新获得原子

Q-Chem用单位分解方法计算这些值

 

6. 动量密度

 

7. Intracules

不一样的双电子函数，提供分子中库仑能和交换能关于位置和动量的详尽信息

 

8. 分析中的原子

利用AIMPAC进行AIM分析

 

9. 溶解模型

的Onsager反应场模型

Langevin模型

SS（V）PE：一种新的电解质连续模型

 

10. 基于Dirac-Fock理论的相对论能量校正

 

11. 对角热校正

计算Born-Oppenheimer对角修正，研究核与电子运动热距离的分解

 

基组

1. 高斯基组

2. 赝势基组

3. 用户定义的基组和赝势

4. 基组重叠误差（BSSE）校正

 

QM/MM

1. 到CHARMM的接口

2. ONIUM

 

Q-Chem 应用领域：

势能面扫描

Q-Chem 能够的给出分子在不同构型下的能量，帮助我们找到分子局部的能量很小值以获得稳定的分子结构。还可以根据分子的构象进行势能面扫描。

下图给出了采用Q-Chem计算的di-Peptoid在不同构象下的能量变化。研究者可以通过拟合分子能量和构象的关系构建势能面或分子力场。

 

分子间相互作用

Q-Chem采用Hartree-Fork，基于泛函的DFT方法和高精度的电子相关方法，多体微扰的MPn与Coupled-cluster理论来计算分子间的相互作用，并可以便捷的进行BSSE矫正。此外，Q-Chem还可以基于ALMO方法将分子之间的相互作用能进行分解。

 

Unravelling the Origin of Intermolecular Interactions Using Absolutely Localized Molecular Orbitals.J.Phys. Chem. A. (2007), 111, 8753

 

过渡态搜索和反应路径分析

Q-Chem 是业界公认的研究化学反应的有力工具。Q-Chem多种过渡态搜索的方法，并可进一步对反应路径进行分析和。得益于Q-Chem软件的率，研究者可以方便的研究化学反应相关问题。

Oxidative Dehydrogenation of Propane over a VO2-Exchanged MCM-22 Zeolite: A DFT Study.  ChemPhysChem (2010) , 11, 3432

 

激发态和光谱计算

除了研究基态的化学性质外， Q-Chem还激发态结构的能量计算和，新版本的Q-Chem还加入了M11等新的泛函并EOM-CCSD方法。Q-Chem可以计算光谱性质，：IR、Raman、紫外-可见、VCD、ECD等。下面的图片就是采用Q-Chem计算的DNA氘化碱基对的红外谱。

 

Infrared Characterization of the Guanine Radical Cation: Finger Printing DNA Damage. J. Phys. Chem . B. (2010),114,3660.

 

线性标度的量化计算

Q-Chem多种线性标度的量子化学反应，：傅立叶变换库伦方法，线性标度HF交换方法，基于格点的线性标度积分等。在下图所示的工作中，研究者采用Q-Chem软件中线性标度的GIAO-HF方法完成了含有1000多个原子体系的NMR化学计算。

Ab Initio NMR Spectra for Molecular Systems with a Thousand and More Atoms: A Linear-Scaling Method. Angew. Int. (2004), 43, 4485.

 

QM/MM计算

Q-ChemONIOM计算并自带了与分子动力学模拟软件CHARMM的程序接口。可以方便的进行QM/MM计算。

下图所示的研究工作采用Q-Chem和CHARMM软件考察了钙和镁离子在蛋白磷酸化酶中的作用机理。

 

Calcium inhibition of Ribonuclease H1 Two-Metal Ion Catalysis. J. Am. Chem. Soc. ASAP.