Q-chem

Q-CHEM

     

Q-Chem是一款功能齐全的从头算量子化学程序包,全面支持从DFT/HF到各种高级的post-HF相关能计算方法,被广泛用于处理工业界、学术界和国家实验室的各类理论模拟研究,在理论化学、药物设计、材料科学、生物化学以及相关领域的教学和研究中发挥了极大作用。可以包括研究分子结构、化学反应、分子振动、电子光谱、NMR谱和溶剂化效应等。


Q-Chem目前最新版本是4.1,包含了当前最新的量子化学方法,使用户能在研究工作中有最高的工作效率、并激励他们的创造思维。

 

& Q-Chem 4.1新功能

  • - 高度并行化(OpenMP、MPI)和有效多核兼容,实现HF、DFT和CCSD计算的高效运行;
  • - 使用最新技巧描述反应分子桥联的非平衡条件的T-Chem量子输运代码;
  • - M06, M08 and M11系列泛函的TDDFT计算;
  • - 扩展的冻结字符串方法,尤其是可用于过渡态结构细化的近似Hessian的构建;
  • - 扩展绝对定域分子轨道基能量分解分析计算到非限制性体系;
  • - XYGJ-OS分析能量梯度;
  • - 基于SCF计算的显式极化(XPol)单体方法,计算多体极化效应达线性标度;
  • - 用于分子间相互作用能量分解分析的基于“SAPT0”水平的对称性匹配微扰理论的计算;
  • - XPol与SAPT结合的XSAPT方法计算大分子簇内串分子间相互作用;
  • - 研究激发态的RAS-n-SF方法
  • - 势能面扫描;
  • - 具高密度和低密度极限间连续过渡的最新精确的LSD 相关泛函;
  • - 不破坏Kohn-Sham对称性的计算定域原子磁矩的新方法;
  • - 计算包括静态相关效应的Mayer型键序。


& Q-Chem4.0在取得巨大成功的3.2版的优异功能的基础上,增加了:

  • - 用于激发态结构优化的TDDFT的解析梯度和解析二阶导数计算
  • - 复杂位能面的IRC搜寻,
  • - 范围分割和扩散校正的DFT泛函,
  • - 更快的DFT、HF和耦合簇(CC)计算方法,
  • - 更多选择的激发态、溶剂化效应和电荷迁移的计算方法,
  • - 更有效的处理大分子体系的QM/MM方案,
  • - 大分子体系的激发态计算的最大重叠方法,
  • - 双电子性质的分析,
  • - 多核系统和GPU使用的内存共享。

 

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& Q-Chem 的特色

  • 1. 超快速DFT 计算(为一般DFT 计算速度的3 倍)
  • 2. 超快速MP2 计算(为一般MP2 计算速度的3-10 倍,与HF 的计算速度相当)
  • 3. 第一个线性标度的NMR 化学位移计算
  • 4. 适于自由基和激发态计算的新的DFT 和post-HF 计算方法
  • 5. 输入简便的QM/MM 杂化方法计算
  • 6. 新一代连续溶剂化计算模型(sm8, cosmo)
  • 7. 多核系统和GPU 使用的内存共享。

 

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& 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
  • - 用于结构优化的解析一阶导数
  • - 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,Gilbert-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。
  • - 基于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
  • - 用于结构优化的解析一阶导数
  • - 用于谐振频率分析的解析二阶导数

3. 线性标度方法

  • - 傅立叶变换库仑方法
  • - 连续快速多极方法
  • - 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. AOINTS 包用于双电子积分

  • - 结合了高性能积分技术的最新进展;COLD PRISM;J-矩阵引擎。

5. SCF 改进

  • - in-core 和直接SCF 的最优混合
  • - 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 波函的稳定性分析

& 最大重叠方法

  • - Fock 矩阵的直接最小化
  • - 极化原子轨道对分子优化的最小基

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& 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. 1. 到CHARMM 的接口
  2. 2. ONIUM
  3. 3. 更有效地处理大分子体系的QM/MM 方案

& 基于波函的电子关联处理
1. MP 微扰理论

  • - 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

  • - 根据物理图象截断完全MP2 的能量表达式,从而减少计算量
  • - 减少计算量相对于分子尺寸的标度,近似为两倍,却不明显丢失精度。
  • - 应用外推PAO 用于局域校正
  • - 可以使用分子中的双原子和分子中的三原子技术

3. RI-MP2

  • - 比MP2 和局域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-XX-CCSD;XX = EE, EA, IP, SF,能够灵活处理自由基,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)
  • - 广泛应用分子点群对称性,以改善效率
  • - 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. 优化轨道的耦合簇方法

  • - 优化轨道的双激发耦合簇(OD):可避免人为的对称破缺问题;优化平均场参考轨道使能量最小;Brueckner
  • - 耦合簇;OD,OD(T),和OD(2)的能量及梯度
  • - 优化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CASSCF 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. 支持的计算类型

  1. - 垂直激发吸收谱
  2. - 通过激发态能量的有限差分,进行激发态的结构优化
  3. - UCIS 和RCIS 进行激发态的振动分析
  4. - 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
  • - 高效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 有相当大的改善,但只有相近的计算量
  • - 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 有相当大的改善
  • - 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:改善了双、三自由基体系的处理;结合单行列式波函处理键断裂问题;可用于OD和CCSD 理论级别

  • - OOD 方法:与CCSD 激发态方法有几乎相同的数值性能;比TDDFT 精度更高,到计算量更昂贵
  • - EOM-VOOD 方法:类似于EOM-CCSD,但使用VOOD 方案
  • - 激发态特性计算:跃迁偶极矩和结构

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

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& 特性分析
1. 自动结构优化和过渡态优化

  • - 具有一般约束的结构优化: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
  • - 用约化内坐标保证迅速收敛,避免初始力常数矩阵
  • - 优化使用笛卡尔,Z-矩阵或离域内坐标
  • - 本征矢跟踪算法,用于过渡态和最小化
  • - GDIIS 算法用于最小化:使到平衡结构的收敛获得极大加速
  • - 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NBO 分析
5. Stewart 原子

  • - 从分子密度重新获得原子特性
  • - Q-Chem 用单位分解方法计算这些值

6. 动量密度
7. Intracules

  • - 独特的双电子函数,提供分子中库仑能和交换能关于位置和动量的最详尽信息

8. 分子中的原子

  • - 利用免费的AIMPAC 进行AIM 分析

9. 溶剂模型

  • - SM8
  • - COSMO
  • - 简单的Onsager 反应场模型
  • - Langevin 偶极模型
  • - 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.对角绝热校正

  • - 计算Born-Oppenheimer 对角修正,研究核与电子运动绝热距离的分解

 

& Q-Chem 创新点

 

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& Q-Chem效用示例


- Linux机群的快速DFT计算
对于有103个原子的紫杉醇分子,在有8CPU的Xeon机群上进行BLYP/6-31(df,pd)等级(1925个基函数)的能量和梯度计算,使用Q-Chem仅需28分钟。


- MP2能达到HF的计算速度
高效的RI算法使中等的大基组的MP2计算更为有效。左图是丙氨酸四肽相对构象能(有27个稳定结构)的比较的示例。


- 线性标度NMR计算
右图和表格给出计算的分子的NMR位移相对于环绕的水分子的数目的收敛性。这是迄今进行的最大体系的NMR计算,在HF/6-31G**等级共有3000个基函数。


- 新发现
Q-Chem独有的EOM-(EE, IP, EA, SF)-CCSD方法能有效地描述双或三自由基的多个组态。使用该方法发现了首个具有开壳层双重态基态的有机分子的实例,DMX三自由基的三个不成对电子呈反铁磁性式偶合。