C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -1Petr Kulhánek kulhanek@chemi.muni.cz Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita, Kotlářská 2, CZ-61137 Brno 12. Projekt Ia C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -2Molekula vody Dimer molekuly vody Molekula vody ➢ struktura a energie ➢ vliv báze ➢ vlastnosti Kvantově-chemické výpočty Dimer molekuly vody ➢ interakční energie ➢ vliv báze Část Ia C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -3K zamyšlení ➢ Jaký vliv má velikost báze na hodnotu absolutní energie molekuly vody? ➢ Jaký vliv má velikost báze na hodnotu absolutní energie dimeru molekuly vody? ➢ Jaký vliv má velikost báze na hodnotu interakční energie dimeru molekuly vodu? C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -4- Obsah ➢ Požadavky na zpracování výsledků ➢ Tématické okruhy ➢ Molekula vody ➢ Dimer molekuly vody C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -5Požadavky 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. C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -6Molekula vody (Téměř) Samostatný projekt C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -7- 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 pomocí vibrační analýzy, že nalezená geometrie odpovídá lokálnímu minimu na PES. 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) Na stejné geometrii opakujte výpočet uvedený v bodě 5 pro báze: cc-pVTZ, cc-pVQZ a cc-pV5Z C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -8Řešení – Varianta A 1) Počáteční geometrii molekuly vody vytvořte v programu Nemesis (Projekt: Build Structure). Geometrii modelu předoptimalizujeme pomocí molekulové mechaniky. Zvolte takové silové pole (Geometry->Optimizer Setup), které dle vašeho názoru nejlépe vystihne její geometrii. 2) Předoptimalizovanou geometrie modelu uložte ve formátu xyz pod názvem water.xyz do složky 00.input (File->Export Structure as …->OpenBabel). Dále uložte vstupní soubor pro program Gaussian (HF/cc-pVDZ, Geometry Optimization) s názvem opt.com do složku 01:opt (File->Export Structure as …->Gaussian). 3) V adresáři 01.opt spusťte výpočet v programu Gaussian pomocí prostředí Infinity. Štábní kultura 00.input 01.opt 02.freq 03.props 01.cc-pVDZ 02.cc-pVTZ 03.cc-pVQZ 04.cc-pV5Z C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -9- Řešení 4) V adresáři 01.opt otevřete soubor opt.log v programu Nemesis (Projekt: Trajectory, File->Import Trajectory from …->Gaussian->Geometry Optimization File). Analyzujte průběh optimalizace a geometrii optimalizovaného modelu. 5) Optimalizovanou geometrii uložte jako vstupní soubor pro Gaussian (HF/cc-pVDZ, Frequencies) s názvem freq.com do složku 02.freq (File->Export Structure as …>Gaussian). V adresáři spusťte výpočet v programu Gaussian pomocí prostředí Infinity. 6) V adresáři 02.freq otevřete soubor opt.log v programu Nemesis (Projekt: Trajectory, File->Import Trajectory from …->Gaussian->Vibrations File). Jedná se o stacionární bod prvního řádu? 7) Pokud ano, tak optimalizovanou geometrii postupně uložte do adresářů 03.props/01.cc-pVDZ, … Při vytváření vstupního souboru props.com pro Gaussian zvolte „MK Charges“ a správnou bázi. V adresářích spusťte výpočty v programu Gaussian pomocí prostředí Infinity. 8) Analyzujte vypočtená data a uložte je do tabulek. C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -10- Výsledky Metoda MM HF/cc-pVDZ Rozdíl d(HO) [Å] Q(HOH) [˚] Geometrie molekuly vody doplňte použité silové pole C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -11- Výsledky Báze E [au] Er [kcal/mol] 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 C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -12Řešení – Varianta B 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. Alternativní postup, upřednostňuje příkazovou řádku. C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -13- 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. 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. 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). Specifikujte checkpoint. 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 C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -14Dimer molekuly vody Samostatný projekt C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -15- 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) Na optimalizovane geometrii proveďte výpočet energie pro báze: cc-pVDZ, cc-pVTZ, ccpVQZ a cc-pV5Z. 6) Pro každou bázi určete interakční energii mezi molekulami vod. 7) Určete interakční energii extrapolovanou na CBS. C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -16- Řešení Postupuje se analogicky jako v předchozím případě. Štábní kultura 00.input 01.opt 02.freq 03.props 01.cc-pVDZ 02.cc-pVTZ 03.cc-pVQZ 04.cc-pV5Z C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -17- Výsledek Metoda MM HF/cc-pVDZ 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. C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -18- Výsledek Báze E Er Ei [au] [kcal/mol] [kcal/mol] cc-pVDZ 0,0 cc-pVTZ cc-pVQZ cc-pV5Z CBS výsledek výpočtu relativní energie vůči bázi cc-pVDZ interakční energie mezi molekulami vody Dimer molekuly vody monomereri EEE *2dim −=