对量子化学计算软件性能的分析及对比_鲁萍

2011年5月吉林师范大学学报(自然科学版)

.2第2期Journal of Jilin Normal University (Natural Science Edition)May.2011

收稿日期:2011 03 29 基金项目:吉林省自然科学基金项目(20101524)

第一作者简介:鲁 萍(1985 ),女,吉林省长春市人,现为吉林师范大学计算机学院硕士研究生.研究方向:数据库应用技术.*通讯作者:谭振江(1965 ),男,吉林省东丰县人,教授,博士.研究方向:计算机应用.

对量子化学计算软件性能的分析及对比

鲁 萍,谭振江*

(吉林师范大学计算机学院,吉林四平136000)

摘 要:量子化学计算软件是将量子化学复杂的计算过程程序化,从而便于人们的使用及提高量化计算的效

率.文中概括的介绍了三种量子化学计算软件的具体功能及其所适用的研究领域,并对其做了分析对比.希望能够让更多的该领域研究者认识并了解量子化学计算软件,从而使用这些软件来辅助科学研究.

关键词:量子化学计算软件;Hyperchem;Gaussian;MOPAC

中图分类号:O6 04 文献标识码:A 文章编号:1674 3873 (2011)02 0107 03

0 引言

量子化学作为理论化学的一个分支学科,是应用量子力学的基本原理和方法来研究化学问题的,

其研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其之间的关系;分子与分子之间的相互作用相互碰撞和相互反应等问题.

量子化学对分子结构及其性质的解释与预测是任何其它工具所不能代替的,但对于大多数的化学研究者来说,没有必要、也不可能弄清楚量子化学计算的每个细节,研究人员关心的只是其计算结果,此时就可以借助量子化学计算软件来解决问题.

计算机作为一种化学学习和研究工具有着无法取代的作用.它不仅能够帮助我们进行文字和图形的处理,也可以在化学学习与研究的各个方面辅助我们更快、更好的工作.下面介绍了三种常用的并能在个人PC 机上使用的量子化学计算软件,希望能在学习和研究等方面对读者有所帮助.

1 量子化学计算软件的介绍

1.1 Hyperchem

Hyperchem 是一款优秀的分子模拟与教学软件,具有灵活性高,质量高,操作简单的特点,可进行量

子化学计算、分子力学及分子动力学的模拟.而且Hyperchem 具有方便的模拟工具和美观的图形界面,

使初学者容易对其进行操作.

Hyperchem 在Windows 操作系统即可运行,并且HyperChem 程序有不同的版本,通过网络可以免费

下载;Hyperchem 支持从头计算法、半经验法、分子力学及密度泛函法等,并能计算振动光谱、电子光谱、分子动态学等,所得结果可以用非常漂亮的三维图

形表示出来.

HyperChem 不仅能绘制分子的平面结构,还能获得分子的空间构型,而且还可以借助HyperChem 的计算功能获得分子的键长、键角、扭转角、氢键等参数.该计算软件包含由实验数据构成的数据库(键长、键角、二面角等),可以迅速构成分子体系骨架,建立起3D 或2D 分子结构模型,也可提供量子化学、分子结构、分子动力学等方面的计算.例:用Hy perChem 计算的甲醛的HOMO 如图1所示

.

图1 用HyperC hem 计算的甲醛的HOMO

1.2 Gaussian

Gaussian 是一个功能强大的量子化学综合软件包,其可执行程序可在不同型号的大型计算机、超级计算机、工作站和个人计算机上运行,并具有相对应的版本.该软件具有计算精度高、适用范围广及容易

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操作等特点,目前已成为国际上公认的计算结果具有较高可靠性的量子化学计算软件;目前Gaussian 03是Gaussian 系列电子结构程序的最新版本,它在化学、化工、生物化学、物理化学、计算化学等化学及计算机相关领域方面的功能都有所增强.

Gaussian 在Unix 、Linux 或Windows 操作系统上都可以运行其研究内容包括:分子能量和结构,过渡态的能量和结构,化学键以及反应能量,分子轨道,偶极矩和多极矩,原子电荷和电势,振动频率,红外和拉曼光谱,NMR,极化率和超极化率,热力学性质,

反应路径;计算可以模拟在气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态,并且Gaussian 03还可以对周期边界体系进行计算.

Gaussian 是做半经验计算、从头计算及密度函理论使用最广泛的量子化学计算软件,包含从头计算法、半经验方法以及分子力学等多种方法.

例:下面以H 2O 分子在(从头算)RHF/STO 3G 水平上的单点能量计算为例.应用G98W 时,计算结果

的图形显示以及较复杂分子的构建均需借助于辅助软件的配合使用.如图2所示,在外部浏览器Chem3D 5.0上显示已完成计算作业的分子的3D 图形(在本

例中指定的外部浏览器是

Chem3D)

图2 外部浏览器上显示已完成计算作业的分子3D 图形

1.3 MOPAC

MOPAC 是世界上普及率最高的半经验量化程序,

用于研究气体、溶液和固体的化学特性,计算出的分子轨道及电荷密度等可以用三维图形表示出来.

MOPAC 可以计算分子、原子团和聚合物的振动光谱、热力学量、同位素影响和力常数,其中的一个过渡态定位程序和两个过渡态优化程序用于研究化学反应.

MOPAC 在Windows,Unix/Linux 操作系统上都可以运行,可以进行的计算有:几何优化,过渡态结构,激发态结构,线性比例SCF 计算(MOZYME 方法),反应坐标能量图,热构成(气相或溶液),简正模式振动分析,溶剂特性(气相,水,辛醇等),IR 光谱,原子电荷,极化率,偶极矩,分子轨道,电子密度,梯度范数,力,能量分配,ESP 原子电荷,键序,参量化分子静电势,体系间交叉结构,氨基酸片断顺序的结构分析,IRC/DRC.

其研究内容包括Gibbs 自由能活化能,反应路径,偶极矩,非线性光学特性以及红外光谱等.它还可以用做为结构 特性(或活性)定量的基础,预测生物学及其它特性,包括致癌性,蒸汽压,水溶解性,反应率等.MOPAC 中获取专利的MOZYME 算法可以使那些在超级计算机上需要几天或者几周的计算,在PC 机上仅需要几分钟.对于包含上千原子的体系,诸如蛋白质,聚合物,半导体和晶体,它们的电子特性计算仅仅需要几分钟或几小时.例:利用

MOPAC 计算高聚合物聚对苯二甲酸乙二醇酯,如图3所示

.图3 PET(ball&stick)(聚对苯二甲酸乙二醇酯球棍结构)2 量子化学计算软件的分析及对比在操作平台方面,Gaussian 和MOPAC 可以支持Windows 和Unix 不同的操作系统平台,而Hyperchem 仅支持Windows 平台.

在建立输入文件方面,Gaussian 需要借助GaussVie w 的图形化使用界面,这样操作起来比较繁琐并且不方便,而Hyperchem 和MOPAC 都可以直接利用自身的图形界面完成,操作起来简单方便.

在计算功能方面,从Molecular Mechanics (分子力学)方面的计算来讲,HyperChem 可以提供四种作

用力场,而MOPAC 基本没有这项功能.

在半经验法(se mi empirical)的计算能力方面,MOPAC 最强,拥有MOPAC 97程序的AM1、PM3、MN

DO 和MNDO/d Hamiltonians 和MOS F 程式的INDO/S 、C NDO/S 、CNDO/S2、C NDO/S3和C NDO/2Hamilto nians,种类最为齐全.

在从头算方法(ab initio)的计算能力方面,Gaus sian 拥有最全的计算方法,并且其包括的函数最多,功能最强,HyperChem 次之,MOPAC 则没有此项功能.

在反应路径(Reaction Path)的计算能力方面,Gaussian 和MOPAC 可以做IRC(Intrinsic Reaction C o

ordinate)的计算,HyperChem 则不可以.

在激发态(E xcited Sta te)的计算能力方面,Gaus sian 有ZI NDO 、CIS 、CASSCF,以及Time Dependent

(TD)方法配合HF 及各种DFT 方法使用,功能最多最全,而HyperChem 和MOPAC 的方法则比较少,功

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