Berechnungsmethoden in Spartan

Spartan bietet eine große Bandbreite an Rechenmethoden an, die in der Lehre, im Labor oder von professionellen Modellierern benötigt werden. Auf alle nachgenannten Methoden hat man einen einfachen Zugriff über die GUI.

Methoden mit * sind parallel ausführbar und nur in der Spartan Parallel Suite verfügbar

• Molekularmechanisch
  Molekularmechanische Methoden sind derzeit die einzigen praktikablen Methoden für Rechnungen mit sehr großen Molekülen oder für die konformationelle Suche bei hochflexiblen Molekülen. Insbesondere MMFF94 hat sich sehr bewährt und stellt ein verlässliches und schnelles Werkzeug für konformationelle Analysen dar. Es gibt keine Limitierung bei der Anzahl der Kerne. Sowohl SYBYL- als auch MMFF94-Kraftfelder werden unterstützt. Während SYBYL das ganze Periodensystem nutzt, wurde MMFF94 spezifisch für die Reproduktion von Geometrien und Konformationen organischer Moleküle und von Biopolymeren parametrisiert. Zusätzlich fügt eine MMFFaq-Option eine Energiekorrektur der Zustände für wässrige Lösungen bei speziellen Anwendungen hinzu.
• Semi-empirisch
  Semi-empirische Ansätze stellen die simpelsten quantenchemischen Modelle dar und sind für die Berechnung der Struktur von Gleichgewichts- und Übergangszuständen geeignet. Insbesondere PM3 hat sich als verlässliches Werkzeug für Geometrierechnungen bei Übergangsmetallverbindungen anorganischer und organischer Natur gezeigt. MNDO-, AM1-, RM1-, PM3- und PM6-Methoden werden unterstützt. MNDO/d-Erweiterungen für schwere Hauptgruppenelemente wurden implementiert, und PM3-Parameter für die meisten Übergangsmetalle sind vorhanden.
• Hartree-Fock*
  Hartree-Fock-Modelle sind für die Vorhersage von Strukturen und Energien sowie die Berechnungen von Eigenschaften geeignet. Dies gilt insbesondere für organische Verbindungen.
  Ein weiterer Bereich von Basissätzen wird unterstützt: STO-3G, 3-21G, 6-31G*, 6-311G*, cc-pVDZ, cc-pVTZ und cc-pVQZ mit inkludierten Erweiterungen (d), (d,p), (2d), (2d,2p), (2df, 2dp), (3d, 3p), (3df, 3dp) sowie diffuse Funktionen und/oder zusätzliche Polarisationsfunktionen. Auf eine Auswahl an erweiterten Pople-, Dunning- und Alrichs/Weigend(defz)-Basissätzen kann vom "Calculations"-Dialog aus zugegriffen werden. Des Weiteren wird eine Vielzahl von Pseudopotenzialen für Rechnungen mit Molekülen, die Schwermetalle inkorporiert haben, unterstützt. Spartan erlaubt das Importieren von zusätzlichen Basissätzen und das Erstellen von Basissätzen. Eine Dual-Basissatz-Prozedur ist verfügbar, welche die Approximation einer Basissatz-Erweiterung unter Verwendung der Störungstheorie erlaubt, um eine erhöhte Präzision und Leistung zu ermöglichen.
• Dichtefunktional*
  Dichtefunktionalmodelle liefern typischerweise Ergebnisse in einer Qualität, die vergleichbar mit konventionellen Korrelationsmodellen wie MP2 ist, wobei sie nur geringfügig teurer sind als Hartree-Fock-Modelle. Entsprechend erstreckt sich ihr Anwendungsbereich vor allem auf qualitativ hochwertige Struktur-, Energie- und Eigenschafts-Rechnungen wobei Rechnung an anorganischen und organischen Übergangsmetallverbindungen dazuzählen.
  Lokal-Dichte-Modelle sowie BP-, BLYP-, EDF1-, EDF2- und B3LYP-Modelle werden mit den gleichen Basissätzen und Pseudopotentialen unterstützt wie die Hartree-Fock-Modelle. Das nicht empirische GCA-Funktional PBE wurde implementiert. Des Weiteren wurden Fünf Minnesota hybrid Meta-GCA-Funktionale von Zhao und Truhlar implementiert, um genau zu sein M05, M05-2X, M06, M06-2X und M06-HF, sowie deren lokales Meta-GCA-Funktional M06-L. Zusätzlich wurde das Spektrum der verfügbaren Funktionale für Berechnungen erweitert, wobei das Modell und die prozentuellen Anteile der Austausch- und Korrelations-Integrale angegeben werden können (inklusive Slater-Dirac, Vokso-Wilk-Nusair, Perdew-Zunger, Wigner, Becke88, Gill96, Gilbert-Gill99, Lee-Yang-Parr, Perdew86, GGA91, BMK, EDF1 und EDF2).
• Møller-Plesset
  MP2 ist vermutlich das simpelste Model, um Elektronenkorrelationen in vertretbarer Weise zu berücksichtigen und liefert allgemein genaue Beschreibung der Gleichgewichts-Strukturen, -Konformationen und -Energien einer Vielzahl chemischer Reaktionen, inklusive Reaktionen mit Bindungsbrüchen. MP-Methoden werden durch die gleichen Basissätze und Pseudopotentiale wie Hartree-Fock- und Dichtefunktional-Modelle unterstützt.
  * Das RI-MP2-Modell liefert nahezu identische Ergebnisse zu MP2, aber mit signifikanter Verbesserung der Leistung. Energieberechnungen sind eine Größenordnung und Strukturrechnungen um einen Faktor 3 schneller als das konventionelle MP2.
  MP3- und MP4-Modelle sind nur für Single-Point-Energieberechnungen verfügbar, da es sich um schnelle Varianten von MP2 für lokalisierte Orbitale handelt. Es werden die gleichen Basissätze und Pseudopotentiale wie für Hartree-Fock- und Dichtefunktional-Modelle unterstützt.
• Quantenchemische Kombinationsmethoden ("Thermochemical Recipes")
  Verschiedene Kombinationsmethoden für die hoch genaue Bestimmung von Bildungswärmen sind inklusive T1* verfügbar. Die T1-Kombinationsmethode liefert Ergebnisse innerhalb von 2 kJ/mol des auch verfügbaren G3(MP2)-Ansatzes, aber mit einer Leistungssteigerung der Geschwindigkeit von mehreren Größenordnungen im Vergleich zum G3(MP2)-Ansatz. Weitere Kombinationsmethoden enthalten G2 und G3.
• Erweiterte Korrelationsmethoden
  Eine Vielzahl von höherwertigen Korrelationsmodellen sind nur für Energieberechnungen verfügbar. Diese enthalten CCSD-, CCSD(T)-, OD-, OD(T)-, QCISD-, QCISD(T)-, QCCD- und QCCD(T)-Modelle mit den gleichen Basisätzen und Pseudopotentialen die auch für Hartree-Fock, Dichtefunktionale und Møller-Plesset verfügbar sind.
• Methoden für angeregte Zustände
  Berechnungen an angeregten Zuständen können zusätzlich zu der vollen Bandbreite an Dichtefunktional-Modellen mit Hilfe von CIS-, CIS(D)-, RI-CIS(D)- und TDDFT-Modellen berechnet werden.

Durchführbare Aktionen

Folgende Aktionen können in Spartan durchgeführt werden

Methoden mit * sind parallel ausführbar und nur in der Spartan Parallel Suite verfügbar

• Energy*
  Ermittelt die totale Energie (Hartree-Fock*, Dichtefunktional*, Møller-Plesset*, erweiterte Korrelationsanalyse), Bildungswärme (semi-empirisch oder über quantenchemische Kombinationsmethoden; "Thermochemical Recipes") oder Verformungsenergie (molekularmechanisch).
• Equilibrium Geometry*
  Ermittelt das lokale Energieminimum.
• Transition State Geometry*
  Bestimmung der Geometrie des Übergangszustandes mit der Möglichkeit, die Reaktionskoordinate zu berechnen.
• Calculate and Plot IR Spectra*
  Alle Methoden außer MP3, MP4 und auf Wellenfunktion basierenden Korrelationmethoden. Wird benötigt, um Übergangszustände zu bestätigen.
• Calculate and Plot NMR Spectra
  Chemische Verschiebung aus Hartree-Fock/DFT-Modellen
• Calculate and Plot UV/vis Spectra
  Hartree-Fock/CIS- und DFT/TDDFT-Modelle
• Conformational Analysis
  Durchsucht den Konformationsraum, um entweder die Konformation mit der niedrigsten Energie oder eine Auswahl der Konformationen mit der niedrigsten Energie zu bestimmen. Zusätzliche Prozedur zur Erzeugung einer Ähnlichkeitsbibliothek auf Basis des minimalen Satzes an Konformeren, die benötigt werden, um einen konformationellen Raum aufzuspannen (wird in Verbindung mit der Ähnlichkeitsanalyse genutzt).
• Energy Profile*
  Definierte und berechnete Energien für anwenderspezifische geometrische Koordinaten. Nützlich, um einen Übergangszustand entlang einer Reaktionskoordinate zu finden und um Energieveränderungen in der Konformationsebene zu analysieren.
• Similarity Analysis
  Schätzen und Bewerten der Ähnlichkeit zwischen Molekülen oder Molekülen und Pharmakophorenmodellen. Ähnlichkeitsanalyse basierend auf der molekularen Struktur oder den Deskriptoren der chemischen Funktion. Eine Ergebnisfunktion basierend auf rms-Abweichungen ist verfügbar und passt sich automatisch bei unvorteilhaften intramolekularen Interaktionen an.

Spartan Molecular Properties

In Ergänzung zu den Energien, den Gleichgewichts- und Übergangsgeometrien und Frequenzen liefert Spartan weitere wertvolle Eigenschaften:

• Atomic Charges
  Mulliken, tatsächliche Elektronegativität und Ladungen, die auf Anpassungen entsprechend des elektrischen Potenzials beruhen.
• Thermodynamics
  Enthalpie, Entropie und freie Energien, genauso wie Isotopen-Effekte, die auf berechneten Geometrien und IR-Vibrationsfrequenzen basieren.
• Electrical
  Dipole, Quadrupole und höhere Multipole. Polarisierbarkeit (inkl. Alpha-, Beta- und Gamma-Termen)
• Acidity and Basicity
  Acidität und Basizität sind für die gängigen Carbonsäuren und Amine verfügbar.
• Additional Properties
  Gewicht, Oberfläche, Volumen, Symmetriegruppe, HOMO- und LUMO-Energien, Bereich der polaren Oberflächenenergie, LogP, Ovalität, Q-Minus, Q-Plus, Elektronegativität und Härtegrad.
  
• IR and Raman Spectra
  Vibrationsspektren aus IR-Berechnungen, die den Plot und eine Animation der Schwingungsart beinhalten.
• Solvation
  Ein neues polares Kontinuumsmodell liefert Lösungsenthalpien für wässrige Lösungen und allgemein für un-/polare Lösungsmittel. Zusätzliche Lösungsmittelmodelle sind auch verfügbar, wie z.B. SM3, SM5.4, SM50R, SM8 und SM12.
• NMR Calculations
  Berechnungen der chemischen Verschiebung aus Hartree-Fock- und DFT-Modellen und ein Korrekturschema für das B3LYP- und das wB97X-D-Modell zur Bestimmung der chemischen Verschiebung von Kohlenstoff mit einer Genauigkeit von 1,4-1,5 ppm.
• UV/vis Spectra
  Vertikale Anregungsspektren, die entweder CIS/CIS(D)- oder TDDFT-Modelle benutzen, werden bereitgestellt.

Datenbankzugriff

Spartan enthält Zugriffsrechte auf eine große Anzahl sehr nützlicher Datenbanken, unter anderem: Die Spartan Molecular Database, die Spartan Reaction Database, die Cambridge Structural Database (muss separat lizenziert werden) und die Protein Data Bank (Internetverbindung notwendig). Detaillierte Informationen zu den Datenbanken sind auf der Spartan-Datenbank-Seite zu finden.

Methoden mit * sind parallel ausführbar und nur in der Spartan Parallel Suite verfügbar

• SMD*
  Zugriff und Abrufen/Ersetzen von bereits erzeugten oder importierten Strukturen aus einer Bibliothek von über 150.000 Molekülen, die schon auf bis zu 5 quantentheoretischen Ebenen vorberechnet sind: HF/3-21G, HF/6-31G*, EDF1/6-31G*, B3LYP/6-31G* und MP2/6-31G*. Die abrufbaren Daten beinhalten: Namen, Gleichgewichtsgeometrie, Energie in der Gasphase, geschätzte (wässrige) Solvatationsenergie, HOMO- und LUMO-Energie, Dipol-Momente, elektrostatische Anpassung der Atomladungen, Oberfläche, Polarität der Oberfläche, Volumen, Gewicht, Symmetrie und Spektraldaten.
  * Spartan enthält einen eingeschränkten Satz von mehr als 6.000 Molekülen. Ein Vollzugriff auf die SSPD (und SMD) ist in der Spartan Parallel Suite enthalten.
• SSPD*
  Die SSPD ist eine Sammlung von mehr als 275.000 Molekülen mit hoch exakten Strukturen, Energien, Eigenschaften, IR(nur EDF2)- und NMR-Spektren sowie deren Wellenfunktion für automatische Generierung grafischer Oberflächen.
  * Spartan enthält einen eingeschränkten Satz von mehr als 6.000 Molekülen. Ein Vollzugriff auf die SSPD (und SMD) ist in der Spartan Parallel Suite enthalten.
• SRD
  Zugriff auf eine exakte Struktursuche (inkl. Substruktursuche) auf die Spartan Reaction Database mit mehr als 1.500 Reaktionstypen, um für die Berechnung der Übergangszustandsgeometrie eine erste Strukturaussage zu treffen.
• SIRD
  Die Spartan-Infrarotdatenbank ermöglicht die Suche in der SSPD unter Verwendung eines experimentellen Spektrums als Ansatz.
• CSD
  Zugriff auf die Cambridge Structural Database (CSD) mit über 800 000 Strukturen organischer und organometallischer Moleküle, die experimentell mittels Röntgenstrukturanalyse ermittelt wurden. Spartan fügt optional Wasserstoffatome hinzu.
  * CSD kann über das Cambridge Crystallographic Data Centre oder einen Distributor gekauft werden.
• PDB
  Spartan kann Einträge basierend auf der PBD ID aus der RCDB PDB abrufen. Die Protein Data Bank beinhaltet mehr als 118.000 Strukturen von Proteinen und Nukleinsäuren aus NMR- und Röntgenstrukturanalysen.

Zusätzliche Features

• Listenbearbeitung
  Spartan bearbeitet automatisch Dateien bestehend aus einer Auflistung von Molekülen. Im Allgemeinen können Aktionen nicht nur auf ein einzelnes Molekül angewendet werden, sondern auch auf eine Liste von Molekülen. Spartan ist für die Arbeit mit Listen von mehreren hundert, tausend oder zehntausend Molekülen optimiert worden.
• NOEs
  NOE-Daten können für das Suchen von Konformationen als Nachbearbeitungsfilter eingesetzt werden.
• Online-Infrarot- und UV/vis-Daten
  Wenn eine Verbindung zum Internet vorhanden ist, kann Spartan experimentell ermittelte IR- (ca. 14.000 Moleküle) und UV/Vis- (ca. 1.500 Moleküle) Spektren vom NIST Chemistry Webbook beziehen und darstellen.
• Online-chemische-Verschiebungen für NMR-Daten
  Wenn eine Verbindung zum Internet vorhanden ist, kann Spartan die experimentell ermittelte chemische Verschiebung (ca. 50.000 Moleküle) aus der von der Universität Köln verwalteten NMR-Datenbank abrufen und grafisch darstellen.
• Liganden- und Bindungsstellene-Extraktion
  Optional kann Spartan gebundene Liganden und ihre Umgebung aus einem Protein-Verzeichnis (PDB) zusammen mit anpassbaren Deskriptoren der chemischen Funktionalität (Chemical Function Descriptors, CDFs) extrahieren.
• Randbedingungen und fixierte Atome
  Für anwenderspezifische Randbedingungen (wie Distanz, Winkel oder Drehwinkel) oder fixierte Atome stehen Geometrieoptimierung und konformationelle Analysen zur Verfügung.
• Nutzergenerierte Datenbank
  Die Spartan Molecular Database (SMD) und die Spartan Spectra and Properties Database (SSPD) kann über diesen Punkt erweitert werden. Anwender können sowohl Spartan-Daten in dem .spentry-Format (Spartan-Datenbankformat) speichern und eine kundenspezifische Datenbank erstellen als auch die Rechenmodelle erweitern und neue Moleküle hinzufügen.
• Wikipedia and ChemSpider
  Namensuche in Wikipedia und InChi-Suche in ChemSpider sind über den "Molecule Properties"-Dialog verfügbar.