Spartan – Neu in Spartan 20

Neu in Spartan

Nachfolgend finden Sie die jeweils neuen Features von Spartan in der aktuellsten Version.

Neu in Spartan 20

Generate Isomers

A new tool provides automatic stereoisomer/regiosiomer elaboration. The input consists of a single molecule (isomer) with appropriate markers to indicate centers to be inverted (leading to stereoisomers) and bonds to be modified (leading to regioisomers). The result is a list of isomers. This list can then be submitted as an:

  • Equilibrium Conformer calculation leading to a list of the best conformer of each isomer.
  • Conformer Distribution calculation leading to Boltzmann-weighted conformer lists for each isomer.
  • NMR calculation leading to DP4 scores for each isomer after Boltzmann averaging over available conformers.

Isomer Generation Tool

The isomer generation tool has also been extended to transition states that lead to isomeric products.

NMR - Boltzmann-averaged NMR

A new, simplified, and order of magnitude faster protocol for comparing calculated and experimental NMR chemical shifts for conformationally-flexible molecules has been implemented. This replaces the accurate calculation of Boltzmann weights (the slow step in the protocol released in Spartan’18) by choosing from among “reasonable” low-energy conformers providing proton and 13C chemical shifts that best match experimental values.

An important use of NMR spectroscopy by synthetic chemists is to establish stereochemistry and/or regiochemistry for a “known” reaction. By combining automatic isomer generation with previous or new protocols for dealing with conformationally-flexible molecules, Spartan’20 can do this in a single step, starting with a single conformer of one isomer and resulting in proton and 13C chemical shifts that have been properly conformationally averaged or, in the case of the new protocol, best fit the experimental data, for each of the isomers. The DP4 score can then be examined to decide which isomer best fits the experimental proton and/or 13C chemical shifts. Single step access to the original Goodman DP4 recipe has also been implemented.

Coupling Constants

Empirical relationship for 2 and 3-bond CH coupling constants based on comparisons of calculated coupling constants with experimental data. Whereas, empirical (Karplus-like) relationships for 3-bond HH coupling constants have long been available, this provides (to our knowledge) previously unavailable and analogous but more complicated relationships for CH coupling constants.

2D NMR Spectra

2D NMR spectra, COSY (proton vs. proton) and HMBC (13C vs. proton), based on calculated chemical shifts and either calculated or empirical estimated HH and CH coupling constants. Observed HH and CH couplings may be entered and the resulting calculated and (simplified) experimental COSY and HMBC spectra visually compared.

Databases

  • Natural Products Database
    A Database of natural products with conformationally averaged calculated (from the protocol introduced with Spartan’18) NMR spectra and experimental spectra. This now comprises ~3,500 compounds and continually updated with new literature.
  • SSPD (Spartan Spectra & Properties Database)
    The SSPD subset (installed automatically with the program) has been expanded to include IR frequencies from the ωB97X-D/6-31G* model structures. The full 300,000+ database (separate installation) now includes energies from the ωB97X-V/6-311+G(2df,2p) energies (as a property). These energies are accessible from the Molecule Properties and the Reactions dialogues.

Parallel Processing

Aside from NMR and frequencies, we have made improvements to parallel performance which previously saw a performance plateau at around 10 cores. This now begins to plateau at around 15 cores (energy and geometry calculations). The plateau will become more and more relevant as the number of cores in chips that are readily available continues to increase (32 and 64 core chips are now available and this is likely to extend to 128 and 256 core chips in the not too distant future. Modest improvements to parallel performance of the frequency code have been implemented. Future development efforts include improved parallelization of the NMR code.

Graphical Interface

  • 2D Drawings
    Changes have been made to the 2D Sketch builder to allow an alternative option for increasing bond count (single to double, double to triple), and to designate stereochemistry via wedges. Experimental proton and 13C chemical shifts and HH and CH couplings may now be attached to 2D drawings.
  • Measure Distance
    A change has been made to allow distances inside rings to be changed in a single step.
  • Output Summary
    This HTML presentation format has been improved resulting in an order or magnitude (or more) speed increase as some data tables are calculated on-the-fly upon opening.

Computational Enhancements

  • Double Hybrid Functional
    The ωB97M(2) double hybrid functional has been added for energy calculations only.
  • Spartan’20 will take advantage of up to 16 cores for parallel jobs, with the option to license >16 cores as well (for high performance multicore systems), and will include the implementation of the latest Q-Chem version (5.2.1 at the time this list was compiled) and is the result of continued collaboration (begun with the release of Spartan’02 in 2002). Through this collaboration customers benefit from both GUI and computational enhancements in the Spartan code-base, as well as a growing range of computational approaches and modern computational methods included in Q-Chem.

Neu in Spartan 18

Spartan 18 weist folgende Neuerungen auf:

  • flexible Konformations-Systeme, neues automatisiertes Boltzmann-basiertes NMR-Verfahren
  • verbesserte Parallelisierung
  • die Möglichkeit, von 3D-Molekülen auf 2D-Skizzen zu wechseln und umgekehrt.

Des Weiteren hat Spartan 18 ein automatisiertes Verfahren, das mit MMFF (molecular modeling force field) beginnt und sich durch eine Reihe von quantenchemischen Berechnungen arbeitet, um zu einer präzisen Boltzmann-Verteilung zu gelangen, die verwendet wird, um NMR-Spektren (sowohl 13C als auch Proton) zu erhalten, zusammen mit anderen Eigenschaften wie Energie, Dipolmoment und Ladungen.

Neu in Spartan Version 16

Grafische Schnittstelle

  • Erweiterung der 2D-Zeichenwerkzeuge, um anorganische und organometallische Moleküle einzubinden (inklusive neuer Vorlagen für funktionelle Gruppen und Liganden)
  • Definition von Übergangszuständen in 2D
  • Automatische Transformation von 2D-Zeichnungen in 3D-Strukturen zu Analysezwecken
  • 3D-Erstellungsfunktion mit der Fähigkeit zur Verknüpfung von Ringen
  • Schneller Zugang zu R/S-Chiralitätsanzeigen (Invertierung von chiralen Zentren oder der absoluten Chiralität im "Build"-Modus

Spezifizierung von Rechnungen

  • Erweiterung von Menüs mit Dialogfeldern um intelligente Auswahlwerkzeuge für Berechnungen für einen großen Bereich an Dichtefunktionalen und wellenfunktionsbasierten Korrelationsmodellen und zusätzliche Basissätze
  • Verbesserte Hinweisfunktion bei Werkzeugen
  • Integrierte Hilfefunktion, die bekannte Fehler in den Einstellungen vor dem Abschicken der Rechnung vorhersieht und zusätzliche erweiterte Hilfestellung bei nicht erfolgreich abgeschlossenen Rechnungen

Visualisierung und Datenanalyse

  • Darstellung von Eigenschaftskarten, z. B. Karte des elektrostatischen Potenzials) optional mit rot-weißer Farbskalierung; dabei kann zwischen standardisierten Eigenschaftsbereichen (ideal für den Vergleich von Molekülen) und absoluten Eigenschaftsbereichen für individuelle Moleküle umgeschaltet werden.
  • Verbesserung der Visualisierung von Makromolekülen durch verfeinerte Bänderdarstellung
  • Verbesserte Arbeitsblattdesigns mit direktem Zugriff auf alle Eigenschaften des entsprechenden Dialogs
  • Direkte Ausgabe der Orbitalenergien eines Orbitalenergie-Diagramms in das entsprechende Arbeitsblatt
  • Integriertes Formelwerkzeug für den Zugriff auf erweiterte Arbeitsblatteigenschaften

Rechenmodelle

  • Dichtefunktional
    (zugänglich über das Dialog-Menü für Berechnungen)
    • GGA-Funktionale: B86PW91, BPW91, B97-D2, SOGGA11, PBE-D3, VV10
    • GH-GGA-Funktionale: B3LYP-D3, B3PW91, B97-3, MPW3LYP, SOGA11-X
    • RSH-GGA-Funktionale: ωB97X-V, ωB97X, CAM-B3LYP, N12-SX, LC-VV10
    • mGGA-Funktionale: B97M-V, M06-L, BMK, M11-L, TPSS-D3
    • GH-mGGA-Funktionale: M06-2X, M08-HX, M08-SO, MPW1B95
    • RSH-mGGA-Funktionale: M11, ωB97M-V, MN12-SX
  • Angeregte Zustände
    Analytische Gradienten für zeitabhängiges Dichtefunktional (TDDFT)-Modelle wurden in Spartan 16 implementiert. Sie ermöglichen es, für angeregte Zustände Geometrien von Gleichgewichts- und Übergangszuständen zu bestimmen. Dies war zuvor auf CIS-Modelle beschränkt.
  • Lösungsmittelmodelle
    Für Hartree-Fock- und Dichtefunktional-Modelle ist in Spartan 16 ein neues Lösungsmittelmodell (C-PCM) zur Bestimmung von Energien, Geometrien und Übergangszustandsoptimierung verfügbar. Lösungsmittelmodelle aus vorangehenden Versionen (SM5.0R, SM5.4, SM8 und SS(V)PE) bleiben weiterhin als so genannte "type-ins" erhalten. Zusätzlich wurde Q-Chems SM12-Implementierung hinzugefügt.
  • Quantenchemische Kombinationsmethoden ("Thermochemical Recipes")
    Die Methoden G4 und G4(MP2) sind in Sparten 16 zu den bereits implementierten Methoden T1, G3 und G3(MP2) hinzugekommen.
  • Basissätze
    In Spartan 16 ist eine große Auswahl an Pople-, Dunning- und Ahlrichs/Weigend-Basissätzen verfügbar. Die Funktion der manuellen Eingabe zur Definition von zusätzlichen Basissätzen wie bisher bleibt erhalten.

Spektroskopie

  • NMR
    Ein empirisches Korrekturschema der dritten Generation für Protonen, 13C- und 19F-Verschiebungen wurde in Spartan 16 implementiert und ist für die Kombinationen B3LYP/6-31G*, ωB97X-D/6-31G* und ωB97X-D/6-311G* verfügbar. Dadurch wird eine erhöhte Genauigkeit unter Verwendung von weniger Parametern als bei der vorangehenden EDF2/6-31G* erreicht.
  • IR/Raman
    ωB97X-D/6-31G*-, B3LYP/6-31G*- und EDF2/6-31G*-Frequenzen werden in Spartan 16 automatisch skaliert, um systematischen Fehlern im Zusammenhang mit der zugrundeliegenden harmonischen Approximation Rechnung zu tragen.
  • UV/Vis
    Berechnungen der angeregten Zustände können in Spartan 16 parallelisiert durchgeführt werden, was zu besseren Ergebnissen bei UV/Vis und Berechnungen von angeregten Zuständen im Generellen führt.

Datenbanken (teilweise nur in Spartan Parallel Suite*)

Die Spartan "Spectra & Properties Database" (SSPD) wurde mit Version 16 von Spartan auf etwa 275.000 Moleküle erweitert und enthält nun ωB97X-D/6-31G*-Einträge, zusätzlich zu den DF2/6-31G*-Einträgen.

Unter Ausnahme einer Sammlung von rund 3.500 Trivialnamen sind alle Einträge nach IUPAC benannt und enthalten eine 2D-Zeichnung, auf die über den Dialog "Molecule Properties" zugegriffen werden kann.

Alle Einträge wurden konformationell gesucht und strukturoptimiert. Des Weiteren sind Molekül- und atomare Eigenschaften und NMR-Spektren für alle Einträge verfügbar. EDF2/6-31G*-Einträge enthalten zusätzlich IR-Spektren. Alle Einträge enthalten die Wellenfunktion zur Echtzeiterzeugung von grafischen Karten der Oberflächeneigenschaften.

* In allen Spartan 16-Versionen ist eine kleine Auswahl an gängigen organischen Standardverbindungen (rund 6.000 Moleküle) enthalten. Die vollständige Datenbank ist nur in der Spartan Parallel Suite 16 enthalten.

Parallelverarbeitung (nur in Spartan Parallel Suite)

In der Spartan Parallel Suite 16 wurde eine Prozedur für die Rechnung mit geteiltem Speicher implementiert, die den Speicherbedarf für parallel stattfindene Rechnungen siginifkant reduziert und die allgemeine Performance um rund 25 % verbessert.

Berechnungen im angeregten Zustand (Energien oder Geometrien) sind nun auch in paralleler Ausführung möglich. In Verbindung mit analytischen Gradienten ermöglicht das eine signifikante Leistungssteigerung bei der Optimierung im angeregten Zustand.

Alle parallelen Fähigkeiten, die bereits in vorangehenden Versionen zur Verfügung standen, wurden mit neuen Prozeduren für die Rechnung mit geteiltem Speicher versehen. Eine Ausnahme davon bildet die Berechnung der vibronischen Frequenzen mittels Dichtefunktional-Modellen.

Neu in Spartan Version 14

  • 2D Sketching
    Spartan'14 stellt Werkzeuge zum Zeichnen organischer Moleküle zur Verfügung und kann diese direkt in 3D-Strukturen umwandeln, wie sie z.B. für Berechungen beim Molecular Modeling benötigt werden. Wedge Marker zeigen dem Anwender die korrekte stereochemische Ausrichtung.
  • Verbesserte NMR-Vorschau
    Die chemischen Verschiebungen aus den EDF2/6-31 G Dichte-Funktional-Berechnungen wurden mit empirischen Daten angepasst, wodurch sich starke Verbesserungen in der Genauigkeit ergaben.
    Die Qualität der angepassten Spektren ist so gut, dass sie:
    • verlässlich die experimentellen NMR-Spektren von Stoffen mit bekannter Struktur vorhersagen,
    • helfen, eine angenommene Struktur zu bestätigen oder zu entkräften,
    • helfen, aus mehreren Strukturen die passende auszuwählen.
  • Erweiterte Spartan Spectra and Properties Database (SSPD)
    Über die SSPD-Datenbank hat Spartan'14 Zugang zu NMR- und IR-Spektren, Strukturen, Energie, usw. von mehr als 250.000 Molekülen. Grafische Modelle können online generiert werden. Tautomere und (de)protonierte Formen werden automatisch mit angezeigt.
  • Selbsterklärende Spektren und Data Plots
    NMR, Raman, UV und Spektren im sichtbaren Bereich, welche die quantenchemischen Modelle aus Spartan'14 nutzen oder aus der SSPD-Datenbank gezogen werden, werden in einer sehr einfachen und selbsterklärenden Form angezeigt. Verbindungen zwischen 1H- oder 13C-Spektren und den Atomen eines Moleküls werden angezeigt, genauso wie zwischen den Banden eines IR- oder Raman-Spektrums und den zugehörigen Schwingungen des Moleküls.
  • Anpassbare Benutzeroberfläche
    Die Spartan-Benutzeroberfläche ist jetzt individuell anpassbar. Die Anzeige der Spektren und Plots sowie die Menüs und Icons können individuell angepasst werden.
  • Touch-Sreen-Funktionalität
    Da immer mehr Computer mit Touch-Screens in Gebrauch sind, unterstützt auch Spartan'14 diese Funktionalität in vollem Umfang.
  • Server
    Spartan'14 Parallel Suite kann sowohl als Datenbank- als auch als Computerserver genutzt werden für z.B. ihren iPod oder ihr iPhone (mit der iSpartan App). Es kann gleichzeitig mit zwei verschiedenen Geräten auf die Spartan Parallel Suite zugriffen werden.

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