Кафедра химической кинетики
Образовательная программа кафедры химической кинетики

Практическая квантовая химия

Спецкурс кафедры химической кинетики для студентов, аспирантов, сотрудников и других заинтересованных лиц,
прослушавших теоретический курс «Квантовая химия» или «Строение молекул».

Программа курса

Методический руководитель курса: Г.М. Жидомиров, профессор, д.ф-м.н
Авторы программы: Елена Николаевна Голубева, с.н.с., к.х.н., Олег Игоревич Громов, м.н.с.
Под редакцией М.Я Мельникова, профессора, д.х.н.
Руководитель внедрения информационно-коммуникационных технологий: В.В. Миняйлов, с.н.с, к.х.н.

Осуществляется дистанционная поддержка курcа на сайте: sdo.chem.msu.ru

I. Лекции, семинары и практические занятия

1. Понятие компьютерной химии. Два подхода – молекулярная механика и теория электронного строения. Возможности компьютерной химии:
   Молекулярная механика – подход с позиций классической физики. Силовое поле. Ограничения молекулярной механики.
   Теория электронного строения – квантово-механический подход, энергия и другие свойства системы определяются путем решения уравнения Шредингера. Методы, базирующиеся на квантово-механическом подходе:
   • - полуэмпирические методы;
   • - методы ab initio;
   • - методы, основанные на теории функционала плотности.
     
     
2. Волновая функция системы. Метод МО-ЛКАО. Открытые и закрытые оболочки. Ограниченные и неограниченные методы. Системы, для которых необходимо применять неограниченный метод. Типы расчетов. Расчет полной энергии и других свойств системы с фиксированной геометрией (single point). Расчет полной энергии молекулы формальдегида. Программный пакет ORCA. Структура и синтаксис исходного (input) файла. Выбор метода расчета и базисного набора. Выбор метода расчета начального приближения волновых функций. Критерии сходимости при решении секулярного уравнения. Ключевые слова. Спецификация системы: заряд, мультиплетность, геометрическая структура. Декартовы координаты. Запуск ORCA в командной строке Windows. Структура файла результатов расчета (output). Полная энергия, распределение зарядов, дипольный момент и молекулярные орбитали. Атомные единицы энергии. Время расчета. Расчет аналогичной молекулы методом DFT. Зависимость полной энергии от метода расчета.
   
   
   
3. Точность расчета полной энергии методом ХФ. Влияние базисного набора. Электронная корреляция. Теория возмущений. Метод Меллера-Плессе. Знакомство с ChemCraft и Avogadro. Чтение и визуализация cif-файлов. Получение декартовых координат молекулы карбамида, расчет полной энергии с использованием различных базисов, а также расчет в приближении MP2, сравнение с методом ХФ.
   
   
4. Оптимизация геометрии. ППЭ. Стационарные точки на ППЭ – глобальные и локальные минимумы и максимумы, седловые точки. Критерии сходимости. декартовы и внутренние координаты. Z-матрица. Оптимизация геометрии дихлорэтана и поиск седловых точек на ППЭ с использованием теории функционала плотности. Построение начальной геометрии в ChemCraft. Конформеры. Ключевые слова Opt и OptTS. Критерии сходимости. Визуализация результатов в ChemCraft.
   
   
5. Расчет частот колебаний многоатомных молекул. Гессиан. Силовые константы. Условия, отвечающие максимумам, минимумам и седловым точкам на ППЭ. Расчет частот колебаний формальдегида в ORCA. Ключевые слова NumFrec и др. Поправки на энергию нулевых колебаний. Расчет термодинамических параметров молекул. Анализ энергетических эффектов химических реакций.
   
   
6. Расчет магнитно-резонансных параметров парамагнитных частиц. Спин-гамильтониан и теория возмущений. Природа вкладов в значения g и тензора СТВ. Расчет g и А для нитроксильных радикалов в ORCA.
   
   
7. Направление химической реакции. Частичная оптимизация геометрии. Сканирование ППЭ. Способы фиксирования геометрических параметров в ORCA. Моделирование отрыва атома водорода от алканов гидроксильным радикалом. Фиксация переходного состояния.
   
   
   
8. Учет влияния растворителя. Метод супермолекулы. Континуальная модель. Ключевое слово COSMO в ORCA. Расчет энергии связи в комплексе BF3…NH3 без учета растворителя и с учетом растворителей различной полярности.
   
   
9. Доклады учащихся: - Программные пакеты для квантово-химических расчетов и их визуализации. - Базисные наборы. Типы наборов, поиск базисов в интернете и управление ими в программных пакетах. - Функционалы в DFT. - Описание методики расчетов в публикациях.

II. «Профессорская» задача. Выбор системы, связанной с научными интересами учащегося, постановка расчетной задачи, выбор метода. Защита работы

В 2011 г. успешно защищены следующие работы:

• Татьяна Янкова. Квантово-химический расчет геометрии, дипольного момента, магнитнорезонансных параметров молекулы 2,5-диметил-2-гидроксифенил-5-[4-(4-гидроксибензолкарбонилокси)фенил]пирролидин-1-оксида
• Наталья Чумакова. Расчёт геометрии и магниторезонансных параметров нитроксильного радикала
• Дарья Помогайло. Оптимизация геометрии и определение магнито-резонансных параметров транс-4-(фенилдиазенил)фенил-2,2,6,6-тетраметил-пиперидин-N-оксид-4-карбоксилата
• Иван Сорокин. Константы СТВ для катион-радикала диметилового эфира как модельной системы с содержанием гетероатома.
• Алексей Чагаровский. Расчет параметров молекул непредельных кетонов в ДМСО
• Алексей Каплун. О влиянии заместителей на геометрические параметры и электронное строение донорно-акцепторных циклопропан

Фоторепортаж с защиты работ

III. Зачет.

С вопросами можно обращаться к Елене Николаевне Голубевой: legol@mail.ru