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Gaussian (ガウシアン)
製品概要

Gaussian 09 製品概要 (履歴)

※この情報は旧バージョンの参考資料として掲載しているものです。必ずしも最新バージョンの仕様と一致しないことを予めご了承ください。

 

新機能、新しい化学

Gaussian 09 では、新機能が追加され、パフォーマンスも強化されています。Gaussian 09 を利用することにより、より高性能に、かつ(もしくは)、より広範囲に実環境を取り込んだモデルとして、さらに大きな分子モデルを取り扱うことが出来るようになります。以下、いくつかの機能の詳細を述べ、最後にアウトラインを紹介します。

ONIOM を利用した巨大分子系のモデル反応

ノンヘム鉄酵素 isopeniccillin N synthase (IPNS) 5368 原子(上図では水素原子を省略してあります)。IPNS は、基本的な生化学過程における酵素の重要なクラスです。この分子モデルは、タンパク質基質(protein matrix)と金属中心が、別々に、どのように酵素システムの触媒作用に寄与するかについてのヒントを与えます。 Reference: M. Lundberg, T.Kawatsu, T. Vreven, M. J. Frisch and Morokuma, JCTC 5 (2009) 222.

ONIOM には、MO:MM 計算のための Electronic Embedding(電子的埋め込み)があります。Electronic Embedding では、QM 領域の計算時に MM 領域の静電的性質が考慮されます。また、モデル全体の原子と MM 領域に含まれる原子間のカップリングを考慮し、モデル全体における古典的最適化ステップの合間に MM 領域のミクロ反復法(microiteration)を利用している、高速かつ信頼性のある構造最適化アルゴリズムが含まれています。Gaussian 09 の ONIOM では、以下に示す機能を含む、多くの機能追加・機能強化がなされています。

  • 遷移状態の構造最適化
  • IRC 計算の高速化
  • Electronic Embedding(電子的埋め込み)を含む振動計算
  • 溶媒中での計算
  • 全般的なパフォーマンス強化
  • 完全にカスタマイズ可能な MM force field
  • 真の解析的グラジエント、および、振動計算が可能な AM1, AM3, PM3MM, PM6, PDDG 半経験的手法(パラメータは完全にカスタマイズ可能)の新たな実装

IRC エネルギープロット

IRC エネルギープロット図

Gaussian 09 に含まれる ONIOM 機能を用いて、研究対象である反応の遷移状態構造を最適化しました。構造最適化計算では、Macro と Micro の反復最適化スキームを完全にカップリングしており、MM 領域に包括された QM 領域の二次カップリングを明確に含んでいます。最適化された遷移状態構造を振動計算によって確認した後、反応出発点として利用し、反応経路を得るために IRC 計算を行った結果が、左のプロット図です。

IRC 計算によって得られた構造。各図に対応するポイントは、エネルギープロット図中にアスタリスク(*)で示してあります(左から右へと移動しています)。中央の構造が、遷移状態です。反応経路の過程では、黄色の硫黄原子近辺でプロトン移動が起こっているのを確認することが出来ます。これらのイメージ画像は、GaussView 5 の IRC アニメーションから生成しました。

計算化学の限界の拡張

気相中および液相中における励起状態の研究

Gaussian 09 には、励起状態、反応、反応過程計算を研究するための、多くの新機能が追加されました。

  • 解析的 time-dependent DFT (TD-DFT) 勾配
  • EOM-CCSD 法
  • State-specific(状態特異的)溶媒和励起および脱励起
  • Frank-Condon 解析と Herzberg-Teller 解析(および FCHT)
  • 溶媒中での CIS および TD-DFT 計算のフルサポート(平衡状態と非平衡状態)
Porphyrin の Qx バンドスペクトルの予測値と実測値の比較。これらのグラフは、計算値および実測値の強度を ω(吸光)もしくは ω3(発光)で割った値をプロットした高解像度の 準線形 吸収・発光バンドです。PBE1PBE 関数(aka PBE0)を用いた DFT 基底状態の計算、TD-DFT 法による励起状態の構造最適化・振動計算を行っています。また、基底状態と励起状態の振動解析から電子遷移確率を計算するために Franck-Condon Herzberg-Teller 法を利用しています。
これらの機能は、全て Gaussian 09 に含まれています。
計算値スペクトルの振動軸は、実験値との比較のため、0.95 倍に縮小してあります(計算結果の詳細は文献を参照してください)。Reference: F. Santoro, A. Lami, R. Improta and V. Barone, J. Chem. Phys. 128 (2008) 224311

さらに多くの新機能

以下、その他の新機能について:

  • 溶媒和機能の著しい強化:さきに述べた励起状態計算の特徴に加え、SCRF に、反応場の連続性・滑らかさ・安定性を保障する連続的な表面電荷形式を包括した新しい機能が追加されています。また、原子位置と外部摂動場(external perturbing field)に関する連続的な微分計算が可能です。これらによって、溶液中においても、高速、かつ、信頼性のある構造最適化計算(気相中での計算よりも多くのステップを必要としません)、正確な振動計算が可能です。
  • Brueckner Doubles (BD) 法での解析的勾配
  • スペクトル予測の追加:解析的 DFT 第一超分極率、数値的第二超分極率、解析的 static および dynamic Raman 強度、解析的 dynamic ROA 強度、改良された非調和振動計算
  • 個々の軌道の電荷分布解析
  • フラグメントベースの初期軌道、電荷分布解析
  • 機能の使いやすさ:より多くの計算タイプにおける信頼できる再計算機能、分子中のフラグメント定義、タイプ・フラグメント・ONIOM の層 and/or 残基による固定原子指定、振動計算時に興味ある基準モードの選択・ソート機能、post-SCF amplitude の保存・読込み機能、基準モードの保存・読込み機能。
  • 長距離補正、経験的分散(empirical dispersion)、ダブルハイブリッド(double hybrid)を組み込んだ、多くの新しい DFT 関数
  • 大分子の構造最適化、巨大分子の振動計算(並列計算において約16倍)、IRC 計算(約3倍の高速化)、旋光度(約2倍の高速化)などを含むプログラム全体について、多くのパフォーマンス向上。