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| 製品概要 | 新しい機能 |
反応メカニズムの調査、ハイスループット計算による数百の低分子有機分子のモデリング、光電池材料の特性予測など、DFT アプローチは多くの問題に対して迅速かつ正確な解決策を提供します。
Q-Chem は、Jacob’s Ladder のすべての段の密度汎関数を効率的にサポートすることにより、Minnesota および Berkeley ファミリーの最新関数を含む、この分野の最新の開発を提供します。
Q-Chem のユーザーは、200 以上の定義済み交換-相関汎関数と、独自にカスタマイズした関数を設計するためのツールを利用することができます。
2017 年に Narbe Mardirossian と Martin Head-Gordon による交換-相関汎関数の包括的なレビュー (“Thirty years of density functional theory in computational chemistry: an overview and extensive assessment of 200 density functionals”) が発表され、Q-Chem でこの豊富な関数群を利用できるようになりました。このレビューの発表以降、M06-SX、revM06、revM11 を含む関数が追加されました。
Q-Chem で現在利用可能な密度汎関数の完全な説明 (原文献の引用を含む) は、Q-Chem ユーザーマニュアルの Overview of Available Functionals セクションに記載されています。
| “Jacob’s Ladder” 分類法によって配置された Q-Chem で現在利用可能な密度汎関数 (太字は広く使用され、推奨されている関数) |
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| Rung 1 Local spin-density approximation (LSDA) |
Exchange: Slater, SR_LSDA Correlation: PW92, VWN5, srVWN, Liu-Parr, PK09, PW92RPA, srPW92, PZ81, VWN1, VWN1RPA, VWN2, VWN3, VWN4, Wigner Exchange-correlation: SPW92, LDA, SVWN5 |
| Rung 2 Generalized gradient approximation (GGA) |
Exchange: PBE, B88, revPBE, AK13, B86, G96, mB86, mPW91, μB88, μPBE, srPBE, optB88, OPTX, PBEsol, PW86, PW91, RPBE, rPW86, SOGGA, ωPBE Correlation: PBE, LYP, P86, P86VWN5, PBEloc, PBEsol, srPBE, PW91, regTPSS Exchange-correlation: B97-D3(0), B97-D, PBE, BLYP, revPBE, BEEF-vdW, BOP, BP86, BP86VWN, BPBE, EDF1, EDF2, GAM, HCTH/93, HCTH/120, HCTH/147, HCTH/407, HLE16, KT1, KT2, KT3, mPW91, N12, OLYP, PBEOP, PBEsol, PW91, RPBE, rVV10, SOGGA, SOGGA11, VV10 |
| Rung 3 Meta-GGA |
Exchange: TPSS, revTPSS, BLOC, modTPSS, oTPSS, PBE-GX, PKZB, regTPSS, SCAN, TM Correlation: TPSS, revTPSS, B95, oTPSS, PK06, PKZB, SCAN, TM, TPSSloc Exchange-correlation: B97M-V, B97M-rV, M06-L, TPSS, revTPSS, BLOC, M11-L, mBEEF, MGGA_MS0, MGGA_MS1, MGGA_MS2, MGGA_MVS, MN12-L, MN15-L, oTPSS, PKZB, revM06-L, SCAN, τ-HCTH, TM, VSXC |
| Rung 4 Global hybrid GGA functionals |
B3LYP, PBE0, revPBE0, B97, B1LYP, B1PW91, B3LYP5, B3P86, B1LYP, B1PW91, B3LYP5, B3P86, B3PW91, B5050LYP, B97-1, B97-2, B97-3, B97-K, BHHLYP, HFLYP, MPW1K, MPW1LYP, MPW1PBE, MPW1PW91, O3LYP, PBEh-3c, PBE50, SOGGA11-X, WC04, WP04, X3LYP |
| Rung 4 Global hybrid meta-GGA functionals |
M06-2X, M08-HX, TPSSh, revTPSSh, B1B95, B3TLAP, BB1K, BMK, dlDF, M05, M05-2X, M06, M06-HF, M08-SO, MGGA_MS2h, MGGA_MVSh, MN15, MPW1B95, MPWB1K, PW6B95, PWB6K, revM06, SCAN0, τ-HCTHh, TPSS0 |
| Rung 4 Range-separated hybrid GGA functionals |
ωB97X-V, ωB97X-D3, ωB97X-D, CAM-B3LYP, CAM-QTP00, CAM-QTP01, HSE-HJS, LC-rVV10, LC-VV10, LC-ωPBE08, LRC-μBOP, LRC-ωPBE, LRC-ωPBEh, N12-SX, rCAM-B3LYP, ωB97, ωB97X, ωB97X-rV |
| Rung 4 Range-separated hybrid meta-GGA functionals |
ωB97M-V, M06-SX, M11, MN12-SX, revM11, ωB97M-rV, ωM05-D, ωM06-D3 |
| Rung 5 Double hybrid GGA functionals |
DSD-PBEPBE-D3, ωB97X-2(LP), ωB97X-2(TQZ), XYG3, XYGJ-OS, B2PLYP, B2GPPLYP, DSD-PBEP86-D3, LS1DH-PBE, PBE-QIDH, PBE0-2, PBE0-DH |
| Rung 5 Double hybrid meta-GGA functionals |
ωB97M(2), PTPSS-D3, DSD-PBEB95-D3, PWPB95-D3 |
| Specialized density functionals |
SRC1-R1, SRC1-R2, SRC2-R1, SRC2-R2, BR89, B94, B94hyb, BR89B94h, BRSC, MB05, B05, BM05(XC), PSTS, MCY2 |
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分散 (ファンデルワールス) 相互作用は、分子や物質の形成、安定性、機能において重要な役割を担っています。しかし、分散相互作用の物理的根源である長距離相関は、一般的な局所的または半局所的な交換-相関汎関数には存在しません。したがって、現実的な系の DFT 計算には、適切な分散力補正が必要です。Q-Chem では、分散力補正のための理論モデルをいくつか用意しており、標準 DFT と比較して無視できる計算量になります。
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CDFT は、DFT 計算において Kohn-Sham ハミルトニアンにポテンシャルを追加し、電荷局在状態を得ることで、電子移動反応における断熱状態の近似に利用することができます。標準的な SCF 計算ではアクセスできないような非断熱状態を構築し、対応する電子結合や他の電子移動パラメータを計算するための強力なツールです。
Q-Chem では、異なる分子フラグメントに対して、全電荷制約とスピン電荷制約の 2 種類の制約を提供します。
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遷移状態のエネルギーを、反応物と生成物の 2 つの非断熱配位に架かる配位空間において探索します。
反応物および生成物の配位は、DFT 計算において電荷密度およびスピン密度の制約を適用し、反応物および生成物の電子的特性を最大限に保持することによって得られます。
CDFT-CI は、従来の DFT と比較して反応障壁高さの計算値を大幅に向上させます。
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多くの種類の系において、相関関係は重要です。強相関遷移金属錯体のスピン-軌道相互作用を決定する場合、あるいは単に結果の精度を向上させるために動的相関を追加する必要がある場合、Q-Chem にはそのようなニーズに応える機能があります。動的相関の処理には、摂動的アプローチ、結合クラスター、ダイアグラムアプローチが用意されています。単一の参照では対応できないようなトリッキーな系では、CASSCF や選択 CI など、強相関を処理するために設計された手法をご検討ください。
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Q-Chem では、CIS、TDDFT およびそれらの spin-flip variant から、ハイレベルの運動方程式結合クラスター法 (EOM-CC) および代数的ダイアグラム構築法 (ADC) まで、多くの励起状態法を提供しています。
| 計算手法 | 解析的勾配 | 解析的ヘシアン |
|---|---|---|
| Configuration interaction singles | ||
| CIS | ✓ | ✓ |
| RPA | ✓ | ✓ |
| Extended (X)CIS | ✘ | ✘ |
| SF-XCIS | ✘ | ✘ |
| Spin-Adapted XCIS | ✘ | ✘ |
| CIS with perturbative doubles | ||
| CIS(D) | ✘ | ✘ |
| RI-CIS(D) | ✓ | ✘ |
| SOS-CIS(D) | ✓ | ✘ |
| SOS-CIS(D0) | ✓ | ✘ |
| Time-dependent DFT | ||
| TDDFT | ✓* | ✓* |
| Spin-Flip (SF) TDDFT | ✓ | ✘ |
| TDDFT with a Reduced Single-Excitation Space | ✓ | ✓ |
| ∆SCF | ||
| MOM | ✓ | ✓ |
| ROKS with SGM | ✓ | ✘ |
| Non-orthogonal CI (NOCI) | ||
| NOCI | ✘ | ✘ |
| NOCIS/1C-NOCIS | ✘ | ✘ |
| Static Exchange (STEX) | ✘ | ✘ |
| Equation-of-motion coupled cluster theory (EOM-CC) | ||
| EOM-EE(SF)-CCSD** | ✓*** | ✘ |
| EOM-IP(EA)-CCSD** | ✓*** | ✘ |
| EOM-DIP(DEA)-CCSD** | ✘ | ✘ |
| EOM-CC/C-PCM | ✘ | ✘ |
| EOM-CCSD with Core-Valence Separation (CVS) | ✘ | ✘ |
| Algebraic diagrammatic construction (ADC) | ||
| RI-ADC | ✘ | ✘ |
| Spin Opposite Scaling ADC(2) | ✘ | ✘ |
| ADC with CVS | ✘ | ✘ |
| SF-ADC, IP-ADC, EA-ADC | ✘ | ✘ |
| ADC/SS-PCM | ✘ | ✘ |
| FDET-ADC | ✘ | ✘ |
| Restricted active space (RAS) | ||
| RAS-CI | ✘ | ✘ |
| RAS Spin-Flip (SF) | ✘ | ✘ |
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* すべての交換-相関汎関数に対応するものではありません。 ** RI および CD のバリアントも使用可能。 *** RHF および UHF のリファレンスのみ、RI と CD の実装を含む。 |
Q-Chem には、SM8、C-PCM、COSMO などの陰溶媒和モデルや、陽溶媒和モデルが付属しています。さらに、QM/MM 機能、複数の密度埋め込み法、および一般的なパッケージである CHARMM と GROMACS へのインターフェースも提供します。複雑な環境にある生体分子を研究している場合や、極性溶媒を使用したときに、なぜその反応がより有利になるのかを知りたいといった場合に、Q-Chem が役立ちます。
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Q-Chem には、さまざまな種類のスペクトルをシミュレーションするためのツールがあります。
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遷移構造を見つけることは、運動定数や反応機構を正確に予測するために非常に重要です。しかし、遷移構造は平衡構造に比べて直感的でなく、ポテンシャルエネルギー面上で対応する鞍点が見つけにくいため、本質的に得るのが困難です。
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最小エネルギー交差点 (MECP) は、光化学反応メカニズムを解明するための必須条件です。
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Freezing String Method (FSM) は、 カドミウム化合物の遷移構造の探索を自動化する効率的なアルゴリズムです。他のストリング法と同様に、反応物と生成物の間の形状を補間します。他のストリング法と異なり、補間されたパスは少ない勾配計算で最適化されるため、探索コストが削減され、より大規模な系に適用できるようになります。
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固有ベクトル追従アルゴリズムを使用して推測構造を最適化するには、ヘシアンの計算が必要です。Q-Chem は、FSM からの出力を再利用して反応座標を予測することにより、このコストのかかるステップを回避することができます。
Q-Chem の第一原理分子動力学 (AIMD) や準古典的分子動力学 (QMD) は、研究課題が純粋な量子力学的アプローチでは対応できない少しばかりダイナミックなものである場合や、酵素のモデリングプロジェクトで何かエキサイティングな新しい軌道が用意されているような場合に、興味をそそるシミュレーションかもしれません。大規模な系に対して、Q-Chem には QM/MM や埋め込み機能が組み込まれており、CHARMM や Amber のような分子動力学シミュレーションソフトウエアパッケージとのインターフェースも備えています。反応経路の発見、 タンパク質とリガンドの結合エネルギーの予測、活性部位への基質の結合のモデリングを行うことができます。
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