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Q-Chem 製品概要

密度汎関数理論 (DFT: Density Functional Theory)

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。

● 密度汎関数の包括的なコレクション

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)
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

● 分散力補正

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。

  • 非局所的相関関数: VV10 関数など
  • Grimmeの経験的分散補正 (DFT-Dx シリーズ): DFT-D2、DFT-D3、DFT-D4 など
  • Johnson と Becke による交換双極子モデル (XDM)
  • Tkatchenko-Scheffler van der Waals モデル (TS-vdW)
  • 多体分散法 (MBD)

● Constrained DFT (CDFT)

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。

● CDFT-CI による反応障壁の高さの予測

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。

 

電子相関

ポスト-ハートリー-フォック法 (POST-HF)

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。

● Møller-Plesset 摂動論

MP2, RI-MP2, SOS-MP2, OO-MP2, MP3, MP4, Dual-basis RI-MP2

● 結合クラスター理論とダイアグラム理論

CCSD, RI-CCSD, Cholesky-CCSD, CCSD(T), EOM-CCSD, ADC

● 強相関電子系のための手法

RAS-CI, RAS-SF, SF-TDDFT, CASSCF, NOCI, v2RDM, CCVB-SD

 

励起状態の計算手法

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。

 Q-Chem で使用可能な励起状態の計算手法

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)
* 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。

● 特性と解析

  • 解析的勾配は多数の計算手法で利用可能
  • 解析的ヘシアンにより、TDDFT の周波数計算を高速化
  • 波動関数解析ツール
  • 電子共鳴のための EOM-CC 法
  • 非線形光学応答や電子的結合を含む多様な特性
  • 励起状態ポテンシャルエネルギー面

 

溶媒和および埋め込み手法

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。

● 陰溶媒和モデル

  • SM8, SM12, SMD, COSMO, C-PCM, SS(V)PE, IEF-PCM, CMIRS, ほか
  • 溶質/連続体インターフェースの本質的にスムーズな離散化
  • 異方性誘電体境界条件に対するポアソン方程式ソルバー
PCM 溶媒和

● 極性埋め込みの陽溶媒和モデルのための有効フラグメントポテンシャル (EFP) 法

  • 有効フラグメントポテンシャルとユーザー定義ポテンシャルの内蔵ライブラリ
  • DFT および波動関数ベースの基底状態および励起状態メソッドで使用可能
  • 高分子のためのフラグメント EFP スキーム
EFP for Solvated Species

● スタンドアロン QM/MM 機能

  • 基底状態または励起状態の QM 処理に利用可能
  • QM/MM 境界を定義するための「陰陽原子 (Yin-Yang atom)」アプローチ
  • PCM モデルとの統合 (QC/MM/PCM)
  • QM レベルで溶媒を取り込むための多体系展開
QM/MM 埋め込み

● CHARMM および GROMACS へのインターフェース


● 密度埋め込み法

  • DFT-in-DFT または WFT-in-DFT のための投影型密度埋め込み法
  • 代数的ダイアグラム構築法 (ADC) のための凍結密度埋め込み理論 (FDET) および偏光埋め込み (EFP 経由の PE)

 

分光モデリングツール

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。

● 振動分光法

  • 赤外分光法
  • ラマン分光法
  • AIMD による振動分光のシミュレーション

● 電子分光法

  • TDDFT、ADC、EOM-CC を用いた UV-Vis 吸収分光法
  • ADC/SS-PCM および TDDFT/SS-PCM による溶媒効果
  • 分子発光スペクトルの非平衡溶媒和モード

● 振電分光法

  • 共振ラマン分光法

● X 線分光法

  • X 線吸収・放出 (TDDFT)
  • X 線吸収・放出 (EOM-CC)
  • X 線吸収・放出 (ADC)
  • X 線吸収分光法 (ΔSCF/ROKS)
  • X 線吸収分光法 (NOCIS/1C-NOCIS/STEX)
  • X 線共鳴非弾性散乱 (RIXS) 分光法

● 光電子分光法

  • 光電離断面積と光電子スペクトルの振動解析
  • fc-CVS-EOM-CCSD および CVS-ADC を用いた内殻光電子分光法

● 磁気共鳴分光法

  • NMR 分光法
  • 磁気超微細相互作用

● 非線形分光法

  • EOM-CC と ADC を用いた 2 光子吸収 (TPA) 分光法

 

分子間相互作用

● DFT による ALMO エネルギー分解解析

  • 分子間結合エネルギーへの様々な寄与を定量化
    • 永久静電容量法 (ELEC)
    • パウリ斥力 (PAULI)
    • 分散 (DISP)
    • 分極 (POL)
    • 電荷移動 (CT)
    • 溶媒和エネルギー (陰溶媒モデル使用時)
  • 幾何学的最適化および調和周波数解析による構造・振動特性のシフトの解析
Energy Decomposition Analysis
ALMO-EDA for the AT Complex
EDA for a Ru Complex
Comparison of Errors

● 拡張対称性適応摂動理論 (XSAPT)

  • SAPT 法によって分子間相互作用エネルギーを自然に分割できます。
    • 静電相互作用 (elst)
    • 交換 (exch)
    • 誘導 (ind)
    • 交換-誘起 (exch-ind)
    • 分散 (dispersion)
    • 交換-分散 (exch-disp)
  • SAPT/cDFT は、安定で物理的に動機づけられたエネルギー分解を提供します。
  • XSAPT は 2 体以上の多体系効果を記述します。
  • 多体分散を実装した XSAPT は、超分子集合体のための有望な方法です。
SAPT
XSAPT

 

化学反応

● ポテンシャルエネルギー曲面 (PES) スキャン

  • 緩和および非緩和 PES スキャン
  • 1 つまたは 2 つの独立した幾何学的変数に対するスキャンをサポート
  • 拘束 PES は、典型的な SN2 遷移状態などの探索を支援するために使用可能

● 遷移構造検索

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。

  • すべての形状最適化機能が遷移構造最適化に利用可能
  • Freezing String Method (FSM) により、遷移構造の候補の探索を自動化
  • FSM から自動的に起動される Hessian-free 法
  • 改良 Dimer 法

● 固有反応座標

  • 与えられた遷移構造に接続される極小値を自動的に決定
  • 反応経路は Z-matrix、デカルト、質量加重デカルト座標のいずれでも追跡可能

● 最小エネルギー交差点

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。

  • Q-Chem は、MECP を見つけるために、異なるペナルティ制約に基づくいくつかのアルゴリズムをサポートしています。
  • MECP は、 CIS, SF-CIS, TDDFT, SF-TDDFT, SOS-CIS(D0) レベルの理論で最適化することが可能です。

● Freezing String Method

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。


● Hessian-Free 法

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。

 

分子動力学法

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。

● Ab Initio 分子動力学法 (AIMD)

  • NVE アンサンブル (デフォルト)
  • NVT アンサンブル
    • Langevin サーモスタット
    • Nosé-Hoover サーモスタット
  • 振動スペクトル
  • 準古典的分子動力学 (QMD)
  • 最少スイッチ表面ホッピング (FSSH)
  • Ab Initio 経路積分法