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Q-chem 4.2——量子化学软件

Q-Chem电子结构从头计算程序,可以对分子的基态和激发态进行第一定律计算。

Q-Chem4.0新特征 


新DFT功能选择 
1. 纵向冗余校验功能(Long-ranged-corrected (LRC) functionals) 
2. Baer-Neuhauser-Livshits (BNL) functional 
3. ωB97变异功能

4. 限定的二位傅立叶变换(CDFT)
5. Grimme’s 实证差异校正

溶剂化模型
1. 针对水和有机化合物的SM8模型(能源和分析梯度)
2. 更新到翁萨格反应场(Onsager reaction-field)模型

分子间相互作用分析
1. SCF超临界与绝对本地化分子相互作用的分子轨道(SCF-MI)
2. 紧接着SCF-MI的 Roothaan-step (RS)校正
3. 能量分解分析(EDA)
4. 互补虚拟对(COVP)的电荷转移分析
5. 自动化的基础上组重叠误差(BSSE)计算

电子转移分析
G3Large的基础上设立过渡金属元素

新MP2选项
1. 双基RIMP2能量和变化程度分析
2. O2能源和变化程度

新的基于波函数的计算方法,有利于激发态计算
1. SOS-CIS(D)能源激发态
2. SOS-CIS(D0)能源和变化程度激发态

QM/MM法
1. QM/MM全麻评估(hessian evaluation)
2. QM/MM移动麻块(MBH)评估
3.  描述与高斯离域电荷的MM原子

波函数分析工具
1.  计算机运作的本地化轨道的改进算法
2.  分布式多极分析
3.  分析Wigner intracule

其他特征
基态自洽场方法
1. Hartree-Fock方法
限制性,非限制性,和限制性开壳层形式
用于结构优化的解析一阶导数
用于谐振频率分析的解析二阶导数

2. 密度泛函理论
局域泛函和梯度校正泛函。交换泛函:Slater,Becke’88,Perdew’91,Gill’96,Gilbert- Gill’99,Handy -Cohen  OPTX。关联泛函:VWN5,Lee-Yang-Parr,Perdew-Zunger’81,Perdew’86,Wigner, Perdew’91。EDF1交换-关联泛函。用户定义的交换-关联泛函。
HF-DFT混合泛函:B3LYP,B3PW91,B3LYP5,用户定义的混合泛函。
基于数值格点的数值积分方案:SG-0标准网格,SG-1标准网格,Lebedev和Gauss-Legendre   角向积分方案.
用于结构优化的解析一阶导数
用于谐振频率分析的解析二阶导数

3. 线性标度方法
傅立叶变换库仑方法
连续快速多极方法
线性标度HF交换方法
基于格点的线性标度积分,用于交换-关联泛函求值
线性标度NMR化学位移

4. AOINTS包用于双电子积分
结合了高性能积分技术的最新进展;COLD PRISM;J-矩阵引擎。

5. SCF改进
in-core和直接SCF的最优混合
DIIS
初始猜测方案:重叠球平均原子密度,广义Wolfsberg-Helmholtz,从小基组投影,芯哈密顿量的猜测
SCF波函的稳定性分析
最大重叠方法
Fock矩阵的直接最小化
极化原子轨道对分子优化的最小基

基于波函的电子关联处理
1. Mller-Plesset微扰理论
限制性,非限制性,和限制性开壳层形式
直接和半直接方法计算能量
半直接方法的解析梯度,用于限制性和非限制性形式
在MP3,MP4和MP4SDQ方法的解析梯度计算中处理冻芯轨道

2. 局域MP2方法
根据物理图象截断完全MP2的能量表达式,从而减少计算量减少计算量相对于分子尺寸的标度,近似为两倍,却不明显丢失精度。
应用外推PAO用于局域校正
可以使用分子中的双原子和分子中的三原子技术

3. RI-MP2
比MP2和局域MP2快十倍

4. 耦合簇方法
CCSD:能量,以及作为能量有限差分的梯度EOM-XX-CCSD;XX = EE, EA, IP, SF,能够灵活处理自由基,键的断裂,以及对称破缺问题
耦合簇能量的非迭代校正:三级校正CCSD(T),三级和四级校正CCSD(2)
广泛应用分子点群对称性,以改善效率
二次双激发耦合簇
QCISD,QCISD(T)和QCISD(2)用于能量
DIIS用于收敛加速
冻芯近似,用于增加可处理体系的尺寸

5. 优化轨道的耦合簇方法
优化轨道的双激发耦合簇(OD):可避免人为的对称破缺问题;优化平均场参考轨道使能量最小;Brueckner耦合簇;OD,OD(T),和OD(2)的能量及梯度
优化价轨道的耦合簇方法(VOD):传统CASSCF方法的耦合簇近似;在价活性空间利用截断的OD波函;比CASSCF有更少的磁盘空间需求和更小的体系标度,可处理较大体系;VOD,VOD(T),VQCCD和VOD(2)的能量及梯度

激发态方法
1. 支持的计算类型
垂直激发吸收谱
通过激发态能量的有限差分,进行激发态的结构优化
UCIS和RCIS进行激发态的振动分析
自旋反转DFT

2. CIS方法
从Hartree-Fock基态波函计算激发态:获得定性的单电子激发态;结构与频率与基态Hartree-Fock结果有可比性
高效的直接算法用于计算闭壳层和开壳层体系的能量、解析梯度和二阶导数
XCIS用于二重和四重态计算
双激发微扰校正CIS(D),可使CIS误差减少两倍或更多,接近于MP2

3. TDDFT
从Kohn-Sham基态波函计算激发态能量
对于低位价激发态,TDDFT比CIS有相当大的改善,但只有相近的计算量
提供激发态中关联效应的内在图像
自由基的低位价激发态,比CIS有相当大的改善
自旋反转密度泛函理论(SFDFT):把TDDFT推广到低位价激发态之外;可用于键断裂的过程,以及自由基和双自由基体系。

4. 基于耦合簇的激发态方法
EOM-CCSD自旋反转激发态方法:改善了双、三自由基体系的处理;结合单行列式波函处理键断裂问题;
可用于OD和CCSD理论级别
OOD方法:与CCSD激发态方法有几乎相同的数值性能;比TDDFT精度更高,到计算量更昂贵
EOM-VOOD方法:类似于EOM-CCSD,但使用VOOD方案
激发态特性计算:跃迁偶极矩和结构

5. 分解分析
显示电子跃迁的工具,用于把电子跃迁分类为价跃迁、Rydberg跃迁,混合跃迁,或电荷转换

特性分析
1. 自动结构优化和过渡态优化
使用Jon Baker博士的OPTIMIZE程序包,用约化内坐标保证迅速收敛,避免初始力常数矩阵
具有一般约束的结构优化:可施加于键角,二面(扭转)角,或平面外的弯曲;直角坐标中冻结原子;
约束不一定要加在初始结构上
优化使用笛卡尔,Z-矩阵或离域内坐标
本征矢跟踪算法,用于过渡态和最小化
GDIIS算法用于最小化:使到平衡结构的收敛获得极大加速
内反应坐标跟踪:沿着反应路径的连续平衡结构和过渡态

2. 振动光谱
自动调用解析和数值二阶导数
红外和拉曼强度
输出标准的统计热力学信息
同位素替换,用于与实验进行比较
非谐性校正

3. NMR屏蔽张量

4. 自然键轨道分析
使用NBO 4.0

5. Stewart原子
从分子密度重新获得原子特性
Q-Chem用单位分解方法计算这些值

6. 动量密度

7. Intracules
独特的双电子函数,提供分子中库仑能和交换能关于位置和动量的最详尽信息

8. 分子中的原子
利用免费的AIMPAC进行AIM分析

9. 溶解模型
简单的Onsager反应场模型
Langevin偶极模型
SS(V)PE:一种新的电解质连续模型

10.基于Dirac-Fock理论的相对论能量校正

11.对角绝热校正
计算Born-Oppenheimer对角修正,研究核与电子运动绝热距离的分解
基组:
高斯基组
赝势基组
用户定义的基组和赝势
基组重叠误差(BSSE)校正
QM/MM
到CHARMM的接口
ONIUM

其他
Q-Chem的功能已经完全整合到Spartan程序中,在图形用户界面下计算更简单.

Q-Chem is a comprehensive ab initio quantum chemistry package for accurate predictions of molecular structures, reactivities, and vibrational, electronic and NMR spectra. The new release of Q-Chem 4.0 represents the state-of-the-art of methodology from the highest performance DFT/HF calculations to high level post-HF correlation methods:
Dispersion-corrected and double hybrid DFT functionals;
Faster algorithms for DFT, HF and coupled-cluster calculations;
Structures and vibrations of excited states with TD-DFT;
Methods for mapping complicated potential energy surfaces;
Efficient valence space models for strong correlation;
More choices for excited states, solvation and charge-transfer;
Effective Fragment Potential and QM/MM for large systems;
Shared-memory for multicores and implementations for GPU’s.
New Features in Q-Chem 4.0:
Exchange-Correlation Functionals:
?   Density functional dispersion with implementation of the efficient Becke and Johnson’s XDM model in analytic form. (Zhengting Gan, Emil Proynov, Jing Kong, Section 4.3.7).
?   Implementation of the dispersion functional vdw-DF-04 of Langreth, Lundqvist and co-workers’ (Oleg Vydrov).
?   VV09, a new analytic dispersion functional based on vdw-DF-04 (Oleg Vydrov, Troy Van Voorhis, Section 4.3.5).
?   Implementation of DFT-D3 Methods for improved noncovalent interactions (Shan-Ping Mao, Jeng-Da Chai, Section 4.3.8).
?   ωB97X-2, a double-hybrid functional based on long range corrected B97 functional with improved account for medium and long range interactions (Jeng-Da Chai, Martin Head-Gordon, Section 4.3.9).
?   XYGJ-OS, a double-hybrid functional for predictions of nonbonding interactions and thermochemistry at nearly chemical accuracy (Igor Zhang, Xin Xu, William A. Goddard, III, Yousung Jung, Section 4.3.9).
?   Calculation of near-edge X-ray absorption with short-range corrected DFT (Nick Besley, Section 6.3.3).
?   Improved TDDFT prediction with implementation of asymptotically corrected exchange-correlation potential (TDDFT/TDA with LB94) (Yu-Chuan Su, Jeng-Da Chai, Section 4.3.10).
?   Nondynamic correlation in DFT with efficient RI implementation of Becke-05 model in fully analytic formulation. (Emil Proynov, Yihan Shao, Fenglai Liu, Jing Kong, Section 4.3.3).
?   Implementation of meta-GGA functionals TPSS and its hybrid version TPSSh (Fenglai Liu) and the revPBE86 GGA functional (Oleg Vydrov).
?   Implementation of double hybrid functional B2PLYP-D (Jeng-Da Chai).
?   Implementation of Mori-Sánchez-Cohen-Yang (MCY2) hyper-GGA functional (Fenglai Liu).
?   SOGGA, SOGGA11 and SOGGA11-X family of GGA functionals (Roberto Peverati,
Yan Zhao, Don Truhlar).

?   M08-HX and M08-SO suites of high HF exchange meta-GGA functionals (Yan Zhao,
Don Truhlar).
?   M11-L and M11 suites of meta-GGA functionals (Roberto Peverati, Yan Zhao, Don
Truhlar).

DFT Algorithms:
?   Fast numerical integration of exchange-correlation with mrXC (multiresolution exchange-correlation) Shawn Brown, Laszlo Fusti-Molnar, Nicholas J. Russ, Chun-Min Chang, Jing Kong, Section 4.4.7).
?   Efficient computation of the exchange-correlation part of the dual basis DFT (Zhengting Gan, Jing Kong, Section 4.5.5).
?   Fast DFT calculation with ‘triple jumps’ between different sizes of basis set and grid and different levels of functional (Jia Deng, Andrew Gilbert, Peter M. W. Gill, Section 4.8).
?   Faster DFT and HF calculation with atomic resolution of the identity (ARI) algorithms (Alex Sodt, Martin Head-Gordon.)

POST-HF: Coupled Cluster and Equation of Motion
?   Significantly enhanced coupled-cluster code rewritten for better performance and multicore systems for many modules (energy and gradient for CCSD, EOM-EE/SF/IP/EACCSD, CCSD(T) energy). (Evgeny Epifanovsky, Michael Wormit, Tomasz Kuz, Arik Landau, Dmitri Zuev, Kirill Khistyaev, Ilya Kaliman, Anna Krylov, Andreas Dreuw, Chapters 5 and 6 (the new code is named CCMAN2).
?   Fast and accurate coupled-cluster calculations with frozen natural orbitals (Arik Landau, Dmitri Zuev, Anna Krylov, Section refsec: FNOCC).

POST-HF: Strong Correlation:
?   Perfect Quadruples and Perfect Hextuples methods for strong correlation problems (John Parkhill, Martin Head-Gordon, Section 5.6.1).
?   Coupled Cluster Valence Bond (CCVB) and related methods for multiple bond breaking (David Small, Keith Lawler, Martin Head-Gordon, Section 5.13).
DFT Excited States and Charge Transfer:
?   Nuclear gradients of excited states with TDDFT (Yihan Shao, Fenglai Liu, Zhengting Gan, Chao-Ping Hsu, Andreas Dreuw, Martin Head-Gordon, Jing Kong, Section 6.3.1).
?   Direct coupling of charged states for the study of charge transfer reactions (Zhi-Qiang You, Chao-Ping Hsu, Section 10.17.2).
?   Analytical excited-state Hessian in TDDFT within Tamm-Dancoff approximation (Jie Liu, Wanzhen Liang, Section 6.3.5).
?   Obtaining an excited state self-consistently with MOM (maximum overlap method) (Andrew Gilbert, Nick Besley, Peter M. W. Gill, Section 6.5).
?   Calculation of reactions with configuration interactions of charge-constrained states with constrained DFT (Qin Wu, Benjamin Kaduk, Troy Van Voorhis, Section 4.9).
?   Overlap analysis of the charge transfer in a excited state with TDDFT (Nick Besley, Section 6.3.2).
?   Localizing diabatic states with Boys or Edmiston-Ruedenberg localization scheme for charge or energy transfer (Joe Subotnik, Ryan Steele, Neil Shenvi, Alex Sodt, Section 10.17.1.2).

Wavefunction-Based Excited States
?   Correlated excited states with the perturbation-theory based, size consistent ADC scheme of second order(Michael Wormit, Andreas Dreuw, Section 6.7).
?   Restricted active space spin- flip method for multireference ground states and multi-electron excited states (Paul Zimmerman, Franziska Bell, David Casanova, Martin Head-Gordon, Section 6.2.4).
?   Implementation of non-collinear formulation extends SF-TDDFT to a broader set of functionals and improves its accuracy (Yihan Shao, Yves Bernard, Anna Krylov, Section 6.3).

Solvation
?   Smooth solvation energy surface with switching/Gaussian polarizable continuum medium PCM) solvation models for QM and QM/MM calculations (Adrian W. Lange, John Herbert, Sections 10.2.2 and 10.2.4).
?   The original COSMO solvation model by Klamt and Schüürmann with DFT energy and gradient (ported by Yihan Shao, Section 10.2.8).

Large Systems:
?   Accurate and fast energy computation for large systems including polarizable explicit solvation for ground and excited states with effective fragment potential using DFT/TDDFT, CCSD/EOM-CCSD, as well as CIS and CIS(D); library of effective fragments for common solvents; energy gradient for EFP-EFP systems (Vitalii Vanovschi, Debashree Ghosh, Ilya Kaliman, Dmytro Kosenkov, Chris Williams, John Herbert, Mark Gordon, Michael Schmidt, Yihan Shao, Lyudmila Slipchenko, Anna Krylov, Chapter 12)

Optimizations, Vibrations and Dynamics:
?   Freezing and Growing String Methods for efficient automatic reaction path finding (Andrew Behn, Paul Zimmerman, Alex Bell, Martin Head-Gordon, Section 9.5).
?   Exact, quantum mechanical treatment of nuclear motions at equilibrium with path integral methods (Ryan Steele, Section 9.8).
?   Calculation of local vibrational modes of interest with partial Hessian vibrational analysis (Nick Besley, Section 10.5.3).
?   Ab initio dynamics with extrapolated z-vector techniques for MP2 and/or dual-basis methods (Ryan Steele, Section 4.7.5).
?   Quasiclassical ab initio molecular dynamics (Daniel Lambrecht, Martin Head-Gordon, Section 9.7.4).

Analytical Tools:
?   Analysis of metal oxidation states via localized orbital bonding analysis (Alex Thom, Eric Sundstrom, Martin Head-Gordon, Section 10.3.4).
?   Improved robustness of IRC code (intrinsic reaction coordinate following) (Martin Head-Gordon).
?   Hirshfeld population analysis (Sina Yeganeh, Section 10.3.1).
?   Visualization of noncovalent bonding using Johnson and Yang’s algorithm (Yihan Shao, Section 10.9.5).
?   ESP on a grid for transition density (Yihan Shao, Section 10.10).

Support for Modern Computing Platforms:
?   Better performance for multicore systems with shared-memory parallel DFT/HF (Zhengting Gan, Yihan Shao, Jing Kong) and RI-MP2 (Matthew Goldey, Martin Head-Gordon)(Section 5.12).
?   Accelerating RI-MP2 calculation with GPU (graphic processing unit) (Roberto Olivares-Amaya, Mark A. Watson, Richard G. Edgar, Leslie Vogt, Yihan Shao, Alan Aspuru-Guzik, Section 5.5.3).

Graphic User Interface:
?   Support of new IQmol, a free GUI designed by Andrew Gilbert at Australian National University. For more information on IQmol, visit www.iqmol.org.