Компьютерное моделирование химических реакций: практический путь

Методы компьютерного моделирования — важный инструмент для исследования химических систем и реакций, разработки новых материалов и продуктов.

Приглашаем специалистов в различных областях химии, физики, биологии, материаловедения, медицины разобраться в основах и научиться использовать эти методы в работе.

Что вас ждет на курсе?

• Много практики: в виде разборов на лекциях и в качестве домашней работы
• Теория в минимальном объеме: чтобы подходить к практике осмысленно

За 10 модулей вы научитесь использовать методы квантовой химии и проводить расчеты свойств химических веществ и моделирование химических реакций, в том числе с использованием суперкомпьютеров.

Для начала:

• познакомитесь с операционной системой Linux;
• установите популярные квантово-химические программные пакеты ORCA и Molcas, в которых и предстоит проводить расчеты.

В первой части научитесь:

• работать в программе ORCA;
• использовать методы функционала плотности и основные методы ab initio квантовой химии для моделирования органических и неорганических реакций и процессов;
• моделировать простые молекулярные системы, такие как двухатомные молекулы.

Во второй части научитесь:

• работать в программе Molcas;
• моделировать сложные химические реакции;
• применять в моделировании углубленное знание квантовой химии;
• использовать большее количество ab initio методов квантовой химии.

После прохождения курса вы также сможете без труда использовать другие квантово-химические программы, такие как Gaussian, NWChem и прочие.

Программа курса

Модуль 1а. Введение. Волновая функция водородоподобных атомов. Общие принципы описания многоэлектронных систем. Понятие орбитали.

Модуль 1б. Практика. Основы работы в операционной системе Linux. Установка и основные принципы использования квантово-химических программ Molcas и ORCA.

Модуль 2. Молекулярная система координат. Понятие молекулярной орбитали и метод МО-ЛКАО. Атомные базисные наборы.

Модуль 3а. Построение многоэлектронной волновой функции из одноэлектронных волновых функций (орбиталей). Основные подходы к решению уравнения Шредингера. Метод самосогласованного поля. Ограниченный и неограниченный методы Хартри — Фока.

Модуль 3б. Практика. Расчет электронной энергии молекулы водорода. Расчет электронной энергии триплетного состояния для молекул водорода и кислорода. Расчет энергии диссоциации молекулы водорода. Использование графических программ для визуализации результатов квантово-химических расчетов.

Модуль 4а. Пост-Хартри-Фоковские методы. Метод теории возмущений (MP2) и метод связанных кластеров (CCSD(T)).

Модуль 4б. Практика. Расчет энергии диссоциации молекулы фтороводорода пост-Хартри-Фоковскими ab initio методами (MP2, CCSD(T)).

*Модуль 5а. Методы наложения конфигураций (конфигурационного взаимодействия) — CIS, CISD, CISDT, CISDTQ. Метод полного конфигурационного взаимодействия: Full Configuration Interaction (FCI). Многоконфигурационный метод самосогласованного поля. Multiconfigurational Self Consistent Field (MCSCF). Методы CASSCF и CASPT2.

*Модуль 5б. Практика. Расчет энергии диссоциации молекулы фтороводорода пост-Хартри-Фоковскими ab initio методами (CISDT, CISDTQ, MCSCF, CASSCF, CASPT2).

Модуль 6а. Понятие электронной плотности. Основы методов функционала плотности (DFT). Электрон-электронное взаимодействие. Виды электронной корреляции.

Модуль 6б. Практика. Расчет энергии диссоциации двухатомных молекул с использованием различных функционалов плотности.

Модуль 7а. Приближение Борна — Оппенгеймера. Понятие поверхности потенциальной энергии.

Модуль 7б. Практика. Расчет поверхность потенциальной энергии для молекулы фтороводорода различными ab initio и DFT методами.

Модуль 8а. Виды стационарных точек на поверхности потенциальной энергии. Принципы расчета градиентов и матриц Гессе. Основные подходы к оптимизации геометрии молекул.

Модуль 8б. Практика. Расчет градиентов и матриц Гессе и оптимизация различных молекулярных систем с использованием программ ORCA и Molcas.

Модуль 9.1а. Движение ядер вблизи точки равновесия. Колебательные спектры.

Модуль 9.1б. Практика. Расчет энергии перехода между колебательными уровнями для двухатомных и многоатомных молекул.

Модуль 9.2а. Макроскопические свойства ансамблей молекул. Энергия Гиббса, энтальпия, энтропия.

Модуль 9.2.б. Практика. Расчет энтальпии, энтропии и энергии Гиббса.

Модуль 9.3.а. Методы учета растворителя в квантово-химических расчетах.

Модуль 9.3.б. Расчет разницы энергий Гиббса и относительной стабильности различных изомеров в газовой фазе и растворителе.

Модуль 10а. Основные принципы моделирования химических реакций. Подходы к оптимизации переходных состояний. Путь реакции и реакционная координата.

Модуль 10б. Практика. Расчет сканов поверхности потенциальной энергии. Оптимизация переходных состояний. Расчет координаты для набора реакций в газовой фазе и растворителе.

*Модули, отмеченные звездочкой, — для углубленного изучения темы.

Результаты обучения

После прохождения курса вы будете знать:

• основные принципы описания многоэлектронных систем;
• понятие атомных и молекулярных орбиталей и как из них строится волновая функция многоэлектронной системы (атома или молекулы);
• основные идеи и принципы использования наиболее часто используемых ab initio методов, основанных на расчете волновой функции;
• основные идеи и принципы использования методов, основанных на функционале плотности;
• принципы выбора метода расчета при моделировании различных химических систем и реакций;
• как описываются колебательные движения молекул;
• как можно рассчитать термодинамические характеристики, такие как энтальпия, энтропия, энергия Гиббса;
• как учитывать влияние растворителя при моделировании химических систем и реакций;
• познакомитесь с понятием поверхности потенциальной энергии и будете знать как использовать это понятие для оптимизации геометрии молекулярных систем, поиска переходных состояний и путей реакций.

После прохождения курса вы научитесь:

• проводить различные квантово-химические расчеты, включая моделирование механизмов химических реакций, с использованием общедоступных квантово-химических программ, в частности, программ ORCA и Molcas;
• грамотно выбирать метод расчета для ваших задач;
• использовать операционную систему Linux;
• создавать скрипты для автоматизации расчетов и обработки результатов с использованием Bash и Python.

После прохождения курса вы будете владеть:

• основными квантово-химическими методами для расчетов различных свойств молекулярных систем и моделирования механизмов химических реакций;
• навыками использования широкодоступных программ для квантово-химических расчетов, в первую очередь, программных пакетов ORCA и Molcas;
• навыками работы в операционной системе Linux, включая использование bash и python для автоматизации выполнения рутинных задач.