hướng dẫn xây dựng ma trận z

1 I. Hướng dẫn xây dựng ma trận Z. 1. Giới thiệu ma trận Z Phần này trình bày tổng quan về ma trận Z truyền thống của phân tử. Có những hạn chế về kích thước của một ma trận Z: số lượng tối đa của các biến và số lượng tối đa của các nguyên tử trong một tính toán. Đây là những thiết lập luôn cho tối đa là 250.000 nguyên tử (bao gồm các nguyên tử, giả nguyên tử, và các nguyên tử không rõ ràng), và tối đa là 250.000 trung tâm ma trận Z (các nguyên tử, giả nguyên tử, và các nguyên tử không rõ ràng). 2. Sử dụng nội bộ Tọa độ Mỗi dòng của ma trận Z cung cấp cho các tọa độ nội bộ với một trong các nguyên tử trong phân tử . Ma trận Z thông dụng nhất được định dạng theo cú pháp sau: Yếu tố được cố định, nguyên tử 1, độ dài liên kết, nguyên tử 2, góc liên kết, nguyên tử 3, góc nhị diện [, định dạng mã] Mặc dù những ví dụ sử dụng dấu phẩy để mục riêng biệt trong một dòng, một dấu phẩy hợp lệ có thể được sử dụng. Yếu tố nhãn là một chuỗi ký tự bao gồm cả ký hiệu hóa học cho các nguyên tử hoặc số nguyên tử của nó. Nếu biểu tượng nguyên tố được sử dụng, nó có thể được tùy chọn theo sau là ký tự chữ và số khác để tạo ra một định nghĩa xác định cho nguyên tử . Phổ biến là xác định các phần tử với một số nguyên xác định thứ : C1, C2 , v.v… Nguyên tử 1 , nguyên tử 2 , nguyên tử 3 được xác định bởi các nguyên tử được định nghĩa trước quy định và được sử dụng để xác định vị trí các nguyên tử khác tiếp theo. Dòng đầu tiên xác định điện tích và độ bội của phân tử. Một nguyên tử khi được định nghĩa xác định các tham số là khoảng cách so với nguyên tử 1, nguyên tử 2, nguyên tử 3, sau đó được định nghĩa bởi góc nối của nó với nguyên tử 1 và nguyên tử 2, góc nhị diện được tạo ra bởi nguyên tử 1, nguyên tử 2, nguyên tử 3 và chứa luôn nguyên tử đang xét. Lưu ý rằng góc liên kết phải nằm trong khoảng 0 ° < góc <180 °. Góc nhị diện có thể nhận bất kỳ giá trị nào. Các tham số định dạng mã tùy chọn xác định các định dạng của đầu vào ma trận Z. Đối với cú pháp được mô tả ở đây, mã này luôn luôn là 0. Mã này là cần thiết chỉ khi tham số bổ sung theo các dữ liệu ma trận Z bình thường, như trong một tính toán ONIOM . Là một ví dụ đầu tiên, hãy xem xét hydrogen peroxide. Một ma trận Z cho cấu trúc này sẽ là: 2 H O 1 0.9 O 2 1.4 1 105.0 H 3 0.9 2 105.0 1 120.0 Dòng đầu tiên của ma trận Z chỉ đơn giản là chỉ định một hydro, dòng thứ 2 cho biết khoảng cách liên nhân giữa O và H là 0,9 Angstroms, dòng thứ ba xác định oxy khác với một khoảng cách OO 1,4 Angstroms (tức là , từ nguyên tử 2, một nguyên tử oxy khác ) và có một góc OOH ( với các nguyên tử 2 và 1) là 105 độ, dòng thứ tư và cuối cùng là nguyên tử duy nhất mà tất cả ba tọa độ nội bộ cần được đưa ra. Nó định nghĩa các hydro khác như liên kết với ôxy thứ hai với khoảng cách HO 0,9 Angstroms, và một góc HOO của 105 độ và một HOOH góc nhị diện của 120 độ. Biến có thể được sử dụng để chỉ định một số hoặc tất cả các giá trị trong ma trận Z. Dưới đây là một phiên bản của trước ma trận Z : H O 1 R1 O 2 R2 1 A H 3 R1 2 A 1 D biến : R1 0.9 R2 1.4 Một 105,0 D 120,0 Hạn chế đối xứng trên phân tử được phản ánh trong các tọa độ nội bộ. Hai khoảng cách HOO được quy định bởi các biến tương tự , như là hai góc liên kết HOO . Khi một ma trận Z như vậy được sử dụng để tối ưu hóa hình học tọa độ trong nội bộ ( Opt = Ma trận Z ), các giá trị của các biến sẽ được tối ưu hóa để xác định vị trí có mức năng lượng thấp nhất. Cho một tối ưu hóa đầy đủ ( FOpt ) , các biến bắt buộc phải được độc lập tuyến tính và bao gồm tất cả các mức độ tự do trong phân tử. Cho tối ưu hóa một phần (POpt), các 3 biến trong một phần thứ hai được giữ cố định trong giá trị trong khi nguyên tử trong phần đầu tiên được tối ưu hóa đã được xác định: biến : R1 0.9 R2 1.4 Một 105,0 hằng số : D 120,0 Xem các ví dụ trong các cuộc thảo luận của các từ khóa lựa chọn không cho biết thêm thông tin về tối ưu hóa trong tọa độ nội bộ. II. Áp dụng ma trận Z tính toán lượng tử hóa học, homo-lumo của hợp chất 2-bromo-5-nitrothiazole Hình 1: Cấu trúc phân tử 2-bromo-5-nitrothiazole với các nguyên tử được đánh số. 1. Ma trận Z Đối với phân tử 2-bromo-5-nitrothiazole ta xây dựng ma trận Z với cấu trúc như sau: # fopt hf/STo-3G 4 chat 2bromonitrothiazole 0 1 S C 1 1.75 N 2 1.30 1 120. C 3 1.37 2 120. 1 0. C 4 1.40 3 120. 2 0. Br 2 1.85 3 120. 4 180. H 4 1.10 5 120. 1 180. N 5 1.40 4 120. 3 180. O 8 1.80 5 120. 4 0. O 8 1.80 5 120. 4 180. Với dòng đầu tiên [0 1] ứng với điện tích và độ bội của phân tử, sau đó là phần định nghĩa các nguyên tử trong phân tử như phần đánh số ở trên hình vẽ của phân tử (hình 1). Sau đó chạy chương trình tính toán theo các phương pháp #hf/STO-3G fopt, phương pháp # hf/ 6-311++G(d,p) và phương pháp #B3LYP/6-311++G(d,p)). 5 Sau đó nhấn RUN, có thể chạy chương trình theo phương pháp #hf/STO-3G fopt, phương pháp # hf/ 6-311++G(d,p) hoặc phương pháp #B3LYP/6-311++G(d,p)). 2. Kết quả Sau khi chạy xong chương trình thì giao diện Gaussian có dạng như sau: 6 Nhấn vào biểu tượng kính lúp để xem kết quả thu được. 7 a. Kết quả năng lượng tổng: Năng lượng tổng: -3305.64473760 Hartrees với # hf/sto-3g fopt, -3342.36623853 hartrees với # hf/ 6-311++G(d,p) và -3346.95657825 hartrees với B3LYP/6-311+ +G(d,p) ( so với kết quả bài báo tính toán là-3342.6469 and -3347.2119 Hartrees theo thứ tự 2 phương pháp HF và DFT/B3LYP với bộ cơ sở là 6-311++G(d,p) đối với BNT) b. Kết quả LUMO, HOMO: Với # hf/sto-3g fopt thì: LUMO = 0.14000 a.u HOMO = -0.28861 a.u Với # hf/ 6-311++G(d,p) : LUMO = 0.00799a.u HOMO = -0.40811a.u Với #B3LYP/6-311++G(d,p): LUMO = -0.13607a.u HOMO = -0.29363a.u Kết quả của bài báo: Theo B3LYP/6-311++G(d,p): ∆E = E HOMO - E LUMO = 0.13028a.u 8 c. Kết quả chiều dài nối (a.u), các góc: 1S-2C: 1.74993 2C-3N: 1.30571 3N-4C: 1.42203 4C-5C: 1.33899 5C-1S: 1.73558 5C-8N: 1.48777 8N-O9 1.27948 8N-O10: 1.28115 4C-7H: 1.08444 2C-6Br: 1.86650 Ta thấy phương pháp #hf/STO-3G fopt các kết quả vế các nối trong phân tử gần giống với kết quả trính bày (theo phương pháp # hf/ 6-311++G(d,p) và #B3LYP/6-311+ +G(d,p)). 3. Kết luận Từ kết quả tính toán bằng cách xây dựng ma trận Z nhằm tính toán lượng tử hóa học đối với BNT và kết quả bài báo bằng phần mềm Gaussian 09 đối với BNT. - Năng lượng tổng thu được từ các phương pháp tính toán khác nhau có thể cho ra kết quả tương đối giống nhau. - Mức năng lương của các vân đạo trống thấp nhất, vân đạo đầy cao nhất thu được từ các phương pháp tính toán khác nhau là tương đối khác nhau. - Kết quả độ dài các nối trong phân tử thu được từ các phương pháp khác nhau là tương đối giống nhau. 9 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] James B. Foresman & Aeleen Frisch, Exploring chemmistry with electronic structure methods, Gaussian Inc, p. 285-296. [2] http://barrett-group.mcgill.ca/tutorials/Gaussian%20tutorial.pdf [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Z-matrix_(chemistry) [4] http://www.gaussian.com/g_tech/g_ur/c_zmat.htm [5] https://www.google.com.vn/#q=z+matrix+chemistry 10 . 1 I. Hướng dẫn xây dựng ma trận Z. 1. Giới thiệu ma trận Z Phần này trình bày tổng quan về ma trận Z truyền thống của phân tử. Có những hạn chế về kích thước của một ma trận Z: số lượng. Áp dụng ma trận Z tính toán lượng tử hóa học, homo-lumo của hợp chất 2-bromo-5-nitrothiazole Hình 1: Cấu trúc phân tử 2-bromo-5-nitrothiazole với các nguyên tử được đánh số. 1. Ma trận Z Đối với. số. 1. Ma trận Z Đối với phân tử 2-bromo-5-nitrothiazole ta xây dựng ma trận Z với cấu trúc như sau: # fopt hf/STo-3G 4 chat 2bromonitrothiazole 0 1 S C 1 1.75 N 2 1.30 1 120. C 3 1.37 2 120.