Создание Специального фонда квантовохимических программ (СФКП) в Институте химической кинетики и горения СО АН СССР позволяет широко применять расчетные методы квантовой химии и молекулярной механики для решения ряда химических задач. Библиотека СФКП включает также и зарубежные программы. Однако прилагаемые к ним инструкции подчас недостаточны, чтобы этими программами можно было пользоваться, не имея определенного навыка работы с ними. Этот пробел в значительной мере восполняет книга Т. Кларка. Она представляет собой практическое руководство для проведения расчетов методами молекулярной механики (программа ММ2) и квантовой химии (полуэмпирические методы, реализованные в программе МОРАС, и неэмпирический метод GAUSSIAN 82). Наибольшее внимание в книге уделено практической подготовке исходных данных ввода в ЭВМ и интерпретации результатов расчета. Последнее особенно важно, так как выдача обычно выглядит как набор довольно громоздких таблиц с краткими комментариями, что может привести к неполному использованию результатов расчета или ошибочной их интерпретации. Поскольку организация ввода и выдачи результатов в последней версии программы (GAUSSIAN 86) существенных изменений не претерпела, рекомендации предлагаемой вниманию читателя книги применимы и к ней.
Особо следует отметить, что автор книги систематизировал и подробно рассмотрел наиболее часто встречающиеся ошибки, связанные с некорректным использованием упомянутых программ. Вместе с тем в книге в очень сжатой и доступной форме изложены основы методов, реализованных в рассматриваемых программах. Однако и здесь главное внимание сосредоточено на практических аспектах этих методов, т. е. на особенностях алгоритмов и обусловленных ими результатов расчетов.
Рассмотренные в книге примеры численных расчетов могут служить в качестве тестов для контроля работы соответствующих или аналогичных программ.
Редактирование первых двух глав выполнено В. С. Мастрю-ковым, а последующих — Ю. Н. Панченко. В конце книги приведено дополнение переводчика А. А. Коркина, содержащее ряд полезных сведений.
В. С. Мастрюков Ю. Н. Панченко
Предисловие к английскому изданию
По мере того как какая-либо наука становится более точной, в ней во все больших масштабах используется точное матема-.тическое описание изучаемых явлений. Этот принцип, впервые продемонстрированный в небесной механике, давно утвердился в других областях физики. Однако многие химики отнюдь не приветствуют четко обозначившуюся в химии аналогичную тенденцию, а скорее противятся ей. Одной из причин .такого неприятия может быть стремление избежать коренных изменений в самом подходе к решению проблем.
Химия традиционно была экспериментальной наукой: чтобы исследовать молекулу, необходимо было ее синтезировать или обнаружить в природе, тогда как в компьютерной химии не используются ни синтез или выделение, ни физико-химические измерения, ей не нужна даже химическая лаборатория как таковая. Бурный прогресс в области вычислительной техники и развитие программного обеспечения привели к научной революции в этой области, и теперь можно изучать неизвестные молекулы, интермедиаты. переходные состояния в химических реакциях и даже несуществующие химические объекты. Опыт показывает, что результатам, полученным с помощью адекватных расчетов, вполне можно доверять и что их экспериментальная проверка не всегда обязательна.
В настоящее время химик имеет в своем распоряжении невероятно мощные вычислительные средства. Они просты в обращении и с каждым днем становятся все менее дорогостоящими в отличие от всего остального. Таким образом, будущее направление химических исследований уже запрограммировано!
Почему же химические расчеты не получили пока широкого распространения? Отчасти это объясняется незнанием методов и результатов компьютерной химии, а также практических аспектов вычислений. Начав применять эти методы, химик быстро осознает их преимущества, а освоившись с этими методами, сумеет выявить круг систем, доступных для изучения, и существующие ограничения.
Книга Тима Кларка даст вам изначальный импульс и послужит руководством на пути в компьютерную химию.
Эрланген, ФРГ Пауль фон Р. Шлайер
Март 1985
Предисловие автора
Эту книгу можно рассматривать как попытку автора познакомить химиков-практиков (экспериментаторов-исследователей и студентов) с расчетами энергии и структуры химических соединений. Возможность «определять» структуру, устойчивость и другие свойства неизвестных молекул, не синтезировав их, открывает перед химией новые перспективы и превращает фантастические молекулы в обычные объекты исследования. Поскольку эта книга ориентирована на экспериментаторов, я избегал подробных теоретических выводов, а вместо этого старался дать качественное описание вычислительных схем и методик выполнения расчетов. Многие объяснения могут показаться слишком упрощенными вследствие того, что я старался изложить основные принципы для тех, кто испытывает отвращение к выражениям типа: «Давайте рассмотрим гамильтониан...». Раздел книги, посвященный теории молекулярных орбиталей (МО), подразумевает последовательное прочтение: примеры неэмпирических расчетов выбраны таким образом, чтобы проиллюстрировать те моменты, которые не освещены в гл. 4 (полуэмпирические методы), последняя же в свою очередь опирается в значительной мере на материал гл. 3. От читателя не требуется специальной подготовки по теоретической химии, но он должен располагать определенными сведениями об операциях симметрии и точечных группах, которые используются в тексте без каких-либо пояснений. В обоих разделах книги основное внимание уделяется практическим аспектам вычислений и осмыслению результатов расчета.
Сторонникам неэмпирической теории может показаться, что в книге отдается предпочтение полуэмпирическим методам. Однако это не следствие личных симпатий автора. Дело в том, что экспериментаторы чаще пользуются методами MINDO/3 и MNDO, чем более дорогостоящими и более сложными неэмпирическими методами. Многие задачи пока не поддаются решению неэмпирическими методами даже после предельного их упрощения.
При проведении расчетов энергии и структуры молекул очень важно уметь оценить степень достоверности полученных результатов. Количеств публикаций, в которых рассматриваются расчеты методами молекулярной механики и неэмпирическими методами, достаточно велико, что позволяет решить указанную задачу. Что же касается полуэмпирических методов, то здесь ситуация менее удовлетворительная. По этой причине
в гл. 4 рассмотрены достоинства и недостатки методов MINDO/3 и MNDO, а также приведен предметный указатель, включающий более 500 ссылок.
Большая часть книги написана на основе курса лекций, которые я читал в течение ряда лет в Эрлангене, и я признателен Питеру Хофману и Джайраману Чандрасекару за их активное участие в создании первоначальных вариантов этого курса. При чтении этой книги многие обнаружат влияние Пауля Шлайера. Я бесконечно благодарен ему за то, что он привлек меня к компьютерной химии и следил за моим химическим образованием и за тот энтузиазм, с которым он относится к каждой проблеме. Я благодарен многим моим коллегам за их замечания и советы по техническому оформлению книги. Элвин Дэвис и Брайян Роберте помогли мне написать теоретическое обоснование к гл. 3. Как всегда, очень плодотворными были дискуссии с Джоном Поплом. Анджей Саварин адаптировал GAUSSIAN 82 для нашего компьютера фирмы CDC и сделал ряд практических замечаний по разделам, посвященным теории МО. Питер Будзелар прочитал рукопись целиком и помог устранить много мелких погрешностей. Гюнтер Шпицнагель и Эльмар Кауфман также сделали ценные замечания, особенно по материалу гл. 4. И наконец, я признателен сотням студентов, которые делали ошибки, задавали вопросы, ставили новые задачи и с большим энтузиазмом решали их, что в итоге во многом помогло мне сформировать тот подход, который я использовал в этой книге.
Эрланген, ФРГ Т им Кларк
Март 1985 ^
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие редакторов перевода ............ 5
Предисловие к английскому изданию............6
Предисловие автора..................7
Глава 1. Расчеты структуры и энергии молекул.........9
1.1. Введение.....................9
1.2. Программы....................17
Глава 2. Молекулярная механика . :............. 24
2.1. Введение..................... 24
2.2. Приложения и параметризация............. 38
2.3. Программа ММР2: примеры входных заданий и результатов
х расчета......................41
Глава 3. Теория молекулярных орбиталей........... 115
3.1. Введение..................... 115
3.2. Как работает программа............... 123
3.3. Геометрия молекулы: Z-матрица............ 126
3.4. Оптимизация геометрии................ 139
3.5. Потенциальные поверхности.............. 147
3.6. Качественная теория молекулярных орбиталей....... 151
Глава 4. Полуэмпирические методы.............. 173
4.1. ПолуэмпирГическая теория молекулярных орбиталей.....173
4.2. MINDO/3.....................178
4.3. MNDO......................184
4.4. Программа МОРАС: примеры входных заданий и результатов расчетов.....................189
4.5. Предметный указатель...........'.....233
Глава 5. Неэмпирические методы...............269
5.1. Неэмпирическая теория молекулярных орбиталей......269
5.2. Программы серии GAUSSIAN.............282
5.3. Программа GAUSSIAN82: примеры заданий и результатов рас-счета......................288
5.4. Электронная корреляция...............364
Дополнение А....................... 369
Дополнение Б....................... 372
Дополнение В....................... 373
Дополнение переводчика................... 374
Предметный указатель.................... 383
Цена: 300руб.
