Spartan (software de química)

Spartan es una aplicación de modelado molecular y química computacional de Wavefunction. ^[2] Contiene código para mecánica molecular , métodos semiempíricos , modelos ab initio , ^[3] modelos funcionales de densidad , ^{[4] modelos} post-Hartree-Fock , ^[5] y recetas termoquímicas que incluyen G3(MP2) ^[6] y T1. ^[7] Los cálculos de química cuántica en Spartan están impulsados ​​por Q-Chem . ^[8]

Las funciones principales son proporcionar información sobre estructuras, estabilidades relativas y otras propiedades de moléculas aisladas. Los cálculos de mecánica molecular sobre moléculas complejas son comunes en la comunidad química. Los cálculos químicos cuánticos, incluidos los cálculos de orbitales moleculares del método Hartree-Fock , pero especialmente los cálculos que incluyen correlación electrónica , requieren más tiempo en comparación.

Los cálculos químicos cuánticos también son necesarios para proporcionar información sobre los mecanismos y distribuciones de productos de las reacciones químicas, ya sea directamente mediante cálculos sobre estados de transición o basándose en el postulado de Hammond ^[9] , modelando las demandas estéricas y electrónicas de los reactivos. Los cálculos cuantitativos, que conducen directamente a información sobre las geometrías de los estados de transición y sobre los mecanismos de reacción en general, son cada vez más comunes, mientras que los modelos cualitativos aún son necesarios para sistemas que son demasiado grandes para ser sometidos a tratamientos más rigurosos. Los cálculos químicos cuánticos pueden proporcionar información para complementar los datos experimentales existentes o reemplazarlos por completo, por ejemplo, cargas atómicas para análisis de relaciones cuantitativas estructura-actividad (QSAR) ^[10] y potenciales intermoleculares para cálculos de mecánica molecular y dinámica molecular .

Spartan aplica métodos de química computacional (modelos teóricos) a muchas tareas estándar que proporcionan datos calculados aplicables a la determinación de la conformación de la forma molecular , la estructura (geometría de equilibrio y estado de transición), los espectros de RMN , IR , Raman y UV-visible , las propiedades moleculares (y atómicas), la reactividad y la selectividad.

Habilidades computacionales

Este software proporciona la mecánica molecular , campo de fuerza molecular de Merck (MMFF), ^[11] (para el conjunto de pruebas de validación), MMFF con extensiones y SYBYL, ^[12] cálculo de campos de fuerza , cálculos semiempíricos , MNDO / MNDO (D), ^[13] Modelo Austin 1 (AM1), ^[14] PM3 , ^{[15] [16] [17] [18]} Modelo Recife 1 (RM1) ^[19] PM6. ^[20]

• Métodos de campo autoconsistente (SCF) de Hartree-Fock , disponibles con solvente implícito (SM8). ^[21]
  • Hartree-Fock de capa abierta restringida , no restringida y restringida
• Métodos de teoría funcional de la densidad (DFT) , disponibles con disolvente implícito (SM8). ^[21]
  • Funcionales estándar : BP, ^{[22] [23]} BLYP, ^{[22] [24]} B3LYP, ^{[22] [24] [25]} EDF1, ^[26] EDF2, ^[27] M06, ^[28] ωB97X-D ^[29]

El calor de formación T1 ^[7] calculado (eje y) relativo al calor de formación experimental (eje x) para un conjunto de >1800 moléculas orgánicas diversas de la base de datos termoquímica del NIST ^[30] con errores absolutos medios y RMS de 8,5 y 11,5 kJ/mol, respectivamente.

• • Funcionales de intercambio : HF, Slater-Dirac, ^[31] Becke88, ^[22] Gill96, ^[32] GG99, ^[33] B(EDF1), PW91 ^[34]
  • Funcionales de correlación : VWN, ^[35] LYP, ^[24] PW91, ^[36] P86, ^[37] PZ81, ^[38] PBE. ^[39]
  • Funcionales combinados o híbridos : B3PW91, ^[40] B3LYP, ^[25] B3LYP5, EDF1, ^[26] EDF2, ^[27] BMK ^[41]
    • Funcionales del grupo Truhlar ^[42] : M05, ^[43] M05-2X, ^[43] M06, ^[28] M06-L ^[44] M06-2X, ^[28] M06-HF ^[45]
    • Funcionales del grupo Head-Gordon: ^[46] ωB97, ^[47] ωB97X, ^[47] ωB97X-D ^[29]
• Métodos de cluster acoplados .
  • CCSD, ^[48] CCSD(T), ^[49] CCSD(2), ^[50] OD, ^[51] OD(T), OD(2), ^[52] QCCD, ^[53] VOD, ^[54] VOD(2), ^[54] VQCCD ^[54]
• Métodos de Møller-Plesset .
  • MP2, ^{[55] [56]} MP3, ^{[57] [58]} MP4, ^[59] RI-MP2 ^{[60] [61] [62]}
• Métodos de estado excitado .
  • Teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo (TDDFT) ^{[63] [64]}
  • Interacción de configuración : CIS, ^[65] CIS(D), ^[66] QCIS(D) , ^[67] interacción de configuración cuadrática (QCISD(T)), ^[67] RI-CIS(D) ^[68]
• Métodos compuestos de química cuántica , recetas termoquímicas .
  • T1, ^[7] G2, ^[69] G3, ^[70] G3(MP2) ^[6]

Tareas realizadas

Los modelos computacionales disponibles proporcionan propiedades moleculares, termodinámicas, QSAR, atómicas, gráficas y espectrales. Un diálogo de cálculo brinda acceso a las siguientes tareas computacionales:

• Energía ^[71] – Para una geometría dada, proporciona la energía y las propiedades asociadas de una molécula o sistema. Si se emplean modelos químicos cuánticos, se calcula la función de onda .
• Geometría molecular de equilibrio ^[72] : localiza el mínimo local más cercano y proporciona energía y propiedades asociadas.
• Geometría del estado de transición ^[72] : ubica el punto de silla de primer orden más cercano (un máximo en una sola dimensión y mínimos en todas las demás) y proporciona energía y propiedades asociadas.
• Confórmero de equilibrio ^[72] : localiza la conformación de menor energía. Suele realizarse antes de calcular la estructura utilizando un modelo químico cuántico.
• Distribución de conformadores ^[71] : obtiene una selección de conformadores de baja energía. Se utiliza comúnmente para identificar las formas que es probable que adopte una molécula específica y para determinar una distribución de Boltzmann para calcular las propiedades moleculares promedio.
• Biblioteca de conformadores ^[71] : localiza el confórmero de menor energía y lo asocia con un conjunto de confórmeros que abarcan todas las formas accesibles a la molécula sin tener en cuenta la energía. Se utiliza para crear bibliotecas para el análisis de similitud.
• Perfil energético ^[71] – Hace pasar una molécula o un sistema a través de un conjunto de coordenadas definido por el usuario, proporcionando geometrías de equilibrio para cada paso (sujeto a restricciones especificadas por el usuario).
• Análisis de similitud ^[71] – cuantifica la semejanza de las moléculas (y opcionalmente sus confórmeros) en función de la estructura o la función química ( aceptores-donadores de enlaces de hidrógeno , ionizables positivos-negativos , hidrófobos , aromáticos ). Cuantifica la semejanza de una molécula (y opcionalmente sus confórmeros) con un farmacóforo .

Interfaz gráfica de usuario

El software contiene una interfaz gráfica de usuario integrada . Las operaciones de pantalla táctil son compatibles con dispositivos Windows 7 y 8. La construcción de moléculas en 3D se facilita con constructores de moléculas (se incluyen constructores orgánicos, inorgánicos, de péptidos, nucleótidos y sustituyentes). La construcción 2D es compatible con moléculas orgánicas con una paleta de bocetos 2D. La interfaz de la versión de Windows puede acceder a ChemDraw ; cuyas versiones 9.0 o posteriores también se pueden utilizar para la construcción de moléculas en 2D. Se utiliza un diálogo de cálculos para la especificación de la tarea y el método computacional. Los datos de los cálculos se muestran en diálogos o como salida de texto. Es posible realizar análisis de datos adicionales, incluida la regresión lineal , desde una hoja de cálculo interna. ^[71]

Modelos gráficos

Una vista en corte del mapa del potencial electrostático del fulereno (C ₆₀ ), el área azul dentro de la molécula es un área de carga positiva (en relación con la superestructura, lo que proporciona una explicación gráfica de la capacidad del fulereno de encapsular especies con carga negativa).

Los modelos gráficos, especialmente los orbitales moleculares, la densidad electrónica y los mapas de potencial electrostático, son un medio rutinario de visualización molecular en la enseñanza de la química. ^{[73] [74] [75] [76] [77]}

• Superficies :
  • Orbitales moleculares (más alto ocupado, más bajo desocupado y otros)
  • Densidad electrónica – La densidad, ρ( r ), es una función de las coordenadas r , definidas de modo que ρ( r )d r es el número de electrones dentro de un pequeño volumen d r . Esto es lo que se mide en un experimento de difracción de rayos X. La densidad puede representarse en términos de una isosuperficie (superficie de isodensidad) con el tamaño y la forma de la superficie dados por el valor (o porcentaje de encierro) de la densidad electrónica.
  • Densidad de espín – La densidad, ρ ^spin ( r ), se define como la diferencia en la densidad electrónica formada por electrones de espín α, ρα( r ), y la densidad electrónica formada por electrones de espín β, ρβ( r ). Para moléculas de capa cerrada (en las que todos los electrones están apareados), la densidad de espín es cero en todas partes. Para moléculas de capa abierta (en las que uno o más electrones están desapareados), la densidad de espín indica la distribución de electrones desapareados. La densidad de espín es un indicador de la reactividad de los radicales. ^[72]
  • Radio de Van der Waals (superficie)
  • Área de superficie accesible al disolvente
  • Potencial electrostático : el potencial, ε _p , se define como la energía de interacción de una carga puntual positiva ubicada en p con los núcleos y electrones de una molécula. Una superficie para la cual el potencial electrostático es negativo (una superficie de potencial negativo) delimita regiones en una molécula que están sujetas a ataque electrofílico.
• Superficies compuestas (mapas) :
  • Mapa de potencial electrostático (indicador electrofílico): el mapa de propiedades más comúnmente empleado es el mapa de potencial electrostático. Este proporciona el potencial en ubicaciones sobre una superficie particular, más comúnmente una superficie de densidad electrónica correspondiente al tamaño molecular general. ^[71]
  • Mapa de potencial de ionización local: se define como la suma de las densidades electrónicas orbitales, ρi( r ) multiplicada por las energías orbitales absolutas, ∈i, y dividida por la densidad electrónica total, ρ( r ). El potencial de ionización local refleja la relativa facilidad de eliminación de electrones ("ionización") en cualquier ubicación alrededor de una molécula. Por ejemplo, una superficie de potencial de ionización local "bajo" para el tetrafluoruro de azufre delimita las áreas que se ionizan con mayor facilidad.
  • Mapa LUMO (indicador nucleofílico): los mapas de orbitales moleculares también pueden dar lugar a indicadores gráficos. Por ejemplo, el mapa LUMO , en el que el (valor absoluto) del orbital molecular desocupado más bajo (el LUMO) se representa sobre una superficie de tamaño (nuevamente, lo más común es la densidad electrónica ), lo que proporciona una indicación de la reactividad nucleofílica.

Cálculos espectrales

Los espectros IR calculados (DFT/EDF2/6-31G*) (rojo), escalados y optimizados a los espectros FT-IR experimentales (azul) de 9-acridinacarboxilato de fenilo (abajo).

La molécula fenil 9-acridincarboxilato.

Datos espectrales y gráficos disponibles para:

• Espectros de espectroscopia infrarroja (IR)
  • Espectroscopia por transformada de Fourier (FT-IR) ^[78]
  • Espectroscopia Raman (IR) ^[79]
• Espectros de resonancia magnética nuclear (RMN)
  • Desplazamientos químicos ^{de 1} H ^{[80] [81]} y constantes de acoplamiento (empíricas)
  • Desplazamientos químicos ^{de 13} C , ^{[80] [81]} desplazamientos promediados de Boltzmann y espectros DEPT de ¹³ C
  • Espectros 2D H vs H
    • Parcelas ACOGEDORAS ^[82]
  • Espectros 2D C vs H
    • Espectros de espectroscopia de correlación cuántica única heteronuclear (HSQC) ^[83]
    • Espectros HMBC ^[84]
• Espectros UV/vis ^{[63] [64] [65] [66] [68] [85]}

Los espectros experimentales se pueden importar para compararlos con los espectros calculados: espectros IR y UV/vis en formato JCAMP ( Joint Committee on Atomic and Molecular Physical Data ) ^[86] (.dx) y espectros RMN en formato Chemical Markup Language (.cml) . Se puede acceder a bases de datos espectrales de dominio público para espectros IR, RMN y UV/vis.

Bases de datos

Spartan accede a varias bases de datos externas.

• Bases de datos de cálculos químicos cuánticos:
  • Base de datos de espectros y propiedades de Spartan (SSPD): un conjunto de aproximadamente 252 000 moléculas, con estructuras, energías, espectros de RMN e IR y funciones de onda calculadas utilizando la teoría funcional de densidad EDF2 ^{[27] con el} conjunto de base 6-31G* . ^[87]
  • Base de datos molecular Spartan (SMD): un conjunto de aproximadamente 100.000 moléculas calculadas a partir de los siguientes modelos:
    • Hartree–Fock con conjuntos de bases 3-21G, 6-31G* y 6-311+G** ^[87]
    • B3LYP ^[25] funcional de densidad con conjuntos de bases 6-31G* y 6-311+G**
    • EDF1 ^[26] funcional de densidad con conjunto de base 6-31G*
    • MP2 ^[55] con conjuntos de bases 6-31G* y 6-311+G**
    • G3(MP2) ^[6]
    • T1 ^[7]
• Bases de datos experimentales:
  • NMRShiftDB ^[88] – una base de datos de código abierto de desplazamientos químicos experimentales ^{de 1} H y ¹³ C.
  • Base de datos estructural de Cambridge (CSD) ^[89] : un gran repositorio de estructuras cristalinas experimentales orgánicas e inorgánicas de moléculas pequeñas con alrededor de 600.000 entradas.
  • Base de datos NIST ^[30] de espectros experimentales IR y UV/vis.

Historial de versiones principales

• Versión Spartan 1 de Unix de 1991
• Versión Spartan 2 de Unix de 1993
• Macintosh Spartan de 1994
• Versión Spartan 3 de Unix de 1995
• PC Spartan de 1995 con Windows
• Macintosh Spartan Plus de 1996
• Versión Spartan 4 de Unix de 1997
• PC Spartan Plus de 1997 con Windows
• Versión Spartan 5 de Unix de 1999
• Computadora Spartan Pro de 1999 con Windows
• Macintosh Spartan Pro del año 2000
• Spartan'02 2002 Unix, Linux, Windows, Mac

Versiones para Windows, Macintosh y Linux

• Espartano 2004
• Espartano 2006
• Spartan'08 2008
• Spartan'10 2010
• Spartan'14 2013
• Spartan'16 2016
• Spartan'18 2018
• Spartan'20 2021

Véase también

• Software de química cuántica Q-Chem
• Software de diseño molecular
• Editor de moléculas
• Comparación de software para modelado de mecánica molecular
• Lista de software para modelado molecular de Monte Carlo
• Métodos compuestos de química cuántica
• Lista de software de química cuántica y física del estado sólido

Referencias

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Enlaces externos

• Sitio web oficial , Wavefunction, Inc.