Spartan (software de química)

Spartan es una aplicación de química computacional y modelado molecular 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 funcionan con 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 , consumen más tiempo en comparación.

Los cálculos químicos cuánticos también deben proporcionar información sobre mecanismos y distribuciones de productos de 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 todavía son necesarios para sistemas que son demasiado grandes para ser sometidos a tratamientos más rigurosos. Los cálculos de química cuántica pueden proporcionar información para complementar los datos experimentales existentes o reemplazarlos por completo, por ejemplo, cargas atómicas para análisis de la relación cuantitativa 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 del estado de equilibrio y transición), los espectros NMR , IR , Raman y UV-visible , molecular (y atómicas), propiedades, reactividad y selectividad.

Habilidades computacionales

Este software proporciona la mecánica molecular , Merck Molecular Force Field (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] Austin Modelo 1 (AM1), ^[14] PM3 , ^{[15] [16] [17] [18]} Recife Modelo 1 (RM1) ^[19] PM6. ^[20]

• Hartree-Fock , métodos de campo autoconsistentes (SCF) , disponibles con solvente implícito (SM8). ^[21]
  • Hartree-Fock de caparazón abierto restringido , no restringido y restringido
• 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) en relación con el calor de formación experimental (eje x) para un conjunto de >1800 moléculas orgánicas diversas de la base de datos termoquímica NIST ^[30] con errores medios absolutos 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]
    • Grupo Truhlar ^[42] funcionales: 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 proporciona acceso a las siguientes tareas computacionales:

• Energía ^[71] – Para una geometría determinada, proporciona energía y 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 de estado de transición ^[72] : localiza 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. A menudo se realiza 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 probablemente 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 conformadores que abarcan todas las formas accesibles a la molécula sin tener en cuenta la energía. Se utiliza para crear bibliotecas para análisis de similitudes.
• Perfil de energía ^[71] – Pasa una molécula o 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 conformadores) en función de su estructura o función química ( aceptores-donadores de enlaces de hidrógeno , ionizables positivos-negativos , hidrófobos , aromáticos ). Cuantifica la semejanza de una molécula (y opcionalmente sus conformadores) con un farmacóforo .

Interfaz gráfica del usuario

El software contiene una interfaz gráfica de usuario integrada . Las operaciones de pantalla táctil son compatibles con dispositivos con Windows 7 y 8 . La construcción de moléculas en 3D se facilita con constructores de moléculas (se incluyen constructores orgánicos, inorgánicos, peptídicos, nucleotídicos 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 especificar la tarea y el método computacional. Los datos de los cálculos se muestran en cuadros de diálogo 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 de potencial electrostático del fullereno (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 fullereno para encapsular especies cargadas negativamente).

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 educación química. ^{[73] [74] [75] [76] [77]}

• Superficies :
  • Orbitales moleculares (más ocupados, más bajos desocupados y otros)
  • Densidad electrónica : la densidad, ρ( r ), es función de las coordenadas r , definidas de manera que ρ( r ) dr es el número de electrones dentro de un pequeño volumen dr . Esto es lo que se mide en un experimento de difracción de rayos X. La densidad se puede representar en términos de una isosuperficie (superficie de isodensidad) y el tamaño y la forma de la superficie vienen dados por el valor (o porcentaje de encerramiento) de la densidad de electrones.
  • Densidad de espín : la densidad, ρ ^espín ( 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 las moléculas de capa cerrada (en las que todos los electrones están emparejados), la densidad de espín es cero en todas partes. Para las moléculas de capa abierta (en las que uno o más electrones no están apareados), la densidad de espín indica la distribución de los electrones no apareados. La densidad de espín es un indicador de la reactividad de los radicales. ^[72]
  • Radio de Van der Waals (superficie)
  • 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) delinea 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. Esto proporciona el potencial en ubicaciones de 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 de electrones orbitales, ρi ( r ) multiplicada por las energías orbitales absolutas, ∈i, y se divide por la densidad electrónica total, ρ( r ). El potencial de ionización local refleja la relativa facilidad de eliminación de electrones ("ionización") en cualquier lugar 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 más fácilmente.
  • Mapa LUMO (indicador nucleofílico): los mapas de orbitales moleculares también pueden conducir a indicadores gráficos. Por ejemplo, el mapa LUMO , en el que el (valor absoluto) del orbital molecular desocupado más bajo (el LUMO) se asigna a una superficie de tamaño (nuevamente, más comúnmente la densidad electrónica ), lo que proporciona una indicación de reactividad nucleofílica.

Cálculos espectrales

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

La molécula 9-acridinacarboxilato de fenilo.

Datos de espectros y gráficos disponibles para:

• Espectros de espectroscopía infrarroja (IR)
  • Espectroscopía 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
    • ACOGEDORAS ^[82] parcelas
  • Espectros 2D C vs H
    • Espectros de espectroscopía 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 del Comité Conjunto de Datos Físicos Atómicos y Moleculares (JCAMP) ^[86] (.dx) y espectros de RMN en formato de lenguaje de marcado químico (.cml) . El acceso a bases de datos espectrales de dominio público está disponible para espectros IR, NMR y UV/vis.

Bases de datos

Spartan accede a varias bases de datos externas.

• Bases de datos de cálculos químicos cuánticos:
  • Base de datos Spartan Spectra & Properties (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 bases 6-31G* . ^[87]
  • Spartan Molecular Database (SMD): un conjunto de aproximadamente 100.000 moléculas calculadas a partir de los siguientes modelos:
    • Hartree-Fock con conjuntos básicos 3-21G, 6-31G* y 6-311+G** ^[87]
    • B3LYP ^[25] densidad funcional con conjuntos básicos 6-31G* y 6-311+G**
    • Densidad EDF1 ^[26] funcional con conjunto básico 6-31G*
    • MP2 ^[55] con conjuntos básicos 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 cambios químicos experimentales de ¹ H y ¹³ C.
  • Cambridge Structural Database (CSD) ^[89] : un gran depósito de estructuras cristalinas experimentales orgánicas e inorgánicas de moléculas pequeñas de aproximadamente 600.000 entradas.
  • Base de datos NIST ^[30] de espectros IR y UV/vis experimentales.

Historial de lanzamientos importantes

• 1991 espartano versión 1 Unix
• 1993 espartano versión 2 Unix
• 1994 Mac Macintosh espartano
• 1995 espartano versión 3 Unix
• 1995 PC Windows espartano
• 1996 Mac Spartan Plus Macintosh
• 1997 espartano versión 4 Unix
• 1997 PC Spartan Plus Windows
• 1999 espartano versión 5 Unix
• 1999 PC Spartan Pro Windows
• 2000 Mac Spartan Pro Macintosh
• 2002 Spartan'02 Unix, Linux, Windows, Mac

Versiones de Windows, Macintosh y Linux

• 2004 espartano'04
• 2006 espartano'06
• 2008 espartano'08
• 2010 Espartano'10
• 2013 Espartano'14
• 2016 Espartano'16
• 2018 Espartano'18
• 2021 Espartano'20

Ver 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 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.