Spartan (software de química)

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Spartan es una aplicación de modelado molecular y química computacional de Wavefunction. Contiene código para mecánica molecular, métodos semiempíricos, modelos ab initio, modelos funcionales de densidad, modelos post-Hartree-Fock y recetas termoquímicas que incluyen G3(MP2) y T1. Los cálculos de química cuántica en Spartan funcionan con Q-Chem.

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 se utilizan para proporcionar información sobre los mecanismos y las distribuciones de productos de las reacciones químicas, ya sea directamente mediante cálculos sobre estados de transición o basándose en el postulado de Hammond, mediante la modelización de 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 siguen siendo 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) y potenciales intermoleculares para cálculos de mecánica molecular y dinámica molecular.

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

Capacidades computacionales

Este software proporciona la mecánica molecular, el campo de fuerza molecular de Merck (MMFF), (para el conjunto de pruebas de validación), MMFF con extensiones y SYBYL, cálculo de campos de fuerza, cálculos semiempíricos, MNDO/MNDO(D), Austin Model 1 (AM1), PM3, Recife Model 1 (RM1) PM6.

  • Métodos Hartree-Fock, campo autoconsistente (SCF), disponible con solvente implícito (SM8).
    • Restricted, unrestricted, and restricted openshell Hartree-Fock
  • Métodos de teoría funcional de la densidad (DFT), disponible con solvente implícito (SM8).
    • Funcionalidades estándarBP, BLYP, B3LYP, EDF1, EDF2, M06, ωB97X-D
El calor calculado T1 de formación (y eje) en relación con el calor experimental de formación (x axis) para un conjunto de moléculas orgánicas diversas de la base de datos termoquímica NIST con errores absolutos y RMS de 8,5 y 11,5 kJ/mol, respectivamente.
    • Funciones de intercambio: HF, Slater-Dirac, Becke88, Gill96, GG99, B(EDF1), PW91
    • Funciones de correlación: VWN, LYP, PW91, P86, PZ81, PBE.
    • Funciones combinadas o híbridasB3PW91, B3LYP, B3LYP5, EDF1, EDF2, BMK
      • Funciones del grupo Truhlar: M05, M05-2X, M06, M06-L M06-2X, M06-HF
      • Funciones del grupo Head-Gordon: ωB97, ωB97X, ωB97X-D
  • Métodos de racimo combinados.
    • CCSD, CCSD(T), CCSD(2), OD, OD(T), OD(2), QCCD, VOD, VOD(2), VQCCD
  • Møller-Plesset methods.
    • MP2, MP3, MP4, RI-MP2
  • Excited state methods.
    • Teoría funcional de densidad dependiente del tiempo (TDDFT)
    • Interacción de configuración: CIS, CIS(D), QCIS(D), interacción de configuración cuadrática (QCISD(T)), RI-CIS(D)
  • Métodos compuestos de química cuántica, recetas termoquímicas.
    • T1, G2, G3, G3(MP2)

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 – Para una geometría dada, proporciona energía y propiedades asociadas de una molécula o sistema. Si se emplean modelos químicos cuánticos, se calcula la función de onda.
  • Geometría molecular Equilibrio - Localiza el mínimo local más cercano y proporciona energía y propiedades asociadas.
  • Geometría estatal de transición - Localiza el punto de silla de primer orden más cercano (un máximo en una sola dimensión y minima en todos los demás) y proporciona energía y propiedades asociadas.
  • Equilibrium conformr – Localiza la conformación de menor energía. A menudo se realiza antes de calcular la estructura utilizando un modelo químico cuántico.
  • Distribución de conformadores – Obtiene una selección de conformadores de baja energía. Comúnmente utilizado para identificar las formas es probable que una molécula específica adopte y determine una distribución Boltzmann para calcular las propiedades moleculares promedio.
  • Biblioteca Conformador – Localiza conformador de menor energía y asocia esto con un conjunto de conformadores que abarcan todas las formas accesibles a la molécula sin tener en cuenta la energía. Se utiliza para construir bibliotecas para análisis de similitudes.
  • Perfil energético – Paso 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 – cuantifica la semejanza de las moléculas (y opcionalmente sus conformadores) basado en estructura o función química (aceptores de bonos de Hidrogen, ionizables positivos–negativos, hidrofobos, aromáticos). Cuantifica la semejanza de una molécula (y opcionalmente sus conformadores) a una farmacia.

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 de moléculas orgánicas, inorgánicas, de péptidos, de nucleótidos y de sustituyentes). La construcción en 2D es compatible con moléculas orgánicas con una paleta de bocetos en 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.

Modelos gráficos

Una vista cortada de la mapa potencial electrostático de fullereno (C60), el área azul dentro de la molécula es un área de carga positiva (en relación con la superestructura, proporcionando una explicación pictórica para la capacidad de fullerene para encapsular especies cargadas negativamente).

Los modelos gráficos, especialmente los orbitales moleculares, la densidad electrónica y los mapas de potencial electrostático, son un medio habitual de visualización molecular en la enseñanza de la química.

  • Superficies:
    • orbitales moleculares (más ocupadas, más bajas inocupadas y otras)
    • Densidad de electrones – La densidad, ρ(r), es una función de las coordenadas r, definido tal 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 difusión de rayos X. La densidad puede ser retratada en términos de una isosurfa (superficie de la isodensidad) con el tamaño y la forma de la superficie que se da por el valor (o porcentaje del recinto) de la densidad del electrón.
    • Densidad de giro – La densidad.spin()r), se define como la diferencia en la densidad de electrones formada por electrones de α spin, ρα(r), y la densidad de electrones formada por electrones de β spin, ρβ(r). Para las moléculas de hoja cerrada (en las que todos los electrones están emparejados), la densidad de la columna es cero en todas partes. Para las moléculas de hoja abierta (en las que uno o más electrones no están pintados), la densidad de la columna indica la distribución de electrones no deseados. La densidad de giro es un indicador de reactividad de los radicales.
    • Van der Waals radius (surface)
    • Zona de superficie accesible
    • Potencia electrostática – El potencial, εp, se define como la energía de la interacción de una carga de punto positivo situada a p con los núcleos y electrones de una molécula. Una superficie para la cual el potencial electrostático es negativo (una superficie potencial negativa) delinea regiones en una molécula que están sujetas a ataque electrofílico.
  • Superficies compuestas (mapas):
    • Mapa de potencial electrostático (indicador electrónico) – El mapa de propiedades más utilizado es el mapa potencial electrostático. Esto da el potencial en lugares en una superficie particular, más comúnmente una superficie de densidad de electrones correspondiente al tamaño molecular general.
    • Mapa potencial de ionización local – Se define como la suma sobre densidades de electrones orbitales, ρi(r) veces energías orbitales absolutas, latitudi, y divididas por la densidad total de electrones, 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 "bajo" potencial de ionización local para el tetrafluoruro de azufre señala las áreas que son más fácilmente ionizadas.
    • Mapa LUMO (indicador núcleo) – Los mapas de órbitas moleculares también pueden llevar a indicadores gráficos. Por ejemplo, el LUMO mapa, donde el (valor absoluto) del orbital molecular más bajo no ocupado (el LUMO) se mapea sobre una superficie de tamaño (de nuevo, la densidad de electrones más común), proporcionando una indicación de la reactividad nucleófila.

Cálculos espectral

El medido (DFT/EDF2/6-31G*) espectro IR (red), escalado y optimizado al espectro experimental FT-IR (azul) de fenil 9-acridinecarboxilato (bajo).
2D renderizado
Representación 3D
La molécula fenil 9-acridinecarboxilato.

Datos espectrales y gráficos disponibles para:

  • Espectroscopia infrarroja (IR)
    • Espectroscopia de transformación Fourier (FT-IR)
    • Espectroscopia de Raman (IR)
  • espectros de resonancia magnética nuclear (NMR)
    • 1H cambios químicos y constantes de acoplamiento (empírica)
    • 13C cambios químicos, Boltzmann cambios promedio, y 13C DEPT spectra
    • 2D H vs H Spectra
      • COSY plots
    • 2D C vs H Spectra
      • Espectroscopia de correlación heteronuclear (HSQC)
      • HMBC spectra
  • UV/vis Spectra

Se pueden importar espectros experimentales para compararlos con espectros calculados: espectros IR y UV/vis en formato JCAMP (.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:
    • Spartan Spectra " Properties Database (SSPD) – un conjunto de aproximadamente 252.000 moléculas, con estructuras, energías, espectros NMR e IR, y funciones de onda calculadas utilizando la teoría funcional de densidad EDF2 con el conjunto de base 6-31G*.
    • Base de datos molecular espartano (SMD) – un conjunto de aproximadamente 100.000 moléculas calculadas a partir de los siguientes modelos:
      • Hartree-Fock con 3-21G, 6-31G* y 6-311+G**
      • B3LYP densidad funcional con 6-31G* y 6-311+G**
      • EDF1 densidad funcional con 6-31G*
      • MP2 con 6-31G* y 6-311+G**
      • G3(MP2)
      • T1
  • bases de datos experimentales:
    • NMRShiftDB – una base de datos de código abierto de experimental 1H y 13C cambios químicos.
    • Cambridge Structural Database (CSD) - un gran repositorio de pequeñas moléculas orgánicas e inorgánicas estructuras de cristal experimentales de alrededor de 600.000 entradas.
    • Base de datos NIST de IR experimental y UV/vis espectro.

Principales antecedentes de liberación

  • 1991 Versión partidaria 1 Unix
  • 1993 Spartan version 2 Unix
  • 1994 Mac Spartan Macintosh
  • 1995 Versión espartana 3 Unix
  • 1995 PC Spartan Windows
  • 1996 Mac Spartan Más Macintosh
  • 1997 Versión espartana 4 Unix
  • 1997 PC Spartan Plus Windows
  • 1999 Versión espartana 5 Unix
  • 1999 PC Spartan Pro Windows
  • 2000 Mac Spartan Pro Macintosh
  • 2002 Spartan'02 Unix, Linux, Windows, Mac

Windows, Macintosh, versiones Linux

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

Véase también

  • Programa de química cuántica Q-Chem
  • Software de diseño molecular
  • Molecule editor
  • Comparación de software para el 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 de estado sólido

Referencias

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