Q-Chem

项目主页：http://www.q-chem.com/

开发者：Q-Chem, Inc. Board Members: Peter M. W. Gill, John Herbert, Anna Krylov, Hilary Pople, H. Fritz Schaefer III

当前版本：5.0

License: 商业


概况

电子结构从头计算程序，可以对分子的基态和激发态进行第一定律计算。

主要功能

基态自洽场方法

  1. Hartree-Fock方法
    • 限制性，非限制性，和限制性开壳层形式
    • 用于结构优化的解析一阶导数
    • 用于谐振频率分析的解析二阶导数
  2. 密度泛函理论
    • 局域泛函和梯度校正泛函。交换泛函：Slater，Becke’88，Perdew’91，Gill’96，Gilbert-Gill’99，Handy-Cohen OPTX。关联泛函：VWN5，Lee-Yang-Parr，Perdew-Zunger’81，Perdew’86，Wigner，Perdew’91。EDF1交换-关联泛函。用户定义的交换-关联泛函。HF-DFT杂化泛函：B3LYP，B3PW91，B3LYP5，用户定义的杂化泛函。
    • 基于数值格点的数值积分方案：SG-0标准网格，SG-1标准网格，Lebedev和Gauss-Legendre角向积分方案
    • 用于结构优化的解析一阶导数
    • 用于谐振频率分析的解析二阶导数
  3. 线性标度方法
    • 傅立叶变换库仑方法
    • 连续快速多极方法
    • 线性标度HF交换方法
    • 基于格点的线性标度积分，用于交换-关联泛函求值
    • 线性标度NMR化学位移
  4. AOINTS包用于双电子积分
    • 结合了高性能积分技术的最新进展；COLD PRISM；J-矩阵引擎。
  5. SCF改进
    • in-core和直接SCF的最优混合
    • DIIS
    • 初始猜测方案：重叠球平均原子密度，广义Wolfsberg-Helmholtz，从小基组投影，芯哈密顿量的猜测
    • SCF波函的稳定性分析
    • 最大重叠方法
    • Fock矩阵的直接最小化
    • 极化原子轨道对分子优化的最小基

 

基于波函的电子关联处理

  1. Møller-Plesset微扰理论
    • 限制性，非限制性，和限制性开壳层形式
    • 直接和半直接方法计算能量
    • 半直接方法的解析梯度，用于限制性和非限制性形式
    • 在MP3，MP4和MP4SDQ方法的解析梯度计算中处理冻芯轨道
  2. 局域MP2方法
    • 根据物理图象截断完全MP2的能量表达式，从而减少计算量
    • 减少计算量相对于分子尺寸的标度，近似为两倍，却不明显丢失精度。
    • 应用外推PAO用于局域校正
    • 可以使用分子中的双原子和分子中的三原子技术
  3. RI-MP2
    • 比MP2和局域MP2快十倍
  4. 耦合簇方法
    • CCSD：能量，以及作为能量有限差分的梯度
    • EOM-XX-CCSD；XX = EE, EA, IP, SF，能够灵活处理自由基，键的断裂，以及对称破缺问题
    • 耦合簇能量的非迭代校正：三级校正CCSD(T)，三级和四级校正CCSD(2)
    • 广泛应用分子点群对称性，以改善效率
    • 二次双激发耦合簇
    • QCISD，QCISD(T)和QCISD(2)用于能量
    • DIIS用于收敛加速
    • 冻芯近似，用于增加可处理体系的尺寸
  5. 优化轨道的耦合簇方法
    • 优化轨道的双激发耦合簇(OD)：可避免人为的对称破缺问题；优化平均场参考轨道使能量最小；Brueckner耦合簇；OD，OD(T)，和OD(2)的能量及梯度
    • 优化价轨道的耦合簇方法(VOD)：传统CASSCF方法的耦合簇近似；在价活性空间利用截断的OD波函；比CASSCF有更少的磁盘空间需求和更小的体系标度，可处理较大体系；VOD，VOD(T)，VQCCD，和VOD(2)的能量及梯度

 

激发态方法

  1. 支持的计算类型
    • 垂直激发吸收谱
    • 通过激发态能量的有限差分，进行激发态的结构优化
    • UCIS和RCIS进行激发态的振动分析
    • 自旋反转DFT
  2. CIS方法
    • 从Hartree-Fock基态波函计算激发态：获得定性的单电子激发态；结构和频率与基态Hartree-Fock结果有可比性
    • 高效的直接算法用于计算闭壳层和开壳层体系的能量、解析梯度和二阶导数
    • XCIS用于二重和四重态计算
    • 双激发微扰校正CIS(D)，可使CIS误差减少两倍或更多，接近于MP2
  3. TDDFT
    • 从Kohn-Sham基态波函计算激发态能量
    • 对于低位价激发态，TDDFT比CIS有相当大的改善，但只有相近的计算量
    • 提供激发态中关联效应的内在图像
    • 自由基的低位价激发态，比CIS有相当大的改善
    • 自旋反转密度泛函理论(SFDFT)：把TDDFT推广到低位价激发态之外；可用于键断裂的过程，以及自由基和双自由基体系。
  4. 基于耦合簇的激发态方法
    • EOM-CCSD
    • 自旋反转激发态方法：改善了双、三自由基体系的处理；结合单行列式波函处理键断裂问题；可用于OD和CCSD理论级别
    • OOD方法：与CCSD激发态方法有几乎相同的数值性能；比TDDFT精度更高，但计算量更昂贵
    • EOM-VOOD方法：类似于EOM-CCSD，但使用VOOD方案
    • 激发态特性计算：跃迁偶极矩和结构
  5. 分解分析
    • 显示电子跃迁的工具，用于把电子跃迁分类为价跃迁、Rydberg跃迁，混合跃迁，或电荷转换

 

特性分析

  1. 自动结构优化和过渡态优化
    • 使用Jon Baker博士的OPTIMIZE程序包，用约化内坐标保证迅速收敛，避免初始力常数矩阵
    • 具有一般约束的结构优化：可施加于键角，二面（扭转）角，或平面外的弯曲；直角坐标中冻结原子；约束不一定要加在初始结构上
    • 优化使用笛卡尔，Z-矩阵或离域内坐标
    • 本征矢跟踪算法，用于过渡态和最小化
    • GDIIS算法用于最小化：使到平衡结构的收敛获得极大加速
    • 内反应坐标跟踪：沿着反应路径的连续平衡结构和过渡态
  2.  振动光谱
    • 自动调用解析和数值二阶导数
    • 红外和拉曼强度
    • 输出标准的统计热力学信息
    • 同位素替换，用于与实验进行比较
    • 非谐性校正
  3. NMR屏蔽张量
  4. 自然键轨道分析，使用NBO 5.0
  5. Stewart原子，从分子密度重新获得原子特性，Q-Chem用单位分解方法计算这些值
  6. 动量密度
  7. Intracules，独特的双电子函数，提供分子中库仑能和交换能关于位置和动量的最详尽信息
  8. 分子中的原子，利用免费的AIMPAC进行AIM分析
  9. 溶解模型
    • 简单的Onsager反应场模型
    • Langevin偶极模型
    • SS(V)PE：一种新的电解质连续模型
  10. 基于Dirac-Fock理论的相对论能量校正
  11. 对角绝热校正，计算Born-Oppenheimer对角修正，研究核与电子运动绝热距离的分解

 

基组

  1. 高斯基组
  2. 赝势基组
  3. 用户定义的基组和赝势
  4. 基组重叠误差(BSSE)校正

QM/MM

  1. 到CHARMM的接口
  2. ONIUM

其他

  1. Q-Chem的功能已经完全整合到Spartan程序中，在图形用户界面下计算更容易

 

更新：

Q-Chem 3.1的新功能：

  1. 支持Windows
  2. 一些新的泛函选项（非经验的GGA泛函PBE；meta-GGA泛函组M05和M06用于更准确地预测各种类型的反应和体系）
  3. 更快的关联能激发态方法RI-CIS(D)
  4. EOM-CCSD的势能面交叉的最小化方法
  5. Dyson轨道用于从CCSD基态和EOM-CCSD激发态的电离

 

Q-Chem 3.2的新功能：

  1. 几种新的泛函：长程校正（LRC）泛函，Baer-Neuhauser-Livshits（BNL）泛函，ωB97泛函的各种变体，约束DFT（CDFT），Grimme的经验色散校正
  2. 溶剂化模型：SM8用于水和有机溶剂（能量和解析梯度），更新了Onsager反应场模型
  3. 分子间相互作用分析：绝对局域化分子轨道SCF用于分子间相互作用计算（SCF-MI），SCF-MI之后的Roothaan步骤校正，能量分解分析（EDA），互补占据-虚轨道对（COVP）分析用于电荷转移，基组重叠误差（BSSE）自动校正
  4. 电子转移分析
  5. 放松束缚算法（RCA）用于SCF收敛
  6. 用于过渡金属的G3Large基组
  7. 新的MP2选项：双基RIMP2能量和解析梯度，O2能量和梯度
  8. 基于波函的新方法，用于有效计算激发态的特性：SOS-CIS(D)计算激发态能量，SOS-CIS(D0)计算激发态能量和梯度
  9. 耦合簇方法：IP-CISD能量和梯度，EOM-IP-CCSD能量和梯度，并行耦合簇计算使用OpenMP
  10. QM/MM方法：QM/MM求解完全Hessian，QM/MM求解动态分块Hessian（MBH），描述带有高斯离域电荷的MM原子
  11. 用于振动分析的部分Hessian方法
  12. 波函分析工具：改善了局域化轨道的算法，分布多极分析，解析的Wigner intracule函数

Q-Chem 4.0的新功能：

  1. 色散校正和双杂化DFT泛函
  2. HF，DFT，和耦合簇的更快速算法
  3. 用TD-DFT计算激发态的结构和振动
  4. 计算复杂势能面
  5. 强关联的高效价空间模型
  6. 激发态，溶剂，和电荷转移的更多选项
  7. 用于大体系的有效片断势和QM/MM
  8. 多核共享内存，和GPU执行

 

Q-Chem 4.1的新功能：

  1. 改进了所有理论级别的并行执行，包括SCF/DFT，MP2，积分转换和耦合簇理论的OpenMP功能。
  2. 增强了ECP功能，特别是梯度和频率计算。
  3. TDDFT能量支持M06，M08，和M11系列泛函。
  4. 增强冻结绳方法，特别是构造用于过渡态结构优化的近似Hessian。
  5. XYGJ-OS戒心能量梯度。
  6. TDDFT/C-PCM激发能，梯度，和Hessian。
  7. CCSD和EOM-CCSD执行RI/Cholesky分解，可用于大体系。
  8. 衰减MP2理论计算分子间相互作用，结果比MP2更准确。
  9. 扩展RAS-nSF方法用于研究激发态。
  10. 势能面扫描。
  11. 用Hessian冻结绳方法进行自动的过渡结构搜索算法。
  12. fEFP方法把EFP推广到高分子。
  13. ALMO/EDA推广到非限制情况。
  14. 对称匹配微扰理论用于分子间相互作用能的分解分析。
  15. XPol对多体极化效应进行线性标度单体SCF计算。
  16. 用DFT求解局域原子磁矩和关联键级的新方法。
  17. T-Chem量子传输代码可以很好地描述影响分子桥的非平衡条件。

 

Q-Chem 4.2的新功能：

  1. 增强了NMR间接自旋-自旋耦合的功能
  2. 用于模拟沸石的QM/MM接口
  3. SM12溶剂化模型
  4. 加入NBO6
  5. 改善了CCSD(T)的执行
  6. CAPS和CS-EOM
  7. 改善了EOM-CC高本征态的计算
  8. 费米加宽SCF占据，可用于DFT处理金属体系
  9. 密度嵌入技术，把高级别密度嵌入低级别计算中
  10. 一套统一的REM关键词，用于PCM，SMx，和Chipman的SS(V)PE
  11. 基于分子片的初始猜测
  12. QM/MM Ewald单点能和梯度
  13. 多体方法：MBE，EE-MBE，EE-MBE（SCF电荷）用于结合能，VMFC用于BSSE校正
  14. ADC(2)和ADC(2)-x的反自旋换算变体，包括优化的参数集
  15. ADC激发态之间的跃迁特性
  16. ROKS激发态
  17. 自旋反转TDDFT的MECP优化
  18. RI-ADC代码，一直到ADC(2)-x
  19. 盆跳跃和数值PH
  20. 正则化OOMP2

 

Q-Chem 4.2.1的新功能：

  1. 线性化CCD（LCCD）
  2. ADC(3)
  3. PCM计算使用单个球形空穴

 

Q-Chem 4.2.2的新功能：

  1. 使用非限制波函的扩展复吸收势（CAP）计算（CAP-UHF和CAP-UCCSD）
  2. 基于EOMIP-CCSD和EOMSF-CCSD的CAP计算

 

Q-Chem 4.3的新功能：

  1. 在CIS，自旋反转CIS，TDDFT，自旋反转TDDFT级别计算电子态之间的解析导数耦合（即，非绝热耦合）
  2. XSAPT计算第三代+D3色散势
  3. 非平衡PCM计算溶剂中的垂直激发能和电离势
  4. 用CC和EOM-CC波函计算电子态之间的旋轨耦合
  5. PARI-K方法求解精确交换，对于TZ及更大基组的杂化DFT计算可以获得显著加速
  6. 用EOM-CC波函计算双光子吸收的跃迁矩和交叉部分
  7. 新的激发态分析，用于ADC和CC/EOM-CC
  8. 新的Dyson轨道代码用于EOM-IP-CCSD和EOM-EA-CCSD
  9. 热辅助占据密度泛函理论（TAO-DFT）
  10. MP2[V]：双基方法实现MP2能量的近似
  11. 半局域交换关联泛函的LFAs渐进校正方案
  12. 包含色散校正的长程校正杂化泛函wM05-D，wM06-D3，wB97X-D3
  13. 无参数双杂化泛函PBE0-2和PBE0-DH
  14. 导数不连续的恢复方案，用于能隙校正
 Q-Chem 4.3.1的新功能：
  1. 简化了密度泛函导数计算的执行
  2. 使用实型或复型CC/EOM方法计算Dyson轨道的新方法
  3. 复型CC/EOM方法的性质计算和密度图绘制
  4. omegaB97X-D3，omegaM05-D，omegaM06-D3，AK13，LFAs，TAO-DFT的并行化
  5. 直接TDDFT/RPA和TDDFT/TDA的梯度
  6. TAO-DFT的几处改善
Q-Chem 4.3.2的新功能：
  1. VV10 XC使用OpenMP实现更高效的并行执行
  2. 在CCMAN2模块中执行QCISD(T)
  3. 改善了GVB和PP计算的稳定性
Q-Chem 4.4的新功能：
  1. OCC-RI-K算法用于求解能量和力计算中的精确交换
  2. 合优化的交换-关联泛函：wB97M-V，B97M-V，wB97X-V
  3. 文献中的新交换-关联泛函：MGGA_MS0，MGGA_MS1，MGGA_MS2，MGGA_MS2h，MGGA_MVS，MGGA_MVSh，PKZB，revTPSS，revTPSSh，SCAN，SCAN0，PBEsol，revPBE，revPBE0，N12，N12-SX，GAM，MN12-L，MN12-SX，MN15-L，dlDF，VV10，LC-VV10，B97-K，B97-D3(0)，B97-3，tau-HCTH，tau-HCTHh，SRC1-R1，SRC1-R2，SRC2-R1，SRC2-R2，B1LYP，B1PW91，MPW1K，LRC-BOP，BHH，BB1K，PW6B95，PWB6K，B2PLYP
  4. 过渡态查找，无需Hessian的最小点验证
  5. 基于激子的激发态模型：从头Frenkel-Davydov模型和TDDFT(MI)
  6. 多体方法和XSAPT的改进
  7. 从头分子动力学
  8. QM/MM计算中Ewald求和的解析能量梯度
  9. 沸石QM/MM方法
  10. EOM-MP2方法用于激发能，电离能，和电子亲和能
  11. 用CCSD和EOM-CCSD波函计算极化率
  12. CC和EOM-CC方法的分布内存并行执行，以及基于磁盘算法的执行改进
  13. SCF最大重叠方法的改进
  14. ADC激发态计算中用非平衡PCM描述溶剂效应
  15. 自旋翻转ADC

 

Q-Chem 5.0的新功能：

  1. 超过200种泛函。
  2. 新的并行功能。新的occ-RI-K方法能显著加速大基组杂化泛函能量和梯度计算的速度。OpenMP并行的DFT频率。改进了RI-MP2和耦合簇梯度的并行。
  3. 全新的有效芯势库。尤其是对重元素提供了高角动量能量，解析梯度，和解析频率的功能。同时改进了精度和支持OpenMP并行。
  4. 新的溶剂化和QM/MM功能。CMIRS溶剂化方法。模拟激发态和NMR溶剂化效应的新方法。
  5. 新的能量分解分析（EDA）方法。基于DFT的第二代ALMO-EDA具有稳定的基组极限，并且可以做单键延长。包含绝热EDA和MP2 ALMO-EDA。
  6. 新的非谐方法。非耦合模式模型可用于比谐振分析更准确的非谐热化学。包含新的非谐振动模块用于准确的光谱预测。
  7. 新的点子关联方法。对于强关联分子加入了独特的方法，包括NOCI-MP2，自旋翻转扩展，开壳层CCVB，闭壳层CCVB-SD能量和梯度。传统CASSCF。
  8. 一般改进。扩充了基组库。IQmol前端的新显示功能。

参考资料

February 3, 2018 , , Comments Off on Q-Chem


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