CC BY
29
СРАВНЕНИЕ ПОЛУЭМПИРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА А.Н. Панченко, студент
Волгоградский государственный университет (Россия, г. Волгоград)
DOI:10.24412/2500-1000-2023-5-5-54-57
Аннотация. В данной статье рассматриваются полуэмпирические методы расчета: PM3, PM6, AM1. Рассмотрены достоинства и недостатки данных методов. AM1 предлагает скорость и универсальность, но жертвует некоторой точностью, в то время как PM3 повышает точность при сохранении вычислительной эффективности. PM6 дополнительно повышает точность, особенно для систем с переходными металлами и биохимических систем. Выбор метода зависит от целей исследования, размера системы и желаемой точности. Для сравнения представлены результаты расчета молекулы 2-нитродифениламина. Выполнены расчеты оптимизации геометрии, энергии связи, ширины запрещенной зоны, ИК-спектра, времени расчета.
Ключевые слова: полуэмпирические методы расчета, PM3, PM6, AM1, молекула 2-нитродифениламина, ширина запрещенной зоны, энергия связи, оптимизация геометрии, ИК-спектр.
Полуэмпирические методы расчета играют решающую роль в вычислительной химии, обеспечивая ценную информацию о молекулярных структурах, свойствах и реакциях. Эти методы предлагают баланс между точностью и вычислительной стоимостью, что делает их незаменимыми инструментами в различных областях исследований [1-4].
Метод AM1 - один из первых полуэмпирических методов, разработанный Джеймсом Дж.П. Стюартом в конце 1980-х годов. Это параметризованный вариант теории Хартри-Фока, ориентированный на расчеты органических соединений и переходных металлов. AM1 использует набор настраиваемых параметров, которые позволяют воспроизводить экспериментальные данные, что делает его очень универсальным для различных молекулярных систем. Расчеты AM1 значительно быстрее, чем методы ab initio, что позволяет изучать более крупные системы и проводить более масштабные молекулярно-динамические моделирования. Данный метод обеспечивает разумную точность для широкого спектра органических и неорганических молекул. AM1 особенно эффективен для прогнозирования молекулярной геометрии и оптимизации молекулярных структур, облегчая дальнейший анализ. Хотя AM1
обеспечивает хороший баланс между точностью и вычислительной стоимостью, он менее точен, чем высокоуровневые методы ab initio. Он может проявлять отклонения в предсказании определенных свойств, таких как энергия диссоциации связи и барьеры реакции. Применимость AM1 к большим молекулам и комплексам переходных металлов может быть ограничена. Точность результатов для систем, содержащих тяжелые элементы или необычную связь, может быть поставлена под угрозу.
Метод PM3 разработан Яном Альм-лофом и другими в начале 1990-х годов, является расширением AM1, которое включает в себя дополнительные параметры и усовершенствования. Он направлен на повышение точности вычислений AM1 при сохранении вычислительной эффективности. PM3 широко используется для изучения широкого круга молекулярных систем, включая металлоорганические соединения, полимеры и биомолекулы. PM3 включает дополнительные параметры, которые улучшают описание электронной структуры, что приводит к более точному прогнозированию молекулярных свойств, таких как теплота образования, энергия реакции и молекулярная геометрия. PM3 обеспечивает хорошую точность для различных классов молекул, включая как ор-
ганические, так и неорганические соединения. Он может работать со сложными системами, включающими множество функциональных групп и тяжелых атомов. PM3 обеспечивает баланс между точностью и вычислительной стоимостью, позволяя достаточно быстро выполнять вычисления даже для больших систем. Подобно AM1 метод PM3 может иметь ограничения при применении к комплексам переходных металлов из-за проблем с точным представлением их электронной структуры. PM3 опирается на параметры, подогнанные под экспериментальные данные, поэтому его производительность сильно зависит от тренировочного набора. Он может неточно отражать некоторые электронные эффекты или свойства, недостаточно представленные в процессе параметризации.
Метод PM6 - это расширение метода PM3, разработанного Яном Альмлофом и его коллегами в начале 2000-х годов. Он включает дополнительные параметры и модификации для повышения точности и расширения диапазона применимых молекулярных систем. PM6 специально разработан для улучшения прогнозов для соединений переходных металлов и биомолекулярных систем. PM6 включает специальные параметры для лучшего описания электронной структуры и свойств комплексов переходных металлов, обеспечивая более высокую точность по сравнению с AM1 и PM3. PM6 успешно применяется
в различных биохимических системах, включая белки, нуклеиновые кислоты и ферменты. Это может дать ценную информацию об их структуре, стабильности и взаимодействии. Несмотря на повышенную точность, РМ6 сохраняет вычислительную эффективность, характерную для полуэмпирических методов, что позволяет выполнять вычисления в больших системах в разумные сроки. Процесс параметризации РМ6 основан на конкретном обучающем наборе, который может не охватывать все возможные химические среды. Это может привести к неточностям в определенных случаях или для молекул, выходящих за рамки обучающей выборки. Точность РМ6 имеет тенденцию к снижению с увеличением размера молекулы, что делает его менее подходящим для больших систем или макромолекул. РМ6 хорошо проявляет себя по многим свойствам, он все еще может испытывать трудности с точным прогнозированием энергии разрыва связи и барьером реакции, особенно для сложных реакций, включающих несколько стадий.
Далее представлены результаты расчета молекулы 2-нитродифениламина [5] с помощью описанных методов. Была оптимизирована геометрия молекулы, рассчитана энергия связи, ширина запрещенной зоны, представлены ИК-спектры, приведено время расчета. Данные расчетов показаны в таблице 1.
Таблица 1. Основные характеристики молекулы 2-нитродифениламина Метод расчета_
AM1
PM3
PM6
Энергия связи, эВ.
-13,83
-14,11
-14,19
Ширина запрещенной зоны, эВ
7,86
7,787
7,784
Время расчета, с
7,3
7,4
7,7
ИК-сиектр
Геометрические параметры: длина связи.
R1-2=1,4; R2-3= 1,37; RB-4=1,43; R4-5= 1,42 R5-6=1,1; R4-7= 1,479 Rv-8= 1,2; R7-9=1,2 R2-10=1,0
R]-2= 1,446; R2-3=1,416; Rb-4= 1,419; R4-5= 1,409; R5-6= 1,09; R4-7= 1,48; R7-8=1,225; R7-9=1,21; R2-10=1,09
R1-2= 1,44; R2-3= 1,38; R3-4= 1,429; R4-5= 1,423; R5-6= 1,09; R4-7= 1,447; R7-8= 1,235; R7-9=1,22; R2-10=1,04
Заключение: AMI, PM3 и PM6 - это три этом вычислительную эффективность, что популярных полуэмпирических метода делает его пригодным для широкого спек-расчета, которые обеспечивают баланс тра молекулярных систем. PM6 дополни-между вычислительной эффективностью и тельно повышает точность, особенно для точностью. AM1 широко используется для соединений переходных металлов и биорутинных расчетов и геометрической оп- химических систем, но его производитель-тимизации, предлагая универсальность и ность может быть ограничена размером скорость, но за счет снижения точности молекулы и наличием комплексного обу-для определенных свойств и систем. PM3 чающего набора. улучшает точность AM1, сохраняя при
Библиографический список
1. Нанотубулярные композиты и их полуэпирические исследования / И.В. Запороцкова, Е.В. Перевалова, Е.В. Прокофьева, О.А. Давлетова // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. - 2006. - № 2. - С. 4-14.
2. The semi-empirical research of the adsorption of biologically active molecules on the outer surface of carbon nanotubes / A.A. Kravchenko, T.A. Ermakova, O.A. Davletova [et al.] // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. - 2014. - Vol. 5, № 1. - P. 98-100.
3. 06.16-19А.21К Полуэмпирические расчетные методы квантовой химии // РЖ 19АБ-1. Общие вопросы химии. Физическая химия (Строение молекул). - 2006. - № 16.
4. Панченко, А.Н. Квантово-химические исследования получения композита на основе полимера-пиролизованного полиакрилонитрила / А.Н. Панченко, И.А. Какорин // Между-
народный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2022. - № 6-2(69). - С. 10-12. -Б01 10.24412/2500-1000-2022-6-2-10-12.
5. Панченко, А.Н. Теоретические исследования состава следов продуктов выстрела с помощью наноструктур / А.Н. Панченко // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2023. - № 4-4(79). - С. 186-189. - Б01 10.24412/2500-1000-2023-4-4-186189.
COMPARISON OF SEMI-EMPIRICAL CALCULATION METHODS
A.N. Panchenko, Student Volgograd State University (Russia, Volgograd)
Abstract. This article discusses semi-empirical calculation methods: PM3, PM6, AM1. The advantages and disadvantages of these methods are considered. The AM1 offers speed and versatility, but sacrifices some accuracy, while the PS3 improves accuracy while maintaining computational efficiency. PM6 further improves accuracy, especially for transition metal systems and biochemical systems. The choice of method depends on the objectives of the study, the size of the system and the desired accuracy. For comparison, the results of the calculation of the 2-nitrodiphenylamine molecule are presented. Calculations of optimization of geometry, binding energy, band gap width, IR spectrum, calculation time are performed.
Keywords: semi-empirical calculation methods, PM3, PM6, AMI, 2-nitrodiphenylamine molecule, band gap, binding energy, geometry optimization, IR spectrum.
