Обработка результатов квантово-химических расчетов с помощью программы P-Analysis

Полная исследовательская публикация ______________ Егоров Д.Л., Шамов А.Г. и Храпковский Г.М.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2 ________________ http://butlerov.com/ _______________ ©--Butlerov Communications. 2016. Vol.48. No.11. P.1-6.

Тематический раздел: Квантово-химические исследования. Полная исследовательская публикация

Подраздел: Программное обеспечение. Идентификатор ссылки на объект - ROI: jbc-01/16-48-11-1

г. Казань. Республика Татарстан. Россия. __________ ©--Бутлеровские сообщения. 2016. Т.48. №11. _________ 1

УДК

Научно-исследовательский отдел компьютерной химии; 2 Отделение информатизации

Обработка результатов квантово-химических расчетов с помощью программы P-Analysis

Егоров Даниил Леонидович

Проведение квантово-химического исследования с применением специальных вычисли-тельных программ можно разделить на три основных этапа:

Ш Подготовка входных файлов, содержащих геометрическую структуру исследуемого хими-ческого соединения и параметры расчета;

Ш Собственно, сам расчет;

Ш Обработка полученных результатов, включающая в себя выделение в выходных файлах расчета необходимых данных и, если необходимо, проведение на их основе дополнитель-ных вычислений для достижения конечных целей исследования.

Для проведения этапа 2 в настоящее время имеется сравнительно широкий выбор различных квантово-химических программ. Программное обеспечение этапа 1 уже заметно более скудное, а этап 3 и вовсе чаще всего приходится проводить вручную. Можем отметить, руководствуясь собственным опытом квантово-химических исследований [1-19], что во многих случаях ручная обработка результатов существенно замедляет работу.

Рассмотрим задачу исследования элементарного акта реакции. Вначале осуществляется поиск переходного состояния (ПС) реакции на основе некоторого начального приближения. Далее необходимо доказать принадлежность данного ПС исследуемому процессу. Первым признаком успешной локализации ПС является наличие отрицательной первой частоты. Однако далее необходимо произвести процедуру спусков по координате реакции к продуктам и реагентам. Результаты спусков используются для расчета оптимизации с целью определения точных минимумом, которые соответствуют продуктам и реагентам. После этого можно приступать к анализу результатов, в частности, определению энергетических характеристик исследуемой реакции:

E = EПС - EР,

Eобр = EПС - EП,

ДH? = HПС - HР,

ДH?обр = HПС - HП,

ДG? = GПС - GР,

ДG?обр = GПС - GП,

ДДH = ДH? - ДH?обр,

ДДG = ДG? - ДG?обр

Q = Eобр - E .

Здесь индексом «ПС» обозначены параметры, соответствующие переходному состоянию реакции, индексом «Р» - реагенту реакции, индексом «П» - продукту реакции. Формулы (1) и (2) - это, соответственно, энергии активации прямой и обратной реакции; (3), (4) - энтальпии активации прямой и обратной реакции;

Экспериментальная часть

Пусть для решения данной задачи выбрана квантово-химическая программа Priroda [20-22]. Такой выбор для многих задач вполне обоснован ввиду высокой эффективности данной программы [23, 24]. После проведения соответствующих расчетов исследователю будет необходимо проанализировать тексты трех выходных файлов программы: ПС, реагентов и продуктов. В каждом из них нужно отыскать значения соответствующих величин, а также учесть перед использованием формул (1)-(9), что для вычисленных в Priroda значений энергий, энтальпий и энергий Гиббса EPr, HPr, GPr действуют правила:

E = EPr,

H = HPr + EPr

G = GPr + EPr.

При решении единственной задачи объем необходимой работы не очень велик (при условии, что не нужно проводить более сложные вычисления). Однако когда необходимо изучить большое количество реакций (например, когда речь идет о целом классе соединений), обработка результатов расчетов может отнять значительное количество времени исследователя.

Результаты и их обсуждение

Для решения данной проблемы мы разработали программу P-Analysis (для операционной системы Windows). Вид ее рабочего окна представлен на рисунке.

Программа допускает два режима проведения вычислений: элементарный акт и отдельное соединение. В первом случае пользователь должен выбрать файлы продуктов, реагентов, переходного состояния и хотя бы одного соединения, принимаемого за базовое.

Когда все файлы будут выбраны, пользователь получает возможность нажать кнопку «Запуск». Программа проанализирует предложенные ей файлы, выберет необходимые данные и проведет вычисления в соответствии с формулами (1)-(12).

Пользователь имеет возможность выбрать единицы измерения результатов обработки, а также формат их вывода. При выборе формата CSV результаты будут сведены в csv-таблицу.

Рисунок. Внешний вид рабочего окна программы P-Analysis

Это текстовый формат, в котором столбцы и таблицы отделяются друг от друга разделителем, опре-деленным в настройках операционной системы (напри-мер, «;»). Далее такой файл можно открыть, например, в MS Excel, где он будет представлен в виде элект-ронной таблицы.

Если пользователь выбрал формат MS Word, про-грамма откроет на экране документ в формате doc/docx и сформирует там таблицу с результатами обработки (см. пример в таблице). Для каждого соединения будут выве-дены имя out-файла, брутто-формула, значение первой частоты колебания, версия программы Priroda, которой производился расчет, значения энергий E, энергий с учетом нулевых колебаний E0, энтальпий H и энергий Гиббса G. компьютерный программа квантовый химический

Также выводятся относительные значения E, H и G. Внизу таблицы располагаются термодинамические ха-рактеристики изучаемой реакции. Кроме того, если поль-зователь поместил в папку с out-файлами обрабаты-ваемых результатов расчетов также файлы соответст-вующих им рисунков (эти файлы должны иметь такие же имена, как и out-файлы, а расширения - .jpg или .tif), программа автоматически вставит эти рисунки в таблицу.

Если пользователь выбрал режим «Отдельное соединение», он имеет возможность в диалоговом окне выделить сразу несколько out-файлов и запустить их на обработку. В этом случае для каждого из выбранных соединений будут выведены их термо-динамические характеристики и соответствующие им рисунки (при наличии).

Когда исследователю необходимо обработать результаты вычислений для большого количества реакций, целесообразно воспользоваться возможность пакетной обработки. Для этого необходимо создать текстовый файл с параметрами обработки, соответствующий каждому расчету.

Каждая отдельная строка данного файла соответствует одному полю или настройке в P-Analysis, и структура его выглядит следующим образом:

<единицы измерения>

<путь к файлу переходного состояния>

<путь к файлу исходного основного состояния>

<путь к файлу основного состояния продуктов>

<путь к базовому соединению 1> <коэффициент>

<путь к базовому соединению 2> <коэффициент>

<путь к базовому соединению 3> <коэффициент>

Далее можно сформировать пакетный bat-файл, в котором будут перечислены команд-ные строки запуска P-Analysis:

P-Analysis_P0_9.exe <путь к текстовому файлу расчета 1>

P-Analysis_P0_9.exe <путь к текстовому файлу расчета 2>

P-Analysis_P0_9.exe <путь к текстовому файлу расчета 3>

В заключении рассмотрим возможность автоматического запуска обработки результатов сразу после завершения расчета. В наших предыдущих работах [25-27] мы рассматривали итерационный алгоритм поиска экстремума на поверхности потенциальной энергии с приме-нением программы Priroda и реализацию данного алгоритма с помощью нашей программы-оболочки P-AutoExtremum. Если исследователь решает задачу поиска переходного состояния, данная программа после завершения расчета автоматически инициирует запуск процедуры спусков по координате реакции к продуктам и реагентам, а также запустит поиск точных минимумов, которые им соответствуют.

Таблица. Пример вывода программы P-Analysis для результатов исследования реакции CH3SH3O + 2H2O CH3SH2OH + 2H2O (ккал/моль)

Таким образом, исследователь в конце всего цикла вычислений получит файлы, содер-жащие структуры ПС, реагентов и продуктов. С помощью специальной команды управляю-щего текстового файла можно дать P-AutoExtremum указание провести автоматическую обработку полученных результатов в режиме «Элементарный акт» (предполагается, что исполняемый файл P-Analysis находится в одной папке с исполняемым файлом P-AutoExtremum). Тогда таблица, аналогичная таблица, будет получена для исследуемой реакции без вмешательства пользователя. Правда, поскольку наши программы не создают графи-ческую визуализацию результатов, рисунки в такую таблицу придется добавить вручную. Поиск оптимального решения, которое бы облегчило исследователю работу с визуализацией, на момент написания статьи пока еще ведется.

Выводы

1. Обработка результатов квантово-химических исследований механизмов реакций зачастую сопряжено с существенными объемами рутинной ручной работы. Для автоматизации обра-ботки результатов исследований элементарных актов (в первую очередь, активационных термодинамических параметров реакции) с применением программы Priroda разработана программа P-Analysis.

2. Автоматическая обработка результатов квантово-химических вычислений с помощью программы P-Analysis может быть включена в итерационный алгоритм исследования ППЭ, реализуемый оболочкой P-AutoExtremum для программы Priroda. Программа P-Analysis допускает работу, как в оконном режиме, так и через интепретатор командной строки.

Литература

[1] G.M. Khrapkovskii, A.G. Shamov, R.V. Tsyshevsky, D.V. Chachkov, D.L. Egorov, I.V. Aristov, Computational and Theoretical Chemistry. 2012. 985. С.80-89.

[2] Храпковский Г.М., Егоров Д.Л., Шамов А.Г. Вестник Казанского технологического университета. 2016. 19, 7, С.35-37.

[3] Храпковский Г.М., Егоров Д.Л., Шамов А.Г. Вестник Казанского технологического университета. 2016. 19, 10, С.38-40.

[4] Храпковский Г.М., Аристов И.В., Егоров Д.Л., Шамов А.Г. Вестник Казанского технологического университета. 2016. 19, 11, С.5-7.

[5] Храпковский Г.М., Егоров Д.Л., Шамов А.Г. Вестник Казанского технологического университета. 2016. 19, 11, С.11-13.

[6] Храпковский Г.М., Егоров Д.Л., Кирпичников А.П., Шамов А.Г. Вестник Казанского технологического университета. 2016. 19, 13, С.33-35.

[7] Храпковский Г.М., Егоров Д.Л., Кирпичников А.П., Шамов А.Г. Вестник Казанского технологического университета. 2016. 19, 13, С.42-44.

[8] Храпковский Г.М., Егоров Д.Л., Кирпичников А.П., Шамов А.Г. Вестник Казанского технологического университета. 2016. 19, 14, С.41-43.

[9] Храпковский Г.М., Егоров Д.Л., Шамов А.Г. Вестник Казанского технологического университета. 2013. 16, 21, С.20-23.

[10] Шарипов Д.Д., Егоров Д.Л., Чачков Д.В., Шамов А.Г., Храпковский Г.М. Вестник Казанского технологического университета. 2010. 13, 7, С.45-52.

[11] Шарипов Д.Д., Егоров Д.Л., Николаева Е.В., Шамов А.Г., Храпковский Г.М. Вестник Казанского технологического университета. 2010. 13, 9, С.34-39.

[12] Егоров Д.Л., Мазилов Е.А., Огурцова Е.В., Шамсутдинов Т.Ф., Шамов А.Г., Храпковский Г.М. Вестник Казанского технологического университета. 2011. 14, 13, С.12-16.

[13] Шамов А.Г., Николаева Е.В., Храпковский Г.М. Журнал общей химии. 2004. 74, 8, С.1327-1342.

[14] Храпковский Г.М., Егоров Д.Л., Шамов А.Г. Вестник Казанского технологического университета. 2013. 16, 22, С.13-16.

[15] Егоров Д.Л., Чачков Д.В., Цышевский Р.В., Шамов А.Г., Храпковский Г.М. Вестник Казанского технологического университета. 2010. 13, 9, С.57-62.

[16] Егоров Д.Л., Аристов И.В., Шамов А.Г., Храпковский Г.М. Вестник Казанского технологического университета. 2013. 16, 5, С.7-9.

[17] G.M. Khrapkovskii, D.D. Sharipov, A.G. Shamov, D.L. Egorov, D.V. Chachkov, B. Nguyen Van, R.V. Tsyshevsky. Computational and Theoretical Chemistry. 2013. 1017, С.7-13.

[18] G.M. Khrapkovskii, D.D. Sharipov, A.G. Shamov, D.L. Egorov, D.V. Chachkov, R.V. Tsyshevsky. Computational and Theoretical Chemistry. 2013. 1011, P.37-43.

[19] Чачков Д.В., Егоров Д.Л., Николаева Е.В., Шамов А.Г., Храпковский Г.М. Вестник Казанского технологического университета. 2010. 13, 9, C.44-49.

[20] Лайков Д.Н. Развитие экономного подхода к расчету молекул методом функционала плотности и его применение к решению сложных химических задач. Диссертация на соискание ст. к.ф.-м.н., МГУ. 2000.

[21] Лайков Д.Н., Устынюк Ю.А. Известия Академии Наук. Серия химическая. 2005. 3, C.804-810.

[22] D.N. Laikov. J. Chem. Phys. 2011. 135, 134120.

[23] Гришаева Т.Н., Маслий А.Н. Вестник Казанского технологического университета. 2012. 12, 7-11.

[24] Маслий А.Н., Мадиров Э.И. Вестник Казанского технологического университета. 2013. 23, C.12-18.

[25] Егоров Д.Л., Шамов А.Г., Храпковский Г.М. Вестник Казанского технологического университета. 2015. 18, 21, C.12-15.

[26] Шамов А.Г., Егоров Д.Л., Храпковский Г.М. Вестник Казанского технологического университета. 2015. 18, 18, C.206-207.

[27] Шамов А.Г., Егоров Д.Л., Храпковский Г.М. Вестник Казанского технологического университета. 2014. 17, 18, C.7-10.

Аннотация

В работе описывается новая компьютерная программа P-Analysis, предназначенная для обработки результатов квантово-химических расчетов, проведенных с помощью программы Priroda. Программа анализирует выходные файлы расчетов и в зависимости от выбранного пользователем режима формирует таблицы, содержащие информацию о самих расчетах и соответствующие им термодинамические параметры. Имеется два режима работы: отдельное соединение и элементарный акт. В первом случае на выходе будут представлены основные термодинамические параметры рассматриваемых соединений. Основная ценность данного режима состоит в возможности получить информацию сразу для большого количества выходных файлов расчетов. Второй режим упрощает исследование химических реакций. В качестве исходной информации для программы пользователь указывает расположение выходных файлов переходного состояния, продуктов и реагентов. Программа проанализирует их и представит для каждой из этих трех структур информацию о термодинамических параметрах, а также произведет вычисление активационных параметров исследуемой реакции, в частности, энергии активации, энтальпии активации, энергии Гиббса активации (указанные характеристики будут вычислены как для прямой, так и для обратной реакции). Результаты обработки в зависимости от выбора пользователя могут быть автоматически сведены в таблицу в формате CSV, либо MS Word. Приложение является оконным, но имеется возможность работы через командную строку, что позволяет производить пакетную обработку выходных файлов для большого количества исследованных реакций. Для этих целей необходимо сформировать текстовый файл, содержащий информацию, необходимую для проведения обработки. Этап обработки результатов может быть встроен в итерационный процесс автоматического исследования ППЭ с применением программы Priroda и оболочки P-AutoExtremum. Когда завершится расчет переходного состояния, будут проведены спуски по координате реакции к продуктам и реагентам, а также осуществлен поиск точных минимумов, которые им соответствуют, P-AutoExtremum автоматически сформирует текстовый файл с параметрами обработки и инициирует запуск P-Analysis.

Ключевые слова: квантово-химический расчет, обработка результатов, исследование механизмов реакций, программное обеспечение.

В работе описывается новая компьютерная программа P-Analysis, предназначенная для обработки результатов квантово-химических расчетов, проведенных с помощью программы Priroda. Программа анализирует выходные файлы расчетов и в зависимости от выбранного пользователем режима формирует таблицы, содержащие информацию о самих расчетах и соответствующие им термодинамические параметры. Имеется два режима работы: отдельное соединение и элементарный акт. В первом случае на выходе будут представлены основные термодинамические параметры рассматриваемых соединений. Основная ценность данного режима состоит в возможности получить информацию сразу для большого количества выходных файлов расчетов. Второй режим упрощает исследование химических реакций. В качестве исходной информации для программы пользователь указывает расположение выходных файлов переходного состояния, продуктов и реагентов. Программа проанализирует их и представит для каждой из этих трех структур информацию о термодинамических параметрах, а также произведет вычисление активационных параметров исследуемой реакции, в частности, энергии активации, энтальпии активации, энергии Гиббса активации (указанные характеристики будут вычислены как для прямой, так и для обратной реакции). Результаты обработки в зависимости от выбора пользователя могут быть автоматически сведены в таблицу в формате CSV, либо MS Word. Приложение является оконным, но имеется возможность работы через командную строку, что позволяет производить пакетную обработку выходных файлов для большого количества исследованных реакций. Для этих целей необходимо сформировать текстовый файл, содержащий информацию, необходимую для проведения обработки. Этап обработки результатов может быть встроен в итерационный процесс автоматического исследования ППЭ с применением программы Priroda и оболочки P-AutoExtremum. Когда завершится расчет переходного состояния, будут проведены спуски по координате реакции к продуктам и реагентам, а также осуществлен поиск точных минимумов, которые им соответствуют, P-AutoExtremum автоматически сформирует текстовый файл с параметрами обработки и инициирует запуск P-Analysis.

Размещено на Allbest.ru