Сравнение полуэмпирических методов расчета

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 полуэм-пирических 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 биомо-лекулярных 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, PM6 сохраняет вычислительную эффективность, характерную для полуэмпирических методов, что позволяет выполнять вычисления в больших системах в разумные сроки. Процесс параметризации PM6 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 PM6 имеет тенденцию к снижению с увеличением размера молекулы, что делает его менее подходящим для больших систем или макромолекул. PM6 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

Заключение: AM1, PM3 и PM6 – это три этом вычислительную эффективность, что популярных полуэмпирических метода расчета, которые обеспечивают баланс между вычислительной эффективностью и точностью. AM1 широко используется для рутинных расчетов и геометрической оптимизации, предлагая универсальность и скорость, но за счет снижения точности для определенных свойств и систем. PM3

делает его пригодным для широкого спектра молекулярных систем. PM6 дополнительно повышает точность, особенно для соединений переходных металлов и биохимических систем, но его производительность может быть ограничена размером молекулы и наличием комплексного обучающего набора.

улучшает точность AM1, сохраняя при