مبانی و کاربردهای شیمی محاسباتیBasics and Applications of Computational Chemistry

مقدمه ای از کتاب مبانی و کاربردهای شیمی محاسباتی

اهمیت شیمی محاسباتی و ضرورت استفاده از آن در گستره‌ی دنیای شیمی بر محققین و متخصصین این حوزه به خوبی آشکار است. کمبود کتاب‌ها و منابع جامع به زبان فارسی که دربردارنده‌ی مفاهیم تئوری و کاربردی باشد و هم‌چنین نیاز روز‌افزون محققین و دانشجویان در شاخه‌های مختلف علوم پایه، به‌ ویژه در مقاطع تحصیلات تکمیلی، به منابعی که پاسخ‌گوی پرسش‌های ایشان در زمینه‌ی مبانی، انواع روش‌ها و نکات کاربردی دانش شیمی محاسباتی باشد، نویسندگان را بر آن داشت تا با استفاده از تجربه‌ی خود در تدریس و تحقیق در زمینه‌ی شیمی محاسباتی به تکمیل اندوخته‌های خود مبادرت ورزند و کتابی را تألیف نمایند که تا حد امکان تأمین‌کننده‌ی نیاز دانشجویان و محققین کشور در این زمینه باشد. گرچه تألیف یک کتاب تخصصی شیمی محاسباتی کاری دشوار است، اما امیدواریم این تلاش در تدوین مجموعه‌ای یک‌پارچه در این زمینه موفق بوده باشد و نقطه‌‌ی قوتی برای ایجاد اندیشه‌های خلاق در دنیای شیمی محاسباتی محسوب گردد.

سرفصل‌های کتاب دانش و مدل‌سازی پیشرفته در CATIA

فصل اول: مقدمه‌اي بر شيمي محاسباتي

• 1-1- مقدمه‌اي بر شيمي محاسباتي و تاريخچه‌ی آن
• 1-2- فلسفه‌ی شيمي محاسباتي
• 1-3- روش‌هاي حل معادله‌ی شرودينگر الكتروني
• 1-3-1- روش‌هاي آغازين
• 1-3-1-1- اصول نظريه‌ي ميدان خود‌‌ـ‌سازگار (SCF)
• 1-3-1-2- روش‌هاي هارتري و هارتري‌ـ‌فاک
• 1-3-1-3- معادلات روتان
• 1-3-1-4- روش هارتري‌ـ‌فاک براي مولکول‌ها
• 1-3-1-5- برهم‌کنش آرايشي (CI)
• 1-3-1-6- روش‌هاي RHF، UHF و ROHF
• 1-3-1-7- اثرات هم‌بستگي الكتروني
• 1-3-2- نظريه‌ی تابعي دانسیته (DFT)
• 1-4- روش‌هاي تركيبي
• 1-4-1- روش‌هاي G2 و G3
• 1-4-2- روش‌هاي تركيبي CBS (حد مجموعه‌ی كامل)
• 1-5- روش‌هاي تجربي و نيم‌-تجربي
• 1-6- مكانيك مولكولي
• 1-7- ديناميك مولكولي (MD) و شبيه‌سازي‌هاي رايانه‌اي

فصل دوم: نرم‌افزارهاي Gaussian، GaussView و HyperChem

• 2-1- مقدمه
• 2-2- مجموعه‌ی پايه
• 2-2-1- تقسيم‌بندي انواع مجموعه‌هاي پايه
• 2-2-1-1- طبقه‌بندي توابع ساده
• 2-2-1-2- مجموعه‌ی توابع پيشرفته
• 2-3- بهينه‌سازي
• 2-4- محاسبات تک نقطه‌ای single point
• 2-5- ارتعاشات مولکولي
• 2-5-1- نوسان‌گر هماهنگ
• 2-5-2- اثرات ناهماهنگي ارتعاشي
• 2-5-3- شدت طيف
• 2-6- ترموشيمی در Gaussian
• 2-6-1- سهم حرکت انتقالي
• 2-6-2- سهم حرکت الکتروني
• 2-6-3- سهم حرکت چرخشي
• 2-6-4- سهم حرکت ارتعاشي
• 2-7- لايه‌باز و لايه‌بسته
• 2-8- خطاي بر‌هم‌نهي مجموعه‌هاي پايه (BSSE)
• 2-8-1- مثال: برهم‌كنش يون با گاز‌هاي نجيب
• 2-9- روش محاسباتي ONIOM
• 2-10- انتخاب شيمي-‌مدل: روش و مجموعه‌ی پايه
• 2-11- قابليت‌هاي نرم‌افزار GaussView
• 2-11-1- نحوه‌ي ترسيم مولکول
• 2-11-2- نحوه‌ي ساختن فايل ورودي Gaussian
• 2-11-3- مشاهده‌ی فايل ورودي و خروجي Gaussian و فايل‌هاي ماشيني با پسوند chk
• 2-11-3-1- نمايش بارهاي جزئي موليکن در برنامه‌ی GaussView
• 2-11-3-2- تقارن مولكولي
• 2-11-3-3- مشاهده‌ی طيف‌ها و نحوه‌ی ارتعاشات مولکولي
• 2-12- محيط نرم‌افزار Gaussian
• 2-12-1- ورودی نرم‌افزار Gaussian
• 2-12-2- تفسير خروجي Gaussian

• 2-12-2-1- اطلاعات مربوط به توابع پايه
• 2-12-2-2- انرژي
• 2-12-2-3- اوربيتال‌هاي مولکولي و انرژي اوربيتال‌ها
• 2-12-2-4- ممان دوقطبي و ممان‌هاي مرتبه‌ی بالاتر
• 2-12-3- بهينه‌سازي ساختار هندسي (دستور opt)
• 2-12-3-1- زير‌شاخه‌هاي دستور opt
• 2-12-4- additional step
• 2-12-4-1- بررسي قابليت مجموعه‌هاي پايه و روش‌هاي مختلف براي يک مولکول
• 2-12-4-2- يافتن ساختار پايدار مولکول (دستور Stable)
• 2-12-4-3- اعمال تغييرات در دما، فشار و ايزوتوپ‌ها
• 2-12-5- دستور Freq
• 2-12-6- محاسبات مربوط به طيف IR و RAMAN
• 2-12-6-1- شيوه‌هاي عادي ارتعاشي (Normal Mode)
• 2-12-6-2- اطلاعات ترمو‌شيميايي
• 2-12-6-3- نقاط ايستا
• 2-12-7- ساختار حالت‌هاي گذار (Transition State)
• 2-12-8- روبش سطح انرژي پتانسيل
• 2-12-9- خروجي حاصل از شيمي‌ـ‌مدل‌هاي ترکيبي
• 2-12-10- پيش‌بيني خواص NMR
• 2-12-11- اتم‌هاي مجازي (Dummy Atoms)
• 2-12-12- روش خطاي برهم‌نهي BSSE
• 2-13- قابلیت‌های Gaussian 03 در مقایسه با نسخه‌ي قديمي‌تر Gaussian 98
• 2-14- معرفي نرم‌افزارHyperChem 7
• 2-14-1- نحوه‌ی كار با HyperChem

فصل سوم: نرم‌افزار اتم در مولکول AIM

• 3-1- نظريه‌‌ی اتم در مولكول AIM
• 3-1-1- نقاط بحراني Critical points
• 3-2- کاربرد AIM در بررسي ماهيت پيوندهاي شيميايي
• 3-3- تجزيه و تحليل اوربيتال‌هاي طبيعي پيوندي
• 3-4- نرم‌افزار AIM 2000
• 3-4-1- محاسبه‌ی نقاط بحراني
• 3-4-2- تجزيه و تحليل نتايج
• 3-4-3- گراف‌ها و محاسبات
• 3-4-4- محاسبه‌ی خواص مربوط به سطوح بين ‌اتمي
• 3-4-5- مشاهده‌ی گرافيكي نتايج
• 3-5- بررسي خوشه‌هاي آب
• 3-6- نتايج AIM براي مولكولLiF
• 3-7- نتايج AIM براي مولكول CH3SH

فصل چهارم: مقايسه‌ی روش‌هاي محاسباتي و معرفي انواع نرم‌افزارها

• 4-1- کاربرد تکنيک‌هاي شيمي محاسباتي بر اساس جدول تناوبي
• 4-1-1- مولکول‌های ترکيبات آلي
• 4-1-2- گروه اصلي ترکيبات معدني، گازهاي نجيب و فلزات قليايي
• 4-1-3- فلزات واسطه
• 4-1-4- گروه لانتانيدها و اکتينيدها
• 4-2- مقايسه‌ی دقت نتايج حاصل از روش‌هاي محاسباتي
• 4-3- معرفي نرم‌افزارهاي محاسباتي
• 4-3-1- نرم‌افزارهاي گرافيکي‌ـ‌محاسباتي
• 4-3-2- خانواده‌ی نرم‌افزارهاي محاسباتی آغازين و DFT
• 4-3-3- نرم‌افزارهاي نيم-‌تجربي
• 4-3-4- نرم‌افزارهاي مکانيک مولکولي، ديناميک مولکولي و روش مونت کارلو
• 4-3-5- نرم‌افزارهاي گرافيکي
• 4-3-6- نرم‌افزارهايي با کاربرد و هدف

فصل پنجم: کاربردها

• 5-1- بررسي اطلاعات ترموشيميايي و سينتيکي
• 5-1-1- محاسبه‌ی گرماي تشکيل واکنش‌ها
• 5-1-1-1- محاسبه‌ي گرماي تشکيل و انرژي آزاد تشکيل از طريق انرژي‌هاي اتميزاسيون
• 5-1-1-1-1- محاسبه‌ی گرماي تشکيل و گرماي واکنش توليد اتيلن از متان
• 5-1-1-1-2- روش ساده‌تر براي محاسبه‌ي آنتالپي استاندارد واکنش: واکنش توليد اتان از راديکال اتيلن
• 5-1-1-1-3- استفاده از شيمي‌‌ـ‌مدل‌هاي ترکيبي
• 5-1-1-1-3-1- محاسبه‌ي گرماي تشکيل متان در دما و فشار‌هاي مختلف
• 5-1-1-2- گرماي تشکيل اتم‌ها: محاسبه‌ی گرماي تشکيل متانول
• 5-1-1-3- واکنش‌هاي ايزودسميک
• 5-1-2- بررسي سينتيکي فرآيندها
• 5-1-2-1- تأثير ايزوتوپ‌ها در سينتيک واکنش: واکنش راديکالي کلر با ايزوتوپ‌هاي فلوئوريد هيدروژن
• 5-1-2-2- نمونه‌هايي از محاسبه‌ي ثابت سرعت و نيمه‌ عمر واکنش‌ها
• 5-1-3- پيش‌بيني مسير واکنش
• 5-1-3-1- مکانيسم واکنش راديکاليCH3S و ClO
• 5-1-3-2- مدل مکانيک کوانتومي پيوند در پپتيد: واکنش تشکيل فرماميد
• 5-1-3-3- بررسي سينتيکي و ترموديناميکي واکنش يد با بخار آب
• 5-2- محاسبه‌ی اثرات هم‌بستگي الکتروني ماکرومولکول‌ها با روش ONIOM
• 5-3- كاربرد مدل‌سازي مولكولي در سيستم‌هاي كاتاليستي
• 5-3-1- مدل‌سازي كاتاليست فرآيند فيشر‌ـ‌تروپش
• 5-3-2- نقش كاتاليست پروسكايت در فرآيند OCM
• 5-3-3- بررسي واکنش کاتاليستي تجزيه‌ی NO بر روي سطوح فلزات واسطه: اسکن سطح انرژي پتانسيل و دست‌يابي به روابط سينتيکي
• 5-3-4- مهندسي ساختارکاتاليست در شيمي سبز
• 5-3-5- كاربرد AIM در بررسي طبيعت جايگاه‌هاي فعال در سطح جامدات و كاتاليست‌ها
• 5-3-6- بررسي شيمي كوانتومي فعال‌سازي پيوند بر روي سطح
• 5-4- مدل‌سازي سيستم‌ها در حلال
• 5-4-1- مقايسه‌ي روش‌هاي SCRF در مورد فور فورآلدهيد
• 5-4-2- سد چرخشي N‌ـ‌متيل‌ـ‌2‌ـ‌ نيترووينيل آمين در فاز محلول
• 5-4-3- پيش‌بيني ‌PKaی برخي مولکول‌ها در تعادل اسيد‌ـ‌باز