برنامج سبارتان (برنامج كيميائي)

سبارتان هو تطبيق لنمذجة الجزيئات والكيمياء الحاسوبية من شركة ويف دانش. ^{[ 2 ]} يحتوي على شفرة برمجية للميكانيكا الجزيئية ، والأساليب شبه التجريبية ، ونماذج الحسابات الأولية ، ^{[ 3 ]} ونماذج دالة الكثافة ، ^{[ 4 ]} ونماذج ما بعد هارتري-فوك ، ^{[ 5 ]} ووصفات كيميائية حرارية تشمل G3(MP2) ^{[ 6 ]} وT1، ^{[ 7 ]} ونماذج التعلم الآلي مثل MMFF المصحح ^{[ 8 ]} ودالة الكثافة المقدرة. ^{[ 9 ]} تعتمد حسابات الكيمياء الكمية في سبارتان على Q-Chem . ^{[ 10 ]}

تتمثل الوظائف الأساسية في توفير معلومات حول هياكل الجزيئات المعزولة، واستقرارها النسبي، وخصائصها الأخرى. تُعد حسابات الميكانيكا الجزيئية على الجزيئات المعقدة شائعة في الأوساط الكيميائية. أما حسابات الكيمياء الكمية، بما في ذلك حسابات المدارات الجزيئية باستخدام طريقة هارتري-فوك ، وخاصةً الحسابات التي تتضمن الترابط الإلكتروني ، فهي تستغرق وقتًا أطول نسبيًا.

تُستخدم حسابات الكيمياء الكمومية أيضًا لتوفير ^{معلومات} حول آليات وتوزيع نواتج التفاعلات الكيميائية، إما مباشرةً من خلال حسابات حالات الانتقال ، أو استنادًا إلى فرضية هاموند [ ^{11 ]} عن طريق نمذجة المتطلبات الفراغية والإلكترونية للمتفاعلات. وتزداد شيوع الحسابات الكمية، التي تُفضي مباشرةً إلى معلومات حول هندسة حالات الانتقال ، وآليات التفاعل عمومًا، بينما لا تزال النماذج النوعية ضرورية للأنظمة الكبيرة جدًا بحيث لا تخضع لمعالجات أكثر دقة. ويمكن لحسابات الكيمياء الكمومية أن تُوفر معلومات تُكمّل البيانات التجريبية الموجودة أو تحل محلها تمامًا، على سبيل المثال، الشحنات الذرية لتحليلات العلاقة الكمية بين التركيب والنشاط (QSAR) ^{[ 12 ]} ، والجهود بين الجزيئية لحسابات الميكانيكا الجزيئية والديناميكا الجزيئية .

يطبق برنامج Spartan أساليب الكيمياء الحاسوبية (النماذج النظرية) على العديد من المهام القياسية التي توفر بيانات محسوبة قابلة للتطبيق على تحديد شكل الجزيء ، والبنية (هندسة حالة التوازن والانتقال)، و NMR ^{[ 13 ]} ، و IR ، و Raman ، وأطياف الأشعة فوق البنفسجية المرئية ، والخصائص الجزيئية (والذرية)، والتفاعلية، والانتقائية.

يوفر هذا البرنامج حسابات مجالات القوى الجزيئية ، بما في ذلك مجال قوة ميرك الجزيئي (MMFF) ^{[ 14 ]} (لمجموعة اختبارات التحقق)، وMMFF مع ملحقاته، وSYBYL ^{[ 15 ]} ، بالإضافة إلى الحسابات شبه التجريبية ، و MNDO /MNDO(D) ^{[ 16 ]، ونموذج} أوستن 1 (AM1) ^{[ 17 ]} ، وPM3 ^{[ 18 ] [ 19] [ 20 ] [ 21 ] ،} ونموذج ريسيفي 1 (RM1) ^{[ 22 ]، و} PM6 ^{[ 23 ] .}

• طرق هارتري-فوك ، وطرق المجال المتسق ذاتيًا (SCF) ، المتوفرة مع المذيب الضمني (SM8). ^{[ 24 ]}
  • هارتري-فوك المقيد وغير المقيد والمقيد ذو الغلاف المفتوح
• طرق نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ، المتوفرة مع المذيب الضمني (SM8). ^{[ 24 ]}
  • الدوال القياسية : BP، ^{[ 25 ] [ 26 ]} BLYP، ^{[ 25 ] [ 27 ]} B3LYP، ^{[ 25 ] [ 27 ] [ 28 ]} EDF1، ^{[ 29 ]} EDF2، ^{[ 30 ]} M06، ^{[ 31 ]} ωB97X-D ^{[ 32 ]}

• • دوال التبادل : HF، سلاتر-ديراك، ^{[ 34 ]} بيك88، ^{[ 25 ]} جيل96، ^{[ 35 ]} GG99، ^{[ 36 ]} B(EDF1)، PW91 ^{[ 37 ]}
  • دوال الارتباط : VWN، ^{[ 38 ]} LYP، ^{[ 27 ]} PW91، ^{[ 39 ]} P86، ^{[ 40 ]} PZ81، ^{[ 41 ]} PBE. ^{[ 42 ]}
  • الدوال المركبة أو الهجينة : B3PW91، ^{[ 43 ]} B3LYP، ^{[ 28 ]} B3LYP5، EDF1، ^{[ 29 ]} EDF2، ^{[ 30 ]} BMK ^{[ 44 ]}
    • مجموعة تروهلار ^{[ 45 ]} الدوال الوظيفية: M05، ^{[ 46 ]} M05-2X، ^{[ 46 ]} M06، ^{[ 31 ]} M06-L ^{[ 47 ]} M06-2X، ^{[ 31 ]} M06-HF ^{[ 48 ]}
    • الدوال الوظيفية لمجموعة هيد-غوردون: ^{[ 49 ]} ωB97، ^{[ 50 ]} ωB97X، ^{[ 50 ]} ωB97X-D ^{[ 32 ]}
• أساليب التجميع المترابطة .
  • CCSD، ^{[ 51 ]} CCSD(T)، ^{[ 52 ]} CCSD(2)، ^{[ 53 ]} OD، ^{[ 54 ]} OD(T)، OD(2)، ^{[ 55 ]} QCCD، ^{[ 56 ]} VOD، ^{[ 57 ]} VOD (2)، ^{[ 57 ]} VQCCD ^{[ 57 ]}
• طرق مولر-بليسيت .
  • MP2، ^{[ 58 ] [ 59 ]} MP3، ^{[ 60 ] [ 61 ]} MP4، ^{[ 62 ]} RI-MP2 ^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}
• طرق الحالة المثارة .
  • نظرية الكثافة الوظيفية المعتمدة على الزمن (TDDFT) ^{[ 66 ] [ 67 ]}
  • التفاعل التكويني : CIS، ^{[ 68 ]} CIS(D)، ^{[ 69 ]} QCIS(D) ، ^{[ 70 ]} التفاعل التكويني التربيعي (QCISD(T))، ^{[ 70 ]} RI-CIS(D) ^{[ 71 ]}
• طرق الكيمياء الكمية المركبة ، والوصفات الكيميائية الحرارية .
  • T1، ^{[ 7 ]} G2، ^{[ 72 ]} G3، ^{[ 73 ]} G3 (MP2) ^{[ 6 ]}

توفر النماذج الحسابية المتاحة خصائص جزيئية، وديناميكية حرارية، وعلاقات كمية بين البنية والنشاط، وذرية، ورسومية، وطيفية. ويتيح مربع حوار الحساب الوصول إلى المهام الحسابية التالية:

• الطاقة ^{[ 74 ]} – بالنسبة لهندسة معينة، توفر الطاقة والخصائص المرتبطة بها لجزيء أو نظام. في حال استخدام نماذج الكيمياء الكمومية، يتم حساب الدالة الموجية .
• الهندسة الجزيئية المتوازنة ^{[ 75 ]} - تحدد أقرب حد أدنى محلي وتوفر الطاقة والخصائص المرتبطة بها.
• هندسة حالة الانتقال ^{[ 75 ]} - يحدد أقرب نقطة سرجية من الدرجة الأولى (قيمة عظمى في بُعد واحد وقيمة صغرى في جميع الأبعاد الأخرى) ويوفر الطاقة والخصائص المرتبطة بها.
• المتماثل المتوازن ^{[ 75 ]} – يحدد التكوين ذو الطاقة الأدنى. غالبًا ما يتم إجراؤه قبل حساب البنية باستخدام نموذج كيميائي كمي.
• توزيع المتماثلات ^{[ 74 ]} – يُنتج مجموعة مختارة من المتماثلات ذات الطاقة المنخفضة. يُستخدم عادةً لتحديد الأشكال التي من المحتمل أن يتخذها جزيء معين، ولتحديد توزيع بولتزمان لحساب متوسط ​​الخصائص الجزيئية.
• مكتبة المتماثلات ^{[ 74 ]} – تحدد المتماثل الأقل طاقة وتربطه بمجموعة من المتماثلات التي تشمل جميع الأشكال المتاحة للجزيء بغض النظر عن الطاقة. تُستخدم لبناء مكتبات لتحليل التشابه.
• ملف تعريف الطاقة ^{[ 74 ]} - يقوم بتحريك جزيء أو نظام من خلال مجموعة إحداثيات محددة من قبل المستخدم، مما يوفر هندسة التوازن لكل خطوة (رهناً بالقيود التي يحددها المستخدم).
• تحليل التشابه ^{[ 74 ]} – يُحدد كميًا مدى تشابه الجزيئات (وربما متماثلاتها) بناءً على بنيتها أو وظيفتها الكيميائية ( مستقبلات ومانحات الروابط الهيدروجينية ، والجزيئات القابلة للتأين الموجبة والسالبة ، والجزيئات الكارهة للماء ، والمركبات العطرية ). كما يُحدد كميًا مدى تشابه الجزيء (وربما متماثلاته) مع مجموعة دوائية .

يحتوي البرنامج على واجهة مستخدم رسومية متكاملة . ويدعم عمليات شاشة اللمس لأجهزة ويندوز 7 و 8 . يُسهّل بناء الجزيئات ثلاثية الأبعاد باستخدام أدوات بناء الجزيئات (بما في ذلك الجزيئات العضوية وغير العضوية والببتيدات والنيوكليوتيدات والبدائل). كما يدعم البرنامج بناء الجزيئات العضوية ثنائية الأبعاد باستخدام لوحة رسم ثنائية الأبعاد. يمكن لواجهة إصدار ويندوز الوصول إلى برنامج ChemDraw ، والذي يمكن استخدام إصداراته 9.0 أو أحدث لبناء الجزيئات ثنائية الأبعاد. يُستخدم مربع حوار الحسابات لتحديد المهمة وطريقة الحساب. تُعرض بيانات الحسابات في مربعات حوار أو كنص. يُمكن إجراء تحليلات بيانات إضافية، بما في ذلك الانحدار الخطي ، من خلال جدول بيانات داخلي. ^{[ 74 ]}

تُعدّ النماذج الرسومية، ولا سيما المدارات الجزيئية وكثافة الإلكترون وخرائط الجهد الكهروستاتيكي، وسيلةً روتينيةً لتصوّر الجزيئات في تعليم الكيمياء. ^{[ 76 ] [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ]}

• الأسطح :
  • المدارات الجزيئية (أعلى مدار مشغول، وأدنى مدار غير مشغول، وغيرها)
  • كثافة الإلكترونات - الكثافة، ρ( r )، هي دالة للإحداثيات r ، وتُعرَّف بحيث يكون ρ( r ) dr هو عدد الإلكترونات داخل حجم صغير dr . هذا ما يُقاس في تجربة حيود الأشعة السينية . يمكن تمثيل الكثافة بسطح متساوي الكثافة، حيث يُحدد حجم وشكل السطح بقيمة (أو نسبة التغطية) كثافة الإلكترونات.
  • الكثافة المغزلية – تُعرَّف الكثافة، ρ ^spin ( r )، بأنها الفرق بين كثافة الإلكترونات الناتجة عن إلكترونات ذات مغزل α، ρα( r )، وكثافة الإلكترونات الناتجة عن إلكترونات ذات مغزل β، ρβ( r ). في الجزيئات ذات الغلاف الإلكتروني المغلق (حيث تكون جميع الإلكترونات مزدوجة)، تكون الكثافة المغزلية صفرًا في كل مكان. أما في الجزيئات ذات الغلاف الإلكتروني المفتوح (حيث يكون إلكترون واحد أو أكثر غير مزدوج)، فتشير الكثافة المغزلية إلى توزيع الإلكترونات غير المزدوجة. تُعد الكثافة المغزلية مؤشرًا على تفاعلية الجذور الحرة. ^{[ 75 ]}
  • نصف قطر فان دير فالس (السطح)
  • مساحة السطح التي يمكن أن يصل إليها المذيب
  • الجهد الكهروستاتيكي – يُعرَّف الجهد، ε _p ، بأنه طاقة تفاعل شحنة نقطية موجبة تقع عند النقطة p مع نوى وإلكترونات الجزيء. ويُحدِّد السطح الذي يكون فيه الجهد الكهروستاتيكي سالبًا (سطح الجهد السالب) المناطق في الجزيء المعرضة للهجوم الإلكتروفيلي.
• الأسطح المركبة (الخرائط) :
  • خريطة الجهد الكهروستاتيكي (مؤشر محب للإلكترونات) - تُعد خريطة الجهد الكهروستاتيكي أكثر خرائط الخصائص استخدامًا. فهي تُظهر الجهد عند مواقع محددة على سطح معين، وغالبًا ما يكون هذا السطح ذا كثافة إلكترونية تتناسب مع الحجم الجزيئي الكلي. ^{[ 74 ]}
  • خريطة جهد التأين الموضعي – تُعرَّف بأنها مجموع كثافات الإلكترونات المدارية، ρi( r )، مضروبًا في طاقات المدارات المطلقة، ∈i، مقسومًا على كثافة الإلكترونات الكلية، ρ( r ). يعكس جهد التأين الموضعي سهولة إزالة الإلكترونات ("التأين") في أي موقع حول الجزيء. على سبيل المثال، يُشير سطح جهد التأين الموضعي "المنخفض" لرباعي فلوريد الكبريت إلى المناطق الأكثر سهولة في التأين.
  • خريطة المدار الجزيئي غير المشغول الأدنى (مؤشر النيوكليوفيل) - قد تؤدي خرائط المدارات الجزيئية أيضًا إلى مؤشرات بيانية. على سبيل المثال، خريطة المدار الجزيئي غير المشغول الأدنى (LUMO )، حيث يتم تمثيل القيمة المطلقة لأدنى مدار جزيئي غير مشغول (LUMO) على سطح ذي حجم معين (عادةً ما يكون كثافة الإلكترون )، مما يوفر مؤشرًا على التفاعل النيوكليوفيلي.

عرض ثنائي الأبعاد

عرض ثلاثي الأبعاد

جزيء فينيل 9-أكريدين كاربوكسيلات.

البيانات الطيفية والرسوم البيانية المتاحة لـ:

• أطياف الأشعة تحت الحمراء (IR)
  • مطيافية تحويل فورييه (FT-IR) ^{[ 81 ]}
  • مطيافية رامان (الأشعة تحت الحمراء) ^{[ 82 ]}
• أطياف الرنين المغناطيسي النووي (NMR)
  • الإزاحات الكيميائية ^{للبروتون [} 83 ^{] [ 84 ] [ 13 ]} وثوابت الاقتران (التجريبية ⁾
  • الانزياحات الكيميائية للكربون ^-13 ، ^{[ 83 ] [ 84 ] [ 13 ]} متوسطات انزياحات بولتزمان، وأطياف DEPT للكربون ^-13
  • أطياف ثنائية الأبعاد H مقابل H
    • مخططات COSY ^{[ 85 ]}
  • أطياف ثنائية الأبعاد للكربون مقابل الهيدروجين
    • أطياف الارتباط الكمي الأحادي غير المتجانس (HSQC) ^{[ 86 ]}
    • أطياف HMBC ^{[ 87 ]}
• أطياف الأشعة فوق البنفسجية/المرئية ^{[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 71 ] [ 88 ]}

يمكن استيراد الأطياف التجريبية للمقارنة مع الأطياف المحسوبة: أطياف الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية/المرئية بصيغة اللجنة المشتركة لبيانات الفيزياء الذرية والجزيئية (JCAMP) ^{[ 89 ]} (.dx)، وأطياف الرنين النووي المغناطيسي بصيغة لغة الترميز الكيميائي (.cml) . يتوفر الوصول إلى قواعد بيانات الأطياف المتاحة للعموم لأطياف الأشعة تحت الحمراء والرنين النووي المغناطيسي والأشعة فوق البنفسجية/المرئية.

يستخدم برنامج سبارتان العديد من قواعد البيانات الخارجية.

• قواعد بيانات حسابات الكيمياء الكمية:
  • قاعدة بيانات سبارتان للأطياف والخصائص (SSPD) - مجموعة تضم أكثر من 305000 جزيء، مع هياكلها وطاقاتها وأطياف الرنين النووي المغناطيسي والأشعة تحت الحمراء ووظائفها الموجية المحسوبة باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية ωB97X-D ^{[ 32 ]} مع مجموعة الأساس 6-31G* . ^{[ 90 ]}
  • قاعدة بيانات سبارتان الجزيئية (SMD) - مجموعة من حوالي 100000 جزيء تم حسابها من النماذج التالية:
    • هارتري-فوك مع مجموعات الأساس 3-21G و 6-31G* و 6-311+G** ^{[ 90 ]}
    • دالة الكثافة B3LYP ^{[ 28 ]} مع مجموعات الأساس 6-31G* و 6-311+G**
    • دالة الكثافة EDF1 ^{[ 29 ]} مع مجموعة أساس 6-31G*
    • MP2 ^{[ 58 ]} مع مجموعات الأساس 6-31G* و 6-311+G**
    • G3(MP2) ^{[ 6 ]}
    • T1 ^{[ 7 ]}
• قواعد البيانات التجريبية:
  • NMRShiftDB ^{[ 91 ]} – قاعدة بيانات مفتوحة المصدر للتحولات الكيميائية التجريبية ^1H و ^{13C .}
  • قاعدة بيانات كامبريدج الهيكلية (CSD) ^{[ 92 ]} - مستودع كبير للهياكل البلورية التجريبية العضوية وغير العضوية للجزيئات الصغيرة يحتوي على حوالي 600000 مدخل.
  • قاعدة بيانات NIST ^{[ 33 ]} للأطياف التجريبية بالأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية/المرئية.

• سبارتان الإصدار 1 عام 1991 يونكس
• إصدار سبارتان 2 لعام 1993 من نظام يونكس
• ماك سبارتان ماكنتوش 1994
• إصدار سبارتان 3 من يونكس 1995
• نظام التشغيل ويندوز سبارتان للكمبيوتر الشخصي لعام 1995
• ماكنتوش ماك سبارتان بلس 1996
• إصدار سبارتان 4 من يونكس 1997
• جهاز كمبيوتر شخصي سبارتان بلس يعمل بنظام ويندوز، إصدار عام 1997
• إصدار سبارتان 5 من يونكس 1999
• جهاز كمبيوتر شخصي سبارتان برو ويندوز 1999
• ماكنتوش سبارتان برو 2000
• سبارتان 2002، أنظمة التشغيل: يونكس، لينكس، ويندوز، ماك

• برنامج Q-Chem للكيمياء الكمومية
• برامج تصميم الجزيئات
• محرر الجزيئات
• مقارنة بين برامج نمذجة الميكانيكا الجزيئية
• قائمة برامج نمذجة الجزيئات باستخدام طريقة مونت كارلو
• أساليب الكيمياء الكمية المركبة
• قائمة برامج الكيمياء الكمومية وفيزياء الحالة الصلبة

• الموقع الرسمي لشركة Wavefunction, Inc.