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CHIMICA COMPUTAZIONALE

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COMPUTATIONAL CHEMISTRY

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Anno accademico 2019/2020

Codice attività didattica
CHI0056
Docente
Prof. Bartolomeo Civalleri (Titolare del corso)
Anno
1° anno, 2° anno
Tipologia
Di base
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia esame
Orale
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire agli studenti un'introduzione al linguaggio e una panoramica degli strumenti di calcolo classici (meccanica molecolare) e quantistici (ab initio) utilizzati nella moderna chimica computazionale molecolare. L'obiettivo principale è mostrare come tali metodi, implementati in programmi di calcolo di uso comune, permettano lo studio modellistico di molecole di interesse.

The course aims at providing the basics and principles of computational chemistry. By starting from the definition of the potential energy surface, both methods of classical molecular dynamics and quantum-mechanical ab-initio methods are introduced and discussed. The main purpose is to show how such methods as implemented in current standard molecular modelling codes can be used to simulate and predict the properties of molecules.

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Risultati dell'apprendimento attesi

L'allievo dovrà essere in grado di:

  • conoscere che cosa si intende con approccio computazionale in chimica e come questo stia diventando uno strumento importante nella ricerca scientifica e un utile complemento all'attività sperimentale;
  • conoscere le basi teoriche dei metodi di calcolo più comunemente usati nella chimica computazionale;
  • apprendere l'utilizzo base di programmi di calcolo, in particolare del programma Gaussian, per lo studio di sistemi molecolari

Main goals of the course are to introduce the students

  • to the meaning of computational chemistry and how it is now largely adopted in research laboratory as a complementary tool to experiments
  • to make them familiar with the fundamental principles of the both classical and quantum-mechanical approximate methods for studying molecules
  • to know the basic use of a modern molecular modelling program such as Gaussian to study molecules and clusters.
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Programma

Lezioni frontali

Definizione e significato di chimica computazionale. Accenni alla simulazione multiscala

Definizione di superficie di energia potenziale. Ottimizzazione di geometria e calcolo delle frequenze vibrazionali

Metodi della meccanica molecolare: definizioni, campo di forza, esempio di campo di forza, usi, risultati

Richiami di meccanica quantistica: notazione bra-ket, postulati, stati stazionari, unità atomiche

Metodi approssimati in meccanica quantistica: principio variazionale e metodo variazionale lineare, metodo perturbativo

Discussione dell'Hamiltoniano multielettronico e principali approssimazioni introdotte: approssimazione di Born-Oppenheimer, approssimazione spin-orbitale.

Principio di antisimmetria.Prodotto di Hartree e determinante di Slater. Determinante di Slater come autofunzione di Sz e S2.

Il metodo di Hartree-Fock: espressione dell'energia e equazioni. Teorema di Koopman Equazioni di Roothaan e ciclo SCF. Definizione di set base.

Set base gaussiani: forma, classificazione ed esempi. Effective Core Pseudopotential (ECP) e BSSE Proprietà mono-elettroniche (densità di carica, potenziale elettrostatico, .)

Il problema della correlazione elettronica. Breve panoramica dei metodi post-Hartree-Fock: variazionali (interazione di configurazioni, CI), perturbativi (metodo Møller-Plesset) e Coupled-Cluster (CC).

Introduzione alla teoria del funzionale della densità (DFT) e ai metodi derivati: teoremi di Hohenber-Kohn, formalismo e equazioni di Kohn-Sham, funzionale di scambio-correlazione e sue approssimazioni

Confronto e valutazione dei principali metodi di calcolo ab-initio attualmente disponibili

Laboratorio

Modulo 1 - Introduzione all'uso del programma di calcolo Gaussian. Preparazione dell'input e discussione dell'output. Uso di strumenti di grafica molecolare per l'analisi dell'output. Definizione della geometria di una molecola attraverso la costruzione della matrice Z ed uso di costruttori molecolari

Modulo 2 - Analisi conformazionale e calcolo di barriere di rotazione con la meccanica molecolare: da molecole semplici a molecole di interesse farmacologico

Modulo 3 - Individuazione dei punti stazionari sulla PES della molecola di urea e loro classificazione. Analisi della struttura elettronica della molecola di urea (orbital molecolari, densità elettronica, potenziale elettrostatico

Modulo 4 - Studio del dimero dell'acqua. Analisi del cambiamento delle proprietà strutturali, elettroniche e vibrazionali della molecola isolata dopo la formazione del dimero. Confronto tra metodi di calcolo e dati sperimentali

Lectures

A computational approach to chemistry: definition of computational chemistry. Multiscale modeling: approaches and strategies

Definition of the potential energy surface. Discussion of the meaning of geometry optimization and vibrational frequencies calculation

Molecular mechanics: assumptions, definition of a force field, example of a force field, classification and applications of molecular mechanics, advantages and limitations

Brief overview of quantum mechanics: postulates, Dirac's notation (bra-ket), definition of a stationary state, atomic units

Approximated methods in quantum mechanics: the variational principle and the linear variational method; perturbation theory

Many electrons Hamiltonian: definition and approximations. Born-Oppenheimer approximation. Spin-orbitals approximation.

The Antisymmetry principle. The Hartree product and the Slater determinant. The Slater determinant as an eigenstate of the spin operators (Sz and S2).

The Hartree-Fock approximation: total energy and equations. Koopman's theorem Introduction of a basis: the Roothaan equations. The SCF cycle.

Definition of a basis set. Gaussian-type basis sets: classification, notation and examples. Effective-Core-Pseudopotental (ECP). The basis set superposition error (BSSE). One-electron properties (charge density, electrostatic potential, .)

The electron correlation problem: form of the exact wave function. Brief overview of Post-HF methods: configuration interaction (CI), second-order perturbation approximation (Moller-Plesset), coupled-cluster techniques (CC).

Fundamentals of density functional theory (DFT): Hohenberg-Kohn theorems, Kohn-Sham formalism and equations, exchange-correlation functional and main approximations

Comparison and assessment of current ab-initio methods

Practical work

Part 1 - How to use Gaussian for Windows. How to visualize molecular structures with graphical user interfaces such as GaussView and Moldraw. How to build a molecular structure: the Z-matrix and molecular builder

Part 2 - Molecular mechanics: conformational analysis and rotational energy barriers: from small molecules to drugs

Part 3 - Location of stationary points on the potential energy surface of urea molecule. Analysis of the electronic structure of urea and related properties (molecular orbitals, charge density, electrostatic potential)

Part 4 - Water dimer: geometry optimization and vibrational frequencies calculation. Visualization and analysis of computed data. Changes of structural features and vibrational frequencies of water molecule upon dimer formation. Comparison of the computed results with available experimental evidence

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Modalità di insegnamento

La metodologia didattica impiegata consiste quindi in:

a)         32 ore di lezioni in aula

b)         32 ore di esercitazioni nel laboratorio informatico

Le lezioni in aula forniscono le basi teoriche dei metodi di calcolo della meccanica molecolare e quantistici ab initio partendo dai fondamenti della meccanica quantistica e introducendo progressivamente metodi sempre più sofisticati per la risoluzione dell'equazione di Schrödinger. I limiti, i meriti e i costi computazionali dei vari metodi vengono anche discussi.

In parallelo, le esercitazioni offrono la possibilità di applicare i metodi introdotti a lezione allo studio delle proprietà chimico-fisiche di alcune semplici molecole e addotti molecolari. In particolare, viene fatto uso di uno dei programmi di calcolo più comunemente impiegati nei laboratori di ricerca: Gaussian. Gli esempi presentati permettono allo studente di verificare come sia possibile, usando opportuni software e gli odierni computer da tavolo, condurre veri e propri esperimenti al calcolatore. Durante il laboratorio gli studenti dovranno preparare delle schede riassuntive di commento ai moduli esercitativi proposti.

The course is subdivided in

a)         Lectures (32 h)

b)         Practical work in the computer room (32 h)

Lectures provide the theoretical background of both molecular mechanics and quantum-mechanical ab-initio methods. Advantages, limits, costs of the various methods are discussed.

Practical work offers to the students the possibility to use a modern computational tool as Gaussian to investigate the properties of simple molecules and molecular adducts. Guided examples show the clever use of the computer to run virtual experiments. During the laboratory, students have to prepare a short report and comment on the results of the practical work.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Esame Orale sugli argomenti trattati a lezione. Alla fine del laboratorio gli studenti dovranno preparare una breve relazione sulle esecitazioni svolte.

Oral examination on the topics discussed during the lectures. At the end of the laboratory, students have to prepare a short report and comment on the results of the practical work.

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Testi consigliati e bibliografia

I testi base consigliati per il corso sono: appunti delle lezioni e materiale usato nelle esercitazioni (forniti dal docente)

Il principale testo di riferimento è: F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 1999. In particolare, può essere di interesse consultare i capitoli: 1-6, 9 e 11

Altri utili riferimenti sono:

  • C. J. Cramer, Essentials of Computational Chemistry (Theories and Models), Wiley, 2002 
  • Levine, Quantum Chemistry, Prentice Hall, 2000, 2nd edition 
  • G. H. Grant, W. G. Richards, Computational Chemistry, Oxford University Press, 1995 
  • Szabo, N. S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry (Introduction to Advanced Electronic Structure Theory), McGraw-Hill, 1985

Lecture notes are available from the teacher

The main textbook is: F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 1999. In particular, chapters: 1-6, 9 e 11

For a more detailed discussion of computational chemistry methods, one can refer to:

  • C. J. Cramer, Essentials of Computational Chemistry (Theories and Models), Wiley, 2002
  • Levine, Quantum Chemistry, Prentice Hall, 2000, 2nd edition
  • G. H. Grant, W. G. Richards, Computational Chemistry, Oxford University Press, 1995
  • Szabo, N. S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry (Introduction to Advanced Electronic Structure Theory), McGraw-Hill, 1985
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Ultimo aggiornamento: 15/11/2017 09:49
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