01403345 ชา computer simulation in chemistry and chemical
TRANSCRIPT
เอกสารประกอบการเรียนรายวิชา 01403345
Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
ดร.บุญเดช เบิกฟา
ภาควิชาเคมี คณะศิลปศาสตรและวิทยาศาสตร
มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร วิทยาเขตกําแพงแสน
สารบัญ
คําสั่งพืน้ฐานในการใชงาน Linux 1
Hydrogen bond system using Gaussian Calculation 3
Stability of Molecules and Potential Energy Surface 5
Conducting polymer (HOMO-LUMO) 7
Basis set Effects and BSSE correction 9
Studying Chemical Reaction and Reactivity (Tautomerization of
Acetaldehyde)
12
Structure and Catalytic Properties of Petrochemical Catalysts
(Adsorption of hydrocarbon on zeolite)
14
Structure and Catalytic Properties of Petrochemical Catalysts
(Reaction mechanism of hydrocarbon on zeolite)
16
Structure and Catalytic Properties of Petrochemical Catalysts
(Adsorption of hydrocarbon on zeolite using ONIOM)
18
1
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
คําสั่งพืน้ฐานในการใชงาน Linux
ls List ใชในการดูขอมูลใน directory ls –l ดูขอมูลอยางละเอียด ls –a ดูขอมูลท่ีถูกซอนไว
man Manual สําหรับดูรายละเอียดการใชงานคําส่ังนั้น ๆ เชน man ls โดยกด q เพื่อออกจากคําส่ัง man mkdir Make directory ใชในการสราง directory เชน mkdir CHEM cd Change directory ใชในการเปล่ียน directory เชน cd CHEM
โดยสามารถออกไป directory ท่ีสูงกวาไดดวยคําส่ัง cd .. หากตองการกลับไปท่ี home ใหใชคําส่ัง cd ~
pwd Print working directory ใชเพื่อแสดง directory ท่ีผูใชอยู ณ ปจจุบัน cp Copy ใชในการคัดลอด file เชนตองการคัดลอด file a.txt ไปยัง b.txt ใชคําส่ัง cp a.txt b.txt mv Move เปล่ียนช่ือ file หรือเปลี่ยนท่ีอยู directory เชน
Move a.txt b.txt และ move a.txt CHEM rm Remove ใชในการลบ file เชน rm a.txt
สําหรับการลบ directory นั้นใชคําส่ัง rmdir CHEM cat Concatenate ใชในการดูขอมูล file เชน cat a.txt less ใชในการดูขอมูลคลาย cat แตจะแสดงผลทีละหนาจอ โดยสามารถกด space เพื่อไปยังหนาตอไป
และ q เพื่อออกจาก less tail ใชเพื่อดูบรรทัดทายสุดของ file เชน tail a.txt
tail –n number-of-line filename เพื่อดูขอมูลโดยระบุจํานวนบรรทัด tail –f filename ดูขอมูลแบบ real time
head ใชเพื่อดูบรรทัดแรกสุดของ file grep ใชเพื่อคนหาขอความใน file รูปแบบการใชงาน grep keyword filename เชนตองการคนหาคําวา
energy ใน file a.log ก็จะใชคําส่ัง grep energy a.log df ใชในการดูขนาดพื้นท่ีของ harddisk
ถาตองการแสดงผลในหนวยของ Megabytes หรือ Gigabytes ใชคําส่ัง df –h du ใชในการตรวจดูพื้นท่ีของ directory ps ใชดู process ของท่ีกําลังทํางานอยู
2
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
โดยสามารถแสดง process ท้ังหมดดวยคําส่ัง ps -df top แสดงโปรแกรมท่ีกําลังทํางานอยู task แบบ real time โดยกด q เพื่อออก kill ใชเพื่อหยุดการทํางานของ process นั้นๆ โดยสามารถใชคําส่ัง kill -9 ตามดวยตัวเลขแสดง
สถานะการทํางานของโปรแกรมนั้น ๆ vi Program text editor ใชในการเขียนหรือแกไข file เชน vi a.txt
โดยกด Insert เพื่อไปสู mode ในการเขียนหรือแกไข file กด esc เพื่อออกจาก mode insert พิมพ :wq เพื่อ บันทึก (w) และ ออก (q) หรือ :wq! เพื่อยืนยนัการแกไข ในกรณไีมตองการแกไข :q! เพื่อออกจาก vi เราสามารถนํา file b.txt มาไวในfile a.txt ไดโดยคําส่ัง :r b.txt ใน esc mode เพิ่มเติมใน esc mode พิมพ dd หากเราตองการลบขอความท้ังบรรทัด เพื่อลบบรรทัดนั้นๆ ไป d + ตัวเลข + d เพื่อลบบรรทัดตามจํานวนตัวเลขท่ีใส d +shift G เพื่อลบขอความใตบรรทัดนั้นท้ังหมด d +1 +shift G เพื่อลบขอความเหนือบรรทัดนั้นท้ังหมด
telnet เขาสู host จากระยะไกล (ไมมีการเขารหัสขอมูล) การใชงานคือ telnet + ip ของเคร่ืองปลายทาง ssh เขาสู host จากระยะไกล (มีการเขารหัสขอมูล) การใชงานคือ ssh + ip ของเคร่ืองปลายทาง ftp ถายโอน file ระหวาง host ระยะไกล (ไมมีการเขารหัสขอมูล) การใชงานคือ ftp + ip ของเคร่ือง
ปลายทาง put + filename สําหรับการจะสง file จาก host ตนทางไปปลายทาง get + filename สําหรับการจะรับ file จาก host ปลายทาง cd เพื่อเปล่ียน directory ปลายทาง lcd เพื่อเปล่ียน directory ตนทาง exit เพื่อออก
sftp ถายโอน file ระหวาง host ระยะไกล (มีการเขารหัสขอมูล) การใชงานคือ ftp + ip ของเคร่ืองปลายทาง
tar เพื่อบีบอัดกลุมไฟลหรือ directory ไวใน file เดียว tar –cvzf filename.tar.gz directory ในการบีบอัด tar –xvzf filename.tar.gz ในการแตก file ออกเปน directory
Exit เพื่อออกจาก terminal
3
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การทดลองท่ี 1 Hydrogen bond system using Gaussian Calculation
วัตถุประสงค 1. สามารถเตรียม input file เพื่อใช คํานวณดวยโปรแกรม Gaussian ในระบบ Linux ได
2. สามารถคํานวณหาพลังงานการดูดซับ และสามารถอธิบายพันธะไฮโดรเจนในระบบตาง ๆ
ระบบโครงสรางท่ีใชในการคํานวณศึกษา
I O H
H
O
H
H
II O H
H
O
H
CH3
III O H
H
NH
H
H
IV O H
H
O
H
H
Li +
การคํานวณ 1. เขียน internal coordinate ของระบบ I, II, III และ IV เพื่อใชในการคํานวณ
2. คํานวณหา Binding energy ในหนวย kcal/mol
B.E. = Edimer(1,2) - Emonomer(1) - Emonomer(2)
สําหรับ ระบบ IV ใหคิดพลังงาน Li-H2O เปน monomer ท่ี 1 และ H2O เปน monomer ท่ี 2
3. ใหใชระเบียบวิธี HF/3-21G ในการคํานวณเพื่อศึกษาพลังงานการดดูซับและอิทธิพลของ Li
cation
4
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การรายงานผล 1. ใหอธิบายโครงสรางและพลังงานสําหรับระบบ I, II, III และ IV
O1 H1
H
O2
H
H
System Bond (Å) Angle (degree) B.E.
(kcal/mol) O1-H1 H1-O2 O1-O2 O1-H1-O2 H-O1-H1
water
I) water-water
II) water-methanol
III)water-ammonia
IV) Li+-water-water
2. วิเคราะหและอธิปรายผลการคํานวณ
5
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การทดลองท่ี 2 Stability of Molecules and Potential Energy Surface
วัตถุประสงค 1. นําหลักการ Molecular Modeling มาเปรียบเทียบเสถียรภาพของโมเลกุล
2. สามารถคํานวณเพื่อเปรียบเทียบพลังงานกับมุม torsion ท่ีเปล่ียนไปได และคํานวณ potential
energy surface ได
ระบบโครงสรางท่ีใชในการคํานวณศึกษา
C
C C
C H
HH
H
H
H
H
H
H
H
H H
CH3
CH3
H H
C
C C
C HHH
H
H H
H
H H
H
H3C H
H
CH3
H H
Anti‐butane Gauche‐butane
การคํานวณ 1. คํานวณหาพลังงาน ของระบบตาง ๆ ของ butane ท้ัง anti และ gauche ดวยระเบียบวิธี HF/3-
21G
2. ทําการคํานวณ โดยการ fix dihedral angle C-C-C-C โดยรายงานเปน relative energy
(kcal/mol) เทียบกับ มุม dihedral ของ C-C-C-C โดย fix ไวท่ี 0, 30, 60, 90, 120, 180 องศา
ตามลําดับ (วิธีการ fix เวนหนึ่งบรรทัดจาก parameter แลวใสคา dihedral angle)
3.ทําการคํานวนโดยวิธี potential energy surface โดยเร่ิมคํานวณโครงสรางจาก Gauche-butane
(dihedral 0.0 degree)
ใชวิธี opt=z-matrix และเพิม่ keyword ตอทายคาพารามิเตอรสําหรับ dihedral (C-C-C-C) ดังนี ้
D1 = 0.000 S 5 30.0
6
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การรายงานผล 1. ใหอธิบายโครงสรางและพลังงานของ butane ท้ัง anti และ gauche
2. อธิบายเปรียบเทียบพลังงาน ท้ังวิธีการคํานวณแบบธรรมดา และ วิธีการหาแบบ potential
energy surface อธิบายพลังงานของ Anti‐butane และ Gauche‐butane
3. อภิปรายผลการทดลอง
Dihedral angle
C-C-C-C
Energy (Hartree) Relative Energy (kcal/mol)
0
30
60
90
120
180
7
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การทดลองท่ี 3 Conducting polymer (HOMO-LUMO)
วัตถุประสงค 1. สามารถคํานวณหา HOMO, LUMO, energy gap และ dipole momentได
2. สามารถอธิบายผลของ energy gap ตอระบบ polymer ได
ระบบโครงสรางท่ีใชในการคํานวณศึกษา
I C CH
H
H
H II C
O
H H
III
HN
IV
HP
V O
VI S
การคํานวณ 1. ทําการคํานวณเพื่อ optimize โครงสราง ของระบบ I-VI ดวยระเบียบวิธี HF/3-21G
2. ทําการวัดคา dipole moment และ HOMO-LUMO
3. ทําการคํานวณเพื่อดู molecular orbital ของ HOMO และ LUMO ในแตละระบบ
โดยการเพิ่มท่ีหัว File ในการคํานวณ: pop=NBO แลวนํา check point file ท่ีไดมาเปด cube
surface ใน Gaussian viewer program
8
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การรายงานผล 1. อธิบายโครงสรางและพลังงานของ ระบบ I-VI
Dipole Moment HOMO LUMO Energy gap
(kcal/mol)
I
II
III
IV
V
VI
2. อธิบายความแตกตางของ dipole moment, energy gap และ แสดงรูปและอภิปราย ผลของ
molecular orbital ของ ethylene และ formaldehyde
3. อภิปรายผลการทดลอง และเปรียบเทียบ conductivity ของสาร III-VI พรอมเหตผุล
9
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การทดลองท่ี 4 Basis set Effects and BSSE correction
วัตถุประสงค 1. เขาใจถึงอิทธิพลของ Basis set ตอโครงสรางและพลังงาน และสามารถคํานวณหาจํานวน
basis function ของระบบนั้น ๆ ได
2. สามารถคํานวณหา Basis set superposition error
ระบบโครงสรางท่ีใชในการคํานวณศึกษา
O H
H
O
H
H
การคํานวณ 1. ทําการคํานวณเพื่อหา Binding Energy ดวยระเบยีบวธีิ HF ท่ี basis set ตาง ๆ กัน ดังนี้
3-21G, 6-31G, 6-31G(d,p), 6-311G(d,p), 6-311+G(d,p), 6-311+G(2df,2p)
2. ทําการคํานวณเพื่อหา Binding Energy จากระเบียบวิธี ตาง ๆ กัน ดวย basis set 6-31G(d,p)
HF, PBEPBE, BLYP, B3LYP และ MP2
3. ทําการคํานวณหาคา BSSE ของแตละระบบ
โดยหัว file input ใส keyword counterpoise=2 และระบุโมเลกุลท่ี 1 และ 2 ทาย
โครงสรางในระบบ แกน xyz โดยคา BSSE จะแสดงใน output file เพื่อไปรวมกับคา B.E.
B.E. + BSSE = Edimer(1,2)(1,2) - Emonomer(1)
(1,2) - Emonomer(2)
(1,2)
BSSE = Edimer(1,2)(1,2) - Emonomer(1)
(1,2) - Emonomer(2)
(1,2) + Emonomer(1) (1)
+ Emonomer(2) (2)
10
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การรายงานผล 1. ใหอธิบายโครงสรางและพลังงานท่ีไดจาก HF ท่ี basis set ตาง ๆกัน
Bond (Å) Angle (degree) B.E.
(kcal/mol)
B.E. + BSSE
(kcal/mol) O1-H1 H1-O2 O1-O2 O1-H1-O2 H-O1-H1
HF/3-21G
HF/6-31G
HF/6-31G(d,p)
HF/6-311G(d,p)
HF/6-311+G(d,p)
HF/6-311+G(2df,2p)
11
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
2. ใหอธิบายโครงสรางและพลังงานท่ีไดจาก การคํานวณท่ีระเบียบวิธี ตาง ๆกัน
3. อภิปรายผลการทดลอง
Bond (Å) Angle (degree) B.E.
(kcal/mol)
B.E. + BSSE
(kcal/mol) O1-H1 H1-O2 O1-O2 O1-H1-O2 H-O1-H1
HF/6-31G(d,p)
PBEPBE/6-31G(d,p)
BLYP/6-31G(d,p)
B3LYP/6-31G(d,p)
MP2/6-31G(d,p)
12
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การทดลองท่ี 5 Studying Chemical Reaction and Reactivity (Tautomerization of Acetaldehyde)
วัตถุประสงค 1. เขาใจกลไกการเกิดปฏิกิริยาและสามารถนํามาศึกษาดวย computational chemistry
2. สามารถคํานวณหา transition state ไดถูกตอง พรอมท้ังหาคา rate constant ของปฏิกิริยา
3. สามารถอธิบายอิทธิพลของน้ําท่ีมีตอปฏิกิริยาได
ระบบโครงสรางท่ีใชในการคํานวณศึกษา
I C
O
H CHa
HH
C
O
H CH
H
Ha
Keto Enol
II
C
O
H CHa
HH
OHw
H
O
H
HaC
O
H CH
H
Hw
Keto‐water Enol‐water
การคํานวณ 1. ทําการคํานวณเพื่อหาโครงสรางตาง ๆ ดวยระเบียบวธีิ B3LYP/6-31G(d,p) โดยสามารถหา
คา reaction energy ไดจาก E reactant – E product
2. ทําการหา transition state ดวย keyword opt=(TS,noeigentest) โดยสามารถหาคา activation
energy ไดจาก E transition state – E reactant
3.ตรวจสอบ transition state ท่ีหาไดดวยการรัน freq จะตองได 1 imaginary frequency ท่ี
สอดคลองกับ mechanism
4. ทําการคํานวณ freq ทุกตัวเพื่อหาคา rate constant
13
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การรายงานผล 1. แสดงผลการคํานวณโดยรายงานระยะและมุมท่ีเปล่ียนแปลง
C1
O1
H C2Ha
HH
C
O
H CHa
HH
OHw
H
2. คํานวณหาคา rate constant เทียบกับคา activation energy
3. อภิปรายผลการทดลอง
keto TS enol
O1-C1
C1-C2
C2-Ha
Ha-O1
O1-C1-C2
C1-C2-Ha
14
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การทดลองท่ี 6 Structure and Catalytic Properties of Petrochemical Catalysts (Adsorption of
hydrocarbon on zeolite)
วัตถุประสงค 1. เขาใจและสามารถคํานวณกลไกการดดูซับบนตัวเรงปฏิกิริยา zeolite
2. สามารถอธิบายผลของตัวดูดซับท่ีแตกตางกันไป
ระบบโครงสรางท่ีใชในการคํานวณศึกษา
SiO
AlH
HzH
HH
HH
SiO
AlH
HzH
HH
HH
C C
I II
SiO
AlH
HzH
HH
HH
O
H H
SiO
AlH
HzH
HH
HH
N
HH H
III IV
การคํานวณ 1. ทําการคํานวณเพื่อหาพลังงานการดูดซับ ของระบบ II, III, IV ดวยระเบียบวิธี B3LYP/6-
31G(d,p)
2. ทําการคํานวณ single point และหาคา BSSE ดวยระเบียบวิธี MP2/6-31G(d,p)
15
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การรายงานผล 1. แสดงโครงสรางท่ีไดจากการคํานวณดวยระเบียบวิธี B3LYP/6-31G(d,p)
2.แสดงพลังงานท่ีไดจากการคํานวณและคา BSSE
Method II III IV
B3LYP/6-31G(d,p)
B3LYP/6-31G(d,p) + BSSE
MP2/6-31G(d,p)// B3LYP/6-31G(d,p)
MP2/6-31G(d,p)// B3LYP/6-31G(d,p) + BSSE
3. อภิปรายผลการทดลอง
16
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การทดลองท่ี 7 Structure and Catalytic Properties of Petrochemical Catalysts (Reaction mechanism of
hydrocarbon on zeolite)
วัตถุประสงค 1. สามารถคํานวณกลไกการเกิดปฏิกิริยาบนตัวเรง zeolite
2. สามารถคํานวณอิทธิพลของ solvation method ตอกลไกการเกิดปฏิกิริยา
ระบบโครงสรางท่ีใชในการคํานวณศึกษา
Si1O1 Al
O2 Si2
Hz
CO
C
Ha
HHH
Si1O1 Al
O2 Si2
Hz
CO
C
Ha
H
HH
Keto Enol
การคํานวณ 1. ทําการคํานวณเพื่อหากลไกการเกดิปฏิกริิยา ดวยระเบียบวิธี B3LYP/6-31G(d,p) โดยใช
โครงสราง H-ZSM-5 zeolite 3T (T แทน tetrahedral ของ Si หรือ Al atoms)
2. ทําการคํานวณ single point ดวยวิธี solvation model ดวยคา dielectric constant ตาง ๆ กัน
SCRF=PCM solvent = water, acetone และ chloroform
17
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การรายงานผล 1. แสดงโครงสรางท่ีไดจากการคํานวณดวยระเบียบวิธี B3LYP/6-31G(d,p) โดยแสดงระยะทาง
และมุมท่ีเกดิการเปล่ียนแปลง พรอมท้ังคาพลังงานการดดูซับ (Binding Energy) คาพลังงาน
กระตุน (Activation Energy) และคาพลังงานการเกิดปฏิกริิยา (Reaction Energy) พรอมท้ัง
อภิปรายผล
2. อภิปรายผลของ solvent ตาง ๆ ท่ีมีตอกลไกเกดิปฏิกิริยา
18
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การทดลองท่ี 8 Structure and Catalytic Properties of Petrochemical Catalysts (Adsorption of
hydrocarbon on zeolite using ONIOM)
วัตถุประสงค 1. สามารถคํานวณ QM/MM หรือ ONIOM ไดอยางถูกตอง
2. สามารถอธิบายผลจากผนงัซีโอไลตท่ีมีขนาดตาง ๆ กนั
ระบบโครงสรางท่ีใชในการคํานวณศึกษา
Si1O1 Al
O2 Si2
Hz
CO
C
Ha
HHH
การคํานวณ 1. ทําการคํานวณเพื่อหากลไกการดูดซับ ดวยระเบียบวิธี B3LYP/6-31G(d,p) โดยใชโครงสราง
H-ZSM-5 zeolite 3T
2. ทําการคํานวณเพื่อหากลไกการดูดซับ ดวยระเบียบวิธี ONIOM (B3LYP/6-31G(d,p):UFF)
โดยใชโครงสราง H-ZSM-5 zeolite 3T เปนช้ันในและ 10T, 34T และ 128T เปนช้ันนอก
19
01403345 Computer Simulation in Chemistry and Chemical Engineering
การรายงานผล 1. แสดงโครงสรางท่ีไดจากการคํานวณดวยระเบียบวิธี B3LYP/6-31G(d,p) และ ONIOM
(B3LYP/6-31G(d,p):UFF)โดยแสดงระยะทางและมุมท่ีเกิดการเปล่ียนแปลง พรอมท้ังคา
พลังงานการดดูซับ (Binding Energy)
2. อภิปรายผลการทดลอง
Model Method B.E.(kcal/mol)
3T B3LYP/6-31G(d,p)
3T:10T B3LYP/6-31G(d,p):UFF
3T:34T B3LYP/6-31G(d,p):UFF
3T:128T B3LYP/6-31G(d,p):UFF