Spartan（化学ソフトウェア）

スパルタン

スパルタン グラフィカル ユーザー インターフェイス
開発者	ウェーブファンクション社[1]とQ-Chem
初回リリース	1991年; 33年前 （1991年）
安定版リリース	1.2.0 / 2024年5月14日
書かれた	C、C++、Fortran、Qt
オペレーティング·システム	Windows、Mac OS X、Linux の場合
プラットフォーム	64ビット
利用可能	英語
タイプ	分子モデリング、計算化学
ライセンス	独自の 商用ソフトウェア
Webサイト	ホームページ

SpartanはWavefunctionの分子モデリングおよび計算化学アプリケーションです。^[2]分子力学、半経験的手法、第一原理モデル、^[3] 密度汎関数モデル、^[4] ポストハートリー・フォックモデル、^[5] G3(MP2) ^[6]およびT1 ^[7]を含む熱化学レシピのコードが含まれています。Spartanの量子化学計算はQ-Chemによって実行されます。^[8]

主な機能は、孤立した分子の構造、相対的な安定性、その他の特性に関する情報を提供することです。複雑な分子に対する分子力学計算は、化学界では一般的です。ハートリー・フォック法による分子軌道計算などの量子化学計算、特に電子相関を含む計算は、比較するとより時間がかかります。

量子化学計算は、化学反応の機構や生成物の分布についての情報を得るためにも利用される。これは、遷移状態の計算によって直接行われるか、ハモンドの公理^[9]に基づいて反応物の立体的および電子的要求をモデル化することによって行われる。遷移状態の形状や反応機構全般についての情報を直接もたらす定量的計算はますます一般的になっているが、より厳密な処理を施すには大きすぎるシステムについては、依然として定性モデルが必要である。量子化学計算は、既存の実験データを補完したり、完全に置き換えたりする情報を提供できる。たとえば、定量的構造活性相関(QSAR) ^[10]分析のための原子電荷や、分子力学および分子動力学計算のための分子間ポテンシャルなどである。

Spartan は、分子の形状の配座、構造(平衡と遷移状態の幾何学)、NMR、IR、ラマン、およびUV-可視 スペクトル、分子 (および原子) 特性、反応性、選択性 の決定に適用可能な計算データを提供する、多くの標準タスクに計算化学の方法 (理論モデル) を適用します。

このソフトウェアは、分子力学、メルク分子力場（MMFF）^[11]（検証テストスイート用）、拡張機能付きMMFF、SYBYL ^[12]、 力場計算、半経験的計算、MNDO /MNDO(D) ^[13] オースティンモデル1（AM1）^[14] PM3、^{[15] [16] [17] [18]} レシフェモデル1（RM1）^[19] PM6を提供します。^[20]

• ハートリー・フォック法、自己無撞着場法（SCF法） 、暗黙溶媒（SM8）で利用可能。 ^[21]
  • 制限付き、制限なし、制限付き開殻ハートリー・フォック
• 密度汎関数理論（DFT）法、暗黙溶媒（SM8）で利用可能。 ^[21]
  • 標準関数: BP、^{[22] [23]} BLYP、^{[22] [24]} B3LYP、^{[22] [24] [25]} EDF1、^[26] EDF2、^[27] M06、^[28] ωB97X-D ^[29]

• • 交換関数: HF、スレーター・ディラック、^[31]ベッケ88、^[22]ギル96、^[32] GG99、^[33] B(EDF1)、PW91 ^[34]
  • 相関関数: VWN、^[35] LYP、^[24] PW91、^[36] P86、^[37] PZ81、^[38] PBE。^[39]
  • 組み合わせ関数またはハイブリッド関数: B3PW91、^[40] B3LYP、^[25] B3LYP5、EDF1、^[26] EDF2、^[27] BMK ^[41]
    • トゥルーラー群^[42]関数: M05、^[43] M05-2X、^[43] M06、^[28] M06-L ^[44] M06-2X、^[28] M06-HF ^[45]
    • ヘッド・ゴードン群関数: ^[46] ωB97、^[47] ωB97X、^[47] ωB97X-D ^[29]
• 結合クラスター法。
  • CCSD、^[48] CCSD(T)、^[49] CCSD(2)、^[50] OD、^[51] OD(T)、OD(2)、^[52] QCCD、^[53] VOD、^[54] VOD (2)、^[54] VQCCD ^[54]
• Møller-Plesset法。
  • MP2、^{[55] [56]} MP3、^{[57] [58]} MP4、^[59] RI-MP2 ^{[60] [61] [62]}
• 励起状態法。
  • 時間依存密度汎関数理論（TDDFT）^{[63] [64]}
  • 配置間相互作用: CIS、 ^[65] CIS(D)、 ^[66] QCIS(D)、 ^[67] 二次配置間相互作用(QCISD(T))、 ^[67] RI-CIS(D) ^[68]
• 量子化学複合法、熱化学レシピ。
  • T1、^[7] G2、^[69] G3、^[70] G3(MP2) ^[6]

利用可能な計算モデルは、分子、熱力学、QSAR、原子、グラフィック、およびスペクトル特性を提供します。計算ダイアログでは、次の計算タスクにアクセスできます。

• エネルギー^[71] – 与えられた形状に対して、分子またはシステムのエネルギーと関連する特性を提供します。量子化学モデルが採用されている場合、波動関数が計算されます。
• 平衡分子構造^[72] - 最も近い局所最小値を見つけ、エネルギーと関連する特性を提供します。
• 遷移状態幾何学^[72] - 最も近い一次鞍点（単一の次元では最大値、他のすべての次元では最小値）を特定し、エネルギーと関連する特性を提供します。
• 平衡コンフォーマー^[72] – 最もエネルギーの低いコンフォーメーションを見つけます。量子化学モデルを使用して構造を計算する前に実行されることが多いです。
• コンフォーマー分布^{[71] – 低エネルギーコンフォーマーの選択を取得します。特定の分子がとる可能性のある形状を識別し、平均的な分子特性を計算するための}ボルツマン分布を決定するために一般的に使用されます。
• コンフォーマーライブラリ^[71] – 最もエネルギーの低いコンフォーマーを特定し、これをエネルギーに関係なく分子がアクセス可能なすべての形状にまたがるコンフォーマーのセットと関連付けます。類似性分析のためのライブラリを構築するために使用されます。
• エネルギープロファイル^[71] – 分子またはシステムをユーザー定義の座標セットに沿ってステップごとに計算し、各ステップの平衡ジオメトリを提供します（ユーザー指定の制約に従います）。
• 類似性分析^[71] – 構造または化学機能（水素結合のアクセプター-ドナー、正負のイオン化可能物質、疎水性物質、芳香族化合物）に基づいて分子（およびオプションでそのコンフォーマー）の類似性を定量化します。分子（およびオプションでそのコンフォーマー）とファーマコフォアの類似性を定量化します。

このソフトウェアには統合されたグラフィカル ユーザー インターフェイスが含まれています。タッチ スクリーン操作は、Windows 7および8デバイスでサポートされています。分子ビルダー (有機、無機、ペプチド、ヌクレオチド、置換基ビルダーを含む) を使用すると、3D での分子の構築が容易になります。2D スケッチ パレットを使用して、有機分子の 2D 構築がサポートされています。WindowsバージョンのインターフェイスはChemDrawにアクセスできます。バージョン 9.0 以降は、2D での分子構築にも使用できます。計算ダイアログは、タスクと計算方法の指定に使用されます。計算からのデータは、ダイアログに表示されるか、テキスト出力として表示されます。線形回帰を含む追加のデータ分析は、内部スプレッドシートから実行できます。^[71]

グラフィカルモデル、特に分子軌道、電子密度、静電ポテンシャルマップは、化学教育における分子の視覚化の日常的な手段です。^{[73] [74] [75] [76] [77]}

• 表面:
  • 分子軌道（最高被占軌道、最低空軌道など）
  • 電子密度– 密度 ρ( r ) は座標rの関数であり、ρ( r )d r が小さな体積 d r内の電子の数であると定義されます。これは、 X 線回折実験で測定されるものです。密度は等値面 (等密度面) で表され、表面のサイズと形状は電子密度の値 (または囲みのパーセンテージ) によって決まります。
  • スピン密度– 密度ρ ^spin ( r )は、αスピンの電子によって形成される電子密度ρα( r )とβスピンの電子によって形成される電子密度ρβ( r )の差として定義されます。閉殻分子（すべての電子がペアになっている）の場合、スピン密度はどこでもゼロです。開殻分子（1つ以上の電子がペアになっていない）の場合、スピン密度は不対電子の分布を示します。スピン密度はラジカルの反応性の指標です。^[72]
  • ファンデルワールス半径(表面)
  • 溶剤が接触可能な表面積
  • 静電ポテンシャル– ポテンシャルε _pは、p に位置する正の点電荷と分子の核および電子との相互作用エネルギーとして定義されます。静電ポテンシャルが負である表面 (負のポテンシャル表面) は、分子内で求電子攻撃を受ける領域を描きます。
• 複合サーフェス（マップ） :
  • 静電ポテンシャルマップ（求電子指示薬） – 最も一般的に使用される特性マップは静電ポテンシャルマップです。これは特定の表面上の位置の電位を示し、最も一般的には分子全体のサイズに対応する電子密度の表面を示します。^[71]
  • 局所イオン化ポテンシャルマップ – 軌道電子密度 ρi( r )の合計に絶対軌道エネルギー ∈i を乗じ、総電子密度 ρ( r ) で割ったものとして定義されます。局所イオン化ポテンシャルは、分子の周囲の任意の位置での電子除去 (「イオン化」) の相対的な容易さを反映します。たとえば、四フッ化硫黄の「低い」局所イオン化ポテンシャルの表面は、最もイオン化されやすい領域を区別します。
  • LUMO マップ (求核指示薬) – 分子軌道のマップは、グラフィカルな指示薬にもなります。たとえば、LUMO マップでは、最低空分子軌道 (LUMO) の (絶対値) がサイズ面 (ここでも、最も一般的には電子密度)にマッピングされ、求核反応性の指標が提供されます。

利用可能なスペクトルデータとプロット:

• 赤外線分光法（IR）スペクトル
  • フーリエ変換分光法（FT-IR）^[78]
  • ラマン分光法（IR）^[79]
• 核磁気共鳴（NMR）スペクトル
  • ¹ H化学シフト^{[80] [81]}と結合定数（経験的）
  • ¹³ C化学シフト、^{[80] [81]}ボルツマン平均シフト、および¹³ C DEPTスペクトル
  • 2D H と H スペクトル
    • COSY ^[82]プロット
  • 2D C と H スペクトル
    • 異核一量子相関分光法（HSQC）スペクトル^[83]
    • HMBCスペクトル^[84]
• 紫外線/可視スペクトル^{[63] [64] [65] [66] [68] [85]}

実験スペクトルは、計算スペクトルと比較するためにインポートできます。IRおよびUV/visスペクトルは、原子および分子物理データ合同委員会（JCAMP）^[86]（.dx）形式、NMRスペクトルは化学マークアップ言語（.cml）形式です。IR 、NMR、およびUV/visスペクトルについては、パブリックドメインのスペクトルデータベースにアクセスできます。

Spartan はいくつかの外部データベースにアクセスします。

• 量子化学計算データベース:
  • スパルタンスペクトル＆プロパティデータベース（SSPD） – 約252,000個の分子のセットで、構造、エネルギー、NMRおよびIRスペクトル、およびEDF2 ^[27] 密度汎関数理論と6-31G*基底関数セットを使用して計算された波動関数が含まれています。^[87]
  • Spartan 分子データベース (SMD) – 以下のモデルから計算された約 100,000 個の分子のセット:
    • 3-21G、6-31G*、6-311+G**基底関数系を用いたハートリー・フォック法^[87]
    • B3LYP ^[25] 6-31G*および6-311+G**基底関数を用いた密度汎関数
    • EDF1 ^[26] 6-31G*基底関数を用いた密度汎関数
    • MP2 ^[55] 6-31G*および6-311+G**基底関数系
    • G3(MP2) ^[6]
    • T1 ^[7]
• 実験データベース:
  • NMRShiftDB ^{[88] – 実験的1H}および^13C化学シフトのオープンソースデータベース。
  • ケンブリッジ構造データベース（CSD）^[89] - 約60万件のエントリからなる小分子有機および無機実験結晶構造の大規模なリポジトリ。
  • 実験的IRおよびUV/visスペクトルのNISTデータベース^[30]。

• 1991 Spartan バージョン 1 Unix
• 1993 Spartan バージョン 2 Unix
• 1994 Mac Spartan Macintosh
• 1995 Spartan バージョン 3 Unix
• 1995 PC スパルタンWindows
• 1996 Mac Spartan Plus Macintosh
• 1997 Spartan バージョン 4 Unix
• 1997 PC スパルタン プラス Windows
• 1999 Spartan バージョン 5 Unix
• 1999 PC スパルタン プロ Windows
• 2000 Mac Spartan Pro マッキントッシュ
• 2002 Spartan'02 Unix、Linux、Windows、Mac

• 2004 スパルタン'04
• 2006 スパルタン'06
• 2008 スパルタン'08
• 2010 スパルタン'10
• 2013 スパルタン'14
• 2016 スパルタン'16
• 2018 スパルタン'18
• 2021 スパルタン'20

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