Corso di laurea in Scienze Biologiche

Corso di laurea specialistica in METODOLOGIE CHIMICHE AVANZATE
Insegnamento di CHIMICA COMPUTAZIONALE
a.a. 2004-2005
1. Docenza
Docente: Dr.Bartolomeo Civalleri
Dipartimento di Chimica IFM
Tel.: +39-011-6707564; Fax: +39-011-6707855
e-mail: [email protected]; WEB: http://www.theochem.unito.it/didattica
2. Finalità ed obiettivi dell’insegnamento
Finalità
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.
Obiettivi
L’allievo dovrà essere in grado di
a) 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;
b) conoscere le basi teoriche dei metodi di calcolo più comunemente usati nella chimica computazionale;
c) apprendere l’utilizzo base di programmi di calcolo, in particolare del programma Gaussian, per lo studio di
sistemi molecolari
3. Pre-requisiti in ingresso e competenze minime in uscita
Pre-requisiti (in ingresso)
Insegnamenti fornitori
Fondamenti di meccanica quantistica
Chimica Fisica D
Fondamenti di spettroscopia
Chimica Fisica E
Competenze minime (in uscita)
Conoscere come si possano studiare le proprietà chimico-fisiche
di molecole attraverso tecniche di modellizzazione
Conoscere il linguaggio e le basi teoriche della moderna chimica
computazionale (metodi della meccanica molecolare e ab initio)
Conoscere gli elementi di base per l’uso di programmi di calcolo
molecolare come Gaussian
Insegnamenti fruitori
Simulazione molecolare
Forze e interazione nei solidi, Simulazione
molecolare
Simulazione molecolare
4. Metodologia didattica
Il corso di 4 CFU è suddiviso in 2 CFU di lezione frontale e 2 CFU di laboratorio ed è collocato nella seconda
parte del primo periodo didattico. La durata del corso è di 4/5 settimane con 4 ore di lezione frontale e 8 ore di
laboratorio per settimana.
La metodologia didattica impiegata consiste quindi in:
a) 20 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.
5. Programma, articolazione e carico didattico
Argomento
Ore Lez.
Ore Eserc.
Presentazione del corso: orario, programma, obiettivi
2
Definizione e significato di chimica computazionale
Accenni alla simulazione multiscala
Ottimizzazione di geometria
2
Calcolo delle frequenze vibrazionali
Metodi della meccanica molecolare (definizioni, campo di
2
forza, esempio di campo di forza)
Metodi della meccanica molecolare (usi, risultati)
1
Richiami di meccanica quantistica (notazione bra-ket,
1
postulati, stati stazionari, unità atomiche)
Metodi approssimati in meccanica quantistica (principio
2
variazionale e metodo variazionale lineare, metodo
perturbativo)
Discussione dell’hamiltoniano multielettronico e principali
approssimazioni introdotte
Approssimazione di Born-Oppenheimer
Approssimazione spin-orbitale
2
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,
2
equazioni)
Teorema di Koopman
2
Il metodo MO-LCAO e ciclo SCF
Definizione di set base
Set base gaussiani ed esempi
2
Effective Core Pseudopotential (ECP) e BSSE
Il problema della correlazione elettronica
Brevissima panoramica dei metodi post-Hartree-Fock:
2
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
Totale Ore
Modulo 1
Introduzione all’uso del programma di calcolo Gaussian98
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 esercizi
Modulo 2
Analisi conformazionale e calcolo di barriere di rotazione
con la meccanica molecolare
Modulo 3
Individuazione dei punti stazionari sulla PES della molecola
di urea e loro classificazione.
Analisi della struttura elettronica della molecola di urea
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
Totale 20
6
10
8
8
32
52
6. Materiale didattico
I testi base consigliati per il corso sono:
Appunti delle lezioni e materiale usato nelle esercitazioni (forniti dal docente)
E’ consigliato l’utilizzo del seguente materiale per approfondimenti e integrazioni:
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
I. Levine, Quantum Chemistry, Prentice Hall, 2000, 2nd edition
G. H. Grant, W. G. Richards, Computational Chemistry, Oxford University Press, 1995
A. Szabo, N. S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry (Introduction to Advanced Electronic
Structure Theory), McGraw-Hill, 1985
Infine sono di seguito indicati siti internet di interesse:
Home page del programma Gaussian:
http://www.gaussian.com
Sito internet con database dei set base per calcoli ab initio:
http://www.emsl.pnl.gov.2080/forms/basisform.html
Sito IUPAC sugli acronimi usati in chimica computazionale:
http://www.iupac.org/reports/1996/6802brown
7. Modalità di verifica/esame
L'esame si svolge , di norma, come segue :(dettagliare il più possibile:scritto,orale,prove in itinere,criteri di
valutazione ecc.)
L’esame consiste in una prova scritta della durata di 4 ore circa costituita da una decina di domande, di
carattere generale, relative agli argomenti discussi a lezione. Le domande hanno peso diverso. Prima
dell’inizio dell’esame, il docente discuterà le domande e ne indicherà la loro importanza.