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不同计算模型方法比较

性能: HF << MP2 < CISD< MP4(SDQ) ~CCSD< MP4 < CCSD(T)MNDO:低估了激发能,活化能垒太高。

键旋转能垒太低。

超价化合物以及有些位阻的体系算出来过于不稳。

四元环太稳定。

过氧键太短,C-O-C醚键角太大,负电型元素间键长太短,氢键太弱且太长。

PRDDO:参数化到溴和第三周期金属。

适合无机化合物、有机金属化合物、固态计算、聚合物模拟。

目标数据是从头算结果。

整体结果不错,偶尔碱金属的键长有误。

AM1:不含d轨。

算铝比PM3好,整体好于MNDO。

O-Si-O不够弯、旋转势垒只有实际1/3,五元环太稳定,含磷化合物几何结构差,过氧键太短,氢键强度虽对但方向性错,键焓整体偏低。

SAM1:开发AMPAC公司的semichem公司基于AM1扩展出来的,明确增加了d轨道。

由于考虑更多积分,比其它半经验方法更耗时。

精度略高于AM1和PM3。

振动频率算得好,几乎不需要校正因子。

特地考虑了表达相关效应。

PM3:比AM1整体略好一点点。

不含d轨。

氢键键能不如AM1但键角更好,氢键过短,肽键C -N键旋转势垒太低,用在锗化合物糟糕,倾向于将sp3的氮预测成金字塔形。

Si-卤键太短。

有一些虚假极小点。

一些多环体系不平,氮的电荷不对。

PM3/MM:PM3基础上加入了对肽键的校正以更好用于生物体系。

PM3(TM):PM3加了d轨,参数是通过重现X光衍射结构得到的,因此对其它属性计算不好,几何结构好不好取决于化合物与拟合参数的体系是否相似。

PM4:没做出来或者没公布。

PM6:可以做含d轨体系。

最适合一般的优化、热力学数据计算。

Bi及之前的元素都能做。

比其它传统和新发展的半经验方法要优秀。

但也指出有不少问题,比如算P有点问题,算个别势垒有时不好,JCTC,7,2929说它对GMTKN24测试也就和AM1差不多,卤键不好。

PM6-DH1/DH2:PM6基础上加了色散、氢键校正项,适合弱相互作用体系。

PM6-DH+:很好的算弱相互作用体系的半经验方法。

S22测试集上性能号称已经很接近DFT-DPM7:相对于PM6,在弱相互作用的计算上有极大的改善,因此PM7可以用于凝聚相研究,在生成焓这些PM6老强项上改进较小。

PM7-TS:计算过渡态能垒准确度比PM6、PM7都有约3倍的改善。

AUE约 Kcal/molOM3:GMTKN24测试表示这是目前算能量最好的方法,接近DFT。

see JCTC,7,2929。

只有MN DO2005程序能算。

OM2-D2:色散校正的OM2,对弱相互作用计算很好,接近DFT+D水平RM1:重新参数化的AM1,但是参数化的元素很少TNDO:最适合NMR的半经验方法,专用来重现NMR化学位移,HyperChem支持。

ZINDO:=INDO/S=ZINDO/S。

Zerner等人开发的,最适合激发态研究的半经验方法。

对有机分子结果很不错,好于CIS,但不适合含有电子转移过程、强跃迁的过程及处理里德堡态、带未成对儿电子的金属。

ZINDO可以算少数过渡金属,几何优化不好。

由于是为了计算光谱而优化的参数,计算基态能量就很不好了。

SCC-DFTB:DFT方法的半经验版本,也是忽略了很多积分,只考虑价层,每个AO用一个ST O表达。

泛函不一定,通常是PBE。

计算量和PM3、AM1相仿佛,但性能更好点。

RHF:O(N^4)。

未考虑库仑相关。

尺寸一致。

描述解离问题很差,键长普遍偏短(对于配位键则太长),高估活化能(由于在解离拉远过程中能量偏高所致),偶极矩比真实偏大10~15%,对多重键体系不好(多重键的强相关作用被忽略了)。

高估gap 20%~30%UHF:同RHF,但可以处理开壳层。

更耗时。

对双自由基、键拉长体系能量比RHF更低,处理解离问题比RHF好得多。

有较大旋污染。

期望态的PES受到高自旋多重度态的PES影响可能不对,过渡态用UHF可能因此位置不对。

PUHF:投影掉UHF自旋污染,能量有所降低,但可能在RHF->UHF不稳定点导数不连续、出现不正确的能量极小点。

不宜用。

ROHF:MCSCF的特例,可处理开壳层,能量比UHF高,收敛比UHF困难,没有自旋污染,Alp ha-Beta轨道相同便于分析。

适合UHF自旋污染很大的情况。

由于没有考虑到自旋轨道的极化,自旋密度不好。

SUHF:Spin Constrained UHF。

用拉格朗日乘子限制UHF的自旋污染。

下面O(N^)列出的只是假设体系很大,只有AO->MO积分变换成为限速步,而且电子数随基函数增大而线性增大的情况。

MPx系列:尺寸一致,用于研究闭壳层相互作用很适合。

有HF简并轨道酉变换不变性。

某些体系、某些基组下随x增大未必收敛,或因震荡收敛慢,但一般在低阶(2~4)不会如此。

对于多组态效应强的体系由于参考态RHF波函数不好,结果较差。

有n阶波函数时能算2n+1阶MP能量。

RMP由于RHF波函数在远离平衡构型时的不好(多参考态特征开始显露),不适合用在键长超过平衡距离倍的体系(或超过平衡距离1埃),在很远处x越大可能越差。

对于开壳层,MP可以基于UHF也可以基于ROHF。

前者即UMP,有明显自旋污染,不建议用,能量往往高于RMP,且在不稳定点能量不连续,增大x也没什么改进。

稍昂贵的PUMP能量全局连续,近程同RMP,远程质量也好,但形势复杂。

MP如果基于ROHF波函数,有好多种具体方法,有两类(1)零阶哈密顿与S^2算符不对易(故有自旋污染),包括ROMP、RMP、R OHF-MBPT、ZAPT (2)与之对易,包括OPT、IOPT、HCPT、陈飞武的OSPT、。

MP1:就是HFMP2:O(N^5)。

算氢键好。

范德华相互作用也还成,但还是明显高估了(尤其是pi作用),算饱和物质二聚体、H2二聚体有点低估,但是算甲烷二聚体极好。

往往高估键长。

只含双激发项贡献。

很大基组下结果相当不错。

用于过渡金属不好,尤其是开壳层、配位不饱和体系。

对第一行过渡金属络合物,Metal-ligand键长明显被低估。

过渡态势垒有点高估。

Local-MP2:对HF的占据和虚轨道都定域化,电子激发只从占据轨道激发到不远的虚轨道,相对于MP2计算明显加快,精度却下降甚微,适合算大体系,还可以只研究局部相关作用。

可以获得能量成分(分子内,及分子间的离子、色散、交换色散作用)。

基本无BSSE问题。

若再结合resolution of identity速度能有数倍加快而精度下降甚微,似乎能达到DFT可及的体系尺度,而在氢键、弱相互作用上则比DFT更好点。

开壳层时自旋污染小。

还有LMP 3/4。

此方法不适合用在不够大的体系,再加上LMP2往往无法考虑对称性,导致速度经常比MP2慢。

SCS-MP2:O(N^4)。

由于HF已经考虑了很多自旋平行的相关(交换作用),因此MP2中应弱化自旋平行成分。

SCS-MP2调整了MP2校正能的平行和反平行部分系数。

算反应能比MP2有了不少提高,达到QCISD级别甚至有时达到QCISD(T)。

对于范德华相互作用,虽然并未为此专门参数化,统计结果也比MP2好点(pi作用肯定更好),达到双杂化泛函水平,但是氢键、饱和分子作用(如甲烷二具体)不如MP2。

其它方面和MP2差不多。

SCS-MP2极其所有通过自旋分量调整的变体原理上都不具有正确的渐进行为(见原文)。

SCSN-MP2:平行部分不变,反平行贡献的参数拟合核酸碱基对儿相互作用能。

SCS(MI)-MP2:平行、反平行系数来自拟合S22数据。

对于cc-pVXZ每种都分别拟合了参数,注意不含弥散,是为了降低计算量。

SOS-MP2:忽略了平行作用,结合辅助基函数展开和拉普拉斯方法,可成为O(N^4)方法。

并没比MP2好多少,而且弱相互作用差,不过计算效率更高。

S2-MP2::MP2能量加上乘上了的MP3校正能,这个数来自分析计算精度、基组依赖性和理论意义。

性能比各种自旋校正的MP2都好,主要是pi-pi堆叠改进明显,弱相互作用号称在中等基组下(不加弥散亦可)就能接近CCSD(T)/CBS,但实际上可靠性略弱于SCS-CCSD。

计算量比M P2大一个数量级,但是比CCSD小一个数量级。

OO-MP2:ORCA支持。

计算量是MP2的10倍。

对于有机分子热力学性质没什么改善,但是算反应势垒、自由基等开壳层情况改进明显,结合SCS的思想构成OO-SCS-MP2结果更好。

:用在小基组上结果不如在大基组好,为解决此问题,对从小到大的基组都通过S66测试集重新拟合了MP2和MP3校正能的权重,这使得不同基组下(乃至低至6-31G*)得到的弱相互作用能精度都相仿佛,和aug-cc-pVTZ下差不多。

虽然6-31G*下就能高精度计算弱相互作用很诱人,但对更多的体系的可靠性还有待广泛验证。

MP2C: 用TDDFT响应函数计算的色散能与MP2所用的非耦合HF响应函数计算的色散能的差值作为对MP2相互作用能的校正。

精度与SCS-CCSD相仿佛。

MP2-R12:做MP2时波函数引入了r12项,在接近完备基组时和MP2结果一样,但是在不大的基组下可以得到很大基组下MP2的结果,或者说随基组收敛快。

计算耗时也就比MP2多不超过10%。

长程不好,故用在分子间作用有问题。

MP2-F12:r12项变换成了更复杂、更广义形式,称为f12项(也包含r12)。

计算结果明显比MP2-R12更好,彻底将之替代了。

MP3:O(N^6)。

对MP2改进不大。

容易低估相关能,时常还不如MP2。

不宜用。

与MP2相反,色散复合物体系结合能低估了。

SCS-MP3:SCS-MP2加上的E(MP3)校正能。

热化学性能比SCS-MP2好,号称接近QCISD(T)。

低估弱相互作用能,和高估之的MP2混合成会好很多。

虽然和CCSD一样都是O(N^6),但M P3不需要迭代,所以省时得多。

MP4:SDQ是O(N^6),SDTQ是O(N^7)。

比MP2还是有挺大改进的。

计算速度似CISD。

MP4常不算三激发贡献,虽然贡献很大,但难算。

RMP4在偏离平衡构型比RMP2/RMP3长一些时结果也很好,但太长就不行了。

D、SDQ时色散复合物体系结合能低估了(似MP3)。

MP5:O(N^8)。

MP4干不了的MP5的改进也不大,有时还不如MP4。

MP6:O(N^9)。

极其昂贵,很准。

和CCSD(T)精度相仿,但由于MP6太昂贵,还有其它MP系列潜在问题,所以一般不用。

MP7:O(N^10)MCSCF波函数基础上做二阶微扰(多参考态二阶微扰理论):比MRCI明显更便宜,结果相仿佛,但据说不如MRCI可靠。

在CASSCF基础上引入更多动态相关使结果更好。

此方法具体实现不只一种,可统称为MRPT2,比如RS2C、CASPT2、NEVPT 2、MRMP2、MCQDPT2、MROPT2,但结果很相近。

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