• 

Q-CHEM

 

 

Q-Chem是一款功能齐全的从头算量子化学程序包，最早由诺贝尔化学奖获得者John A. Pople主导开发。全面支持从DFT/HF到各种高级的post-HF相关能计算方法。并提供广泛的解决方案，适用于不同的研究目标，如单分子磁体的自旋轨道耦合效应、高通量计算、酶的量子力学/分子力学（QM/MM）研究等。被广泛用于处理工业界、学术界和国家实验室的各类理论模拟研究，在理论化学、药物设计、材料科学、生物化学以及相关领域的教学和研究中发挥了极大作用。可以包括研究分子结构、化学反应、分子振动、电子光谱、NMR谱和溶剂化效应等。

Q-Chem自1999年第一个版本1.2发布至今，已经陪伴广大科研用户26年了。自1999年以来，Q-Chem引领量子化学计算的潮流，不断突破科技边界，26年的专注研发，每年至少三次的版本迭代，Q-Chem始终站在量子化学软件的最前沿。 从1.2版本到最新的6.2，Q-Chem的每一次版本升级都是对科学的一次深刻致敬。

 Q-Chem6.4新功能

Q-Chem 6.4 震撼来袭！立即升级,体验显著提升的计算性能与易用性,解锁全新的化学与光谱研究工具.依托这些创新功能,您可以部署大规模计算工作流,更快获得更精确的结果,并将研究范围拓展至以往无法触及的体系与科学问题.

光谱模拟新突破

核心-价电子分离（CVS）方案支持 ROCIS、XCIS 与 QROCIS

精确计算开壳体系的核心能级光谱

EOM-IP/EE-CCSD 求解器新增内价层投影选项

采用类 CVS 方法，精准计算由内价层电子主导的高能激发态与电离态

全新 ΔSCF 驱动程序

更快捷、更简便地执行 ΔSCF 计算,界面简洁流畅,并配备全新的结果分析工具.

大体系计算性能飞跃

迭代式 CC-in-DFT 嵌入方法用于性质计算

CC/EOM-CC 能量与梯度的两步 Cholesky 分解

显著加速 CD 计算，梯度计算效果更佳

随机 RI-CC2 解析梯度与导数耦合

DFT 方法重大更新

全新 DFT 泛函体系：

B97MV-D3s(BJ), B97MV-D4, wB97MV-D4, wB97MV-D3s(BJ), wB97XV-D3s(BJ), wB97XV-D4, Pr2SCAN69-D4,Pr2SCAN50-D4, wPr2SCAN50-D4,revDOD-PBEP86-D4, revDSD-PBEP86-D4, xDSD75-PBEP86-D4,wDSD72-PBEP86-D4,B2NC-PLYP, mPW2-PLYP,mPW2NC-PLYP,SOS0-PBE0-2

TAO-DFT 支持 B97 类泛函

PBEh-3c 与 HF-3c 半数值解析频率计算

精度与解析 Hessian 相当，计算效率更高。HF-3c 尤其适用于超高效几何优化

(在最小基组 HF 成本下,对非共价相互作用具有良好的精度).支持频率计算！

DFT-D4 全面升级

多参考态自旋翻转 DFT（MR-SF-DFT）

提升精度，解决原始 SF-TD-DFT 的自旋污染问题

NEO 方法扩展

NEO-CC2 方法用于激发态计算     NEO-CC 有限差分梯度几何优化

NEO 方法支持冻结核近似             NEO-CCSD(T) 与 NEO-CCSDTeep,epp 方法

 

Q-Chem6.3新功能

 

速度再突破  

密度拟合 DFT 核心重写：中型到大型（>2000 基函数）能量与受力平均提速 20–30 %，16 核测试 Cys-11 肽链 B3LYP/def2-TZVP 单点快 23 %。  

MPI 级并行覆盖有限差分频率、Numerical Hessian、Many-Body Expansion，节点数几乎线性扩展，百原子频率 overnight。  

SCF 永不“卡壳”  

Robust SCF：内置多阶段收敛流水线，自动识别 DIIS 漂移→切换 EDIIS/GDM/RCA/Damping，夜间作业零人工重启，专为高通量材料筛选与大数据训练设计。  

光谱工具箱升级  

Auger 衰减速率：全自动 Coulomb 波 + Feshbach-Fano 框架，无需外部脚本。  

开壳层 Auger：Projection EOMIP-CCSD 支持冻结核心与双重态参考。  

动态极化量：EOM-EE/SF-CCSD 虚频极化率，后续 CAS–London 轨道可直接读入做 Verdet 常数、CARS 强度。  

开壳层 & 共振体系专属  

自旋-轨道耦合：EOM-DEA、EOM-DIP 波函数均可后处理，无需重新计算。  

梯度：EOM-DIP/DEA-CCSD 解析梯度，势能面扫描、束缚态-共振态混合优化稳定。  

复数 EOM-CCSD：基于 RI 分解，衰变态能量、宽度一次给出，支持 200 电子级体系。  

多体方法“全垒打”  

EOM-CCSDT 正式版：EE/SF/IP/EA/DIP/DEA 六通道同精度，<0.05 eV 误差挑战光电子谱。  

CC2-BW：Brillouin-Wigner 尺寸一致修正，克服标准 CC2 对三激发低估，激发能误差 ↓ 30 %。  

化学解析看得见  

Broken Bond Orbitals (BBO)：一键生成，能量分解（EDA）自动区分泡利排斥、静电、轨道互作。  

CT Metrics：libwfa 模块提供轨道不变电荷转移距离、激子尺寸，避免传统 Δq·Δr 伪影。  

ALMO(MSDFT)  Diabatic 耦合：ΔSCF 激发态与基态间电子耦合，用于单分子电导、激子裂变速率。  

极端条件与反应操控  

力学化学：新增 PV 能量项，外压 0–10 GPa 连续可调，几何优化与过渡态搜索自动包含体积功。  

柔性约束：扭角、平底势、键长、角度、质心距、二面角、r12⊥r34 等 10 余种内置限制，支持 PES 扫描与过渡态限制。  

真实环境不再“一刀切”  

HetPCM：同一 QM 集群可分区赋予介电常数（表面 ε=78、疏水核 ε=4），酶催化模型更逼真。  

SMD 半数值频率：解析梯度 + 数值微分，成本≈纯解析，100 原子有机溶剂频率 1–2 h 完成。  

GMBE-DM：密度矩阵碎片化 SCF，可搭配 def2-TZVPP 等高阶基组，片段间自洽到 1 μEh，线性寡聚物 10× 提速。  

量子核效应（NEO）套件  

NEO-PCM 解析 Hessian：溶液相量子质子频率、同位素效应、质子隧道分裂全可算。  

泛函“零改”支持：ωB97X-D、ωB97X-D3、B3LYP-D3(BJ)…色散校正已内置，直接做 NEO-SCF 能量与梯度。  

多质子同步优化：GDM+DIIS 混合算法支持任意数目量子质子，初始核猜测改进，收敛步数减半。  

 

Q-Chem6.2新功能 

Q-Chem6.2，是该软件包的第七个主要版本，包含多项改进和新特性。一些新增特性包括：

    ＊自然增强轨道（Natural Auger Orbitals）用于CVS-EOM方法的奥杰衰减、ICD和相关过程。

    ＊ACP-EOMIP-CCSD用于部分奥杰衰减宽度的计算。

    ＊ EOM-CCSDT用于电子能量和自旋-翻转态的研究。

    ＊ TDKS的偶极滤波。

    ＊ DFT/CIS半经验方法，包括用于X射线光谱学的新的参数化。

    ＊ 1C-NOCIS的推广到双电子开放壳层单重态。

    ＊ 使用IAOs的原子多极矩计算。

    ＊ RT-NEO及其变体，NEO多态DFT（NEO-MSDFT），SCS-RIMP2和SOS-OOMP2用于NEO方法。

 

密度泛函理论（DFT）：支持LDA、GGA、meta-GGA泛函，以及这些泛函的混合、范围分离混合和双重混合版本。可以评估基态和激发态的单点能量、几何优化、振动频率计算等。

 

电子相关性：提供处理电子相关效应的先进工具，如Møller-Plesset微扰理论和耦合簇理论。对于强相关系统，提供特殊处理方法，包括CASSCF、耦合簇价键理论、选择性CI、RAS-CI、自旋翻转和变分2-RDM方法。

 

 激发态方法：提供多种方法研究电子激发态，包括CIS、TD-DFT、NOCI、EOM-CC和ADC。这些方法可以模拟光谱特性、电荷和能量转移以及非绝热动力学。

 

溶剂化和嵌入：提供多种模型化溶剂化系统的解决方案，包括隐式溶剂模型和有效片段势方法。还包括QM/MM和密度嵌入等多种嵌入方法。

 

光谱学建模：提供多种工具模拟不同类型的光谱，包括红外和拉曼光谱、紫外-可见光谱、X射线光谱、光电子能谱、核磁共振和非线性光谱。

 

分子间相互作用：提供基于绝对局域分子轨道的能量分解分析，以及对称性适应的微扰理论（SAPT）和扩展的多体版本

（XSAPT）来计算和分析分子间相互作用。

 

化学反应：提供几何优化、势能面扫描、过渡态搜索和内在反应坐标跟踪的方法，适用于化学活性、热化学和化学动力学的研究。

 

分子动力学：Q-Chem可以执行从头算分子动力学（AIMD），包括NVE和NVT热采样，以及准经典分子动力学（QMD）。还包括Tully的最少交换面跳跃（FSSH）方法，有效处理非绝热系统。

 

分子动力学：Q-Chem可以执行从头算分子动力学（AIMD），包括NVE和NVT热采样，以及准经典分子动力学（QMD）。还包括Tully的最少交换面跳跃（FSSH）方法，有效处理非绝热系统。

 

＆ Q-Chem 4.1新功能

• - 高度并行化(OpenMP、MPI)和有效多核兼容，实现HF、DFT和CCSD计算的高效运行；
• - 使用最新技巧描述反应分子桥联的非平衡条件的T-Chem量子输运代码；
• - M06, M08 and M11系列泛函的TDDFT计算；
• - 扩展的冻结字符串方法,尤其是可用于过渡态结构细化的近似Hessian的构建；
• - 扩展绝对定域分子轨道基能量分解分析计算到非限制性体系；
• - XYGJ-OS分析能量梯度；
• - 基于SCF计算的显式极化（XPol）单体方法，计算多体极化效应达线性标度；
• - 用于分子间相互作用能量分解分析的基于“SAPT0”水平的对称性匹配微扰理论的计算；
• - XPol与SAPT结合的XSAPT方法计算大分子簇内串分子间相互作用；
• - 研究激发态的RAS-n-SF方法
• - 势能面扫描；
• - 具高密度和低密度极限间连续过渡的最新精确的LSD 相关泛函；
• - 不破坏Kohn-Sham对称性的计算定域原子磁矩的新方法；
• - 计算包括静态相关效应的Mayer型键序。

＆ Q-Chem4.0在取得巨大成功的3.2版的优异功能的基础上，增加了：

• - 用于激发态结构优化的TDDFT的解析梯度和解析二阶导数计算
• - 复杂位能面的IRC搜寻，
• - 范围分割和扩散校正的DFT泛函，
• - 更快的DFT、HF和耦合簇（CC）计算方法，
• - 更多选择的激发态、溶剂化效应和电荷迁移的计算方法，
• - 更有效的处理大分子体系的QM/MM方案，
• - 大分子体系的激发态计算的最大重叠方法，
• - 双电子性质的分析，
• - 多核系统和GPU使用的内存共享。

 

 

＆ Q-Chem 的特色

• 1. 超快速DFT 计算（为一般DFT 计算速度的3 倍）
• 2. 超快速MP2 计算（为一般MP2 计算速度的3-10 倍，与HF 的计算速度相当）
• 3. 第一个线性标度的NMR 化学位移计算
• 4. 适于自由基和激发态计算的新的DFT 和post-HF 计算方法
• 5. 输入简便的QM/MM 杂化方法计算
• 6. 新一代连续溶剂化计算模型(sm8, cosmo)
• 7. 多核系统和GPU 使用的内存共享。

 

 

＆ 基态自洽场方法
1. Hartree-Fock 方法

• - 限制性，非限制性，和限制性开壳层形式
• - 用于结构优化的解析一阶导数
• - 用于谐振频率分析的解析二阶导数

2. 密度泛函理论

• - 局域泛函和梯度校正泛函
• - 交换泛函：Slater，Becke’88，Perdew’91，Gill’96，Gilbert-Gill’99，Handy -Cohen OPTX
• - 关联泛函：VWN5，Lee-Yang-Parr，Perdew-Zunger’81，Perdew’86，Wigner， Perdew’91
• - EDF1 交换-关联泛函。
• - 用户定义的交换-关联泛函。
• - HF-DFT 混合泛函：B3LYP，B3PW91，B3LYP5
• - 用户定义的混合泛函。
• - 基于数值格点的数值积分方案：SG-0 标准网格，SG-1 标准网格，Lebedev 和Gauss-Legendre 角向积分方案
• - 用于结构优化的解析一阶导数
• - 用于谐振频率分析的解析二阶导数

3. 线性标度方法

• - 傅立叶变换库仑方法
• - 连续快速多极方法
• - 线性标度HF 交换方法
• - 基于格点的线性标度积分，用于交换-关联泛函求值
• - 线性标度NMR 化学位移

4. AOINTS 包用于双电子积分

• - 结合了高性能积分技术的最新进展；COLD PRISM；J-矩阵引擎。

5. SCF 改进

• - in-core 和直接SCF 的最优混合
• - DIIS
• - 初始猜测方案：重叠球平均原子密度，广义Wolfsberg-Helmholtz，从小基组投影，芯哈密顿量的猜测
• - SCF 波函的稳定性分析

＆ 最大重叠方法

• - Fock 矩阵的直接最小化
• - 极化原子轨道对分子优化的最小基

 

＆ 基组

• 1. 高斯基组
• 2. 赝势基组
• 3. 用户定义的基组和赝势
• 4. 基组重叠误差(BSSE)校正

＆ QM/MM

1. 1. 到CHARMM 的接口
2. 2. ONIUM
3. 3. 更有效地处理大分子体系的QM/MM 方案

＆ 基于波函的电子关联处理
1. MP 微扰理论

• - 限制性，非限制性，和限制性开壳层形式
• - 直接和半直接方法计算能量
• - 半直接方法的解析梯度，用于限制性和非限制性形式
• - 在MP3，MP4 和MP4SDQ 方法的解析梯度计算中处理冻芯轨道

2. 局域MP2 方法

• - 根据物理图象截断完全MP2 的能量表达式，从而减少计算量
• - 减少计算量相对于分子尺寸的标度，近似为两倍，却不明显丢失精度。
• - 应用外推PAO 用于局域校正
• - 可以使用分子中的双原子和分子中的三原子技术

3. RI-MP2

• - 比MP2 和局域MP2 快十倍

4. 耦合簇方法

• - CCSD：能量，以及作为能量有限差分的梯度
• - EOM-XX-CCSD；XX = EE, EA, IP, SF，能够灵活处理自由基，键的断裂，以及对称破缺问题
• - 耦合簇能量的非迭代校正：三级校正CCSD(T)，三级和四级校正CCSD(2)
• - 广泛应用分子点群对称性，以改善效率
• - 二次双激发耦合簇
• - QCISD，QCISD(T)和QCISD(2)用于能量
• - DIIS 用于收敛加速
• - 冻芯近似，用于增加可处理体系的尺寸

5. 优化轨道的耦合簇方法

• - 优化轨道的双激发耦合簇(OD)：可避免人为的对称破缺问题；优化平均场参考轨道使能量最小；Brueckner
• - 耦合簇；OD，OD(T)，和OD(2)的能量及梯度
• - 优化价轨道的耦合簇方法(VOD)：传统CASSCF 方法的耦合簇近似；在价活性空间利用截断的OD 波函；
• - 比CASSCF 有更少的磁盘空间需求和更小的体系标度，可处理较大体系；VOD，VOD(T)，VQCCD，和VOD(2)的能量及梯度

＆ 激发态方法
1. 支持的计算类型

1. - 垂直激发吸收谱
2. - 通过激发态能量的有限差分，进行激发态的结构优化
3. - UCIS 和RCIS 进行激发态的振动分析
4. - 自旋反转DFT

2. CIS 方法

• - 从Hartree-Fock 基态波函计算激发态：获得定性的单电子激发态；结构与频率与基态Hartree-Fock 结果有可比性
• - 高效的直接算法用于计算闭壳层和开壳层体系的能量、解析梯度和二阶导数
• - XCIS 用于二重和四重态计算
• - 双激发微扰校正CIS(D)，可使CIS 误差减少两倍或更多，接近于MP2

3. TDDFT

• - 从Kohn-Sham 基态波函计算激发态能量
• - 对于低位价激发态，TDDFT 比CIS 有相当大的改善，但只有相近的计算量
• - 提供激发态中关联效应的内在图像
• - 自由基的低位价激发态，比CIS 有相当大的改善
• - 自旋反转密度泛函理论(SFDFT)：把TDDFT 推广到低位价激发态之外；可用于键断裂的过程，以及自由基和双自由基体系。

4. 基于耦合簇的激发态方法

• - EOM-CCSD

自旋反转激发态方法：改善了双、三自由基体系的处理；结合单行列式波函处理键断裂问题；可用于OD和CCSD 理论级别

• - OOD 方法：与CCSD 激发态方法有几乎相同的数值性能；比TDDFT 精度更高，到计算量更昂贵
• - EOM-VOOD 方法：类似于EOM-CCSD，但使用VOOD 方案
• - 激发态特性计算：跃迁偶极矩和结构

5. 分解分析

• - 显示电子跃迁的工具，用于把电子跃迁分类为价跃迁、Rydberg 跃迁，混合跃迁，或电荷转换

 

＆ 特性分析
1. 自动结构优化和过渡态优化

• - 具有一般约束的结构优化：可施加于键角，二面（扭转）角或平面外的弯曲；直角坐标中冻结原子；约束不一定要加在初始结构上
• - 用约化内坐标保证迅速收敛，避免初始力常数矩阵
• - 优化使用笛卡尔，Z-矩阵或离域内坐标
• - 本征矢跟踪算法，用于过渡态和最小化
• - GDIIS 算法用于最小化：使到平衡结构的收敛获得极大加速
• - 内反应坐标跟踪：沿着反应路径的连续平衡结构和过渡态

2. 振动光谱

• - 自动调用解析和数值二阶导数
• - 红外和拉曼强度
• - 输出标准的统计热力学信息
• - 同位素替换，用于与实验进行比较
• - 非谐性校正

3. NMR 屏蔽张量
4. 自然键轨道NBO 分析
5. Stewart 原子

• - 从分子密度重新获得原子特性
• - Q-Chem 用单位分解方法计算这些值

6. 动量密度
7. Intracules

• - 独特的双电子函数，提供分子中库仑能和交换能关于位置和动量的最详尽信息

8. 分子中的原子

• - 利用免费的AIMPAC 进行AIM 分析

9. 溶剂模型

• - SM8
• - COSMO
• - 简单的Onsager 反应场模型
• - Langevin 偶极模型
• - SS(V)PE：一种新的电解质连续模型

10.基于Dirac-Fock 理论的相对论能量校正
11.对角绝热校正

• - 计算Born-Oppenheimer 对角修正，研究核与电子运动绝热距离的分解

 

＆ Q-Chem 创新点

 

 

＆ Q-Chem效用示例

- Linux机群的快速DFT计算
对于有103个原子的紫杉醇分子，在有8CPU的Xeon机群上进行BLYP/6-31(df,pd)等级（1925个基函数）的能量和梯度计算，使用Q-Chem仅需28分钟。

- MP2能达到HF的计算速度
高效的RI算法使中等的大基组的MP2计算更为有效。左图是丙氨酸四肽相对构象能（有27个稳定结构）的比较的示例。

- 线性标度NMR计算
右图和表格给出计算的分子的NMR位移相对于环绕的水分子的数目的收敛性。这是迄今进行的最大体系的NMR计算，在HF/6-31G**等级共有3000个基函数。

- 新发现
Q-Chem独有的EOM-(EE, IP, EA, SF)-CCSD方法能有效地描述双或三自由基的多个组态。使用该方法发现了首个具有开壳层双重态基态的有机分子的实例，DMX三自由基的三个不成对电子呈反铁磁性式偶合。