Empirické metody pro výpočet parciálních atomových nábojů

Bc. Ondřej Schindler

Master's thesis

Empirical methods for calculation of partial atomic charges

Abstract:

Koncept parciálních atomových nábojů je využíván v mnoha odvětvích chemie. Užitečně totiž aproximuje složitou elektronovou hustotu na reálné číslo. Jelikož je ale získání parciálních nábojů pomocí metod kvantové chemie výpočetně náročné, bylo vyvinuto mnoho empirických metod, které počítají parciální náboje za nesrovnatelně kratší čas. V těchto metodách vystupují empirické parametry, které lze získat např. pomocí procesu parametrizace. V rámci diplomové práce jsem vyvinul obecnou metodiku pro parametrizaci empirických nábojových metod a implementoval ji jako softwarový nástroj MACH. Při vývoji této parametrizační metodiky byl kladen důraz na rychlý výpočet parciálních nábojů, co nejefektivnější parametrizaci, interpretovatelnost dosažených výsledků a snadné přidání nových empirických metod. Hledání parametrů probíhá na základě globálně optimalizační metody Guided minimization (GM). Byla provedena řada analýz za účelem zjištění s jakým nastavením GM spouštět pro dosažení co nejlepších výsledků za co nejkratší čas. Součástí software MACH je rovněž implementace osmi vybraných empirických metod. Na závěr práce byla vyvinutá parametrizační metodika využita při parametrizaci těchto 8 empirických metod a bylo provedeno jejich vzájemné porovnání.

Abstract:

The concept of partial atomic charges is employed in a good many fields of chemistry. It is a useful approximation of the complicated electron density to a real number. However, since using the quantum chemistry method for the calculation of the partial charges is computationally demanding, a large number of empirical methods have been developed in order to calculate the partial charges in incomparably less amount of time. These methods make use of empirical parameters, which, among other ways, can be obtained by the process of parameterization. In my thesis I have developed a general methodology for the parameterization of empirical charge and implemented it as a software tool of MACH. During the development of this parameterization methodology. I put emphasis on a fast computing time of the partial charges, the most effective parameterization, interpretability of the achieved results and a simple way of adding new empirical methods. Searching for the parameters is carried out by utilising the global optimization method Guided minimization (GM). A number of analyses were conducted to determine the optimal settings to run GM with in order to obtain the best results in the shortest amount of time. A part of the MACH software is also the implementation of the eight selected empirical methods. My thesis was concluded by developing a parameterization methodology used for the parameterization of those 8 empirical methods and their comparison was conducted.

Keywords

partial atomic charges, empirical methods, EEM, SFKEEM, QEq, ACKS2, PEOE, MGC, Comba, DENR, parameterization, Guided minimization, \newline optimization

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 5. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 11. 6. 2019
• Supervisor: RNDr. Tomáš Raček, doc. RNDr. Radka Svobodová Vařeková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biochemistry / Chemoinformatics and Bioinformatics