GFN2-xTB—An Accurate and Broadly Parametrized Self-Consistent Tight-Binding Quantum Chemical Method with Multipole Electrostatics and Density-Dependent Dispersion Contributions

多极展开 紧密结合 偶极子 统计物理学 静电学 物理 各向异性 计算物理学 化学 计算化学 分子物理学 电子结构 量子力学
作者
Christoph Bannwarth,Sebastian Ehlert,Stefan Grimme
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:15 (3): 1652-1671 被引量:2762
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.8b01176
摘要

An extended semiempirical tight-binding model is presented, which is primarily designed for the fast calculation of structures and noncovalent interaction energies for molecular systems with roughly 1000 atoms. The essential novelty in this so-called GFN2-xTB method is the inclusion of anisotropic second order density fluctuation effects via short-range damped interactions of cumulative atomic multipole moments. Without noticeable increase in the computational demands, this results in a less empirical and overall more physically sound method, which does not require any classical halogen or hydrogen bonding corrections and which relies solely on global and element-specific parameters (available up to radon, Z = 86). Moreover, the atomic partial charge dependent D4 London dispersion model is incorporated self-consistently, which can be naturally obtained in a tight-binding picture from second order density fluctuations. Fully analytical and numerically precise gradients (nuclear forces) are implemented. The accuracy of the method is benchmarked for a wide variety of systems and compared with other semiempirical methods. Along with excellent performance for the "target" properties, we also find lower errors for "off-target" properties such as barrier heights and molecular dipole moments. High computational efficiency along with the improved physics compared to its precursor GFN-xTB makes this method well-suited to explore the conformational space of molecular systems. Significant improvements are furthermore observed for various benchmark sets, which are prototypical for biomolecular systems in aqueous solution.
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