第四章_Gaussian軟件的使用

1、 分子的能量和結(jié)構(gòu)分子的能量和結(jié)構(gòu) 過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu) 振動頻率振動頻率 紅外和拉曼光譜（包括紅外和拉曼光譜（包括預(yù)共振拉曼）預(yù)共振拉曼） 熱化學(xué)性質(zhì)熱化學(xué)性質(zhì) 成鍵和化學(xué)反應(yīng)能量成鍵和化學(xué)反應(yīng)能量 化學(xué)反應(yīng)路徑化學(xué)反應(yīng)路徑 分子軌道分子軌道 原子電荷原子電荷 電多極矩電多極矩 NMR NMR 屏蔽和磁化系數(shù)屏蔽和磁化系數(shù) 自旋自旋- -自旋耦合常數(shù)自旋耦合常數(shù) 振動圓二色性強(qiáng)度振動圓二色性強(qiáng)度 電子圓二色性強(qiáng)度電子圓二色性強(qiáng)度 g g 張量和超精細(xì)光譜的張量和超精細(xì)光譜的其它張量其它張量 旋光性旋光性 振動振動- -轉(zhuǎn)動耦合轉(zhuǎn)動耦合 非諧性的振動分析和振非諧性的振動分析和振

2、動動- -轉(zhuǎn)動耦合轉(zhuǎn)動耦合 電子親和能和電離勢電子親和能和電離勢 極化和超極化率（靜態(tài)極化和超極化率（靜態(tài)的和含頻的）的和含頻的） 各向異性超精細(xì)耦合常各向異性超精細(xì)耦合常數(shù)數(shù) 靜電勢和電子密度靜電勢和電子密度 Gjf 計算任務(wù)文計算任務(wù)文件件 Chk 臨時文件臨時文件 Rwf 讀寫文件讀寫文件 Int 雙電子積分雙電子積分 D2e 雙電子積分雙電子積分導(dǎo)數(shù)文件導(dǎo)數(shù)文件 PDB， ENT MOL， HIN CDX， C3D Schrodinger方程方程 Born-Oppenheimer近似近似 Hellmann-Feyman定理定理 維里定理維里定理基組的影響 基組是體系內(nèi)軌道的數(shù)學(xué)描述。大

3、的基組由于對電子在空間上有小的限制而具有更大的精確性。 用于電子結(jié)構(gòu)計算的標(biāo)準(zhǔn)的基組使用線性的高斯函數(shù)來模擬軌道。最小基組 最小基組包含了描述軌道的最少的函數(shù)數(shù)量。 H：1s C：1s，2s，2px，2py，2pz STO-3G 是最小基組分裂基組 增大基組的第一個方法就是增加每個原子基函數(shù)的數(shù)量。分裂基組，比如3-21G 和6-31G，對于價鍵軌道都用兩個函數(shù)來進(jìn)行描述，比如 H：1s，1s C：1s，2s，2s，2px，2py，2pz，2px，2py，2pz雙zeta 基組，如Dunning-Huzinaga 基組(D95)，采用每個原子的兩種不同大小的函數(shù)的線性組合來描述分子軌道。同樣的

4、，三重分裂基組，如6-311G，采用三個不同大小的收縮函數(shù)來描述軌道。極化基組 分裂基組允許軌道改變其大小，但不能改變形狀。極化基組則取消了這樣的限制，增加了角動量。 比如在碳原子上增加d 軌道的成分，在過渡金屬上增加f 軌道成分。有些在氫原子上增加p 軌道成分 6-31G(d)、6-31G(d，p)彌散函數(shù)(Diffuse Functions) 彌散函數(shù)是s 和p 軌道函數(shù)的大號的版本。他們允許軌道占據(jù)更大的空間。對于電子相對離原子核比較遠(yuǎn)的體系，如含有孤對電子的體系，負(fù)離子，以及其他帶有明顯負(fù)電荷的體系，激發(fā)態(tài)的體系，含有低的離子化能的體系，以及純酸的體系等，彌散函數(shù)都有重要的應(yīng)用。 6-

5、31+G(d)基組表示的是6-31G(d)基組在重原子上加上彌散基組，6-31G+(d)基組表示對于氫原子也加上彌散函數(shù)。高角動量基組 6-31G(2d)就是在6-31G 基礎(chǔ)上增加兩個d 軌道的函數(shù)，而6-311+G(3df，3pd)則增加了更多的極化函數(shù)，包括三個分裂的價鍵基組，在重原子和氫原子上加的彌散函數(shù)，在重原子上加的三個d 函數(shù)和一個f 函數(shù)，在氫原子上加的三個p 函數(shù)和一個d 函數(shù)。這樣的基組在電子相關(guān)方法對于描述電子之間的作用有很重要意義。第4周期以后的原子的基組 第4周期以上的原子的基組很難處理。由于存在非常大的核，原子核附近的電子通過有效核電勢方法(ECP)進(jìn)行了近似，這一

6、處理同時也包含了相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)。這其中，LANL2DZ 是最有名的基組。GaussianOverlay1Overlay9,10,11,99L101L102L122Overlay0L0L001 Gaussian 程序的結(jié)構(gòu)程序的結(jié)構(gòu)link0: 初始化程序，控制初始化程序，控制overlaylink1: 讀入并處理讀入并處理Route Section，建立要執(zhí)行的建立要執(zhí)行的link列表列表link9999: 終止計算終止計算Overlay99L9999-M- 2MW-#- MaxDisk=400MBGaussian程序使用的內(nèi)存單位W是雙精度字，相當(dāng)于8字節(jié) 2MW=16MB設(shè)置方法：將

7、Default.r1文件改成default.rouPreferences:對對Gaussian程序進(jìn)行初程序進(jìn)行初始化設(shè)置始化設(shè)置自定義外部文字編輯器，用來打開自定義外部文字編輯器，用來打開.out文文件件link.exe所在的文件夾所在的文件夾臨時文件存放文件夾臨時文件存放文件夾開始作業(yè)開始作業(yè) 暫停當(dāng)前作業(yè)暫停當(dāng)前作業(yè) 當(dāng)前當(dāng)前l(fā)ink后暫停后暫停 終止當(dāng)前作業(yè)和批處理終止當(dāng)前作業(yè)和批處理 恢復(fù)當(dāng)前作業(yè)恢復(fù)當(dāng)前作業(yè) 在當(dāng)前作業(yè)完成后終止批處理在當(dāng)前作業(yè)完成后終止批處理 終止當(dāng)前作業(yè)終止當(dāng)前作業(yè) 編輯或建立批處理編輯或建立批處理 批處理專用批處理專用打開外部編輯器打開外部編輯器 編輯輸出文件

8、編輯輸出文件 將.chk文件轉(zhuǎn)換為.fch文件，這種 文件可以使用圖形軟件打開 將.fch文件還原為.chk文件 從指定.chk文件中顯示作業(yè)的 route section和title 將.chk文件轉(zhuǎn)換成文本格式 將以前版本的Gaussian產(chǎn)生的 .chk文件轉(zhuǎn)換為G03的.chk文件 編輯批處理作業(yè)文件 轉(zhuǎn)換不同格式的分子結(jié)構(gòu)文件 讀取.fch文件中的數(shù)據(jù)并生成 三維空間網(wǎng)格圖 利用.chk文件中的分子軌道， 生成電子密度和靜電勢的空間 分布網(wǎng)格圖 從.chk文件中打印出頻率 和熱化學(xué)數(shù)據(jù)NewZmat工具界面工具界面H2O分子單點計算后的分子單點計算后的.chk文件文件轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成.f

9、ch文件后，在文件后，在Chem3D中所作分子軌道中所作分子軌道(HOMO)，電荷電荷密度和靜電勢空間分布圖密度和靜電勢空間分布圖% Section 設(shè)定作業(yè)運行的環(huán)境變量 Route Section 設(shè)定作業(yè)的控制項Title 作業(yè)題目Charge & Multipl 電荷與自旋多重度Molecule Specification 分子說明%chk=water.chk % Section： 行首以行首以%開始，段開始，段后無空行后無空行%rwf=water.rwf#p hf/6-31g scfcyc=250 scfcon=8 Route Section：行首以行首以# #開始，段后加空

10、行開始，段后加空行 Water ennergy title：作業(yè)的簡要描述，段后加空行作業(yè)的簡要描述，段后加空行 0 1 Molecular Specification：O 分子說明部分，段后通常加空行分子說明部分，段后通常加空行H 1 R1H 1 R1 2 a1R1=1.04a1=104.0 Gaussian作業(yè)的格式作業(yè)的格式 定義計算過程中的臨時文件%chk=name.chk.chk文件在計算中記錄分子幾何構(gòu)型，分子軌道，力常數(shù)矩陣等信息%rwf=name.rwf.rwf文件主要在作業(yè)重起時使用，當(dāng)計算量比較大時，.rwf文件通常會非常大，此時需要將之分割保存%int=,

11、 %d2e=name.d2e .int文件在計算過程中存儲雙電子積分, .d2e文件在計算過程中存儲雙電子積分的二階導(dǎo)數(shù) 內(nèi)存使用控制%mem=n 控制運行過程中使用內(nèi)存的大小,可以以W或者M(jìn)B，GB為單位default：6000000W48MB 綜合考慮到計算的需要和硬件水平，內(nèi)存并非給得越多越好，最有效率的方法是根據(jù)作業(yè)類型估算所需要內(nèi)存的大小M + 2NB2 M：不同類型作業(yè)需要的最小內(nèi)存， NB ：計算所使用基函數(shù)的數(shù)目 作業(yè)類型作業(yè)類型 f g h i j SCF能量能量 4 MW 4 MW 9 MW 23 MW 60 MW SCF梯度梯度 4 MW 5 MW 16 MW 38 MW

12、SCF振動分析振動分析 4 MW 9 MW 27 MW MP2能量能量 4 MW 5 MW 10 MW 28 MW 70 MW MP2梯度梯度 4 MW 6 MW 16 MW 38 MWMP2振動分析振動分析 6 MW 10 MW 28 MW Route Section以# 開始，# 控制作業(yè)的輸出#N 正常輸出；默認(rèn) (沒有計算時間的信息)#P 輸出更多信息。包括每一執(zhí)行模塊在開始和結(jié)束時與計算機(jī)系統(tǒng)有關(guān)的各種 信息 (包括執(zhí)行時間數(shù)據(jù)，以及SCF計算的收斂信息)#T 精簡輸出：只打印重要的信息和結(jié)果。 Route Section主要由方法，基組，任務(wù)類型三部分組成方法與基組后續(xù)課程專門介紹

13、Gaussian程序能完成的任務(wù)類型：Sp單點能量計算（默認(rèn)任務(wù)類型）ADMP&BOMP動力學(xué)計算動力學(xué)計算Opt分子幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化Force計算核的受力計算核的受力Freq振動分析Stable波函數(shù)穩(wěn)定性測試波函數(shù)穩(wěn)定性測試Irc反應(yīng)途徑計算Volume計算分子體積計算分子體積IrcMax在指定反應(yīng)途徑上找能量最大值在指定反應(yīng)途徑上找能量最大值Density=CheckPoint僅計算布居分析僅計算布居分析Scan勢能面掃描勢能面掃描Guess=Only僅作分子軌道初猜僅作分子軌道初猜Polar極化率和超極化率計算極化率和超極化率計算ReArchive從從.chk文件中提取存檔文件中提

14、取存檔Gaussian 程序中的部分關(guān)鍵詞程序中的部分關(guān)鍵詞 Guess Guess=read Guess=mix Guess=alter SCFCYC=n default=64 SCFCON=n SCFDM SCF=DM SCFQC SCF=QC direct (default) 優(yōu)化平衡態(tài) opt=z-matrix 優(yōu)化過渡態(tài) opt=(ts,z-matrix,noeigentest) optcyc=n Iop(1/8=6) Freq=noraman Freq=ReadIsotopes Route Section采用自由格式，大小寫不敏感 同一行不同項之間可以使用空格，逗號和“/”連接；

15、例：#p hf/6-31g scfcyc=230 scfcon=8 #p,hf/6-31g,scfcyc=230,scfcon=8 關(guān)鍵詞可以通過 keyword =option,keyword(option), keyword=(option1, option2, .)，keyword( option1, option2, .)指定 例：#p HF/STO-3G opt #p HF/STO-3G opt=(TS,readfc) Title部分必須輸入，但是程序并不執(zhí)行，起標(biāo)識和說明作用 輸入分子的電荷和自旋多重度 例： 電荷 多重度2s+1 H2O 0 1 H3O+ 1 1 NO 0 2 O

16、2 0 2 電荷多重度部分通常也算作分子說明 分子說明部分主要用來定義分子核相對位置分子說明部分主要用來定義分子核相對位置分子核相對位置可以用笛卡爾坐標(biāo)，內(nèi)坐標(biāo)分子核相對位置可以用笛卡爾坐標(biāo)，內(nèi)坐標(biāo)(Z-matrix)，或者是二者混合，或者是二者混合 表示表示笛卡爾坐標(biāo)是內(nèi)坐標(biāo)的一種特殊形式笛卡爾坐標(biāo)是內(nèi)坐標(biāo)的一種特殊形式分子坐標(biāo)的格式為分子坐標(biāo)的格式為: 元素符號, x, y, z 元素符號 (n) 原子1 鍵長 原子2 鍵角 原子3 二面角 格式代碼 (0,180) 以原子在分子中的序數(shù)表示 通過右手規(guī)則確定例例1：使用使用HF方法，優(yōu)化方法，優(yōu)化 H2O2分子分子%chk=h2o2.ch

17、k%rwf=h2o2.rwf#p hf/6-31g optH2O2 energy calculation0 1 HO 1 0.9O 2 1.4 1 105.0H 3 0.9 2 105.0 1 120.0%chk=h2o2.chk%rwf=h2o2.rwf#p hf/6-31g optH2O2 energy calculation0 1H 0.000 0.000 0.000 O 0.000 0.900 0.000 O 1.350 1.262 0.000 H 1.464 1.742 -0.752 內(nèi)坐標(biāo)表示內(nèi)坐標(biāo)表示 笛卡爾直角坐標(biāo)表示笛卡爾直角坐標(biāo)表示上述兩個作業(yè)將對上述兩個作業(yè)將對H2O2分

18、子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全優(yōu)化，包括所有的鍵長鍵角和二面角。分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全優(yōu)化，包括所有的鍵長鍵角和二面角。通過將內(nèi)坐標(biāo)定義成變量，可以對分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分優(yōu)化通過將內(nèi)坐標(biāo)定義成變量，可以對分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分優(yōu)化%chk=h2o2.chk%rwf=h2o2.rwf#p hf/6-31g optH2O2 energy calculation0 1 HO 1 r1O 2 r2 1 a1H 3 r1 2 a1 1 d1r1=0.9 r2=1.4a1=105.0d1=120.0 通過對兩個鍵長和鍵角使用同通過對兩個鍵長和鍵角使用同一變量定義可以控制分子的對一變量定義可以控制分子的對稱性稱性%chk=h2o2.chk%rwf=h2o2.rwf#p hf/6-31g optH2O2 energy calculation0 1 HO 1 r1O 2 r2 1 a1H 3 r1 2 a1 1 d1r1=0.9a1=105.0 變量部分變量部分 d1=120.0r2=1.4 常量部分常量部分通過設(shè)定常量，可以使程序通過設(shè)定常量，可以使程序只對分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行只對分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分部分優(yōu)化優(yōu)化例例2： C2H4分子分子 平面形分子