分子模型的構(gòu)建及優(yōu)化計算實驗講義

1、實驗9分子結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建及優(yōu)化計算一、目的要求1掌握Gaussian和GaussView程序的使用。2掌握構(gòu)建分子模型的方法，為目標分子設(shè)定計算坐標。3能夠正確解讀計算結(jié)果，采集有用的結(jié)果數(shù)據(jù)。二、實驗原理量子化學(xué)是運用量子力學(xué)原理研究原子、分子和晶體的電子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵理論、分子間作用力、化學(xué)反應(yīng)理論、各種光譜、波譜和電子能譜的理論，以及無機、有機化合物、生物大分子和各種功能材料的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的科學(xué)。Gaussian程序是目前最普及的量子化學(xué)計算程序，它可以計算得到分子和化學(xué)反應(yīng)的許多性質(zhì)，如分子的結(jié)構(gòu)和能量、電荷密度分布、熱力學(xué)性質(zhì)、光譜性質(zhì)、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)等等。GaussView是一

2、個專門設(shè)計的與Gaussian配套使用的軟件，其主要用途有兩個：構(gòu)建Gaussian的輸入文件；以圖的形式顯示Gaussian計算的結(jié)果。本實驗主要是借助于GaussView程序構(gòu)建Gaussian的輸入文件，利用Gaussian程序?qū)Ψ肿拥姆€(wěn)定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行計算和分析。三、軟件與儀器1軟件：Gaussian03、GaussView計算軟件，UltraEdit編輯軟件。2儀器：計算機1臺。四、實驗步驟1.利用GaussView程序構(gòu)建Gaussian的輸入文件打開GaussView程序，如圖9-1所示，在GaussView中利用建模工具（ViewBuilder如圖9-2所示，在程序界面元素周期

3、表的位置處找到所需的元素，單擊即可調(diào)入該元素與氫元素的化合物。圖9-1GaussView打開時的界面圖9-2后出現(xiàn)的元素周期表窗口圖若要構(gòu)建像乙烷這樣的鏈狀分子，需要先點擊工具欄中的按鈕，常見的鏈狀分子就顯示在新打開的窗口中，如圖9-3所示。圖9-3常見鏈狀官能團窗口圖若要構(gòu)建像苯、萘等環(huán)狀結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)，需要雙擊工具欄中的因按鈕，常見的環(huán)狀有機分子就顯示在新打開的窗口中，如圖9-4所示。進行分子的基本構(gòu)型搭建后，在進行元素及鍵型、特殊基團的選擇，重現(xiàn)構(gòu)建分子直至構(gòu)建為所需分子。選定要編輯的原子后，在對原子之間的鍵長、鍵角或者二面角進行選定，輸入所需要的鍵長、鍵角或二面角值。要求學(xué)生練習(xí)構(gòu)建H

4、Q、CH4、乙烯和乙醛等分子的構(gòu)型。24繪制出分子的結(jié)構(gòu)式后，把圖形保存成gjf文件（FileSave取名為*.gjf，注意文件名和路徑都不能包含中文字符）。圖9-4常見環(huán)狀官能團窗口圖構(gòu)建分子成功后，可以利用GaussView查看分子的對稱性和坐標。從Editfpointgroup路徑可以查看所構(gòu)建的分子點群；從Editatomlist路徑可以產(chǎn)看所構(gòu)建的分子內(nèi)坐標和直角坐標。2數(shù)據(jù)文件的修改使用UltraEdit軟件打開剛才保存的gjf文件，在RouteSection行中輸入計算構(gòu)型及能量所需的方法，使用方法及關(guān)鍵詞為#pHF/6-31G(d)opt(maxcycle=30O)freq,即

5、可提交Gaussian程序進行分子優(yōu)化及頻率計算，得到該分子的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。對計算得到的穩(wěn)定構(gòu)型，關(guān)鍵詞為#pHF/6-31G(d)pop=ful1,即可得到分子的性質(zhì)。3分子結(jié)構(gòu)的幾何優(yōu)化及振動頻率計算采用Gaussian03程序包進行幾何優(yōu)化及頻率計算。雙擊桌面上的g03w.exe圖標，此時出現(xiàn)如圖9-5所示的窗口，打開計算數(shù)據(jù)文件，F(xiàn)ileOpen指定文件，此時出現(xiàn)如圖9-6所示的窗口，點殛開始運算。分子結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果文件保存為相應(yīng)的out文件。計算過程中，主程序窗口不斷顯示計算進程，當“Runprogress”欄內(nèi)顯示“ProcessingComplete”時，計算已完成，此時在本窗口底

6、部可以看到“NormalterminationofGaussian.”字段。完成計算后，關(guān)閉Gaussian軟件窗口。圖9-5Gaussian03計算窗口圖9-6Gaussian03文件執(zhí)行窗口4展示優(yōu)化的穩(wěn)定分子結(jié)構(gòu)米用GaussView軟件可觀測分子的構(gòu)型。用GaussView程序打開計算得到的數(shù)據(jù)文件*.out,利用主窗口中的“ModifyBond”、“ModifyAngle”和“ModifyDihdral”工具，借助鼠標即可顯示分子中特定鍵長、鍵角和二面角的幾何參數(shù)。記錄個分子優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù),其中鍵長保留三位小數(shù),單位為埃（A）;鍵角和二面角保留一位小數(shù)，單位為度（。）。GaussV

7、iew可米用不同的形式展示分子三維結(jié)構(gòu)，如球鍵模型、球棍模型等。通過分子模型的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放帶來生動的立體效果，通過控制鼠標來從不同角度觀察分子在空間的形狀。將鼠標放在分子上，前后移動，可以將分子放大或縮小，左右移動，可以將分子旋轉(zhuǎn)?！癝hift+鼠標左鍵”組合可以在平面內(nèi)平移分子。當工作窗口內(nèi)有多個分子時，可以用“Shift+Alt+鼠標左鍵”組合移動想要移動的分子，以調(diào)節(jié)各個分子間的距離，可以用“Ctrl+Alt+鼠標左鍵”組合，調(diào)節(jié)其中一個分子的角度，以調(diào)節(jié)各個分子間的角度。五、注意事項1利用GaussView搭建分子模型后，一定要注意檢查分子的對稱性，體系的對稱性直接影響著下面的計算

8、。2圖形文件保存成gjf文件時，注意文件名和路徑都不能包含中文字符。六數(shù)據(jù)記錄與處理1優(yōu)化構(gòu)型使用UltraEdit軟件依次打開各*.out文件，在“Search”菜單下點擊“Find”，搜尋各文件中“Optimizationcompleted”字段。鑒于優(yōu)化構(gòu)型為分子勢能面上的極低點，故以表9-1所示的四項“ConvergenceCriteria”均達“YES”為構(gòu)型優(yōu)化收斂的判據(jù)。利用鼠標向前翻頁可以看到構(gòu)型優(yōu)化過程的自洽迭代細節(jié)。表9-1HF/6-31G（d）水平下優(yōu)化水分子構(gòu)型收斂細節(jié)ItemValueThresholdConverged?MaximumForce0.000450YES

9、RMSForce0.000300YESMaximumDisplacement0.001800YESRMSDisplacement0.001200YES使用UltraEdit軟件依次查看各*.out文件中“Optimizationcompleted”字段之后的“Standardorientation”，記錄各分子的優(yōu)化構(gòu)型（直角坐標數(shù)據(jù)）。2分子能量及前線軌道分析使用UltraEdit軟件依次查看各*.out文件中分子的總能量玖總）、電子動能KE、電子與核的吸引能PE、電子排斥能EE、核排斥能NN（單位為Hartree，有效位數(shù)取至小數(shù)點后五位）；前線軌道能級和前線分子的軌道構(gòu)成。計算方法要求定

10、性地說明關(guān)鍵詞如:B3LPY/6-31G（d）opt（maxcycle=30O）freq，計算結(jié)果要求記錄各分子的優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中鍵長保留三位小數(shù)，單位為埃（A）；鍵角和二面角保留一位小數(shù)，單位為度（）；分子的總能量玖總）、電子動能KE、電子與核的吸引能PE、電子排斥能EE、核排斥能NN，程序中保留五位小數(shù)，單位為Hartree（1Hartree=627.51kcal/mol=2625.50kJ/mol）;前線軌道能級和前線分子構(gòu)成（表9-2）。表9-2分子的結(jié)構(gòu)、能量和軌道性質(zhì)分子H2OCH4C6H6對稱性鍵長（A）鍵角（）面角（）玖總）KEPEEENNEhomoElumoElumo-

11、homoHOMO構(gòu)成LUMO構(gòu)成分子的鍵長、鍵角和二面角相同的取一個即可，亦可以用圖表示；前線軌道構(gòu)成可以用圖表示。七、實驗討論與啟示1量子化學(xué)理論計算精度決定于計算所用的方法和基組的類型。分子體系的總能量及結(jié)構(gòu)參數(shù)會隨著計算所用的方法和基組的不同而略有變化。2對程序初學(xué)者，運行程序時往往會產(chǎn)生非正常中斷的情況，根據(jù)自己的經(jīng)驗總結(jié)程序非正常中斷的原因積及其處理方法。八、思考題以ch4為例，說明對稱性降低會對計算結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用的影響。體系的總能量玖總）與電子動能KE、電子與核的吸引能PE、電子排斥能EE、核排斥能NN之間為何種關(guān)系。3Gaussian程序的輸入文件有幾部分構(gòu)成？常用的關(guān)鍵詞有哪些？輸出文件主要包括哪些內(nèi)容？九、參考文獻1李奇，黃元河，陳光巨.結(jié)構(gòu)化學(xué).北京：