高斯的介绍和使用讲义

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1、量化软件 gaussian的介绍和使用 一、高斯简介 Gaussian 是量子化学计算的专业软件，它是利用量子力学的原理以数值 方法来预测化学分子的性质。 Gaussian 软件的创始人是 John Pople (1998 年诺贝尔化学奖得主)， 他 从 1970 年代开始在 Carnegie-Mellon University 发展 Gaussian 程序供学术 界使用，后来在 1980 年代成立 Gaussian 公司发售 Gaussian 软件，目前最 新的版本是 Gaussian 03。 Gaussian 是目前无论在学术界或工业界使用最广泛的量子化学计算软件 ，这是因为它包含了非常齐

2、全的理论计算方法并有着很高的运算效率，相关 支持的软件也很多，使用上也非常方便。基本上，使用者提供想要计算的分 子之三度空间结构，电荷等数据并选择一种理论计算方法，Gaussian 程序则 进行大量的数值运算求出在此理论方法下之电子波函数(或电子密度)及能量， 并依此计算出分子的其他各种化学性质 (最低能量结构，光电性质，光谱特性 ，反应性等等)。其他常用到的量子化学计算软件包括 Molpro, Gamess, AcesII, Q-Chem, NWChem 等等。 Gaussian主要功能： 分子能量和结构 过渡态能量和结构 键和反应能量 分子轨道多重矩 原子电荷和电势 振动频率 红外和拉曼光

3、谱 核磁性质 极化率和超极化率 热力学性质 反应路径 等等 Gaussian的计算可以对体系的基态或激发 态执行。可以预测周期体系的能量，结构和 分子轨道。因此，Gaussian可以作为功能强 大的工具，用于研究许多化学领域的课题， 例如取代基的影响，化学反应机理，势能曲 面和激发能等等。 二、安装高斯对计算机的要求 现在的 PC 速度非常快，成本低廉，是使用 Gaussian 的一 个经济实惠的平台。 对稍懂计算机的人我会建议组装一台 Linux 工作站，基本的配备应包括 64 位 Dual-Core CPU， 如 Intel P4 8xxD， 9xxD, Core Duo， 或 AMD A

4、thlon 64X2 等 ，2 GB DDR2 667 以上内存， 2 台 200 GB 以上 SATA 硬盘 以弹性使用 Raid 0/1。Linux 操作系统可选择免费下载之 Fedora Core 4 或 5，Suse 10 等，记得要使用 64 位的版本 。 旧的 32 位 PC 也可以用，只是效能上会差很多。接下来要 依照你的系统种类选择适当的 Gaussian 03 版本，请参阅本 站首页。目前 Window XP 的版本 (G03W) 还不能发挥 64 位 的运算效能， 使用上的便利性及功能性也都不如 Linux 的版 本 三、高斯的使用 1.建模 Chem office 200

5、5企业版以下的需经过中间 软件转化输入文件，此以上的可以直接生 成输入文件.gjf Gaussview 可以直接构建分子的模型，并 连接gauss进行计算，并将结果可视化。但 3.09版本在二面角的修改上存在不足 其他cartes-分子和晶体结构坐标编辑器等 等 利用画图软件 GaussView，构建反 应物CN的分子构型， 设置键长和键角的值 需设置正确， 否则运行将出错！ 左侧至上而下依次为：默认的文本编辑器；g03可执行文件所在目录； 计算中间结果存放目录；缺省的计算结果存储目录；缺省的输入文件 所在目录；PDB分子构型浏览器； 右侧至上而下依次为：设置显示属性(如背景色等)；设置文本编

6、辑器 属性；计算过程控制属性(尤其是批作业过程)；Default.Rou文件的编 辑(该文件内容为默认情况下，计算所花费的内存及硬盘大小) 计算机信息 理论, 基组 题目(任意字符) 体系总电荷和多重度 分子坐标: 笛卡尔坐标，内坐标 2.开始计算 然后点击提交“submit”，可得到 对话框如下所示： 点击“Save”可得： 保存计算结果：关闭上面的窗口后，会 有提示如下： 从GaussView打开目标体系的.chk 文件，如下图 逐步点选Results; surface，出现如下图 对话框 其中Cube Actions一项，选择New Cub,跳 出下图对话框，kind一栏选择Total

7、Density， 然后点击OK 此时返回上图，稍等待空白栏中出现计 算结果。Surface Actions一项选择 New Mapped Surface，跳出下图对话 框，点击OK 稍等，便出现下图漂亮彩色静电势图 可能你作出来的和我的不一样，这是因为透明度不 同，显示的效果不一样。编辑显示效果，依次请点 击File, Preferences,如下图示：点击Surface选项卡 ，Transparent就是用来调节透明度的。 MOS分子轨道可视化图 势能面扫描研究分子结构 乙烷的HOMO已占有电子的能级最高的轨道称为最高已占轨道 乙烷的LUMO未占有电子的能级最低的轨道称为最低未占轨道 频率计

8、算可得到热力学数据 频率分析得到三聚氰胺的红外光谱图 G98输出结果: 下面以H2O能量计算的输出结果为例: L1输出G98版权信息 %部分内容 关键词部分 计算所需调用的模块 Title内容 电荷, S以及分子构型 各原子的直角坐标 距离矩阵 需核查! 注意:计算结果是以该坐标系为准 需核查! MO初始猜测 自洽场迭代求解部分 收敛指标 迭代次数 自洽场迭代求解部分 收敛指标 迭代次数 偶极矩及多极矩 对主要计算结果进行总结 分子轨道系数的输出:关键词: pop=full说明: 有时为 了分析MO成分, 则需利用该关键词输出各MO的成 分, 以H2O为例: 轨道对称性O表示占据轨道; V为空

9、轨道 轨道能级 AO轨 道 轨道系数 HOMO LUMO 注: 输出的MO系数是未经归一化过的; 1s, 2s等符号并非真正意义上的AO, 它与计算 所采用的基组 有关. 对于上例, 采用的是6-31G基组, 可知, 对于价层AO是 分裂为两组的, 故对于O原子, 输出的2s和3s 实际上均为价 轨道, 其它类推. 当基函数较多时, 若只考察前线附近的轨道成 分, 可用关键 词: pop=regular, 此时只给出5个占据轨道和5 个空轨道组成. (5) 能量计算的几个问题： 基组的选取： 理论上而言，计算中所选取的基组约大，计算结果越准确，但由 于受到硬件上的限制，需根据实际情况选择基组。

10、此外，对于环状 分子或存在作用的体系，通常需要考虑使用极化基组；对于带有 较多电荷的体系，或考察弱相互作用的体系，通常需考虑使用弥 散基组； 以O2为例(O-O为1.208A)： 6-31G-150.26755a.u. 6-31G* -150.31998a.u. dE=0.05243a.u. 6-31+G -150.27678a.u. dE=0.00923a.u. 由于O2中存在作用，故极化函数的影响要比弥散函数来得大。 以O22-为例： 6-31G-149.78721a.u. 6-31G* -149.82396a.u. dE=0.03675a.u. 6-31+G -149.98117a.u.

11、 dE=0.19396a.u. 6-31+G*-150.02156a.u. dE=0.23435a.u. 此时，因带较多负电荷，故弥散函数的影响较极化函数来得大。 体系多重度的选取： 对于复杂体系，特别是含有过渡金属原子的体系，多重度的选取 评经验不易得到，此时，可通过比较不同多重度时体系的能量来 确定基态能量。 以O2为例(基组为6-31G*)： S=1-150.25734a.u. S=3-150.31998a.u. S=5-149.79200a.u. S=7-148.80784a.u. 由上结果可见，O2的基态应为三重态。 键能的计算： 以O2为例(O-O键长为1.208A，计算OO键能：

12、 步骤如下： 首先确定O2基态的能量： 假设基组为6-31G*，则总能量为： -150.31998a.u.(基态为：3g) 其次，计算O原子基态能量，结果为：-75.06061a.u. 则O2中OO键的键能为： 2-75.06061+150.31998 =0.19876a.u.=521.8KJ/mol 该结果略高于实验值（494KJ/mol）。 在有关键能的计算中，除了计算方法以及基组对最终的结果 有较大影响外，若要得到精确的键能，还需考虑基组叠加误差 即BSSE。 BSSE是指源于能量计算中基组带来的误差，它可以粗略理解 为化学实验中的背景误差，要消除BSSE，可采用massage关键词 来

13、实现，以O2为例具体使用过程如下： %mem=32mb #p b3lyp/6-31g* massage BSSE of O2 0,3 O 0. 0.0 0.0 O 1.208 0.0 0.0 2 Nuc 0.0 将其中一个O原子的核电荷定义为零，但其 基组在计算过程中仍保留，该原子可称之为 鬼原子(ghost)，注意：鬼原子与前面所提到 的虚原子(dummy)是不同的，后者不存在基 组的问题； 基函数数目与计算O2时相同，但电子数目只为8个 由此得到考虑了BSSE时，O原子的能量为-75.06282a.u.，根据 该数值，可得OO键能为：510.4KJ/mol。此外，进一步的修 正是在计算O2

14、总能量时，需考虑零点能(ZPE)校正。 将上述思想推广到一般情况，若要考察某个体系中A与B之间 的结合能力： AB AB AB 首先将A和B一起考虑，得到体系 总能量E(AB) 保留A部分，将B部分的原子均设 为鬼原子，得到考虑B部分基组效 应的A部分能量E(A) 保留B部分，将A部分的原子均设 为鬼原子，得到考虑A部分基组效 应的B部分能量E(B) 最终，A与B之间的结合能为：E(AB)-E(A)+E(B) 分子轨道成分的分析： 以O2为例： %mem=32mb #p ROB3LYP/STO-3G POP=FULL The single point calc. Of O2 0,3 O 0.

15、0.0 0.0 O 1.208 0.0 0.0 为了便于计算结果分析，采用限制性 开壳层计算方法，及将和电子强制 配对； 输出所有分子轨道 首先确定计算结果中各原子所处的位置： 21 o z X or y z + 1 2 因1s为内层电子，故O与O之间成键情况 可不考虑 No.1 No.2 与上一MO类似，也以1s成分为主，处在能量较低的位置 z + + z + 1 2 No.3, 4分别为O2s轨道之间形成的成键和反键轨道： + z + - No.5为O 2pz轨道形成的成键轨道： z + z No.6和7轨道分别为O 2px和2py形成的成键轨道： + No.8和9轨道分别为O 2px和2py形成的反键轨道： z + No.10轨道为O 2pz形成的反键轨道： z + 根据上述分析结果以及各轨道的能级，可以得到O2的MO 分布为： 2s *2s 2pz 2px 2py *2px *2py *2pz 电荷分布： 在能量计算结果中，除了能量以及上述的MO成分外，其它有用 的信息包括原子电荷和键级，对于原子电荷： 以H2O为例(B3LYP/STO-3G)： Mulliken电荷分布 说明： 电荷的绝对值是没有意义的，其数值受到所用方法, 尤其是 基组的影响较大： 以H2O为例： 方法/基组 O H B3LYP/STO-3G-0.3290.165 B3LYP/3-2