1、量化软件gaussian的介绍和使用一、高斯简介一、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全的理
2、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：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 红外和拉曼光谱 核磁
3、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 At
4、hlon 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、高斯的使用三、高斯的使用1.建模建模 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利用画图软件GaussView，构建反，构建反应物应物CN的分子构型，的分子构型，设置键长和键角的值设置键长和键角的值需设置正确，需设置正确，否则运行将出错！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
6、上而下依次为：设置显示属性(如背景色等)；设置文本编辑器属性；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)计算机信息计算机信息理论理论, 基组基组题目题目(任意字符任意字符)体系总电荷和多重度体系总电荷和多重度分子坐标分子坐标:笛卡尔坐标，内坐标笛卡尔坐标，内坐标2.开始计算开始计算然后点击提交然后点击提交“submit”，可得，可得到对话框如下所示：到对话框如下所示：点击点击“Save”可得：可得：保存计算结果：关闭上面的窗口后，会保存计算结果：关闭上面的窗口后，会有提示如下：有提示如下：从从GaussView打
7、开目标体系的打开目标体系的.chk文件，如下图文件，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 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
8、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势能面扫描研究分子结构乙烷的乙烷的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需核查!注意注意:计算结果是以该坐标系为准计算结果是以该坐标系为准需核查需核查!MO初始猜测自洽场迭代求解部分自洽场迭代求解部分收敛指标收敛指标迭代次数
9、迭代次数自洽场迭代求解部分自洽场迭代求解部分收敛指标收敛指标迭代次数迭代次数偶极矩及多极矩偶极矩及多极矩对主要计算结果进行总结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:轨道对称性轨道对称性O表示占据轨道表示占据轨道; V为空轨道为空轨道轨道能级轨道能级AO轨轨道道轨道系数轨道系数HOMOLUMO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
10、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。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=0.05
11、243a.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. 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
12、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： 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
13、（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 0,3O 0. 0.0 0.0O 1.208 0.0 0.02 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
14、(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：ABABAB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(
15、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 0,3O 0. 0.0 0.0O 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：21ozX or yz+12因1s为内层电子，故O与O之间成键情况可不考虑No.1No.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+12No.3, 4分别为O2s轨道之间形成的成键和反键轨道：+z+-No.5
16、为O 2pz轨道形成的成键轨道：z+zNo.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*2s2pz2px2py*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
17、O H B3LYP/STO-3G-0.3290.165 B3LYP/3-21G-0.6370.318 B3LYP/6-31G-0.7050.353 HF/6-31G-0.7950.398 因此，计算得到的电荷只具有相对意义，即只能考察其相对数值或变化趋势。当然，当考察变化趋势时，如考察H2X(X=O,S,Se)系列化合物中，X为不同原子时，对H原子电荷的影响时，必须使用相同的计算方法和基组。键级： 键级的大小反映了某根键的强度，同样地，键级的数值也受到 计算方法和基组的影响：O-H键的Mulliken键级以H2O为例： 方法/基组 O-H键级 B3LYP/STO-3G 0.243 B3LYP/
18、3-21G 0.239 B3LYP/6-31G 0.231 B3LYP/6-31+G 0.214 HF/6-31G 0.249 由上结果可见，键级数值与所用的基组和计算方法是有联系的，但其影响不象电荷那么显著。此外，必须注意到，弥散基组对键级的数值影响较大。 因此，在实际应用中，对于电荷和键级，我们更关心的是它们的变化情况而不是它们的绝对数值。此外，必须强调的是，上述结果是采用Mulliken布居分析的方法，若采用其它布居分析方法，结果将有所不同。从结果文件从结果文件中读取键长中读取键长和键角值和键角值A键角，B键长，D二面角谢谢大家！人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
