1、Gaussian软件简介软件简介第1页，共64页。Gaussian03计算化学面临的挑战是艰巨的，但也正在取得很大的进展，年轻化学家若对计算机有兴趣的话，那末计算化学是具有令人兴奋前景的研究领域。美国化学会会长美国化学会会长 R.R.布里斯罗布里斯罗第2页，共64页。Gaussian是目前世界上发展最全面，历史最长的量子化学计算商业程序包。Gaussian最早是由Pople等科学家组织编写，并发展的，后来逐步专业化，现在专门成立了Gaussian公司，从事量子化学程序发展和销售工作。类似的公司美国还有不少，biochmi，SGI等。Gaussian程序最早的版本是70年出来的，称为Gaussi
2、an70，后来发展了76，80，82，86，88，90，92，94，98，03。第3页，共64页。开始作业开始作业 暂停当前作业暂停当前作业 当前当前link后暂停后暂停 终止当前作业和批处理终止当前作业和批处理 恢复当前作业恢复当前作业 在当前作业完成后终止批处理在当前作业完成后终止批处理 终止当前作业终止当前作业 编辑或建立批处理编辑或建立批处理 批处理专用批处理专用打开外部编辑器打开外部编辑器 编辑输出文件编辑输出文件Gaussian03 图形工具栏第4页，共64页。Gaussian03 程序工具将.chk文件转换为.fch文件，这种文件可以使用图形软件打开 将.fch文件还原为.chk
3、文件从指定.chk文件中显示作业的route section和title 将.chk文件转换成文本格式将以前版本的Gaussian产生的.chk文件转换为G03的.chk文件第5页，共64页。编辑批处理作业文件转换不同格式的分子结构文件读取.fch文件中的数据并生成三维空间网格图利用.chk文件中的分子轨道，生成电子密度和静电势的空间分布网格图 从.chk文件中打印出频率和热化学数据第6页，共64页。%Section:设定作业运行的环境变量 Route Section:设定作业的控制项Title:作业题目电荷与自旋多重度Molecule Specification分子说明Gaussian输入界
4、面第7页，共64页。%chk=water.chk%Section：行首以%开始，段后无空行%rwf=water.rwf#p hf/6-31g scfcyc=250 scfcon=8 Route Section：行首以#开始，段后加空行 Water title：作业的简要描述，段后加空行 0 1 Molecular Specification：O 分子说明部分，段后通常加空行H 1 R1H 1 R1 2 a1R1=1.04a1=104.0Gaussian作业的格式第8页，共64页。%Section(link 0)定义计算过程中的临时文件%chk=name.chk：.chk文件在计算中记录分子几何
5、构型，分子轨道，力常数矩阵等信息%rwf=name.rwf：.rwf文件主要在作业重起时使用，当计算量比较大时，.rwf文件通常会非常大，此时需要将之分割保存%int=name.int,%d2e=name.d2e：.int文件在计算过程中存储双电子积分,.d2e文件在计算过程中存储双电子积分的二阶导数内存使用控制%mem=n控制运行过程中使用内存的大小,可以以W或者MB，GB为单位 default：6000000W48MBa)内存并非给得越多越好，最有效率的方法是根据作业类型估算所需要内存的大小第9页，共64页。不同作业使用内存的估算方法M+2NB2 M：不同类型作业需要的最小内存，NB：计算
6、所使用基函数的数目作业类型 f g h i j SCF能量 4 MW 4 MW 9 MW 23 MW 60 MW SCF梯度 4 MW 5 MW 16 MW 38 MWSCF振动分析 4 MW 9 MW 27 MW MP2能量 4 MW 5 MW 10 MW 28 MW 70 MW MP2梯度 4 MW 6 MW 16 MW 38 MWMP2振动分析 6 MW 10 MW 28 MW第10页，共64页。Route Section Route Section以#开始，#控制作业的输出#N 正常输出；默认(没有计算时间的信息)#P 输出更多信息。包括每一执行模块在开始和结束时与计算机系统有关的各种
7、信息(包括执行时间数据，以及SCF计算的收敛信息)#T 精简输出：只打印重要的信息和结果。Route Section由方法，基组，任务类型三部分组成 方法与基组后续课程专门介绍a)Gaussian程序能完成的任务类型第11页，共64页。Gaussian程序能完成的任务类型Title Section Title部分必须输入，但是程序并不执行，起标识和说明作用。第12页，共64页。Charge&Multipl.输入分子的电荷和自旋多重度例：电荷 多重度2s+1 H2O 0 1 H3O+1 1 NO 0 2 O2 0 2 电荷多重度部分通常也算作分子说明第13页，共64页。Molecular Spe
8、cification 分子说明部分主要用来定义分子核相对位置 分子核相对位置可以用笛卡尔坐标，内坐标(Z-matrix)，或者是二者混合表示。笛卡尔坐标是内坐标的一种特殊形式：元素符号,x,y,z 分子坐标的格式为：元素符号(n)原子1 键长 原子2 键角 原子3 二面角原子1，2，3以原子在分子中的序数表示；键角为(0,180)；二面角通过右手规则确定。第14页，共64页。例例1：使用使用HF方法，优化方法，优化 H2O2分子分子第15页，共64页。上述两个作业将对H2O2分子的结构进行完全优化，包括所有的键长键角和二面角。通过将内坐标定义成变量，可以对分子结构进行部分优化。内坐标表示内坐标
9、表示%chk=h2o2.chk%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笛卡尔直角坐标表示笛卡尔直角坐标表示%chk=h2o2.chk%rwf=h2o2.rwf#p hf/6-31g optH2O2 energy calculation0 1H 0.000 0.0000.000 O 0.000 0.900 0.000 O 1.350 1.2620.000 H 1.464 1.742-0.752 第16页，共64页。%chk=h2o2.c
10、hk%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通过对两个键长和键角使用同一变量定义可以控制分子的对称性%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 变量部分d1=120.0r2=1.4 常量部分通过设定常量，可以使程序
11、只对分子结构进行部分优化第17页，共64页。通过同一个变量控制C-H键长；把二面角定义为180和0的常量来控制分子的平面构型。例2：C2H4分子平面形分子#HF/STO-3G OPTC2H4 opt0 1CC 1 r1H 1 r2 2 a1H 1 r2 2 a1 3 180.0H 2 r2 1 a1 3 0.0H 2 r2 1 a1 4 0.0r1=1.32r2=1.09a1=120.0第18页，共64页。例3：CH3F分子分子点群C3V#HF/STO-3G OPTCH3F C3v opt0 1CF 1 r1H 1 r2 2 a1H 1 r2 2 a1 3 bH 1 r2 2 a1 3-br1
12、=1.38r2=1.09a1=110.6b=120.0通过常量b来控制C3V对称性第19页，共64页。#HF/STO-3G OPTCH3F C3v opt0 1CF 1 r1H 1 r2 2 a1H 1 r2 2 a1 3 bH 1 r2 2 a1 3-br1=1.38r2=1.09a1=110.6b=120.0例4：NH3分子分子点群C3V 第20页，共64页。GaussianOverlay1Overlay9,10,11,99L101L102L122Overlay0L0L001Link0：初始化程序，控制overlayLink1：读入并处理Route Section，建立要执行的link列表
13、Link9999：终止计算Overlay99L9999Gaussian 程序的结构第21页，共64页。Gaussian的功能 能量、梯度（力）和频率（力常数）方面 包含各种SCF方法，RHF，UHF，ROHF等等。分析的梯度和力常数，各种类型CI，各种计算相关能方法。以及几乎所有半经验方法，放在MOPAC的程序包内。几何构型优化 求平衡构型，过渡态构型等等 各种分子性质 电子密度、静电势、多极矩、频率、红外光谱、拉曼光谱，集居数分析、溶剂效应等。计算速度加快1.同样条件比G88快10余倍。第22页，共64页。作业作业v写出分子写出分子 H2C=C=O分子输入坐标分子输入坐标v其中其中C=C:1
14、.35 C=O:1.20 C-H:1.09v写出苯分子内坐标写出苯分子内坐标 vC=C:1.30 C-H:1.09第23页，共64页。molecule in Z-matrix#HF/STO-3GExample:aldehyde0 1C1O2 1 1.28H3 1 1.10 2 121.0H4 1 1.10 2 121.0 3 180.0Example of CH2O with HF/STO-3G:Input filemolecule in Z-matrix#HF/STO-3GExample:aldehyde0 1C1O2 1 AH3 1 B 2 CH4 1 B 2 C 3 DA=1.28B=1
15、.10C=121.0D=180.0molecule in Cartesian#HF/STO-3GExample:aldehyde0 1C1 0.00 0.00 0.00O2 0.00 0.00 1.28H3 0.94 0.00-0.57H4-0.94 0.00-0.57第24页，共64页。NH3的几何构型优化输入窗口第25页，共64页。NH3的振动频率计算输入窗口（作为优化的后继作业）第26页，共64页。Gaussian应用范围应用范围 Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以研究：分子能量和结构分子能量和结构过渡态的能量和结构过渡态的能量和结构化学键以及反应能量
16、化学键以及反应能量分子轨道分子轨道偶极矩和多极矩偶极矩和多极矩原子电荷和电势原子电荷和电势振动频率，红外和拉曼光谱，振动频率，红外和拉曼光谱，NMR极化率和超极化率极化率和超极化率热力学性质，反应路径热力学性质，反应路径计算可以模拟在气相和溶液中的体系计算可以模拟在气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态模拟基态和激发态第27页，共64页。Gaussian03的新增功能的新增功能 -Enhanced ONIOM MethodQM()MM()QM/MMIIIIIIQM区：发生强相互作用或反应发生区域MM区：无相互作用区域QM/MM区：由QM区向MM区过渡区域第28页，共64页。ONIOM简介简介Mo
17、delRealLowHighLevel of TheoryEONIOM2=E3-E1+E2Journal of Molecular Structure(TheoChem)461-462(1999)1-21ONIOM:our own n-layer integrated molecular orbital and molecular mechanics第29页，共64页。应用范围应用范围酶反应有机体系的反应机理表面和表面反应的簇模型有机物种的光化学反应有机物和金属有机物的取代基效应和反应性均相催化Application of ONIOM to cluster modeling of the me
18、tal surface Hai-Rong Tang,Kang-Nian FanDepartment of Chemistry,Fudan University,Shanghai 200433第30页，共64页。应用实例应用实例“Investigation of the S0-S1 excitation in bacteriorhodopsin with the ONIOM(MO:MM)hybrid method,”T.Vreven and K.Morokuma,Theor.Chem.Acc.(2003).第31页，共64页。HNHNHNn Gaussian 03的新增功能的新增功能-PBC(P
19、eriodic Boundary Conditions)polymerssurfaces crystals NaCl型晶体结构型晶体结构第32页，共64页。PCM(Polarizable Continuum Model)体系在溶液中的激发态能量以及激发态的相关性质NMR 谱和磁性质通过分析能量的二阶导数来计算振动频率、IR和Roman光谱以及相关的性质极化率和超极化率运算方面的改进第33页，共64页。Molecular Properties自旋-自旋耦合常数 g张量以及其它的超精细光谱张量 谐性振-转耦合常数 非谐性振动及振-转耦合 预共振Raman光谱 旋光性以及旋光色散 电子圆二色性(EC
20、D)含频极化和超极化 用量度无关原子轨道(GIAO)方法计算磁化率 ONIOM预测电、磁特性 预测气相和在溶剂中的电、磁特性和光谱 第34页，共64页。GaussView 3.0第35页，共64页。MM区QM区ONIOM图形界面图形界面第36页，共64页。PBC图形界面图形界面第37页，共64页。Visualizing Gaussian Results分子轨道原子电荷由电子密度、静电势场、NMR屏蔽以及其他性质得到的表面。可以用实体、半透明和网格三种方式显示。使用不同的颜色来标记不同部分表面的性质用动画的方式来演示振动频率用动画的方式来演示几何优化过程、势能面扫描、IRC反应路径 采用BOMD
21、和ADMP动力学计算的轨迹第38页，共64页。The NMR shielding densities for the methine proton(surface 1)and the phenyl proton(surface 2)in in-3(4,10)7 metacyclophaneSurface1Surface2Displaying Surfaces第39页，共64页。Viewing Spectra855.9 1857IR Vibration for Ammonia cm-1cm-1第40页，共64页。VCD spectra for two conformations of spiro
22、pentyl acetate,a chiral derivative of spiropentane Viewing Spectra第41页，共64页。Visualizing and Manipulating Molecular Orbitals第42页，共64页。Animating Optimizations and Reaction PathsSteps from a geometry optimization of benzeneThis sequence displays a series structures from an Intrinsic Reaction Path(IRC)c
23、alculation of the 1,2 hydrogen shift reaction in which formaldehyde transforms into trans hydroxycarbene第43页，共64页。Chem3D Ultra 8.0 图形显示功能图形显示功能第44页，共64页。HCOCHHHHH甲醚HClCHCl二氯甲烷的四面体模型Molecule第45页，共64页。Enhanced GraphicsSpin about X(Y,Z)axis第46页，共64页。Enhanced GraphicsMolecular OrbitalsHOMOBenzeneLUMO第47
24、页，共64页。Solvent Accessible SurfaceEnhanced Graphics第48页，共64页。Depth FadingEnhanced Graphics第49页，共64页。Perspective Enhanced Graphics第50页，共64页。Gaussian Interface第51页，共64页。Gaussian InterfaceJob TypeComputer PropertiesMinimize EnergySpectral AnalysisHartree-Fock B3LYPB3PW91B3P86B1B96B1LYPMP2MP4MPW1PW91QCIS
25、DCASSCFExcited StateMolecular MechanicsSemi-EmpiricalZINDOG1G2G961LYPBHandHBhandHLYPCBS-4CBS-QTheory第52页，共64页。Gaussian InterfacePropertiesSCF EnergyRMS ForceDipoleChargesElectron DensityMolecular SurfacesSpin DensityHyperfine Coupling ConstantsPolarizabilitiesIonization PotentialSolvent ModelGas Pha
26、seDipole&SpherePCM ModelI-PCM ModelSCI-PCM Model第53页，共64页。优化过程模拟以动画形式连续显示优化过程第54页，共64页。显示Gaussian计算结果GaussView界面Chem3D界面第55页，共64页。输出格式Chem3d *.c3dChem3d 3.2 *.c3dAlchemy *.alcCart Coords 1 *cc1Cart Coords 2 *cc2ChemDraw *cdxConn Table *.ctGamess Input *.inpGaussian Input *.gjcInt Coords *.intMacroMo
27、del *.mcmMDL MolFile *.mol mmCIF *.cifMSI ChemNote *.msmMOPAC Input *.mopProtein DB *.pdbROSDAL *.rdlSMDFile *.smdSYBYL *.sm1SYBYL2 *.sm2Tinker MM2 Input *.xyzTinker MM3 *.xyzTinker MM3 (Proterins)Inputs*.xyzBitmap *.bmpEnhanced MetaFile *.emfGIF Compressed Picture *.gifJPEG Compressed Picture *.jpg
28、PNG *.pngPostScript *.epsQuickDraw3D Metafile *.3dmTIFF *.tifWindows AVI Movie *.avi第56页，共64页。计算化学理论和计算化学理论和应用应用 第第一讲一讲2005.3.4Computational Chemistry laboratory Beijing Normal university第57页，共64页。H2O分子单点计算后的分子单点计算后的.chk文件文件转换成转换成.fch文件后，在文件后，在Chem3D中所作分子轨道中所作分子轨道(HOMO)，电荷电荷密度和静电势空间分布图密度和静电势空间分布图第58
29、页，共64页。(二二)Gamess Gamess程序包（主要包括从头计算）程序包（主要包括从头计算）(General Atomic and Molecular Electronic Structure System)从头计算也包括各种从头计算也包括各种SCF方法方法RHF，ROHF，UHF，GVB（Generalized Valence Bond Wavefunction），），MCSCF以及各种以及各种CI第59页，共64页。各种计算能力各种计算能力能量、能量梯度、构型优化、寻找势能面鞍点，能量、能量梯度、构型优化、寻找势能面鞍点，IRC（Intrinsic Reaction Coordin
30、ate）法求反应途径）法求反应途径振动频率，强度，激发跃迁几率，分子轨道定域化振动频率，强度，激发跃迁几率，分子轨道定域化等等等等各种分子性质各种分子性质偶极矩、四极矩、八极矩、静电势、电子云密度偶极矩、四极矩、八极矩、静电势、电子云密度分布、自旋密度分析、集居数分析、维里定理分分布、自旋密度分析、集居数分析、维里定理分析、能量组成情况等等析、能量组成情况等等第60页，共64页。一个简单输入实例一个简单输入实例$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=ENERGY$END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3$END$DATASTO-3G TEST CASE FOR W
31、ATERCNN 2OXYGEN 8.0 0.0 0.0 0.0HYDROGEN 1.0 -0.758 0.0 0.545$END这里最简单的、最初波函数猜测，程序中也有标准方法，这里最简单的、最初波函数猜测，程序中也有标准方法，可输入最初猜测。可输入最初猜测。坐标输入已可用键长键角输入。坐标输入已可用键长键角输入。第61页，共64页。（三）（三）MOPAC 是由位于美国卡罗拉多（是由位于美国卡罗拉多（Colorado）斯伯林）斯伯林（Springs）的美国空军科学院，西勒（）的美国空军科学院，西勒（Seilar）实）实验室斯图尔特（验室斯图尔特（Stewart）教授负责编写的。杜）教授负责编写
32、的。杜瓦教授专门为此写了序，说明了它的发展历史瓦教授专门为此写了序，说明了它的发展历史，它相当于将过去，它相当于将过去MINDO/3，MNDO和和AM1，PMS等主要的半经验量子化学计算程序都包含等主要的半经验量子化学计算程序都包含进去了。目前流行的进去了。目前流行的5.0版本。版本。第62页，共64页。MOPAC的能力包含的能力包含1、MNDO MINDO/3AMI和和PM32、RHF和和UHF3、CI可包含可包含100组态，单、双叁、肆、伍和组态，单、双叁、肆、伍和 六重激发，激发态计算，对指定状态的六重激发，激发态计算，对指定状态的 几何构型优化几何构型优化4、单、单SCF计算，算总能量
33、计算，算总能量5、几何构型优化、几何构型优化6、梯度法求极小点、梯度法求极小点7、寻找过渡态、寻找过渡态8、反应途径坐标的计算、反应途径坐标的计算第63页，共64页。9、力常数计算、力常数计算10、正则坐标分析、正则坐标分析11、跃迁偶极矩计算、跃迁偶极矩计算12、热力学性质计算、热力学性质计算13、定域轨道计算、定域轨道计算14、共价键级计算、共价键级计算15、键分析（指出键和键的贡献）、键分析（指出键和键的贡献）16、一维高分子计算（周期性边界）、一维高分子计算（周期性边界）17、动力学反应坐标计算、动力学反应坐标计算18、IRC（内禀反应坐标）计算（内禀反应坐标）计算第64页，共64页。
