高斯軟件的介紹

1、題題 目：高斯軟件的簡介目：高斯軟件的簡介指導(dǎo)老師：徐暢老師指導(dǎo)老師：徐暢老師姓姓 名：馬乃宇名：馬乃宇學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)：C13201045專專 業(yè)：高分子化學(xué)與物理專業(yè)業(yè)：高分子化學(xué)與物理專業(yè) 計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用課程作業(yè)課程作業(yè)Gaussian是一個(gè)量子化學(xué)軟件包，它是目前應(yīng)用最廣泛的計(jì)算化學(xué)軟件之一，Gaussian軟件的出現(xiàn)降低了量子化學(xué)計(jì)算的門檻，使得從頭計(jì)算方法可以廣泛使用，從而極大地推動(dòng)了其在方法學(xué)上的進(jìn)展。 G98的功能和程序結(jié)構(gòu)的功能和程序結(jié)構(gòu)1. 主要功能：分子構(gòu)型的優(yōu)化基態(tài)(Ground state)激發(fā)態(tài)(Excited state)反應(yīng)過渡態(tài)(Tran

2、sition state)能量計(jì)算基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量化學(xué)鍵的鍵能電子親合能和電離能化學(xué)反應(yīng)途徑和勢能面光譜計(jì)算IR光譜Raman光譜電子光譜NMR其它功能電荷和電荷密度偶極矩和超極矩?zé)崃W(xué)參數(shù)適用體系：氣相和溶液2.程序結(jié)構(gòu)：常用模塊的功能：L0初始化模塊；L1讀入輸入，根據(jù)所給關(guān)鍵詞確定將要使用的模塊；L101,102,與構(gòu)型優(yōu)化和反應(yīng)過渡態(tài)相關(guān)的模塊；L202輸出距離矩陣、判斷化合物點(diǎn)群及確定新的坐標(biāo)系；L301,302309與基組和贗勢有關(guān)模塊；L310,319計(jì)算單及雙電子積分模塊；L401,402SCF初始猜測模塊；L502,503,508SCF模塊；L601,608Mulliken布

3、居以及自然鍵軌道分析模塊；L701,702計(jì)算能量一階和二階導(dǎo)數(shù)模塊；L9999進(jìn)程結(jié)束模塊；說明：1.根據(jù)不同的任務(wù)，某些模塊需重復(fù)調(diào)用多次；2.通常耗時(shí)較多的模塊有：L5,L7,L8,L9,L10,L11等，此外， L8L11這些模塊的執(zhí)行對(duì)內(nèi)存和硬盤的需求較大；3.若L9999未能正常執(zhí)行完畢，則表明計(jì)算過程存在問題，需 檢查之；4.可根據(jù)各個(gè)模塊的功能，對(duì)g98程序進(jìn)行簡化，例如如果用 戶通常只用g98進(jìn)行能量計(jì)算，則可只保留L16和L9999模塊 其它模塊可以刪除去。G98輸入文件的編寫與使用輸入文件的編寫與使用1.G98輸入文件的組成：L0命令部分(可無)關(guān)鍵詞部分標(biāo)題部分體系電荷

4、和自旋多重度分子構(gòu)型(1) L0命令部分： 該部分內(nèi)容均以%打頭，主要用于指定計(jì)算過程所需 內(nèi)存，chk以及rwf文件名，其典型內(nèi)容是： %mem=100mb(計(jì)算所需內(nèi)存，若無，由Default.Rou指定) %chk=h2o(chk文件的名稱為h2o.chk) %rwf=h2o(中間結(jié)果文件名稱為h2o.rwf)(2)關(guān)鍵詞部分： 該部分內(nèi)容由一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵詞組成，用于指定了計(jì) 算類型和計(jì)算輸出的控制等。(3)標(biāo)題部分： 由一行文本組成，該內(nèi)容是必需的。(4)電荷及自旋多重度： 體系所帶電荷以及自旋多重度S=2s+1=成單電子數(shù)+1 例如H2O,S=1；Ti原子的基態(tài)S=3(5)分子構(gòu)型描

5、述部分： 有三種描述分子構(gòu)型的方法：a.直角坐標(biāo)系方法：(適用于全自由度優(yōu)化情況) 格式為：元素符號(hào) x y z 例如： O -0.464 0.177 0.0 H -0.464 1.137 0.0 H 0.441 -0.143 0.0 說明：1)元素符號(hào)大小寫均可，也可直接用原子序數(shù)； 2)有時(shí)為了便于區(qū)別，可在元素符號(hào)后加一整數(shù)，如： O -0.464 0.177 0.0 H1 -0.464 1.137 0.0 H2 0.441 -0.143 0.0 3)x,y,z數(shù)值必須以小數(shù)格式小數(shù)格式輸入： O -0.464 0.177 0 () O -0.464 0.177 0.() 4)g98的數(shù)

6、據(jù)輸入均為自由格式，即除了用空格來分隔 數(shù)據(jù)外，也可用逗號(hào)或混合使用；b.內(nèi)坐標(biāo)(z-matrix)方法：(適用于構(gòu)型的局部優(yōu)化) 內(nèi)坐標(biāo)與直角坐標(biāo)之間的區(qū)別在于，它側(cè)重于從原子之間的 鍵連角度來描述原子間的相對(duì)位置，具體參數(shù)包括： 1)鍵長：( 需用兩個(gè)原子描述) 即兩個(gè)原子間的距離，注：該兩個(gè)原子并非要具有化學(xué)直 觀意義上的成鍵。此外，在默認(rèn)情況下，鍵長單位為埃。 2)鍵角：(需用三個(gè)原子描述) 確定了二根鍵之間的夾角，默認(rèn)單位為度，范圍為-180 180deg之間，但二根鍵不能共線，即鍵角不能等于不能等于0和 180deg。 3)二面角：(需用四個(gè)原子描述) 二面角加上鍵長和鍵角就確定了

7、四個(gè)原子的位置，其默認(rèn) 單位為deg，范圍為-360360deg，可以為360deg。當(dāng)二 面角等于0，180和360deg時(shí)四個(gè)原子共面。鍵長、鍵角和二面角數(shù)目的總和=3N-6內(nèi)坐標(biāo)的輸入格式為： 原子1,原子2,鍵長,原子3,鍵角,原子4,二面角1234鍵長鍵角二面角c.直角坐標(biāo)和內(nèi)坐標(biāo)混合輸入方法： 對(duì)于該方法，只需在采用直角坐標(biāo)方法輸入的原子的元素 符號(hào)后加一個(gè)整數(shù)0即可，例如： X 0 1.0 1.0 1.0 N 1 2.0 H 1 1.0 2 90.0 H 1 1.0 2 90.0 3 120.0 H 1 1.0 2 90.0 3 -120.0d.分子構(gòu)型的輸入準(zhǔn)確性是保證計(jì)算結(jié)果

8、可靠性的前提，對(duì) 于復(fù)雜體系，在計(jì)算前均需對(duì)所輸構(gòu)型進(jìn)行檢查計(jì)算前均需對(duì)所輸構(gòu)型進(jìn)行檢查，具體包 括： 可視化處理，即采用一些分子構(gòu)型軟件觀察所給構(gòu)型是 否合理； 在g98運(yùn)行到L2模塊，會(huì)給出所輸入分子所屬點(diǎn)群，此 時(shí)，可檢查點(diǎn)群是否合理。(6) g98輸入文件編輯時(shí)的注意事項(xiàng)： 除了可采用g98所提供的輸入文件編輯器來編寫輸入文件外， 在更多場合下，是采用其他文本編輯器來編寫，此時(shí)應(yīng)注意 到，在標(biāo)題部分的前后各有一空行。2.g98主要功能的使用： g98功能的使用主要由用戶所給的關(guān)鍵詞(keyword)內(nèi)容而定， 在輸入關(guān)鍵詞時(shí)注意以下事項(xiàng)： 1).關(guān)鍵詞的輸入是自由格式，且不區(qū)分大小寫；

9、 2).當(dāng)存在多個(gè)關(guān)鍵詞時(shí)，可用空格、逗號(hào)來隔開； 3).通常每個(gè)關(guān)鍵詞有多個(gè)選項(xiàng)(option)，若要選擇單個(gè)或多 個(gè)選項(xiàng)時(shí)，書寫方式有如下幾種： keyword = optionkeyword(option)keyword=(option1, option2, .)keyword(option1, option2, .) 例如：opt=z-matrix，opt(z-matrix)，opt=(z-matrix)三者是 等價(jià)的。 opt(z-matrix,maxcycle=20)與 opt=(z-matrix,maxcycle=20)是等價(jià)的。 建議統(tǒng)一采用第四種表示方式。多個(gè)選項(xiàng)時(shí)4).最簡

10、單的關(guān)鍵詞輸入是#或#p，其含義是采用HF方法和 STO-3G基組計(jì)算體系的能量；能量的計(jì)算： 如何計(jì)算一個(gè)體系的能量是獲取分子各種性質(zhì)的基礎(chǔ)，因此 首先來看如何計(jì)算體系的能量，即進(jìn)行單點(diǎn)能計(jì)算：(1). 計(jì)算方法的選擇： g98提供的常用計(jì)算方法有： 1) 半經(jīng)驗(yàn)方法： 關(guān)鍵詞：AM1, PM3, CNDO, INDO, MINDO 它們主要用于大的有機(jī)分子體系(由上百個(gè)原子組成)，一般 對(duì)于含金屬體系不適用。這些方法只有在特殊場合適用。 2) 從頭算(ab initio)方法：HF方法：即基于Hartree-Fock原理的方法 關(guān)鍵詞：HF，RHF，UHF，ROHF說明：I)當(dāng)關(guān)鍵詞為HF

11、時(shí)，會(huì)自動(dòng)根據(jù)自旋多重度選擇 RHF還是UHF；Ii)ROHF為限制性開殼層HF方法，與UHF區(qū)別在 此時(shí)除了成單電子外，其余的和電子仍配對(duì)，通常該方法得到的能量要較UHF略高。Iii)HF方法可以看作是最低級(jí)的從頭算方法，該方 法除了在構(gòu)型優(yōu)化時(shí)有使用外，不適合計(jì)算能量。密度泛函方法(DFT)：基于電荷密度自洽的方法關(guān)鍵詞：B3LYP等根據(jù)所采用的相關(guān)和交換泛函，可以選擇不同的DFT方法，具體參見g98的幫助文件。其中B3LYP方法是使用最為廣泛的DFT方法，由于DFT方法考慮了電子之間的相關(guān)作用，因此得到的能量要較HF來得精確，它是目前最常用的量子化學(xué)計(jì)算方法。其缺點(diǎn)是，構(gòu)型優(yōu)化得到的鍵長

12、通常偏長。MPn方法：關(guān)鍵詞：MP2,MP3, MP4, MP5說明：I)這些方法在HF基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)MP微擾理論考慮電 子相關(guān)作用，微擾項(xiàng)截至到二階則為MP2，截至到三階 則為MP3，其它類推，理論上考慮的微擾項(xiàng)越多，得到 的能量越精確，但將大大增加計(jì)算量，而且通常也無此 必要，多數(shù)場合選取MP2即可。說明：Ii)對(duì)于該類方法，硬盤和內(nèi)存通常開銷較大，應(yīng)考慮 具體的硬件考慮之，其中對(duì)于硬盤空間的設(shè)置見文件 Default.Rou內(nèi)容，另外，必須注意到由于受到操作系 統(tǒng)的限制，中間文件似乎不能超過2GB，此時(shí)需設(shè)置 多個(gè)中間文件，具體見g98說明；耦合簇(Coupled Cluster)方

13、法：關(guān)鍵詞：CCD, CCSD(T)說明：I)該類方法與MPn方法一樣，也是屬于較高精度的計(jì)算 方法，其中CCD方法，只考慮了雙取代，CCSD則在 CCD基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了單取代； Ii)與MPn方法類似，該類方法計(jì)算量較大，通常只適用 小體系。 (2).基組的選擇：1). 全電子基組： 關(guān)鍵詞：sto-3g, 3-21g, 4-31g, 6-21g, 6-31g, 6-311g, d95/d95v 說明：I). 不同的基組適用范圍是不同的：STO-3G(H-Xe)；3-21G(H-Xe)；6-21G(H-Cl)4-31G(H-Ne)；6-31G(H-Kr)；6-311G(H-Kr)D95(H

14、-Cl 除了Na, Mg)；D95V(H-Ne)說明：ii)基組的大小決定了基函數(shù)的數(shù)目，即體系的原子軌道 數(shù)目，因此可從所選擇的基組來推斷MO數(shù)目： sto3g：為最小基組，每個(gè)原子軌道用三個(gè)高斯函數(shù) (GF)來描述，原子軌道數(shù)即為基函數(shù)數(shù)目。 如O：1s2s2p，原子軌道數(shù)為1+1+3=5 GF數(shù)目為3*5=15321g：為劈裂(split)基組，其含義是：內(nèi)層的每個(gè)AO 用3個(gè)GF描述，價(jià)層的AO劈裂為兩組，分別用 2個(gè)和1個(gè)GF描述。顯然，321g的GF數(shù)與sto- 3g是相同的。 如O：內(nèi)層為1s，AO數(shù)為1，GF數(shù)為3 價(jià)層2s的AO數(shù)為2*1=2，GF數(shù)為2+1=3 價(jià)層2p的A

15、O數(shù)為2*3=6，GF數(shù)為3*2+3*1=9 共1+2+6=9個(gè)AO和3+3+9=15個(gè)GF 對(duì)Mg：1s 2s 2p 3s 3p 內(nèi)層1s, 2s和2p共有1+1+3=5個(gè)AO和3*5=15 個(gè)GF，價(jià)層3s有2個(gè)AO和3個(gè)GF，價(jià)層3p有 6個(gè)AO和9個(gè)GF，故共5+2+6=13個(gè)AO和 15+3+9=27個(gè)GF說明：631g：為劈裂(split)基組，其含義與3-21g類似，內(nèi)層的 每個(gè)AO用6個(gè)GF描述，價(jià)層的AO劈裂為兩組，分 別用3個(gè)和1個(gè)GF描述。 如O：內(nèi)層為1s，AO數(shù)為1，GF數(shù)為6 價(jià)層2s的AO數(shù)為2*1=2，GF數(shù)為3+1=4 價(jià)層2p的AO數(shù)為2*3=6，GF數(shù)為3

16、*3+3*1=12 共1+2+6=9個(gè)AO和6+4+12=22個(gè)GF 對(duì)Mg：1s 2s 2p 3s 3p 內(nèi)層1s, 2s和2p共有1+1+3=5個(gè)AO和6*5=30 個(gè)GF，價(jià)層3s有2個(gè)AO和4個(gè)GF，價(jià)層3p有 6個(gè)AO和12個(gè)GF，故共5+2+6=13個(gè)AO和 30+4+12=46個(gè)GF 6311g：也為劈裂基組，自是價(jià)層的AO劈裂為3組，分別 用3個(gè)、1個(gè)和1個(gè)GF描述。 對(duì)于4-31g和6-21g類似。Iii)極化(polarization)函數(shù)的使用： 在實(shí)際計(jì)算中，有時(shí)需在上述標(biāo)準(zhǔn)基組的基礎(chǔ)上，添加一個(gè)或多個(gè)極化函數(shù)，極化函數(shù)是指具有比原子價(jià)軌道更高角量子極化函數(shù)是指具有比原

17、子價(jià)軌道更高角量子數(shù)的高斯函數(shù)數(shù)的高斯函數(shù)。例如H的價(jià)軌道為1s，則其極化函數(shù)為p型GF，同樣對(duì)C、O等價(jià)層為p軌道的原子，它們的極化函數(shù)應(yīng)為d型或f型軌道，類似地，對(duì)于過渡金屬原子的極化函數(shù)為f型軌道。 極化函數(shù)的使用目的在于使原子價(jià)軌道在空間取向上變得使原子價(jià)軌道在空間取向上變得更更“柔軟柔軟”，從而使之易于與其它原子的軌道成鍵：例如對(duì)于羰基基團(tuán)中的C，O原子，它們極化軌道(即d軌道)之間形成的d軌道，使得C原子的p軌道朝O方向極化，O的p軌道向C方向極化，從而增強(qiáng)了C與O之間的作用。由于極化軌道的使用增強(qiáng)價(jià)軌道的空間柔軟程度，因此其使用場合主要在于環(huán)狀化合物環(huán)狀化合物，例如有機(jī)環(huán)狀化合物

18、以及含有橋聯(lián)結(jié)構(gòu)的金屬簇合物等。使用方法： 在標(biāo)準(zhǔn)基組后加“*”，“*”，(d)，(d,p)，(3df,3pd)等例：6-31G*, 6-31G(df,pd)說明：當(dāng)只添加一個(gè)一個(gè)極化函數(shù)時(shí)，可使用下述表示：“*”等價(jià)于(d)，含義是對(duì)非氫原子非氫原子添加一個(gè)極化軌道；“*”等價(jià)于(d,p)，含義是對(duì)非氫原子非氫原子添加一個(gè)極化軌道的同時(shí) 對(duì)H原子添加一個(gè)p極化函數(shù)；當(dāng)添加多個(gè)多個(gè)極化函數(shù)時(shí)，使用下述表示：(?d,?p)，表示對(duì)非H原子和H原子分別添加？個(gè)極化軌道 如：6-31G(3d,2p)(?df,?pd), 表示對(duì)非H原子添加?個(gè)極化函數(shù)和1個(gè)具有更高角 動(dòng)量的極化函數(shù); 對(duì)H原子分別添

19、加?個(gè)p極化函數(shù)和 1個(gè)d極化函數(shù); 例如, 對(duì)H2O計(jì)算時(shí)采用6-31G(2df,3pd)基組,其含義是: 對(duì)其中的H原子,在6-31G基組上在添加3個(gè)p軌道和 1個(gè)d軌道; 對(duì)O原子, 則在6-31G基組上添加2個(gè)d軌道和 1個(gè)f軌道.對(duì)于不同的基組,可添加的極化函數(shù)數(shù)目是不同的, 具體可參照程序手冊:iv) 彌散函數(shù)(diffuse)的使用: 對(duì)于帶有較多電荷帶有較多電荷的體系,采用標(biāo)準(zhǔn)的基組來描述是不夠的, 此時(shí)需添加彌散函數(shù),以增加價(jià)軌道在空間上的分布范圍增加價(jià)軌道在空間上的分布范圍, 即: 極化函數(shù)用于改進(jìn)價(jià)軌道的角度分布, 彌散函數(shù)則用于改 進(jìn)價(jià)軌道的徑向分布. 彌散函數(shù)是指具有

20、較小軌道指數(shù)的高斯函數(shù), 其表示方法是 在標(biāo)準(zhǔn)基組后加上“+”或“+”, 如6-31+G, 6-31+G*等, 其中 第一個(gè)“+”表示對(duì)非H原子添加彌散函數(shù), 第二個(gè)“+”則對(duì)H原 子添加彌散函數(shù). 彌散函數(shù)主要用于帶有電荷的體系帶有電荷的體系(包括離子)以及弱作用體系弱作用體系.2) 贗勢基組： 關(guān)鍵詞：lanl1mb,lanl2mb,lanl1dz,lanl2dz, cep-4g,cep-31g,cep-121g,sdd等 說明： 通常對(duì)于重元素采使用贗勢基組，其中，對(duì)于過渡金屬原子 一般使用lanl系列的基組，對(duì)于主族元素采用cep系列的基組， sdd基組相對(duì)較少使用； 贗勢基組的適用范

21、圍要較全電子基組來得廣，一般除了稀土 和放射性元素外，均可使用贗勢基組； 贗勢基組是將內(nèi)層原子的影響用勢函數(shù)來代替，因此，在使在使 用時(shí)必須注意根據(jù)所采用的贗勢基組，檢查體系的總電子數(shù)用時(shí)必須注意根據(jù)所采用的贗勢基組，檢查體系的總電子數(shù) 是否正確是否正確！ 對(duì)lanl1系列的基組，只考慮價(jià)層電子；如V原子為5. 對(duì)lanl2系列的基組，除了價(jià)層電子外，還考慮了次外 層的電子(對(duì)部分主族元素例外)；如V原子為5+8=13. 對(duì)其它贗勢基組，請?jiān)谑褂脮r(shí)仔細(xì)核查。 對(duì)于使用較多的lanl系列基組，需注意： 對(duì)于HNe范圍的原子，lanl1mb和lan2mb基組等價(jià)于 sto-3g最小基組；lanl1

22、dz和lanl2dz基組等價(jià)于d95基組; 對(duì)于含金屬金屬鍵體系一般使用lanl2系列，而不用 lanl1系列； mb結(jié)尾含義為minimal basis，dz結(jié)尾含義為double -zeta，故后者基函數(shù)數(shù)目要較前者多。3) 混合基組的使用: 有時(shí), 因需要, 對(duì)同一化合物中的不同原子采用不同的基組:受基組限制: 例如, 對(duì)于Mo(CO)2+化合物, C和O原子可采用6-31+G基組, 但 Mo原子不在6-31G基組的使用范圍之內(nèi). 受體系大小限制: 當(dāng)體系較大時(shí), 不可能對(duì)所有原子均采用較大的基組, 此時(shí)可 對(duì)其中的局部原子采用精度較高的基組來描述,而對(duì)其余原子 采用小基組來描述, 例如

23、:混合基組輸入方法: 關(guān)鍵詞: GEN和PSEUDO=READ(對(duì)贗勢基組對(duì)贗勢基組)%mem=32mb%chk=hf#p b3lyp/ gen pop=full scfcyc=500 Mo(CO)2+(Line) 1,6MoX11.0C1r1290.0O1r2290.030.0C1r1290.03180.0O1r2290.03180.0r1=2.228r2=3.329Mo 03-21G*C O 06-31+G*整數(shù)0為結(jié)束標(biāo)志4個(gè)*用于分隔不同基組改行也可用數(shù)字代替,即2 3 4 5 0(編號(hào)時(shí)不包含虛原子)%mem=32mb%chk=hf#p b3lyp/ gen pseudo=read

24、pop=full scfcyc=500 Mo(CO)2+(Line) 1,6MoX11.0C1r1290.0O1r2290.030.0C1r1290.03180.0O1r2290.03180.0r1=2.228r2=3.329Mo 0Lanl2mb*C O 06-31G*Mo 0Lanl2mb使用贗勢基組時(shí),應(yīng)注意不能漏應(yīng)注意不能漏!基組定義部分贗勢定義部分,注意不能漏, 另外其后沒有*號(hào)贗勢部分和基組部分之間有一空行(3) G98輸出結(jié)果: 下面以H2O能量計(jì)算的輸出結(jié)果為例:L1輸出G98版權(quán)信息%部分內(nèi)容關(guān)鍵詞部分計(jì)算所需調(diào)用的模塊Title內(nèi)容電荷, S以及分子構(gòu)型各原子的直角坐標(biāo)距離矩陣需核查需核查!注意注意:計(jì)算結(jié)果是以該坐標(biāo)系為準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果是以該坐標(biāo)系為準(zhǔn)需核查需核查!MO初始猜測自洽場迭代求解部分自洽場迭代求解部分收斂指標(biāo)收斂指標(biāo)迭代次數(shù)迭代次數(shù)(通常接近通常接近2.0)(布居分析結(jié)果布居分析結(jié)果)MO對(duì)稱性及能級(jí)對(duì)稱性及能級(jí)(a.u.)Mulliken鍵級(jí)和電荷鍵級(jí)和電荷偶極矩及多極矩偶極矩及多極矩對(duì)主要計(jì)算結(jié)果進(jìn)行總結(jié)