高斯軟件的介紹演示文稿

高斯軟件的介紹演示文稿第一頁(yè)，共四十頁(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(mén)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。

第二頁(yè)，共四十頁(yè)。G98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)(Groundstate)激發(fā)態(tài)(Excitedstate)反應(yīng)過(guò)渡態(tài)(Transitionstate)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(shì)能面第三頁(yè)，共四十頁(yè)。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：氣相和溶液第四頁(yè)，共四十頁(yè)。2.程序結(jié)構(gòu)：第五頁(yè)，共四十頁(yè)。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(guò)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；L301,302…309—與基組和贗勢(shì)有關(guān)模塊；L310,…319—計(jì)算單及雙電子積分模塊；L401,402—SCF初始猜測(cè)模塊；L502,503,508—SCF模塊；L601,608—Mulliken布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；第六頁(yè)，共四十頁(yè)。說(shuō)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，

L8~L11這些模塊的執(zhí)行對(duì)內(nèi)存和硬盤(pán)的需求較大；3.若L9999未能正常執(zhí)行完畢，則表明計(jì)算過(guò)程存在問(wèn)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(jiǎn)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L1~6和L9999模塊其它模塊可以刪除去。第七頁(yè)，共四十頁(yè)。G98輸入文件的編寫(xiě)與使用1.G98輸入文件的組成：L0命令部分(可無(wú))關(guān)鍵詞部分標(biāo)題部分體系電荷和自旋多重度分子構(gòu)型第八頁(yè)，共四十頁(yè)。(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(guò)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(wú)，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(lèi)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第九頁(yè)，共四十頁(yè)。(5)分子構(gòu)型描述部分：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)xyz

例如：

O-0.4640.1770.0 H-0.4641.1370.0H0.441-0.1430.0

說(shuō)明：1)元素符號(hào)大小寫(xiě)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-0.4640.1770.0H1-0.4641.1370.0H20.441-0.1430.03)x,y,z數(shù)值必須以小數(shù)格式輸入：

O-0.4640.1770()

O-0.4640.1770.()4)g98的數(shù)據(jù)輸入均為自由格式，即除了用空格來(lái)分隔數(shù)據(jù)外，也可用逗號(hào)或混合使用；第十頁(yè)，共四十頁(yè)。b.內(nèi)坐標(biāo)(z-matrix)方法：(適用于構(gòu)型的局部?jī)?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(lái)描述原子間的相對(duì)位置，具體參數(shù)包括：

1)鍵長(zhǎng)：(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(zhǎng)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0和

±180deg。

3)二面角：(需用四個(gè)原子描述)

二面角加上鍵長(zhǎng)和鍵角就確定了四個(gè)原子的位置，其默認(rèn)單位為deg，范圍為-360~360deg，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(zhǎng)、鍵角和二面角數(shù)目的總和=3N-6第十一頁(yè)，共四十頁(yè)。內(nèi)坐標(biāo)的輸入格式為：原子1,原子2,鍵長(zhǎng),原子3,鍵角,原子4,二面角1234鍵長(zhǎng)鍵角二面角第十二頁(yè)，共四十頁(yè)。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：

X01.01.01.0N12.0H11.0290.0H11.0290.03120.0H11.0290.03-120.0d.分子構(gòu)型的輸入準(zhǔn)確性是保證計(jì)算結(jié)果可靠性的前提，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，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。第十三頁(yè)，共四十頁(yè)。(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(lái)編寫(xiě)輸入文件外，在更多場(chǎng)合下，是采用其他文本編輯器來(lái)編寫(xiě)，此時(shí)應(yīng)注意到，在標(biāo)題部分的前后各有一空行。第十四頁(yè)，共四十頁(yè)。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(xiě)；

2).當(dāng)存在多個(gè)關(guān)鍵詞時(shí)，可用空格、逗號(hào)來(lái)隔開(kāi)；

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(shū)寫(xiě)方式有如下幾種：

keyword=option keyword(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)第十五頁(yè)，共四十頁(yè)。4).最簡(jiǎn)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；第十六頁(yè)，共四十頁(yè)。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(lái)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(chǎng)合適用。

2)從頭算(abinitio)方法：

HF方法：即基于Hartree-Fock原理的方法 關(guān)鍵詞：HF，RHF，UHF，ROHF

說(shuō)明：I)當(dāng)關(guān)鍵詞為HF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(kāi)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。第十七頁(yè)，共四十頁(yè)。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(jiàn)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(lái)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(zhǎng)通常偏長(zhǎng)。MPn方法：關(guān)鍵詞：MP2,MP3,MP4,MP5說(shuō)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(lèi)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(wú)此必要，多數(shù)場(chǎng)合選取MP2即可。第十八頁(yè)，共四十頁(yè)。說(shuō)明：Ii)對(duì)于該類(lèi)方法，硬盤(pán)和內(nèi)存通常開(kāi)銷(xiāo)較大，應(yīng)考慮具體的硬件考慮之，其中對(duì)于硬盤(pán)空間的設(shè)置見(jiàn)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(guò)2GB，此時(shí)需設(shè)置多個(gè)中間文件，具體見(jiàn)g98說(shuō)明；耦合簇(CoupledCluster)方法：關(guān)鍵詞：CCD,CCSD(T)說(shuō)明：I)該類(lèi)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(lèi)似，該類(lèi)方法計(jì)算量較大，通常只適用小體系。第十九頁(yè)，共四十頁(yè)。(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(shuō)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-Cl除了Na,Mg)；D95V(H-Ne)第二十頁(yè)，共四十頁(yè)。說(shuō)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(lái)推斷MO數(shù)目：

sto—3g：為最小基組，每個(gè)原子軌道用三個(gè)高斯函數(shù)

(GF)來(lái)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=5GF數(shù)目為3*5=15 3—21g：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，3—21g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AO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：1s2s2p3s3p

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第二十一頁(yè)，共四十頁(yè)。說(shuō)明：6—31g：為劈裂(split)基組，其含義與3-21g類(lèi)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*3+3*1=12

共1+2+6=9個(gè)AO和6+4+12=22個(gè)GF

對(duì)Mg：1s2s2p3s3p

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)GF6—311g：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(lèi)似。第二十二頁(yè)，共四十頁(yè)。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(lèi)似地，對(duì)于過(guò)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更“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。第二十三頁(yè)，共四十頁(yè)。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(chǎng)合主要在于環(huán)狀化合物，例如有機(jī)環(huán)狀化合物以及含有橋聯(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(shuō)明：當(dāng)只添加一個(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)非氫原子添加一個(gè)極化軌道；“**”等價(jià)于(d,p)，含義是對(duì)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)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)第二十四頁(yè)，共四十頁(yè)。(?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(cè):第二十五頁(yè)，共四十頁(yè)。iv)彌散函數(shù)(diffuse)的使用:

對(duì)于帶有較多電荷的體系,采用標(biāo)準(zhǔn)的基組來(lái)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,

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(包括離子)以及弱作用體系.第二十六頁(yè)，共四十頁(yè)。2)贗勢(shì)基組：關(guān)鍵詞：lanl1mb,lanl2mb,lanl1dz,lanl2dz,cep-4g,cep-31g,cep-121g,sdd等說(shuō)明：通常對(duì)于重元素采使用贗勢(shì)基組，其中，對(duì)于過(guò)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(shì)基組的適用范圍要較全電子基組來(lái)得廣，一般除了稀土和放射性元素外，均可使用贗勢(shì)基組；贗勢(shì)基組是將內(nèi)層原子的影響用勢(shì)函數(shù)來(lái)代替，因此，在使用時(shí)必須注意根據(jù)所采用的贗勢(shì)基組，檢查體系的總電子數(shù)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(shì)基組，請(qǐng)?jiān)谑褂脮r(shí)仔細(xì)核查。

第二十七頁(yè)，共四十頁(yè)。

對(duì)于使用較多的lanl系列基組，需注意：對(duì)于H~Ne范圍的原子，lanl1mb和lan2mb基組等價(jià)于

sto-3g最小基組；lanl1dz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‘minimalbasis’，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(lái)描述,而對(duì)其余原子采用小基組來(lái)描述,例如:第二十八頁(yè)，共四十頁(yè)。第二十九頁(yè)，共四十頁(yè)?；旌匣M輸入方法:

關(guān)鍵詞:GEN和PSEUDO=READ(對(duì)贗勢(shì)基組)%mem=32mb%chk=hf#pb3lyp/genpop=fullscfcyc=500

Mo(CO)2+(Line)

1,6MoX 1 1.0C 1 r1 2 90.0O 1 r2 2 90.0 3 0.0C 1 r1 2 90.0 3 180.0O 1 r2 2 90.0 3 180.0r1=2.228r2=3.329Mo03-21G****CO06-31+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23450(編號(hào)時(shí)不包含虛原子)第三十頁(yè)，共四十頁(yè)。%mem=32mb%chk=hf#pb3lyp/genpseudo=readpop=fullscfcyc=500

Mo(CO)2+(Line)

1,6MoX 1 1.0C 1 r1 2 90.0O 1 r2 2 90.0 3 0.0C 1 r1 2 90.0 3 180.0O 1 r2 2 90.0 3 180.0r1=2.228r2=3.329Mo0Lanl2mb****CO06-31G*****Mo0Lanl2mb使用贗勢(shì)基組時(shí),應(yīng)注意不能漏!基組定義部分贗勢(shì)定義部分,注意不能漏,另外其后沒(méi)有*號(hào)贗勢(shì)部分和基組部分之間有一空行第三十一頁(yè)，共四十頁(yè)。(3)G98輸出結(jié)果: