高斯的介紹和使用課件

量化軟件gaussian的介紹和使用量化軟件gaussian的介紹和使用一、高斯簡(jiǎn)介Gaussian是量子化學(xué)計(jì)算的專業(yè)軟件，它是利用量子力學(xué)的原理以數(shù)值方法來預(yù)測(cè)化學(xué)分子的性質(zhì)。Gaussian軟件的創(chuàng)始人是JohnPople(1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主)，他從1970年代開始在Carnegie-MellonUniversity發(fā)展Gaussian程序供學(xué)術(shù)界使用，后來在1980年代成立Gaussian公司發(fā)售Gaussian軟件，目前最新的版本是Gaussian03。Gaussian是目前無論在學(xué)術(shù)界或工業(yè)界使用最廣泛的量子化學(xué)計(jì)算軟件，這是因?yàn)樗朔浅｝R全的理論計(jì)算方法并有著很高的運(yùn)算效率，相關(guān)支持的軟件也很多，使用上也非常方便?；旧?，使用者提供想要計(jì)算的分子之三度空間結(jié)構(gòu)，電荷等數(shù)據(jù)并選擇一種理論計(jì)算方法，Gaussian程序則進(jìn)行大量的數(shù)值運(yùn)算求出在此理論方法下之電子波函數(shù)(或電子密度)及能量，并依此計(jì)算出分子的其他各種化學(xué)性質(zhì)(最低能量結(jié)構(gòu)，光電性質(zhì)，光譜特性，反應(yīng)性等等)。其他常用到的量子化學(xué)計(jì)算軟件包括Molpro,Gamess,AcesII,Q-Chem,NWChem等等。一、高斯簡(jiǎn)介Gaussian是量子化學(xué)計(jì)算的專業(yè)軟件，它是Gaussian主要功能：

分子能量和結(jié)構(gòu)過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)鍵和反應(yīng)能量分子軌道多重矩原子電荷和電勢(shì)振動(dòng)頻率紅外和拉曼光譜核磁性質(zhì)極化率和超極化率熱力學(xué)性質(zhì)反應(yīng)路徑等等Gaussian主要功能：

分子能量和結(jié)構(gòu)紅外和拉曼光譜Gaussian的計(jì)算可以對(duì)體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行?？梢灶A(yù)測(cè)周期體系的能量，結(jié)構(gòu)和分子軌道。因此，Gaussian可以作為功能強(qiáng)大的工具，用于研究許多化學(xué)領(lǐng)域的課題，例如取代基的影響，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，勢(shì)能曲面和激發(fā)能等等。Gaussian的計(jì)算可以對(duì)體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行?？梢灶A(yù)測(cè)二、安裝高斯對(duì)計(jì)算機(jī)的要求現(xiàn)在的PC速度非?？欤杀镜土?，是使用Gaussian的一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的平臺(tái)。對(duì)稍懂計(jì)算機(jī)的人我會(huì)建議組裝一臺(tái)Linux工作站，基本的配備應(yīng)包括64位Dual-CoreCPU，如IntelP48xxD，9xxD,CoreDuo，或AMDAthlon64X2等，2GBDDR2667以上內(nèi)存，2臺(tái)200GB以上SATA硬盤以彈性使用Raid0/1。Linux操作系統(tǒng)可選擇免費(fèi)下載之FedoraCore4或5，Suse10等，記得要使用64位的版本。舊的32位PC也可以用，只是效能上會(huì)差很多。接下來要依照你的系統(tǒng)種類選擇適當(dāng)?shù)腉aussian03版本，請(qǐng)參閱本站首頁。目前WindowXP的版本(G03W)還不能發(fā)揮64位的運(yùn)算效能，使用上的便利性及功能性也都不如Linux的版本

二、安裝高斯對(duì)計(jì)算機(jī)的要求現(xiàn)在的PC速度非常快，成本低廉三、高斯的使用三、高斯的使用1.建模Chemoffice2005企業(yè)版以下的需經(jīng)過中間軟件轉(zhuǎn)化輸入文件，此以上的可以直接生成輸入文件.gjfGaussview可以直接構(gòu)建分子的模型，并連接gauss進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果可視化。但3.09版本在二面角的修改上存在不足其他cartes-分子和晶體結(jié)構(gòu)坐標(biāo)編輯器等等1.建模Chemoffice2005企業(yè)版以下的需經(jīng)過中利用畫圖軟件GaussView，構(gòu)建反應(yīng)物CN的分子構(gòu)型，設(shè)置鍵長(zhǎng)和鍵角的值利用畫圖軟件GaussView，構(gòu)建反應(yīng)物CN的分子構(gòu)型，設(shè)需設(shè)置正確，否則運(yùn)行將出錯(cuò)！左側(cè)至上而下依次為：默認(rèn)的文本編輯器；g03可執(zhí)行文件所在目錄；計(jì)算中間結(jié)果存放目錄；缺省的計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)目錄；缺省的輸入文件所在目錄；PDB分子構(gòu)型瀏覽器；右側(cè)至上而下依次為：設(shè)置顯示屬性(如背景色等)；設(shè)置文本編輯器屬性；計(jì)算過程控制屬性(尤其是批作業(yè)過程)；Default.Rou文件的編輯(該文件內(nèi)容為默認(rèn)情況下，計(jì)算所花費(fèi)的內(nèi)存及硬盤大小)需設(shè)置正確，左側(cè)至上而下依次為：默認(rèn)的文本編輯器；g03可執(zhí)計(jì)算機(jī)信息理論,基組題目(任意字符)體系總電荷和多重度分子坐標(biāo):笛卡爾坐標(biāo)，內(nèi)坐標(biāo)計(jì)算機(jī)信息理論,基組題目(任意字符)體系總電荷和多重度分子2.開始計(jì)算2.開始計(jì)算然后點(diǎn)擊提交“submit”，可得到對(duì)話框如下所示：

然后點(diǎn)擊提交“submit”，可得到對(duì)話框如下所示：

點(diǎn)擊“Save”可得：點(diǎn)擊“Save”可得：高斯的介紹和使用課件保存計(jì)算結(jié)果：關(guān)閉上面的窗口后，會(huì)有提示如下：

保存計(jì)算結(jié)果：關(guān)閉上面的窗口后，會(huì)有提示如下：

從GaussView打開目標(biāo)體系的.chk文件，如下圖

從GaussView打開目標(biāo)體系的.chk文件，如下圖高斯的介紹和使用課件逐步點(diǎn)選Results;surface，出現(xiàn)如下圖對(duì)話框逐步點(diǎn)選Results;surface，出現(xiàn)如下圖對(duì)話框其中CubeActions…一項(xiàng)，選擇NewCub,跳出下圖對(duì)話框，kind一欄選擇TotalDensity，然后點(diǎn)擊OK

其中CubeActions…一項(xiàng)，選擇NewCub,跳出此時(shí)返回上圖，稍等待空白欄中出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果。SurfaceActions…一項(xiàng)選擇NewMappedSurface，跳出下圖對(duì)話框，點(diǎn)擊OK此時(shí)返回上圖，稍等待空白欄中出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果。SurfaceA稍等，便出現(xiàn)下圖漂亮彩色靜電勢(shì)圖稍等，便出現(xiàn)下圖漂亮彩色靜電勢(shì)圖

可能你作出來的和我的不一樣，這是因?yàn)橥该鞫炔煌?，顯示的效果不一樣。編輯顯示效果，依次請(qǐng)點(diǎn)擊File,Preferences,如下圖示：點(diǎn)擊Surface選項(xiàng)卡，Transparent就是用來調(diào)節(jié)透明度的。

可能你作出來的和我的不一樣，這是因?yàn)橥该鞫炔煌@示的效果MOS分子軌道可視化圖MOS分子軌道可視化圖勢(shì)能面掃描研究分子結(jié)構(gòu)勢(shì)能面掃描研究分子結(jié)構(gòu)乙烷的HOMO已占有電子的能級(jí)最高的軌道稱為最高已占軌道乙烷的HOMO已占有電子的能級(jí)最高的軌道稱為最高已占軌道乙烷的LUMO未占有電子的能級(jí)最低的軌道稱為最低未占軌道乙烷的LUMO未占有電子的能級(jí)最低的軌道稱為最低未占軌道頻率計(jì)算可得到熱力學(xué)數(shù)據(jù)頻率計(jì)算可得到熱力學(xué)數(shù)據(jù)頻率分析得到三聚氰胺的紅外光譜圖頻率分析得到三聚氰胺的紅外光譜圖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G98輸出結(jié)果: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%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!Title內(nèi)容電荷,S以及分子構(gòu)型各原子的直角坐標(biāo)距離矩陣注意:計(jì)算結(jié)果是以該坐標(biāo)系為準(zhǔn)需核查!MO初始猜測(cè)注意:計(jì)算結(jié)果是以該坐標(biāo)系為準(zhǔn)需核查!MO初始猜測(cè)自洽場(chǎng)迭代求解部分收斂指標(biāo)迭代次數(shù)自洽場(chǎng)迭代求解部分收斂指標(biāo)迭代次數(shù)自洽場(chǎng)迭代求解部分收斂指標(biāo)迭代次數(shù)自洽場(chǎng)迭代求解部分收斂指標(biāo)迭代次數(shù)偶極矩及多極矩對(duì)主要計(jì)算結(jié)果進(jìn)行總結(jié)偶極矩及多極矩對(duì)主要計(jì)算結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分子軌道系數(shù)的輸出:關(guān)鍵詞:pop=full說明:有時(shí)為了分析MO成分,則需利用該關(guān)鍵詞輸出各MO的成分,以H2O為例:軌道對(duì)稱性O(shè)表示占據(jù)軌道;V為空軌道軌道能級(jí)AO軌道軌道系數(shù)HOMOLUMO分子軌道系數(shù)的輸出:關(guān)鍵詞:pop=full說明:有時(shí)為注:

輸出的MO系數(shù)是未經(jīng)歸一化過的;1s,2s等符號(hào)并非真正意義上的AO,它與計(jì)算所采用的基組有關(guān).對(duì)于上例,采用的是6-31G基組,可知,對(duì)于價(jià)層AO是分裂為兩組的,故對(duì)于O原子,輸出的2s和3s實(shí)際上均為價(jià)軌道,其它類推.

當(dāng)基函數(shù)較多時(shí),若只考察前線附近的軌道成分,可用關(guān)鍵詞:pop=regular,此時(shí)只給出5個(gè)占據(jù)軌道和5個(gè)空軌道組成.注:(5)能量計(jì)算的幾個(gè)問題：基組的選?。豪碚撋隙?，計(jì)算中所選取的基組約大，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，但由于受到硬件上的限制，需根據(jù)實(shí)際情況選擇基組。此外，對(duì)于環(huán)狀分子或存在作用的體系，通常需要考慮使用極化基組；對(duì)于帶有較多電荷的體系，或考察弱相互作用的體系，通常需考慮使用彌散基組； 以O(shè)2為例(O-O為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，故極化函數(shù)的影響要比彌散函數(shù)來得大。 以O(shè)22-為例：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.此時(shí)，因帶較多負(fù)電荷，故彌散函數(shù)的影響較極化函數(shù)來得大。(5)能量計(jì)算的幾個(gè)問題：體系多重度的選?。簩?duì)于復(fù)雜體系，特別是含有過渡金屬原子的體系，多重度的選取評(píng)經(jīng)驗(yàn)不易得到，此時(shí)，可通過比較不同多重度時(shí)體系的能量來確定基態(tài)能量。以O(shè)2為例(基組為6-31G*)：

S=1 -150.25734a.u. S=3 -150.31998a.u. S=5 -149.79200a.u. S=7 -148.80784a.u.由上結(jié)果可見，O2的基態(tài)應(yīng)為三重態(tài)。鍵能的計(jì)算：以O(shè)2為例(O-O鍵長(zhǎng)為1.208A，計(jì)算O—O鍵能：步驟如下：首先確定O2基態(tài)的能量：假設(shè)基組為6-31G*，則總能量為：-150.31998a.u.(基態(tài)為：3

g)體系多重度的選?。浩浯?，計(jì)算O原子基態(tài)能量，結(jié)果為：-75.06061a.u.則O2中O—O鍵的鍵能為：

2-75.06061+150.31998=0.19876a.u.=521.8KJ/mol該結(jié)果略高于實(shí)驗(yàn)值（494KJ/mol）。在有關(guān)鍵能的計(jì)算中，除了計(jì)算方法以及基組對(duì)最終的結(jié)果有較大影響外，若要得到精確的鍵能，還需考慮基組疊加誤差即BSSE。

BSSE是指源于能量計(jì)算中基組帶來的誤差，它可以粗略理解為化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的背景誤差，要消除BSSE，可采用massage關(guān)鍵詞來實(shí)現(xiàn)，以O(shè)2為例具體使用過程如下：其次，計(jì)算O原子基態(tài)能量，結(jié)果為：-75.06061a.u.%mem=32mb#pb3lyp/6-31g*massage

BSSEofO2

0,3O0.0.00.0O1.2080.00.02Nuc0.0將其中一個(gè)O原子的核電荷定義為零，但其基組在計(jì)算過程中仍保留，該原子可稱之為鬼原子(ghost)，注意：鬼原子與前面所提到的虛原子(dummy)是不同的，后者不存在基組的問題；%mem=32mb將其中一個(gè)O原子的核電荷定義為零，但其基函數(shù)數(shù)目與計(jì)算O2時(shí)相同，但電子數(shù)目只為8個(gè)由此得到考慮了BSSE時(shí)，O原子的能量為-75.06282a.u.，根據(jù)該數(shù)值，可得O—O鍵能為：510.4KJ/mol。此外，進(jìn)一步的修正是在計(jì)算O2總能量時(shí)，需考慮零點(diǎn)能(ZPE)校正?；瘮?shù)數(shù)目與計(jì)算O2時(shí)相同，但電子數(shù)目只為8個(gè)由此得到考慮了將上述思想推廣到一般情況，若要考察某個(gè)體系中A與B之間的結(jié)合能力：ABABAB首先將A和B一起考慮，得到體系總能量E(AB)保留A部分，將B部分的原子均設(shè)為鬼原子，得到考慮B部分基組效應(yīng)的A部分能量E(A)保留B部分，將A部分的原子均設(shè)為鬼原子，得到考慮A部分基組效應(yīng)的B部分能量E(B)最終，A與B之間的結(jié)合能為：E(AB)-[E(A)+E(B)]將上述思想推廣到一般情況，若要考察某個(gè)體系中A與B之間ABA分子軌道成分的分析：以O(shè)2為例：%mem=32mb#pROB3LYP/STO-3GPOP=FULL

Thesinglepointcalc.OfO2

0,3O0.0.00.0O1.2080.00.0

為了便于計(jì)算結(jié)果分析，采用限制性開殼層計(jì)算方法，及將和電子強(qiáng)制配對(duì)；輸出所有分子軌道分子軌道成分的分析：為了便于計(jì)算結(jié)果分析，采用限制性輸出所有首先確定計(jì)算結(jié)果中各原子所處的位置：21ozXory首先確定計(jì)算結(jié)果中各原子所處的位置：21ozXoryz+12因1s為內(nèi)層電子，故O與O之間成鍵情況可不考慮No.1No.2

與上一MO類似，也以1s成分為主，處在能量較低的位置z++z+12因1s為內(nèi)層電子，故O與O之間成鍵情況No.1No.z+12No.3,4分別為O2s軌道之間形成的成鍵和反鍵軌道：+z+-No.5為O2pz軌道形成的成鍵軌道：z+z+12No.3,4分別為O2s軌道之間形成的成鍵和反zNo.6和7軌道分別為O2px和2py形成的成鍵軌道：+No.8和9軌道分別為O2px和2py形成的反鍵軌道：z+No.10軌道為O2pz形成的反鍵軌道：z+zNo.6和7軌道分別為O2px和2py形成的成鍵軌道：根據(jù)上述分析結(jié)果以及各軌道的能級(jí)，可以得到O2的MO分布為：

2s*2s

2pz

2px

2py*2px*2py*2pz根據(jù)上述分析結(jié)果以及各軌道的能級(jí)，可以得到O2的MO2s電荷分布：在能量計(jì)算結(jié)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電荷和鍵級(jí)，對(duì)于原子電荷：以H2O為例(B3LYP/STO-3G)：Mulliken電荷分布電荷分布：Mulliken電荷分布說明：電荷的絕對(duì)值是沒有意義的，其數(shù)值受到所用方法,尤其是基組的影響較大：以H2O為例：方法/基組 O HB3LYP/STO-3G -0.329 0.165B3LYP/3-21G -0.637 0.318B3LYP/6-31G -0.705 0.353HF/6-31G -0.795 0.398

因此，計(jì)算得到的電荷只具有相對(duì)意義，即只能考察其相對(duì)數(shù)值或變化趨勢(shì)。當(dāng)然，當(dāng)考察變化趨勢(shì)時(shí)，如考察H2X(X=O,S,Se)系列化合物中，X為不同原子時(shí)，對(duì)H原子電荷的影響時(shí)，必須使用相同的計(jì)