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1、Gaussian软件的使用,华南农业大学理学院王炳锋,Gaussian98/03的功能,分子的能量和结构过渡态的能量和结构振动频率红外和拉曼光谱（包括预共振拉曼）热化学性质成键和化学反应能量化学反应路径分子轨道原子电荷电多极矩NMR 屏蔽和磁化系数自旋-自旋耦合常数,振动圆二色性强度电子圆二色性强度g 张量和超精细光谱的其它张量旋光性振动-转动耦合非谐性的振动分析和振动-转动耦合电子亲和能和电离势极化和超极化率（静态的和含频的）各向异性超精细耦合常数静电势和电子密度,Gaussian的文件,Gjf 计算任务文件Chk 临时文件Rwf 读写文件Int 双电子积分D2e 双电子积分导数文件,PDB
2、，ENTMOL，HINCDX，C3D,运行界面,准备知识,Schrodinger方程Born-Oppenheimer近似Hellmann-Feyman定理维里定理,基组的影响,基组是体系内轨道的数学描述。大的基组由于对电子在空间上有小的限制而具有更大的精确性。用于电子结构计算的标准的基组使用线性的高斯函数来模拟轨道。,最小基组,最小基组包含了描述轨道的最少的函数数量。H：1s C：1s，2s，2px，2py，2pzSTO-3G 是最小基组,分裂基组,增大基组的第一个方法就是增加每个原子基函数的数量。分裂基组，比如3-21G 和6-31G，对于价键轨道都用两个函数来进行描述，比如 H：1s，1s
3、 C：1s，2s，2s，2px，2py，2pz，2px，2py，2pz双zeta 基组，如Dunning-Huzinaga 基组(D95)，采用每个原子的两种不同大小的函数的线性组合来描述分子轨道。同样的，三重分裂基组，如6-311G，采用三个不同大小的收缩函数来描述轨道。,极化基组,分裂基组允许轨道改变其大小，但不能改变形状。极化基组则取消了这样的限制，增加了角动量。比如在碳原子上增加d 轨道的成分，在过渡金属上增加f 轨道成分。有些在氢原子上增加p 轨道成分6-31G(d)、6-31G(d，p),弥散函数(Diffuse Functions),弥散函数是s 和p 轨道函数的大号的版本。他们
4、允许轨道占据更大的空间。对于电子相对离原子核比较远的体系，如含有孤对电子的体系，负离子，以及其他带有明显负电荷的体系，激发态的体系，含有低的离子化能的体系，以及纯酸的体系等，弥散函数都有重要的应用。6-31+G(d)基组表示的是6-31G(d)基组在重原子上加上弥散基组，6-31G+(d)基组表示对于氢原子也加上弥散函数。,高角动量基组,6-31G(2d)就是在6-31G 基础上增加两个d 轨道的函数，而6-311+G(3df，3pd)则增加了更多的极化函数，包括三个分裂的价键基组，在重原子和氢原子上加的弥散函数，在重原子上加的三个d 函数和一个f 函数，在氢原子上加的三个p 函数和一个d 函
5、数。这样的基组在电子相关方法对于描述电子之间的作用有很重要意义。,第4周期以后的原子的基组,第4周期以上的原子的基组很难处理。由于存在非常大的核，原子核附近的电子通过有效核电势方法(ECP)进行了近似，这一处理同时也包含了相对论效应。这其中，LANL2DZ 是最有名的基组。,基组的选择,Gaussian,Overlay1,Overlay9,10,11,99,L101,L102,L122,Overlay0,L0,L001,Gaussian 程序的结构link0:初始化程序，控制overlaylink1:读入并处理Route Section，建立要执行的link列表link9999:终止计算,Ov
6、erlay99,L9999,定制内存和硬盘,-M-2MW-#-MaxDisk=400MBGaussian程序使用的内存单位W是双精度字，相当于8字节 2MW=16MB设置方法：将Default.r1文件改成default.rou,Gaussian03 程序界面,Preferences:对Gaussian程序进行初始化设置,自定义外部文字编辑器，用来打开.out文件link.exe所在的文件夹临时文件存放文件夹,Gaussian程序界面和输入文件的构造,Gaussian03 图形工具栏,开始作业 暂停当前作业 当前link后暂停 终止当前作业和批处理 恢复当前作业 在当前作业完成后终止批处理 终
7、止当前作业 编辑或建立批处理,批处理专用,打开外部编辑器 编辑输出文件,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,Gaussian03 程序工具,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,NewZma
8、t工具界面,H2O分子单点计算后的.chk文件转换成.fch文件后，在Chem3D中所作分子轨道(HOMO)，电荷密度和静电势空间分布图,Gaussian 程序的输入文件,%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Charge&Multipl 电荷与自旋多重度Molecule Specification 分子说明,%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 Wa
9、ter ennergy 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=104.0,Gaussian作业的格式,%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
10、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：6000000W48MB 综合考虑到计算的需要和硬件水平，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,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
11、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,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 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主要由方法，基组，任务类型三部分组成方法与基组后续课程专门介绍Gaussian程序能完成的任务类型：,Gaussian 程序
12、中的部分关键词,Guess,Guess Guess=readGuess=mixGuess=alter,SCF,SCFCYC=n default=64SCFCON=nSCFDM SCF=DMSCFQC SCF=QCdirect(default),opt,优化平衡态 opt=z-matrix优化过渡态 opt=(ts,z-matrix,noeigentest)optcyc=nIop(1/8=6),freq,Freq=noramanFreq=ReadIsotopes,Route Section采用自由格式，大小写不敏感同一行不同项之间可以使用空格，逗号和“/”连接；例：#p hf/6-31g scf
13、cyc=230 scfcon=8#p,hf/6-31g,scfcyc=230,scfcon=8 关键词可以通过 keyword=option,keyword(option),keyword=(option1,option2,.)，keyword(option1,option2,.)指定 例：#p HF/STO-3G opt#p HF/STO-3G opt=(TS,readfc),Title部分必须输入，但是程序并不执行，起标识和说明作用,Title Section,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
14、 O2 0 2 电荷多重度部分通常也算作分子说明,Molecular Specification,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分子坐标的格式为:元素符号,x,y,z 元素符号(n)原子1 键长 原子2 键角 原子3 二面角 格式代码(0,180)以原子在分子中的序数表示 通过右手规则确定,例1：使用HF方法，优化 H2O2分子,%chk=h2o2.chk%rwf=h2o2.rwf#p hf/6-31g optH2O2 energy calculation0 1 HO 1 0
15、.9O 2 1.4 1 105.0H 3 0.9 2 105.0 1 120.0,%chk=h2o2.chk%rwf=h2o2.rwf#p hf/6-31g optH2O2 energy calculation0 1H 0.000 0.0000.000 O 0.000 0.9000.000 O 1.350 1.2620.000 H 1.464 1.742-0.752,内坐标表示 笛卡尔直角坐标表示上述两个作业将对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,%chk=h2o2.chk%rwf=h2o2.rwf#p hf/6-31
16、g 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，可以使程序只对分子结构进行部分优化,例2：C2H4分子
17、 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,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=1.38r2=1.09a1=110.6b=120.0 通过常量b来控制C3V对称性,例4：NH3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=1.38r2=1.09a1=110.6b=120.0,例5：呋喃分子 分子点群C2v,例6：乙炔分子 直线形分子,练习,写出分子 H2C=C=O分子输入坐标其中C=C:1.35 C=O:1.20 C-H:1.09写出苯分子内坐标 C=C:1.30 C-H:1.09,
