高斯软件的介绍

1、题题 目：高斯软件的简介目：高斯软件的简介指导老师：徐畅老师指导老师：徐畅老师姓姓 名：马乃宇名：马乃宇学学 号：号：C13201045专专 业：高分子化学与物理专业业：高分子化学与物理专业 计算机在化学中的应用计算机在化学中的应用课程作业课程作业Gaussian是一个量子化学软件包，它是目前应用最广泛的计算化学软件之一，Gaussian软件的出现降低了量子化学计算的门槛，使得从头计算方法可以广泛使用，从而极大地推动了其在方法学上的进展。 G98的功能和程序结构的功能和程序结构1. 主要功能：分子构型的优化基态(Ground state)激发态(Excited state)反应过渡态(Tran

2、sition state)能量计算基态和激发态能量化学键的键能电子亲合能和电离能化学反应途径和势能面光谱计算IR光谱Raman光谱电子光谱NMR其它功能电荷和电荷密度偶极矩和超极矩热力学参数适用体系：气相和溶液2.程序结构：常用模块的功能：L0初始化模块；L1读入输入，根据所给关键词确定将要使用的模块；L101,102,与构型优化和反应过渡态相关的模块；L202输出距离矩阵、判断化合物点群及确定新的坐标系；L301,302309与基组和赝势有关模块；L310,319计算单及双电子积分模块；L401,402SCF初始猜测模块；L502,503,508SCF模块；L601,608Mulliken布

3、居以及自然键轨道分析模块；L701,702计算能量一阶和二阶导数模块；L9999进程结束模块；说明：1.根据不同的任务，某些模块需重复调用多次；2.通常耗时较多的模块有：L5,L7,L8,L9,L10,L11等，此外， L8L11这些模块的执行对内存和硬盘的需求较大；3.若L9999未能正常执行完毕，则表明计算过程存在问题，需 检查之；4.可根据各个模块的功能，对g98程序进行简化，例如如果用 户通常只用g98进行能量计算，则可只保留L16和L9999模块 其它模块可以删除去。G98输入文件的编写与使用输入文件的编写与使用1.G98输入文件的组成：L0命令部分(可无)关键词部分标题部分体系电荷

4、和自旋多重度分子构型(1) L0命令部分： 该部分内容均以%打头，主要用于指定计算过程所需 内存，chk以及rwf文件名，其典型内容是： %mem=100mb(计算所需内存，若无，由Default.Rou指定) %chk=h2o(chk文件的名称为h2o.chk) %rwf=h2o(中间结果文件名称为h2o.rwf)(2)关键词部分： 该部分内容由一个或多个关键词组成，用于指定了计 算类型和计算输出的控制等。(3)标题部分： 由一行文本组成，该内容是必需的。(4)电荷及自旋多重度： 体系所带电荷以及自旋多重度S=2s+1=成单电子数+1 例如H2O,S=1；Ti原子的基态S=3(5)分子构型描

5、述部分： 有三种描述分子构型的方法：a.直角坐标系方法：(适用于全自由度优化情况) 格式为：元素符号 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 说明：1)元素符号大小写均可，也可直接用原子序数； 2)有时为了便于区别，可在元素符号后加一整数，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数值必须以小数格式小数格式输入： O -0.464 0.177 0 () O -0.464 0.177 0.() 4)g98的数

6、据输入均为自由格式，即除了用空格来分隔 数据外，也可用逗号或混合使用；b.内坐标(z-matrix)方法：(适用于构型的局部优化) 内坐标与直角坐标之间的区别在于，它侧重于从原子之间的 键连角度来描述原子间的相对位置，具体参数包括： 1)键长：( 需用两个原子描述) 即两个原子间的距离，注：该两个原子并非要具有化学直 观意义上的成键。此外，在默认情况下，键长单位为埃。 2)键角：(需用三个原子描述) 确定了二根键之间的夹角，默认单位为度，范围为-180 180deg之间，但二根键不能共线，即键角不能等于不能等于0和 180deg。 3)二面角：(需用四个原子描述) 二面角加上键长和键角就确定了

7、四个原子的位置，其默认 单位为deg，范围为-360360deg，可以为360deg。当二 面角等于0，180和360deg时四个原子共面。键长、键角和二面角数目的总和=3N-6内坐标的输入格式为： 原子1,原子2,键长,原子3,键角,原子4,二面角1234键长键角二面角c.直角坐标和内坐标混合输入方法： 对于该方法，只需在采用直角坐标方法输入的原子的元素 符号后加一个整数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.分子构型的输入准确性是保证计算结果

8、可靠性的前提，对 于复杂体系，在计算前均需对所输构型进行检查计算前均需对所输构型进行检查，具体包 括： 可视化处理，即采用一些分子构型软件观察所给构型是 否合理； 在g98运行到L2模块，会给出所输入分子所属点群，此 时，可检查点群是否合理。(6) g98输入文件编辑时的注意事项： 除了可采用g98所提供的输入文件编辑器来编写输入文件外， 在更多场合下，是采用其他文本编辑器来编写，此时应注意 到，在标题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户所给的关键词(keyword)内容而定， 在输入关键词时注意以下事项： 1).关键词的输入是自由格式，且不区分大小写；

9、 2).当存在多个关键词时，可用空格、逗号来隔开； 3).通常每个关键词有多个选项(option)，若要选择单个或多 个选项时，书写方式有如下几种： keyword = optionkeyword(option)keyword=(option1, option2, .)keyword(option1, option2, .) 例如：opt=z-matrix，opt(z-matrix)，opt=(z-matrix)三者是 等价的。 opt(z-matrix,maxcycle=20)与 opt=(z-matrix,maxcycle=20)是等价的。 建议统一采用第四种表示方式。多个选项时4).最简

10、单的关键词输入是#或#p，其含义是采用HF方法和 STO-3G基组计算体系的能量；能量的计算： 如何计算一个体系的能量是获取分子各种性质的基础，因此 首先来看如何计算体系的能量，即进行单点能计算：(1). 计算方法的选择： g98提供的常用计算方法有： 1) 半经验方法： 关键词：AM1, PM3, CNDO, INDO, MINDO 它们主要用于大的有机分子体系(由上百个原子组成)，一般 对于含金属体系不适用。这些方法只有在特殊场合适用。 2) 从头算(ab initio)方法：HF方法：即基于Hartree-Fock原理的方法 关键词：HF，RHF，UHF，ROHF说明：I)当关键词为HF

11、时，会自动根据自旋多重度选择 RHF还是UHF；Ii)ROHF为限制性开壳层HF方法，与UHF区别在 此时除了成单电子外，其余的和电子仍配对，通常该方法得到的能量要较UHF略高。Iii)HF方法可以看作是最低级的从头算方法，该方 法除了在构型优化时有使用外，不适合计算能量。密度泛函方法(DFT)：基于电荷密度自洽的方法关键词：B3LYP等根据所采用的相关和交换泛函，可以选择不同的DFT方法，具体参见g98的帮助文件。其中B3LYP方法是使用最为广泛的DFT方法，由于DFT方法考虑了电子之间的相关作用，因此得到的能量要较HF来得精确，它是目前最常用的量子化学计算方法。其缺点是，构型优化得到的键长

12、通常偏长。MPn方法：关键词：MP2,MP3, MP4, MP5说明：I)这些方法在HF基础上，进一步根据MP微扰理论考虑电 子相关作用，微扰项截至到二阶则为MP2，截至到三阶 则为MP3，其它类推，理论上考虑的微扰项越多，得到 的能量越精确，但将大大增加计算量，而且通常也无此 必要，多数场合选取MP2即可。说明：Ii)对于该类方法，硬盘和内存通常开销较大，应考虑 具体的硬件考虑之，其中对于硬盘空间的设置见文件 Default.Rou内容，另外，必须注意到由于受到操作系 统的限制，中间文件似乎不能超过2GB，此时需设置 多个中间文件，具体见g98说明；耦合簇(Coupled Cluster)方

13、法：关键词：CCD, CCSD(T)说明：I)该类方法与MPn方法一样，也是属于较高精度的计算 方法，其中CCD方法，只考虑了双取代，CCSD则在 CCD基础上进一步考虑了单取代； Ii)与MPn方法类似，该类方法计算量较大，通常只适用 小体系。 (2).基组的选择：1). 全电子基组： 关键词：sto-3g, 3-21g, 4-31g, 6-21g, 6-31g, 6-311g, d95/d95v 说明：I). 不同的基组适用范围是不同的：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)说明：ii)基组的大小决定了基函数的数目，即体系的原子轨道 数目，因此可从所选择的基组来推断MO数目： sto3g：为最小基组，每个原子轨道用三个高斯函数 (GF)来描述，原子轨道数即为基函数数目。 如O：1s2s2p，原子轨道数为1+1+3=5 GF数目为3*5=15321g：为劈裂(split)基组，其含义是：内层的每个AO 用3个GF描述，价层的AO劈裂为两组，分别用 2个和1个GF描述。显然，321g的GF数与sto- 3g是相同的。 如O：内层为1s，AO数为1，GF数为3 价层2s的AO数为2*1=2，GF数为2+1=3 价层2p的A

15、O数为2*3=6，GF数为3*2+3*1=9 共1+2+6=9个AO和3+3+9=15个GF 对Mg：1s 2s 2p 3s 3p 内层1s, 2s和2p共有1+1+3=5个AO和3*5=15 个GF，价层3s有2个AO和3个GF，价层3p有 6个AO和9个GF，故共5+2+6=13个AO和 15+3+9=27个GF说明：631g：为劈裂(split)基组，其含义与3-21g类似，内层的 每个AO用6个GF描述，价层的AO劈裂为两组，分 别用3个和1个GF描述。 如O：内层为1s，AO数为1，GF数为6 价层2s的AO数为2*1=2，GF数为3+1=4 价层2p的AO数为2*3=6，GF数为3

16、*3+3*1=12 共1+2+6=9个AO和6+4+12=22个GF 对Mg：1s 2s 2p 3s 3p 内层1s, 2s和2p共有1+1+3=5个AO和6*5=30 个GF，价层3s有2个AO和4个GF，价层3p有 6个AO和12个GF，故共5+2+6=13个AO和 30+4+12=46个GF 6311g：也为劈裂基组，自是价层的AO劈裂为3组，分别 用3个、1个和1个GF描述。 对于4-31g和6-21g类似。Iii)极化(polarization)函数的使用： 在实际计算中，有时需在上述标准基组的基础上，添加一个或多个极化函数，极化函数是指具有比原子价轨道更高角量子极化函数是指具有比原

17、子价轨道更高角量子数的高斯函数数的高斯函数。例如H的价轨道为1s，则其极化函数为p型GF，同样对C、O等价层为p轨道的原子，它们的极化函数应为d型或f型轨道，类似地，对于过渡金属原子的极化函数为f型轨道。 极化函数的使用目的在于使原子价轨道在空间取向上变得使原子价轨道在空间取向上变得更更“柔软柔软”，从而使之易于与其它原子的轨道成键：例如对于羰基基团中的C，O原子，它们极化轨道(即d轨道)之间形成的d轨道，使得C原子的p轨道朝O方向极化，O的p轨道向C方向极化，从而增强了C与O之间的作用。由于极化轨道的使用增强价轨道的空间柔软程度，因此其使用场合主要在于环状化合物环状化合物，例如有机环状化合物

18、以及含有桥联结构的金属簇合物等。使用方法： 在标准基组后加“*”，“*”，(d)，(d,p)，(3df,3pd)等例：6-31G*, 6-31G(df,pd)说明：当只添加一个一个极化函数时，可使用下述表示：“*”等价于(d)，含义是对非氢原子非氢原子添加一个极化轨道；“*”等价于(d,p)，含义是对非氢原子非氢原子添加一个极化轨道的同时 对H原子添加一个p极化函数；当添加多个多个极化函数时，使用下述表示：(?d,?p)，表示对非H原子和H原子分别添加？个极化轨道 如：6-31G(3d,2p)(?df,?pd), 表示对非H原子添加?个极化函数和1个具有更高角 动量的极化函数; 对H原子分别添

19、加?个p极化函数和 1个d极化函数; 例如, 对H2O计算时采用6-31G(2df,3pd)基组,其含义是: 对其中的H原子,在6-31G基组上在添加3个p轨道和 1个d轨道; 对O原子, 则在6-31G基组上添加2个d轨道和 1个f轨道.对于不同的基组,可添加的极化函数数目是不同的, 具体可参照程序手册:iv) 弥散函数(diffuse)的使用: 对于带有较多电荷带有较多电荷的体系,采用标准的基组来描述是不够的, 此时需添加弥散函数,以增加价轨道在空间上的分布范围增加价轨道在空间上的分布范围, 即: 极化函数用于改进价轨道的角度分布, 弥散函数则用于改 进价轨道的径向分布. 弥散函数是指具有

20、较小轨道指数的高斯函数, 其表示方法是 在标准基组后加上“+”或“+”, 如6-31+G, 6-31+G*等, 其中 第一个“+”表示对非H原子添加弥散函数, 第二个“+”则对H原 子添加弥散函数. 弥散函数主要用于带有电荷的体系带有电荷的体系(包括离子)以及弱作用体系弱作用体系.2) 赝势基组： 关键词：lanl1mb,lanl2mb,lanl1dz,lanl2dz, cep-4g,cep-31g,cep-121g,sdd等 说明： 通常对于重元素采使用赝势基组，其中，对于过渡金属原子 一般使用lanl系列的基组，对于主族元素采用cep系列的基组， sdd基组相对较少使用； 赝势基组的适用范

21、围要较全电子基组来得广，一般除了稀土 和放射性元素外，均可使用赝势基组； 赝势基组是将内层原子的影响用势函数来代替，因此，在使在使 用时必须注意根据所采用的赝势基组，检查体系的总电子数用时必须注意根据所采用的赝势基组，检查体系的总电子数 是否正确是否正确！ 对lanl1系列的基组，只考虑价层电子；如V原子为5. 对lanl2系列的基组，除了价层电子外，还考虑了次外 层的电子(对部分主族元素例外)；如V原子为5+8=13. 对其它赝势基组，请在使用时仔细核查。 对于使用较多的lanl系列基组，需注意： 对于HNe范围的原子，lanl1mb和lan2mb基组等价于 sto-3g最小基组；lanl1

22、dz和lanl2dz基组等价于d95基组; 对于含金属金属键体系一般使用lanl2系列，而不用 lanl1系列； mb结尾含义为minimal basis，dz结尾含义为double -zeta，故后者基函数数目要较前者多。3) 混合基组的使用: 有时, 因需要, 对同一化合物中的不同原子采用不同的基组:受基组限制: 例如, 对于Mo(CO)2+化合物, C和O原子可采用6-31+G基组, 但 Mo原子不在6-31G基组的使用范围之内. 受体系大小限制: 当体系较大时, 不可能对所有原子均采用较大的基组, 此时可 对其中的局部原子采用精度较高的基组来描述,而对其余原子 采用小基组来描述, 例如

23、:混合基组输入方法: 关键词: GEN和PSEUDO=READ(对赝势基组对赝势基组)%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*整数0为结束标志4个*用于分隔不同基组改行也可用数字代替,即2 3 4 5 0(编号时不包含虚原子)%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使用赝势基组时,应注意不能漏应注意不能漏!基组定义部分赝势定义部分,注意不能漏, 另外其后没有*号赝势部分和基组部分之间有一空行(3) G98输出结果: 下面以H2O能量计算的输出结果为例:L1输出G98版权信息%部分内容关键词部分计算所需调用的模块Title内容电荷, S以及分子构型各原子的直角坐标距离矩阵需核查需核查!注意注意:计算结果是以该坐标系为准计算结果是以该坐标系为准需核查需核查!MO初始猜测自洽场迭代求解部分自洽场迭代求解部分收敛指标收敛指标迭代次数迭代次数(通常接近通常接近2.0)(布居分析结果布居分析结果)MO对称性及能级对称性及能级(a.u.)Mulliken键级和电荷键级和电荷偶极矩及多极矩偶极矩及多极矩对主要计算结果进行总结