分子平衡几何构型优化及分子性质计算

1、一、实验目的1、学会从实际操作出发，掌握程序的使用，得到正确的数据。2、学习Gaussian程序使用，运用程序进行凡种分子模型的构建及优化。3、利用Gaussian程序对分子体系薛定谬方程所代表的化学理论加深理解。4、掌握构建分子模型的方法和分子儿何构型的输入方法，为目标分子设定计算 坐标，模拟化学分子，能够正确解读计算结果，采集有用的结果数据。二、实验原理1、Gaussian程序可以作为功能强大的工具，用于研充许多化学领域的课题，例 如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能等等。它还可以预言分子和 化学反应的许多性质，如，分子能量和结构、过渡态的能量和结构、电子密度分 布、热力学性质、

2、振动频率、红外和拉曼光谱、NMR化学位移、极化率和静电 势，等等。本实验教材的重点，通过驻点（分子和反应势能面上的极小点和鞍点） 的优化和性质计算，进行结构与性质关系的预测和化学反应动力学，包括反应速 率和反应机理的预测。2、HF方程自洽场近似：在结构化学中，“变数分离”方法对于单电子体系（氢原 子和类氢离子）的Schrodinger方程进行精确求解。但是对于多电子的分子体系， 由于第i个电子与其余电子间的排斥能取决于所有电子的坐标，使这种分离变为 不可能。但可以在定核近似下将核的运动分离出去后，在固定的核势场中近似求 解多电子体系的能量本征方程。具体做法是，对第i个电子，可以假定一个单电子的

3、分子轨道（单电子近似），并 将它用现成的原子轨道线性展开（LCAO近似）。这时，Schr6dinger方程由微分方 程变成一个齐次线性的代数方程组。求解该方程组，即求各分子轨道能级及相应 的分子轨道展开系数。具体过程是在给定的核坐标下，先猜测一组展开系数（极 端情况均为0）,代入方程组得到一组新的系数，再代入方程组求解，周而复始, 直到前后两组系数相同，称为“自恰场迭代”。这就是HF自恰场分子轨道方法。3、基组用于描述体系波函数的若干具有一定性质的函数。基组是量子化学从头 计算的基础，在量子化学中有着非常重要的意义。洌rgl, A） = （x- 4）lx（y- Ay）ly（z- A）lzxex

4、pKO-A），A: Gauss函数中心I：角量子数三、仪器设备与软件计算机、GaussView程序、Gaussian程序四、实验数据处理（一）、在水分子中（、分子总能（与以及电子动能（幽、电子与核的吸引能 （庄）、电子排斥能（E於和FMO能（即HOMO与LUMO能）,核对各能量之间的关 系；分子中的各个原子上的静电荷以及化学键的键电荷，分子的偶极矩。核排斥能（9. 2065538966a u.分子总能（-76. 0232281985a u.电子动能（雁）75. 81500790115a u.电子与核的吸引能（物-198. 9309839994a. u.电子排斥能（庞）37. 886194003

5、19a. u.HOMO 能-0. 49716a u.LUMO 能0. 21238a u.（2）核对各能量之间的关系分子总能 Etot = ZJIe EE + NN与分别为-20. 56036, -1. 34091, -0. 70404,-0. 56899 , -0. 49716 得Etot =-76. 02256011与程序运算出的结果-76. 0232281985比较相近，误差计算得0. 0008788%o可 知该计算方法可行。（3）分子中的各个原子上的静电荷0-0.673213H0.336606H0. 336606（4）化学键的键电荷=0. 308856ex2=0. 617712e（5）分

6、子的偶极矩=2. 1842（二）、请记录第二题至第七题中第一次和最后一次的分子总能，偶极矩，原 子电荷，分子儿何构型。（2）田0分子的几何构型优化102H 1 rl3H lr2 2 alEtot（a.u.）各原子电荷（e）点群分子几何构型偶极矩优化前-76. 022541656710-0. 6763172H0.3376703H0.338647Csrl=0. 960 r2=0. 970 al=104. 52.1911优化后-76. 02361510-0.6706862H0.3353423H0.335344Csrl=0. 943043r2=0. 943061al=105. 9682. 1476H2

7、0分子结构的优化102H 1 rl3H 1 r 2 alEtot(au)各原子电荷(e)点群键长r(A)键角偶极矩优化前-76. 022985082810 -0. 6745822H 0. 3372912H 0. 337291c2vrl=0. 960 a2=104. 52.1870优化后-76. 02361510 -0. 6706862H 0. 3353433H 0. 335343c2vrl=0. 943053 al=105. 96822.1476乙烯分子结构的优化1C2CIrl3Hlr22al4Hlr22al 3180.05H2r21al 30.06H2r21al 40. 0Etot(au)各

8、原子电荷(e)点群键长r(A)键角偶极矩优化前-78.0375635128C-0. 256016C-0. 256016H 0. 128008H 0. 128008H 0. 128008H 0. 128008D2hrl=l. 320 r2=l. 090 al=120. 00.0优化后-78.0388415C-0.254369C-0. 254369H 0. 127184H 0. 127184H 0. 127184H 0. 127184D2hrl=l. 316479r2=l. 076391 al=121. 7440.0CHsF的结构优化1C2F Irl3Hlr2 2 al4Hlr2 2 al 3 a

9、25H1 r2 2 al 3 一 a2Etot (a u)各原子电荷(e)点群键长r(A)键角偶极矩优化前-139. 038953831CO. 083769F-0. 408530H 0. 108254H 0. 108254HO. 108254Gvrl=l. 380 r2=l. 090 al=110. 6 a2=12O. 02. 0454优化后-139. 0397359C 0. 086603F-0. 407186H 0. 106861HO. 106861H 0. 106861Gvrl=l. 365 r2=l. 083 al=109. 2 a2=12O. 01. 9819(6-l)C2H2分子的结

10、构优化6J.26 22| IHcc1111111111.09攻3文1C2C1 rl3X11. 0290. 04X21. 0190.030. 05H1 r2 390.02180.06H2 r2 490.01180.0Etot (a u)各原子电荷(e)点群键长r (A)键角偶极矩优化前-76. 8089840259C -0. 247270C -0. 247270H 0. 247270HO. 247270Dcohrl=l. 260r2=l. 0900. 0优化后-76. 8218374C -0. 233445C-0. 233445H 0. 233445HO. 233445Dcohrl=l. 186

11、066r2=l. 0568780. 0(6-2)计算吠喃CHO分子的结构Etot (& u)各原子电荷(e)点群键长r(A)键角偶极矩优化前-228. 6229328760 -0. 599644C 0. 173718C 0. 173718C-0. 208696C-0.208696H 0. 176472H 0. 176472HO. 158328H 0. 158328rl= 1.400 r2= 1.350 r3= 1.080 r4= 1.090al = 107.0 a2= 108. 0 a3= 0.0 a4=120. 0a5=127. 0 a6=180. 01. 0915优化后-228. 6329

12、4150-0.543418C0.169040C0.169040C-0.223076C-0.2230766H0.1661587 H0.1661588H0.1595889H0.159588rl= 1.344 r2=l. 339 r3 =1.068 r4=l. 070 al=107. 1 a2=110. 8 a3=0. 0 a4=116. 292 a5=126. 704 a6=180. 00. 7715ala3a2a3a2a6a4a6a4a3a5a3a511 11r r rr2r3r3r4r44C5C6H7H8H卯102C3C五、分析讨论1、在处理线性分子（如C02、C2H2）时，为何要使用虚原子（

13、x）?使用虚原子主要目的是1）避免键角180或接近180。，则无法形成有效二面 角2）保持分子对称性需要3）利用实验数据来处理些特殊问题。2、内坐标的定义，特别是平面和非平面二面角的右手规则。内坐标是描述体系内部运动的坐标。坐标平面内坐标轴上的点横坐标x与纵坐 标y二者至少有一个为0,当且仅当该点是原点时x与y同时为0,所以有xy=0.对于N 原子分子，其内坐标共有3N6 （直线型分子为3N5）个。常用的内坐标有三种， 键长、键角和二面角，即用键长、键角和二面角定义原子核的位置。平面二面角的右手规则：用右手，大拇指竖直，与四指垂直.然后四指按顺序指 向形成平面的三个原子，此时大拇指的方向为法向量1,以此方法得到另一个平 面的法向量2,如果方向相同，则两平面的二面角为0,如果相反，则两平面的 二面角为180.非平面