《量子化学》Gaussian软件简介课件

1、Gaussian软件简介第1页，共64页。Gaussian03计算化学面临的挑战是艰巨的，但也正在取得很大的进展，年轻化学家若对计算机有兴趣的话，那末计算化学是具有令人兴奋前景的研究领域。 美国化学会会长 R.布里斯罗第2页，共64页。Gaussian是目前世界上发展最全面，历史最长的量子化学计算商业程序包。Gaussian最早是由Pople等科学家组织编写，并发展的，后来逐步专业化，现在专门成立了Gaussian公司，从事量子化学程序发展和销售工作。类似的公司美国还有不少，biochmi，SGI等。Gaussian程序最早的版本是70年出来的，称为Gaussian70，后来发展了76，80，

2、82，86，88，90，92，94，98，03。第3页，共64页。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Gaussian03 图形工具栏第4页，共64页。Gaussian03 程序工具将.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文件第5页，共

3、64页。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第6页，共64页。%Section:设定作业运行的环境变量 Route Section:设定作业的控制项Title:作业题目电荷与自旋多重度Molecule Specification分子说明Gaussian输入界面第7页，共64页。%chk=water.chk % Section： 行首以%开始，段后无空行%rwf=water.rwf#p hf/6-31g scfcyc=250 scfcon=

4、8 Route Section：行首以#开始，段后加空行 Water 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=104.0Gaussian作业的格式第8页，共64页。% 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=na

5、, %d2e=name.d2e ：.int文件在计算过程中存储双电子积分, .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第9页，共64页。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 M

6、WSCF振动分析 4 MW 9 MW 27 MW MP2能量 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第10页，共64页。Route SectionRoute 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由方法，基组，任务类型三部分组成方法与基组后续

7、课程专门介绍Gaussian程序能完成的任务类型第11页，共64页。Gaussian程序能完成的任务类型Title SectionTitle部分必须输入，但是程序并不执行，起标识和说明作用。第12页，共64页。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 O2 0 2电荷多重度部分通常也算作分子说明第13页，共64页。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

8、殊形式：元素符号, x, y, z分子坐标的格式为：元素符号(n) 原子1 键长 原子2 键角 原子3 二面角原子1，2，3以原子在分子中的序数表示；键角为(0,180)；二面角通过右手规则确定。第14页，共64页。例1：使用HF方法，优化 H2O2分子第15页，共64页。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。内坐标表示 %chk=h2o2.chk%rwf=h2o2.rwf#p hf/6-31g optH2O2 energy calculation0 1 HO 1 0.9O 2 1.4 1 105.0H

9、3 0.9 2 105.0 1 120.0笛卡尔直角坐标表示%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 第16页，共64页。%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=0.9 r2=1.4a

10、1=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第17页，共64页。 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2： C2H4分子平面形分子# HF/STO-3G OPTC2H4 opt0

11、 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第18页，共64页。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对称性第19页，共64页。# HF/STO-3G OPTCH3F C3v opt0 1CF 1 r1H 1 r2 2

12、 a1H 1 r2 2 a1 3 bH 1 r2 2 a1 3 -br1=1.38r2=1.09a1=110.6b=120.0例4： NH3分子分子点群C3V 第20页，共64页。GaussianOverlay1Overlay9,10,11,99L101L102L122Overlay0L0L001Link0：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Overlay99L9999Gaussian 程序的结构第21页，共64页。Gaussian的功能能量、梯度（力）和频率（力常数）方面包含各种SCF方法，RHF

13、，UHF，ROHF等等。分析的梯度和力常数，各种类型CI，各种计算相关能方法。以及几乎所有半经验方法，放在MOPAC的程序包内。几何构型优化求平衡构型，过渡态构型等等各种分子性质电子密度、静电势、多极矩、频率、红外光谱、拉曼光谱，集居数分析、溶剂效应等。计算速度加快同样条件比G88快10余倍。第22页，共64页。作业写出分子 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第23页，共64页。molecule in Z-matrix# HF/STO-3GExample: aldehyde0 1C1O

14、2 1 1.28H3 1 1.10 2 121.0H4 1 1.10 2 121.0 3 180.0Example of CH2O with HF/STO-3G:Input filemolecule in Z-matrix# HF/STO-3GExample: aldehyde0 1C1O2 1 AH3 1 B 2 CH4 1 B 2 C 3 DA = 1.28B = 1.10C = 121.0D = 180.0molecule in Cartesian# HF/STO-3GExample: aldehyde0 1C1 0.00 0.00 0.00O2 0.00 0.00 1.28H3 0.9

15、4 0.00 -0.57H4 -0.94 0.00 -0.57第24页，共64页。NH3的几何构型优化输入窗口第25页，共64页。NH3的振动频率计算输入窗口（作为优化的后继作业）第26页，共64页。 Gaussian应用范围 Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以研究：分子能量和结构过渡态的能量和结构化学键以及反应能量分子轨道偶极矩和多极矩原子电荷和电势振动频率，红外和拉曼光谱，NMR极化率和超极化率热力学性质，反应路径计算可以模拟在气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态第27页，共64页。 Gaussian03的新增功能 -Enhanced ONIOM Met

16、hodQM区：发生强相互作用或反应发生区域MM区：无相互作用区域QM/MM区：由QM区向MM区过渡区域第28页，共64页。ONIOM简介EONIOM2=E3-E1+E2Journal of Molecular Structure(TheoChem) 461-462(1999) 1-21ONIOM:our own n-layer integrated molecular orbital and molecular mechanics第29页，共64页。 应用范围酶反应有机体系的反应机理表面和表面反应的簇模型有机物种的光化学反应有机物和金属有机物的取代基效应和反应性均相催化Application

17、of ONIOM to cluster modeling of the metal surface Hai-Rong Tang, Kang-Nian FanDepartment of Chemistry, Fudan University, Shanghai 200433第30页，共64页。 应用实例“Investigation of the S0-S1 excitation in bacteriorhodopsin with the ONIOM(MO:MM) hybrid method,” T. Vreven and K. Morokuma, Theor. Chem. Acc. (2003)

18、.第31页，共64页。 Gaussian 03的新增功能-PBC(Periodic Boundary Conditions)polymerssurfaces crystals NaCl型晶体结构第32页，共64页。 PCM(Polarizable Continuum Model)体系在溶液中的激发态能量以及激发态的相关性质NMR 谱和磁性质通过分析能量的二阶导数来计算振动频率、IR和Roman光谱以及相关的性质极化率和超极化率运算方面的改进第33页，共64页。 Molecular Properties自旋-自旋耦合常数 g张量以及其它的超精细光谱张量 谐性振-转耦合常数 非谐性振动及振-转耦合

19、 预共振Raman光谱 旋光性以及旋光色散 电子圆二色性(ECD) 含频极化和超极化 用量度无关原子轨道(GIAO)方法计算磁化率 ONIOM预测电、磁特性 预测气相和在溶剂中的电、磁特性和光谱 第34页，共64页。 GaussView 3.0第35页，共64页。 MM区QM区ONIOM图形界面第36页，共64页。PBC图形界面第37页，共64页。Visualizing Gaussian Results分子轨道原子电荷由电子密度、静电势场、NMR屏蔽以及其他性质得到的表面。可以用实体、半透明和网格三种方式显示。使用不同的颜色来标记不同部分表面的性质用动画的方式来演示振动频率用动画的方式来演示几

20、何优化过程、势能面扫描、IRC反应路径 采用BOMD和ADMP动力学计算的轨迹第38页，共64页。The NMR shielding densities for the methine proton (surface 1) and the phenyl proton (surface 2) in in- 3(4,10) 7 metacyclophaneSurface1Surface2Displaying Surfaces第39页，共64页。Viewing Spectra855.9 1857IR Vibration for Ammonia 第40页，共64页。VCD spectra for tw

21、o conformations of spiropentyl acetate, a chiral derivative of spiropentane Viewing Spectra第41页，共64页。Visualizing and Manipulating Molecular Orbitals第42页，共64页。Animating Optimizations and Reaction PathsSteps from a geometry optimization of benzeneThis sequence displays a series structures from an Intr

22、insic Reaction Path (IRC) calculation of the 1,2 hydrogen shift reaction in which formaldehyde transforms into trans hydroxycarbene第43页，共64页。 Chem3D Ultra 8.0 图形显示功能第44页，共64页。Molecule第45页，共64页。Enhanced GraphicsSpin about X(Y,Z) axis第46页，共64页。Enhanced GraphicsMolecular OrbitalsHOMOBenzeneLUMO第47页，共64

23、页。Solvent Accessible SurfaceEnhanced Graphics第48页，共64页。Depth FadingEnhanced Graphics第49页，共64页。Perspective Enhanced Graphics第50页，共64页。Gaussian Interface第51页，共64页。Gaussian InterfaceJob TypeComputer PropertiesMinimize EnergySpectral AnalysisHartree-Fock B3LYPB3PW91B3P86B1B96B1LYPMP2MP4MPW1PW91QCISDCASS

24、CFExcited StateMolecular MechanicsSemi-EmpiricalZINDOG1G2G961LYPBHandHBhandHLYPCBS-4CBS-QTheory第52页，共64页。Gaussian InterfacePropertiesSCF EnergyRMS ForceDipoleChargesElectron DensityMolecular SurfacesSpin DensityHyperfine Coupling ConstantsPolarizabilitiesIonization PotentialSolvent ModelGas PhaseDip

25、ole & SpherePCM ModelI-PCM ModelSCI-PCM Model第53页，共64页。优化过程模拟以动画形式连续显示优化过程第54页，共64页。显示Gaussian计算结果GaussView界面Chem3D界面第55页，共64页。输出格式Chem3d *.c3dChem3d 3.2 *.c3dAlchemy *.alcCart Coords 1 * cc1Cart Coords 2 * cc2ChemDraw * cdxConn Table *.ctGamess Input *.inpGaussian Input *.gjcInt Coords *.intMacroMo

26、del *.mcmMDL MolFile *.mol mmCIF *.cifMSI ChemNote *.msmMOPAC Input *.mopProtein DB *.pdbROSDAL *.rdlSMDFile *.smdSYBYL *.sm1SYBYL2 *.sm2Tinker MM2 Input *.xyzTinker MM3 *.xyzTinker MM3 (Proterins) Inputs *.xyzBitmap *.bmpEnhanced MetaFile *.emfGIF Compressed Picture *.gifJPEG Compressed Picture *.j

27、pgPNG *.pngPostScript *.epsQuickDraw3D Metafile *.3dmTIFF *.tifWindows AVI Movie *.avi第56页，共64页。 计算化学理论和应用 第一讲2005.3.4Computational Chemistry laboratory Beijing Normal university第57页，共64页。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第58页，共64页。(二) Gamess程序包（主要包括从头计算）(General Atomic and Molecular Electronic Structure System)从头计算也包括各种SCF方