分子模型的构建及优化计算实验讲义

1、实验9分子结构模型的构建及优化计算一、目的要求1 .掌握Gaussian和GaussView程序的使用。掌握构建分子模型的方法，为目标分子设定计算坐标。能够正确解读计算结果，采集有用的结果数据。二、实验原理量子化学是运用量子力学原理研究原子、分子和晶体的电子结构、化学键理论、分子间作用力、化学反应理论、各种光谱、波谱和电子能谱的理论，以及无机、有机化合物、生物大分子和各种功能 材料的结构和性能关系的科学。Gaussian程序是目前最普及的量子化学计算程序，它可以计算得到分子和化学反应的许多性所，如分子的结构和能量、电荷密度分布、热力学性质、光谱性质、过渡态的能量和结构等等。GaussView是

2、一个专门设计的与Gaussian配套使用的软件，其主要用途有两个：构建Gaussian的输入文件；以图的形式显示Gaussian计算的结果。本实验主要是借助于GaussView程序构建Gaussian的输入文件，利用Gaussian程序对分子的稳定结构和性质进行计算和分析。三、软件与仪器.软件：Gaussian03、GaussView 计算软件，UltraEdit 编辑软件。.仪器：计算机1台。四、实验步骤(View T Builder ； I ),1 .利用GaussView程序构建Gaussian的输入文件 打开GaussView程序，如图9-1所示，在GaussView中利用建模工具如图

3、9-2所示，在程序界面元素周期表的位置处找到所需的元素，单击即可调入该元素与氢元素的化合物。P lie I )fi e*A L2：til t x W in腥KelpMr-SK-IkK X F孩 L 邪，。8Current Fr tgnT*tr iJisdr *1futIdFL宜图9-1 GaussView打开时的界面Select EleaentEE回囤习叵回回 萨匪*制血画回画叵回|固囤国叵回0 H0HEH0 函叵回SB 画回两 回囤囤.可回画囤囤囤函回B回函阪|讥回回囤回画囤冈画画SS函Select Hydrog;en 8陌I 口 L t：ogenAtom图9-2点击Builder及双击图标

4、后出现的元素周期表窗口图若要构建像乙烷这样的链状分子，需要先点击工具栏中的按钮，常见的链状分子就显示在新打开的窗口中，如图9-3所示。图9-3常见链状官能团窗口图若要构建像苯、荼等环状结构的分子结构，需要双击工具栏中的按钮，常见的环状有机分子就显示在新打开的窗口中，如图 9-4所示。进行分子的基本构型搭建后，在进行元素及键型、特殊基团的选择，重现构建分子直至构建为所需分 子。选定要编辑的原子后，在对原子之间的键长、键角或者二面角进行选定，输入所需要的键长、键角或二 面角值。要求学生练习构建H2O、CH4、乙烯和乙醛等分子的构型。绘制出分子的结构式后，把图形保存成路径gjf文件（File f S

5、ave,取名为*gjf，注意文件名和都不能包含中文字符）图9-4常见环状官能团窗口图构建分子成功后，可以利用GaussView查看分子的对称性和坐标。从Edit f point group路径可以查看所构建的分子点群；从 Edit f atom list路径可以产看所构建的分子内坐标和直角坐标。2数据文件的修改使用UltraEdit软件打开刚才保存的gjf文件，在Route Section行中输入计算构型及能量所需的方法，使用方法及关键词为#p HF/6-31G (d) opt ( maxcycle=300) freq，即可提交Gaussian程序进行分子优化及频率计算，得到该分子的最稳定结构

6、。对计算得到的稳定构型，关键词为#pHF/6-31G( d) pop=full，即可得到分子的性质。3分子结构的几何优化及振动频率计算采用Gaussian 03程序包进行几何优化及频率计算。双击桌面上的g03w.exe图标，此时出现如图9-5所示的窗口，打开计算数据文件，File f Open-指定文件，此时出现如图9-6所示的窗口，点击开始运算。分子结构的计算结果文件保存为相应的out文件。计算过程中，主程序窗口不断显示计算进程，当“Run progress栏内显示Processing Complete时，计算已完成，此时在本窗口底部可以看到“Normal termination of Ga

7、ussian.”字段。完成计算后，关闭Gaussian软件窗口。图9-5图9-64 .展示优化的稳定分子结构*out,采用Gauss View软件可观测分子的构型。用GaussView程序打开计算得到的数据文件利用主窗口中的“Modify Bond ”、“Modify Angle和“Modify Dihdral工具，借助鼠标即可显示分子中特定键长、键角和二面角的几何参数。记录个分子优化后的结构参数，其中键长保留三位小数，单位为埃（）；键角和二面角保留一位小数，单位为度（。GaussView可采用不同的形式展示分子三维结构，如球键模型、球棍模型等。通过分子模型的旋转、平移和缩放带来生动的立体效果

8、，通过控制鼠标来从不同角度观察分子在空间的形状。Shift+鼠将鼠标放在分子上，前后移动，可以将分子放大或缩小，左右移动，可以将分子旋转。标左键”组合可以在平面内平移分子。当工作窗口内有多个分子时，可以用“Shift +Alt+鼠标左键”组合移动想要移动的分子，以调节各个分子间的距离，可以用“Ctrl +Alt+鼠标左键”组合，调节其中一个分子的角度，以调节各个分子间的角度。五、注意事项1 .利用GaussView搭建分子模型后，一定要注意检查分子的对称性，体系的对称性直接影响着下面的计算。2图形文件保存成gjf文件时，注意文件名和路径都不能包含中文字符。数据记录与处理1.优化构型使用Ultr

9、aEdit软件依次打开各*.out文件，在“Search菜单下点击“Find；搜寻各文件中Optimization completed字段。鉴于优化构型为分子势能面上的极低点，故以表 9-1所示的四项“ Con verge nee Criteria均达AES ”为构型优化收敛的判据。利用鼠标向前翻页可以看到构型优化过 程的 自洽迭代细节。表9-1 HF/6-31G（d）水平下优化水分子构型收敛细节ItemValueThresholdCon verged?Maximum ForceRMS ForceMaximum Displaceme ntRMS Displaceme nt0.0004500.0

10、003000.0018000.001200YESYESYESYES使用UltraEdit软件依次查看各*.out 文件中Optimization completed ”字段之后的Standardorientation，记录各分子的优化构型（直角坐标数据）。2 .分子能量及前线轨道分析使用UltraEdit软件依次查看各*.out文件中分子的总能量E （总）、电子动能隹、电子与核的吸引能 PE、电子排斥能EE、核排斥能NN （单位为Hartree，有效位数取至小数点后五位）；前线轨道能级和前线 分子的轨道构成。计算方法要求定性地说明关键词如:B3LPY/6-31G （d） opt （maxcyc

11、le=300） freq ，计算结果要求记录各分子的优化后的结构参数，其中键长保留三位小数，单位为埃（）；键角和二面角保留一位小数，单位为度（；分子的总能量E （总）、电子动能KE、电子与核的吸引能？、电子排斥能EE、核排斥能NN，程序中保留五位小数，单位为Hartree（ 1表9-2分子的结构、能量和轨道性质分子H2Och4C6H 6对称性键长（） 键角（二面角（E （总）KEPEEENNEHOMOELUMO eluMO-HOMOHOMO构成LUMO构成分子的键长、键角和二面角相同的取一个即可，亦可以用图表示；前线轨道构成可以用图表示。七、实验讨论与启示1量子化学理论计算精度决定于计算所用的方法和基组的类型。分子体系的总能量及结构参数会随着 计算所用的方法和基组的不同而略有变化。2对程序初学者，运行程序时往往会产生非正常中断的情况，根据自己的经验总结程序非 正常中断的原因积及其处理方法。八、思考题1以 CH4为例，说明对称性降低会对计算结构产生作用的影响。2 .体系的总能量E （总）与电子动能KE、电子与核的吸引能？、电子排斥能EE、核排斥能NN之 间为何种关系。3. Gaussian程序的输入文件有几部分构成？常用的关键词有哪些？输出文件主要包括哪些内容？九、参考文献12008.李奇，黄元河，陈光巨结构化学