Gaussian程序使用：分子平衡几何构型优化及分子性质计算

1、Gaussian 程序使用：分子平衡几何构型优化及分子性质计算【实验目的与要求】 计算化学，其本质是对分子体系薛定谔方程所代表的化学理论通过大型电脑 程序的求解， 模拟化学的各种实验研究。 作为一门计算化学实验课程， 主要目的 是从实际操作出发， 掌握程序的使用， 以便得到预期的结果。 对于所涉及的理论 和方法，只要求结合程序的演算能够定性予以理解。 本实验主要涉及优化分子几 何构型的程序输入及计算结果的解读。【实验原理】1. 在结构化学中，曾用“变数别离”方法对于单电子体系 （ 氢原子和类氢离 子） 的 Schr?dinger 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

2、其余电子间的排斥能取决于所有电子的坐标，使这种别离变为不可能。 但可以在定核近似下将核的运动别离出去后， 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，Schr?dinger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

3、”。这就是HF自恰场分子轨道方法。2. 量子化学中的基组是用于描述体系波函数的假设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。 在量子化 学计算中，根据体系的不同，需要选择不同的基组，构成基组的函数越多，基组 便越大，计算的精度也越高，计算量也随之增大。要提高量子化学计算精度， 必须加大基组的规模， 即增加基组中基函数的数量， 增大基组规模的一个方法是劈裂原子轨道， 也就是使用多个基函数来表示一个原 子轨道。劈裂价键基组就是应用上述方法构造的较大型基组， 所谓劈裂价键就是将价层 电子的原子轨道用两个或以上基函数来表示。常见的劈裂价键基组有3-21G、

4、4-21G、4-31G、6-31G、6-311G等，在这些表示中前一个数字用来表示构成内层 电子原子轨道的高斯型函数数目，“ -”以后的数字表示构成价层电子原子轨道 的高斯型函数数目。如6-31G所代表的基组，每个内层电子轨道是由6个高斯型 函数线性组合而成， 每个价层电子轨道则会被劈裂成两个基函数， 分别由 3个和 1 个高斯型函数线性组合而成。劈裂价键基组能够比STO-NG基组更好地描述体系波函数，同时计算量也比最 小基组有显著的上升需要根据研究的体系不同而选择相应的基组进行计算。【实验内容】1. 输入的基本组成部分。如下图：命令部分：作业类型部分总是必需的，它以第一行的第一列用符号“ #

5、”开始, 此行的其余部分是自由格式。#p HF/ST0-3G为不优化仅仅用此方法计算得出结 果。#p HF/ST0-3Gopt=z-matrix 表示对所输入变量进行循环，找到满足最大力、 均方根力、最大位移、均方根位移的结果。标题输入部分：这一部分也是必需的，但程序并不执行，它出现在最后结果中， 起标示和说明作用，应该是作业的特征信息。该部分也以一个空行结束。分子输入：这一部分第一行是分子的电荷和自旋多重度。例如，闭壳层中性分 子输入“01 ”，带电的负离子自由基为“ -1 2”。其余的行说明原子核的相对 位置，用内坐标输入最方便。所谓内坐标，是用键长、键角和二面角定义原子核 的位置。2.按

6、以下数据输入关于水分子的计算：1#p HF/6-31G(d,p)Water energy?标题输入部分0 1? ?分子输入OH 1H 1这是HO的HF/STO-3G基态的单点计算(固定核坐标)，未引入变量。假设优化 这些参数则2#p HF/6-31G(d,p) opt=z-matrixWater 6-31G(d,p) structure0 1OH 1 r1H 1 r2 2 a1r2 = 0.97变量说明：这是一个优化过程，优化键长 r1、r2和键角al,并极小化HF/6-31G 能量。3如果分子说明写成：0 1O两个键长为同一变量，意味优化受到限制。通过变量限制可控制分子对称性 ( 此 例为C

7、2v，上例为CS)。4)用相同方法倂p HF/6-31G(d,p) opt=z-matrix) 进行乙烯分子C2v构型优化。 #p HF/6-31G(d,p) opt=z-matrixC2H4 opt01CC1r1H1r22a1H1r22a1H2r21a1 3 0.0H2r21a1r1r2a1opt=z-matrix)进行CHF分子C3v构型优化5用相同方法 (#p HF/6-31G(d,p) #p HF/6-31G(d,p) opt=z-matrix CH3F ( C3v) opt0 1CF1r1H1r2 2aH1r2 2a3bH1r2 2a3-br1r25用相同方法 倂p HF/6-31G

8、(d,p) opt=z-matrix)独立计算GH分子的结构#p HF/6-31G(d,p) opt=z-matrixC2H2 opt0 1CC 1 r1X 2X 1H 2H 16用相同方法 (#p HF/6-31G(d,p) opt=z-matrix)独立计算呋喃分子 C4H4O的结构。#p HF/6-31G(d,p) opt=z-matrixC4H4O opt0 1OC 1 r1C 1 r1 2 a1C 2C 3H 2H 3H 4H 5【实验结果】1H2O分子的能量计算（NN）、分子总能（E）以及电子动能（KE、电子与核的吸引能（PE、电子排斥能（EE 和FMC能（即HOM与LUMC能）,

9、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。NN （nuclear repulsion energy） =9.20655 HartreesE（3 .PE=-198.93098 .关系： E=NN+KE+PE+EE 各原子上的静电荷 (.) 化学键的键电荷 (.)D2-7 ，记录第一次和最后一次的分子总能， 偶极矩，原子电荷，分子几何构型。2HO分子的几何构型优化. D ，原子电荷 (.) 分别为 1O -0.67632 ，2H 0.33767 ，3H 0.33865 ，分子所属 点群为Cs,几何构型如下表所示：CD Cent Atom N1 Length

10、/X N2 Alpha/Y N3 Beta/Z J1 O2 H 1 0.942758( 1)3 H 1 0.941795( 2) 2 105.241( 3). D ,原子电荷 (.) 分别为 1O -0.67069 , 2H 0.33534 , 3H 0.33534,分子所属 点群为Cs,几何构型如下表所示：CD Cent Atom N1 Length/X N2 Alpha/Y N3 Beta/Z J1 O2 H 1 0.943043( 1)3 H 1 0.943061( 2) 2 105.968( 3)3HO分子结构的优化. D ,原子电荷 (.) 分别为 1O -0.67458 , 2H

11、0.33729 , 3H 0.33729,分子所属 点群为 C2V, 几何构型如下表所示：CD Cent Atom N1 Length/X N2 Alpha/Y N3 Beta/Z J1 O2 H 1 0.942614( 1)3 H 1 0.942614( 2) 2 105.446( 3). D ,原子电荷 (.) 分别为 1O -0.67069 , 2H 0.33534 , 3H 0.33534,分子所属 点群为 C2V, 几何构型如下表所示：CD Cent Atom N1 Length/X N2 Alpha/Y N3 Beta/Z J1 O2 H 1 0.943053( 1)3 H 1 0

12、.943053( 2) 2 105.968( 3)(4)乙烯分子Gv结构的优化.D,原子电荷(.)分别为 1C-0.25602 , 2C -0.25602 , 3H 0.12801 , 4H0.12801,5H 0.12801,6H 0.12801，分子所属点群为D2h,几何构型如下表所示：CD Cent Atom N1 Length/X N2 Alpha/Y N3 Beta/Z J11C22C11.318788( 1)33H11.074226( 2)2121.425( 6)44H11.074226( 3)2121.425( 7)3180.000( 10) 055H21.074226( 4)1

13、121.425( 8)30.000( 11) 066H21.074226( 5)1121.425( 9)40.000( 12) 0. ,偶极矩为 0.0000,原子电荷 (.) 分别为 1C-0.25437 ,2C-0.25437 ,3H0.12718, 4H 0.12718, 5H 0.12718, 6H 0.12718 ，分子所属点群为 6,几何构型如下表所 示：CD Cent Atom N1 Length/X N2 Alpha/Y N3 Beta/Z J11C22C11.316479( 1)33H11.076391( 2)2121.744( 6)44H11.076391( 3)2121.

14、744( 7)3180.000( 10) 055H21.076391( 4)1121.744( 8)30.000( 11) 066H21.076391( 5)1121.744( 9)40.000( 12) 0 5 CH3F ( C3v) opt.D,原子电荷(.)分别为 1C 0.08377，2F -0.40853，3H 0.10825，4H0.10825, 5H 0.10825, 分子所属点群为 C3v, 几何构型如下表所示：CD Cent Atom N1 Length/X N2 Alpha/Y N3 Beta/Z J TOC o 1-5 h z 1 C2F11.360832(1)3H11.

15、082144(2)2108.721(5)4H11.082144(3)2108.721(6)3120.000(8)05H11.082144(4)2108.721(7)3-120.000(9)0.D,原子电荷(.)分别为 1C 0.08660，2F -0.40719，3H 0.10686，4H0.10686,5H 0.10686, 分子所属点群为 C3v, 几何构型如下表所示：CD Cent Atom N1 Length/X N2 Alpha/Y N3 Beta/Z J1 C2F11.364820(1)3H11.082638(2)2109.185(5)4H11.082638(3)2109.185(

16、6)3120.000(8)05H11.082638(4)2109.185(7)3-120.000(9)0(6) C 2H2 分子的结构. ，偶极矩为 0.0000，原子电荷(.) 分别为 1C-0.24727，2C-0.24727，3H0.24727，4H 0.24727,分子所属点群为DU,几何构型如下表所示：CD Cent Atom N1 Length/X N2 Alpha/Y N3 Beta/Z J1 1 C2 2 C 1 1.163942( 1) ( 2) 1 90.000( 6)( 3) 2 90.000( 7) 3 0.000( 10) 03 H2 1.053127( 4) 3 9

17、0.000( 8) 1 180.000( 11) 04 H1 1.053127( 5) 4 90.000( 9) 2 180.000( 12) 0. ，偶极矩为 0.0000，原子电荷(.) 分别为 1C-0.23345 ，2C-0.23345，3H0.23345，4H 0.23345,分子所属点群为 6h,几何构型如下表所示：CD Cent Atom N1 Length/X N2 Alpha/Y N3 Beta/Z J1 1 C2 2 C 1 1.186066( 1) ( 2) 1 90.000( 6)( 3) 2 90.000( 7) 3 0.000( 10) 03 H2 1.056877

18、( 4) 3 90.000( 8) 1 180.000( 11) 04 H1 1.056877( 5) 4 90.000( 9) 2 180.000( 12) 07呋喃 C4H4O 分子的结构.D,原子电荷(.)分别为 10-0.59964 , 2C 0.17372 , 3C0.17372 , 4C -0.20870 , 5C -0.20870 ， 6H 0.17647， 7H 0.17647， 8H 0.15833， 9H 0.15833，分子所属 点群为 C2v, 几何构型如下表所示：CD Cent Atom N1 Length/X N2 Alpha/Y N3 Beta/Z J1 1 02

19、2C11.349886(1)33C11.349886(2)2105.967( 9)44C21.337001(3)1111.267( 10)30.000( 16)055C31.337001( 4)1111.267( 11)20.000( 17)066H21.065250(5)1115.598( 12)3180.000( 18)077H31.065250(6)1115.598( 13)2180.000( 19)088H41.070281(7)2126.956( 14)1180.000( 20)099H51.070281(8)3126.956( 15)1180.000( 21)0最后一次：.D,原子

20、电荷(.)分别为 10 -0.54337，2C 0.16901，3C 0.16901，4C-0.22309 , 5C-0.22309 , 6H 0.16617, 7H 0.16617, 8H0.15960, 9H0.15960, 分子所属点群为 C2v, 几何构型如下表所示：CD Cent Atom N1 Length/X N2 Alpha/Y N3 Beta/Z J11O22C11.343671(1)33C11.343671(2)2107.146( 9)44C21.339105(3)1110.794( 10)30.000( 16)055C31.339105( 4)1110.794( 11)20.000( 17)066H21.068418(5)1116.292( 12)3180.000( 18)077H31.068418(6)1116.292( 13)2180.000( 19)088H41.070276(7)2126.704( 14)1180.000( 20)099H51.070276(8)3126.704( 15)1180.000( 21)0【思考与讨论】1、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