计算材料学实验（燕友果）实验一 利用 gaussian 建模进行单点能计算

1、鲁效庆计算材料学实验11、什么是计算材料学实验？22、计算材料学实验研究尺度：3要解决的问题当前的研究状况，包括计算水平、已解决和尚未解决的问题化合物构型的确定，具体途径包括：实验测定数据、利用软件进行构造等根据现有的计算条件、模型的大小以及所要解决的问题，选择可行的计算方法对计算结果进行加工和提取有用的信息，一般包括能量、轨道组成、电荷、布居和成键分析等3、计算材料学实验计算过程：4 计算模型和方法的选取是保证计算结果可靠性的关键，最理想的情况是：1）所选取的计算模型与实际情形一致；2）采用高级的计算方法。但是，由于受到计算软硬件的限制，在多数情况下，很难同时做到上述两点要求，实际操作中，当

2、计算模型较大时，只能选择精确度较低的计算方法，只有对较小的模型才能选取高级的计算方法。 因此，当确定了一种计算模型和方法后，需对其进行验证，以保证计算结果的可靠性。4、计算材料学实验模型选取：5假使当前的研究对象是化合物A，可通过下列途径进行验证：1)与A化合物现有实验结果之间的比较；2)若无实验方面的报道，可对与A类似的化合物B进行研究，此时以B的实验结果作为参照；3)当上述方法行不通时，可以采用较大模型和较为高级的计算方法得到的计算结果作为参照，该方法主要用于系列化合物的研究：如对A1, A2, A3，先用大模型和基组对A1进行研究，然后以该结果为参照，确定计算量适中的模型和方法并应用于A

3、2,A3。计算模型验证：65、本实验要求：实验考核内容包括：1）实验预习；2）实验操作；3）实验记录；4）实验态度和表现；5）实验报告等。原则上根据上述五个方面进行综合评定。未取得1）- 4)项成绩时，第5）项成绩无效。特别注意：每次实验课后备份自己计算数据，以备课后写 实验报告，或是下次实验课用到。实验报告：1）采用电子版本形式（统一格式），5页以内，侧重结果分析；2）尽量当次实验上完成，最晚一周内上交；3）雷同或是抄袭双方都记为0分；4)本班班长收齐统一上交。7实验报告格式：实验名称*姓名：* 学号：* 班级：* 日期：* 一、实验目的：二、实验原理及方法：三、实验仪器：四、结果分析： 1

4、、* 2、* * * n、*五、总结与感想：保存文件为：实验*（中文大写）_学号*_姓名*.doc 例如： 实验一_08132105_隋雪蕾8实验一 利用 Gaussian 建模进行单点能计算 鲁效庆9一、实验目的1、了解量子化学计算的基本知识,研究思路和计算方法；2、掌握利用 Gaussview 搭建分子模型,分析计算结果；3、熟悉Gaussian 09 计算程序，掌握相关输入方式；4、掌握单点能计算方法, 计算分子的基本信息；5、掌握查看和分析不同分子量化计算属性的方法。 10二、实验原理及方法 Gaussian软件是由诺贝尔奖获得者John Pople主持编写并发布的电子结构计算软件包。

5、Gaussian软件以量子化学从头算和密度泛函理论计算为主，多种计算方法和计算方式兼备的通用软件，根据基本的物理化学理论以大量的数值运算方式来探讨化学系统的性质。 Gaussian软件能提供种类繁多、准确可靠和业界认可的计算结果，包括 :A：计算特定分子结构的能量以及和能量相关的一些性质。 B：完成构型优化，确定全局或局域最小点。 C：计算由于分子内原子间运动所引发的分子振动频率。 除此之外，对于未知或不易观测的化学系统，Gaussian 计算结果还常扮演着预测的角色，提供进一步研究的方向。另外，Gaussian 计算结果也常被用来验证、测试、修正、或发展较高层次的化学理论。 11三、实验仪器

6、Gaussian 09、GaussView 软件，计算机等。四、实验步骤1、GaussView 中搭建分子模型：建立空白的三维文件，准备建立分子结构。点击 File 下的 New 建立3D 新文件，也可从快捷键快速建立。根据计算需求，导入参照分子或相近参照分子结构。修改相应原子或分子团簇。显示所建分子模型的对称性与空间群。点击 Edit下的 Point Group 进行 查看和修改122、Gaussian 09 计算输入： 1) Link 0 命令行 (% Section)：用%号开始，最常用的是确定chk文件名称及位置，以及内存等资源的使用。保留chk文件目的：在进一步的计算中直接读取前面的

7、计算结果(分子构型、SCF初始估计值、频率分析等), 可节省计算时间。意外终止时能从chk文件保存的位置开始继续计算。 这一部分需要出现的关键词有: 计算的理论，如HF(默认关键词，可以不写)，B3LYP，B3PW91； 计算采用的基组，如6-31G，LANL2DZ； 布局分析方法，如Pop=Reg；波函数自恰方法，如SCF=Tight。2) 路径部分 (Route Section)：以“#”开始，设置计算要采用的理论方法，采用的基组，所要进行的计算的种类等信息。默认的计算种类为单点能计算，关键词为SP，可以不写。 134)分子说明部分（Charge & Multipl）: 首先是电荷和自旋多

8、重度（Charge & Multipl）：电荷就是分子体系的电荷了，没有就是0，自旋多重度就是2S+1，其中S是体系的总自旋量子数，也可以用单电子数加1。没有单电子，自旋多重度就是1。 然后是分子几何构型：一般可以用迪卡尔坐标，也可以用Z-矩阵(Z-Matrix)。 3) 标题行 (Title Section): 一般含有一行，如果是多行，中间不能有空行。在这里描述所进行的计算。多步计算：Gaussian支持多步计算，就是在一个输入文件中进行多个计算步骤。143、分子模型单点能计算 单点能计算是指对给定几何构性的分子的能量以及性质进行计算，由于分子的几何构型是固定不变的，只是“一个点”，所以叫

9、单点能计算。 单点能计算可以用于： 计算分子的基本信息 可以作为分子构型优化前对分子的检查 在由较低等级计算得到的优化结果上进行高精度的计算 在计算条件下，体系只能进行单点计算 15查看输出文件中的信息: 例2.1 文件e2_01 甲醛的单点能 3.1 标准几何坐标: 找到输出文件中Standard Orientation一行，下面的坐标值即输入分子的标准几何坐标。 3.2 能量: 找到SCF Done：E(RHF)= -113.863697598 A.U. after 6 cycles 这里的数值就是能量，单位是hartree。在一些高等级计算中，往往有不止一个能量值，比如下一行：这里在EU

10、MP2后面数字是采用MP2计算的能量。MP4计算的能量输出更复杂。163.3 分子轨道和轨道能级: 对于按照计算设置所打印出的分子轨道，列出的内容包括，轨道对称性以及电子占据情况，O表示占据，V表示空轨道；分子轨道的本征值，也就是分子轨道的能量，分子轨道的顺序就是按照能量由低到高的顺序排列的；每一个原子轨道对分子轨道的贡献。 这里要注意轨道系数，这些数字的相对大小(忽略正负号)表示了组成分子轨道的原子轨道在所组成的分子轨道中的贡献大小。 寻找HOMO和LUMO轨道的方法就是看占据轨道和非占据轨道的交界处。 3.4 电荷分布: Gaussian采用的默认的电荷分布计算方法是Mullikin方法，

11、在输出文件中寻找Total atomic charges，可以找到分子中所有原子的电荷分布情况。173.6 CPU时间和其他: Job cpu time：0days 0 hours 0 minuites 9.1 seconds。这里是计算的时间，注意是CPU时间。 3.5 偶极矩和多极矩: Gaussian提供偶极矩和多极矩的计算，寻找Dipole moment (Debye)，下面就是偶极矩的信息，再下两行是四极矩。偶极矩的单位是德拜。18例 文件e2_02 甲烷的核磁计算:核磁是单点能计算中另外一个可以提供的数据，在计算的工作设置部分，就是以#开头的一行里，加入NMR关键词就可以了，如：

12、#T RHF/6-31G(d) NMR Test 在输出文件中，寻找如下信息GIAO Magnetic shielding tensor (ppm) 1 C Isotropic = 199.0522 Anisotropy = 0.0000 这是采用上面的设置计算的甲烷的核磁结果，所采用的甲烷构形是用B3LYP密度泛函方法优化得到的。一般的，核磁数据是以TMS为零点的，下面是用同样的方法计算的TMS(四甲基硅烷)的结果：1 C Isotropic = 195.1196 Anisotropy = 17.5214 这样，计算所得的甲烷的核磁共振数据就是，与实验值相比，还是很接近的。19练习文件2_0

13、1 丙烷的单点能练习要点：寻找分子的标准坐标，寻找单点能，偶极矩的方向和大小，电荷分布 练习文件2_02a (RR)，2_02b (SS)，2_02c (RS) 1，2-二氯-1，2-二氟乙烷的能量。练习要点：比较该化合物三个旋光异构体的能量和偶极矩差异。 练习2.3 文件2_03 丙酮和甲醛的比较练习要点：比较甲基取代氢原子后带来的影响，说明能量比较必须在有同样的原子种类和数量的情况下进行。练习文件2_04 乙烯和甲醛的分子轨道练习要点：寻找HOMO和LUMO能级，并分析能级的组成情况。练习文件2_05a，2_05b，2_05c 烷，烯，炔的核磁共振比较练习文件2_06 C60的单点能练习要

14、点：分析C60最高占据轨道。注意在收敛方法选择的时候，要有SCF=Tight，否则有收敛问题。练习文件2_07 计算大小的CPU资源比较本练习比较不同基组函数数量，SCF方法对CPU时间，资源的占用情况。比较传统SCF方法(SCF=Convern)，直接SCF方法(Gaussian默认方法)。20五、分析整理实验数据，写实验报告1. 将结果文件进行整理，给出所构建分子模型的结构参数、空间点群、对称性等。在递交实验报告时，要一并将所构建分子模型以图片格式提交 。2. 根据所学物理、化学知识对计算结果进行分析，在递交实验报告时，要一并将得到的计算结果的性质分析数据作为附件提交。 21显示选中参照分

15、子文件菜单编辑菜单查看菜单参照分子计算相关菜单帮助相关菜单窗口设置菜单分子参数设置结果查看菜单一、界面22打开已有文件建立新文件参数设置退出保存图像保存文本文件File23导出图像分子点群调整原子编号(QST2)晶体周期性结构编辑分子轨道选定原子各原子信息Edit24分子居于正中原子编号元素符号坐标轴调整分子位置显示成键显示H原子分子显示属性创建新文件View25Calculate26Calculate-Gaussian Calculation Setup-Job Type27Calculate-Gaussian Calculation Setup-Method28Calculate-Gaus

16、sian Calculation Setup-Title29Calculate-Gaussian Calculation Setup-Link 030Calculate-Gaussian Calculation Setup-General31Calculate-Gaussian Calculation Setup-Guess32Calculate-Gaussian Calculation Setup-NBO33Calculate-Gaussian Calculation Setup-Solvation34计算完成之后，可用Gaussview查看相关信息（电荷分布，频率，NMR等）Results

17、35Windows36Help37元素环基团Icons38iconpurpose调整/读取键长调整/读取键角调整/读取二面角检查分子结构信息增加一个H原子删掉某个原子交换原子位置点击选定原子框定原子选择所有的原子取消选择所有原子分子参数修改/读取39构建4种不同的链式结构的分子，选取合适的计算类型（SP）、方法、机组等信息，并命名保存；构建4种不同的环式结构的分子，选取合适的计算类型（SP）、方法、机组等信息，并命名保存；不用附带构型，自建两种金属有机分子，修改键长、键角、二面角、分子点群信息，并命名保存；二、Gaussian 09 程序界面Preferences:对Gaussian程序进行初

18、始化设置缺省设置，内存，硬盘等可更改显示属性缺省设置，内存，硬盘等可更改显示属性42G09 计算方法过程图示43开始作业批处理专用打开外部编辑器终止当前作业和批处理在当前作业完成后终止批处理编辑或建立批处理编辑输出文件终止当前作业恢复当前作业当前link后暂停暂停当前作业Gaussian 09 图形工具栏44运行% 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45按照以下操作，用Gaussview构建丙酮分子1. 建立空白的三维文件，准备建立分子结构。点击 File 下的

19、New 建立3D 新文件，也可从快捷键快速建立。实验步骤462. 根据计算需求，导入参照分子或相近参照分子结构。3. 修改相应原子或分子团簇（键长，键角，二面角等）。474. 显示所建分子模型的对称性与空间群。点击 Edit下的 Point Group 进行查看和修改485. 保存成输入文件E:example文件夹，命名为496. 根据计算要求修改关键字，注意空行，保存关键字文件名电荷及自旋多重度分子坐标空行空行Link 0 命令行50# Method/Basis Jobtype (other Commands or Options)HFMPnDFT B3LYPCCSD(T)QCISD(T)C

20、ASSCFSTO-3g6-31-G6-311G 极化函数 弥散函数LANL2DZ 结构优化振动分析过渡态优化反应路径计算布局数分析势能面扫描GuessGeomSymmSCFCYCIOP选项OPT=(calcfc tight)freqOPT= TS QST2 QST3POP=Full NBO分析SCANIRC#T RHF/6-31G(d) opt freq NMR Pop=Reg51二、提交到Gaussian进行计算1. 打开输入文件E:example下的（或者用快捷键）运行也可将输入文件直接拖入Gaussian 09程序界面来提交任务。52选择输出文件的保存位置E:example下的2. 运行

21、53程序运行中界面543. 正常结束，完成计算55L1输出G98版权信息4. 完成计算后，输出文件分析56输入分子的标准几何坐标57能量58分子轨道和轨道能级59电荷分布60核磁结果61对主要计算结果进行总结62偶极矩和多极矩CPU时间和其他63实验报告内容自建一分子模型，采用3种不同的方法在相同的基组下进行计算；同一个分子模型，采用同一种方法在3种不同的基组下进行计算；做表格比较以上六种方式下各个性能的差异；做另外一组不同类型的分子模型（直链型、环形、或是含金属），按照1、2进行计算；分析结果，附带分子构型，书写实验报告。相关知识简介 量化计算方法包括分子力学理论(Molecular Mec

22、hanics)和电子结构理论(Electronic Structure Theory)。 两者的共同点是：1. 计算分子的能量，分子的性质可以根据能量按照一定的方法得到。 2. 进行几何优化，在起始结构的附近寻找具有最低的能量的结构。几何优化是根据能量的一阶导数进行的。3. 计算分子内运动的频率。计算依据是能量的二阶导数。 651.计算方法 1.1 分子力学理论 分子理论采用经典物理对分子进行处理，可以在MM3，HyperChem，Quanta，Sybyl，Alchemy等软件中看到。根据所采用的力场的不同，分子理论又分为很多种。 分子力学理论方法很便宜(做量化的经常用贵和便宜来描述计算，实际上就是计算时间的长短，因为对于要花钱上机的而言，时间就是金钱；对于自己有机器的，要想算的快，也要多在机器上花钱)，可以计算多达几千个原子的体系。 其缺点是：每一系列参数都是针对特定原子得出的。没有对于原子各个状态的统一参数。 计算中忽略了电子，只考虑键和原子，自然就不能处理有很强电子效应的体系，比如不能描述键的断裂。661.2 电子结构理论 这一理论基于薛定鄂方程，采用量子化学方法对分子进行处理。1.2.1 半经验方法（semiempirical method）： 包括AM1，MINDO/3，PM3，常见的软件包有MOPAC，AMPAC，HyperChem，以及Gaus