过渡态计算--实验报告.docx

实验二 过渡态计算一、实验目的1、理解介于反应物和产物间的过渡态的定义及其特有的性质。2、掌握用b3lyp/6-31g(d,p)优化简单分子如H2CO和HCOH的几何构型。3、掌握用逐点优化法寻找过渡态的初始几何构型的方法。4、进一步掌握分子几何构型的判断，二面角的确定。二、实验原理1、The Hartree-Fock Approximation：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 VHFi 中近似求解多电子体系的能量本征方程。2、基组的定义：基组是用于描述体系波函数的若干具有一定性质的函数。在本实验中，使用Gaussian软件，用B3LYP方法。3、6-31G（d,p)的定义：分子中从内层到价层的每个原子轨道使用一个STO (Slater Type Orbital)，再对每一个STO用3个GTO (Gauss Type Orbital)展开。(这里d: 对于除H原子以外的原子加一组d轨道（6个）p: 对于氢原子加一组p轨道)4、过渡态的定义：以量子力学对反应过程中的能量变化的研究为依据，认为从反应物到生成物之间形成了势能较高的活化络合物，活化络合物所处的状态叫过渡态。也可定义为：势能面上的一个驻点；能量的二级导数矩阵有一个且仅有一个负本征值；连接反应物和产物的能量高点；满足前三条中能量最低者。5、的定义：对于直角坐标体系， 而对于非线性分子内坐标而言，3N-6。三、实验结果1、反应物的优化及计算 #p b3lyp/6-31G* opt=z-matrix freqC O 1 r1 H 1 r2 2 a1 H 1 r2 2 a1 3 180.0 r1=1.206 r2=1.11 a1=122.0总能量E(RB+HF-LYP) = -114.50320a.u. 几何构型：O2-C1-H3=122.3849 O2-C1-H4=122.3849 H3-C1-H4=115.2302 C-O键长1.206C-H键长1.110分子所属点群为C2v 。振动频率（cm-1）为：1200,1274,1555，1846,2900，2956。热焓（包含电子能量）H =-114.47266 a.u.自由能（包含电子能量）G = -114.49748 a.u.熵S=52.239 Cal/Mol-Kelvin=52.239/1000/627.5095a.u.=8.3248D-05 a.u.G(理论)=H-TS=-114.47266-298.150*8.3248D-05=-114.49748 a.u. 此值与以上直接从数据中读出的G相等。Etherm=18.569 KCal/MolEtrans=0.889 KCal/MolErot=0.889 KCal/MolEvib=16.792 KCal/MolEtherm（理论）= Etrans+ Erot+ Evib=0.889+0.889+16.792=18.570 此值与以上直接从数据中读出的Etherm=18.569十分接近。2、产物的优化及计算#p b3lyp/6-31G* opt=z-matrix freqCO 1 r1H 1 r2 2 a1H 2 r3 1 a2 3 180.0 r1=1.313r2=1.129r3=0.975 a1=101.0a2=108.0总能量E(RB+HF-LYP) = -114.41578 a.u. 几何构型：O2-C1-H3= 99.6981 O2-C1-H4=108.026 H3-C1-H4=152.2759C-O键长1.206C-H键长1.11分子所属点群为Cs 。振动频率（cm-1）为:1093, 210,1332, 1519, 2811,3701。热焓（包含电子能量）H =-114.38537 a.u.自由能（包含电子能量）G =-114.41093 a.u.熵S=53.798Cal/Mol-Kelvin=53.798/1000/627.5095 a.u.=8.5734D-05 a.u.G(理论)=H-TS=-114.38537-298.150*(8.5734D-05)=-114.41093 a.u.此值与以上直接从数据中读出的G 相等。Etherm=18.491 KCal/MolEtrans=0.889 KCal/MolErot=0.889 KCal/MolEvib=16.714 KCal/MolEtherm（理论）= Etrans+ Erot+ Evib=0.889+0.889+16.714 KCal/Mol=18.492KCal/Mol此值与以上直接从数据中读出的Etherm=18.491 KCal/Mol十分接近。3、(3-n)逐点优化求过渡态#p b3lyp/6-31G* opt=z-matrix C O 1 r1 H 1 r2 2 a1 H 2 r3 1 a2 3 180.0 r1= r2= 前一次计算所得的参数r3= a1=a2=设定的度数分别计算a2=110,100,90,80,70,60,50。由a2为不同值时求的相应能量值E与-DE/DX 的值分别作E-a2的图与-DE/DX a2的图，如下：夹角度数1101009080706050总能量a.u-114.49699 -114.48239 -114.45902-114.42828-114.39486 -114.36856 -114.36697 0.0585 0.1091 0.1576 0.1905 0.18330.1021 -1.053 4、过渡态的优化及计算#p b3lyp/6-31G* iop(1/8=6) freq opt=(ts,z-matrix,noeigentest) CO 1 r1H 1 r2 2 a1H 2 r3 1 a2 3 180.0r1=1.3083 r2=1.189r3=1.2513 3 a1=114.0888a2=54.330 3 总能量E(RB+HF-LYP)=-114.35880 a.u.几何构型如下表所示：O2-C1-H3= 114.0888 H3-C1-H4=168.4188C-O键长1.3083C-H键长1.1189分子所属点群为CS 。振动频率（cm-1）为： 2045，871，1376，1482，2187，2773.热焓（包含电子能量）H =-114.33516 a.u.自由能（包含电子能量）G =-114.36080 a.u.熵S= 53.971 Cal/Mol-Kelvin= 53.971/1000/627.5095 a.u.=8.60082 D-05 a.u.G(理论)=H-TS=-114.35880-298.150*(8.60082 D-05)=-114.38444 a.u.此值与以上直接从数据中读出的G = -114.36080十分接近。Etherm= 14.782 KCal/MolEtrans=0.889 KCal/MolErot=0.889 KCal/MolEvib= 13.004 KCal/MolEtherm（理论）= Etrans+ Erot+ Evib=0.889+0.889+13.004 KCal/Mol=14.782KCal/Mol此值与以上直接从数据中读出的Etherm=14.782 KCal/Mol相等。四、分析讨论1、从-DE/DX a2的图中可以看出，当a2=55时，DE/DX很接近0，这说明此点是本实验所要寻找的过渡态的点，它满足过渡态的定义的第一个