计算机在化工中的应用-上机实验五-Gaussian

1、计算机化学-Gaussian实验练习1利用Gaussian03进行甲醛单点能，并查看分子轨道。输入文件为：%chk=HCHO.chk# RHF/6-31G(d) Pop=Full Test Formaldehyde Single Point0,1C 0.0 0.0 0.0 O 0.0 1.22 0.0 H 0.94 -0.54 0.0 H -0.94 -0.54 0.0 采用GaussView打开Scratch目录中的HCHO.chk文件，打开菜单的“Results” “Surfaces”，逐个查看各轨道的形状。比较：不同的输入(优化结构)# B3LYP/6-31G OPTForma

2、ldehyde 0 1C1O2 1 AH3 1 B 2 CH4 1 B 2 C 3 DA = 1.28B = 1.10C = 121.0D = 180.0比较：不同的输入(振动分析)# B3LYP/6-31G FreqExample: aldehyde0 1C1O2 1 AH3 1 B 2 CH4 1 B 2 C 3 DA = 1.28B = 1.10C = 121.0D = 180.0比较：甲醛的激发态优化在Gaussian 中可以进行激发态的优化和频率分析。步骤是，首先进行能量计算得到激发态，然后在此结构基础上进行结构优化和频率分析。%Chk=c2ho_es#T RCIS/6-31+G(D

3、) TestFormaldehyde (C2V) Vertical Excited States0,1CO, 1, ABH,1, AH, 2, HABH,1, AH, 2, HAB, 3, 180.AB=1.18429AH=1.09169HAB=122.13658-Link1-%Chk=c2ho_es%NoSave# RCIS(Root=1,Read)/6-31+G(D) Guess=Read Opt Freq Test Geom=AllCheck第一个步骤计算最低的三个激发态，第二步骤是利用其结果进行结构优化和频率分析.在本例的计算中，得到的激发态出现了虚频，其结构显示碳原子要离开原子平面。

4、由于原来的分子结构中，所有原子都在同一平面上，所以，也得到一个共平面的激发态结构。这样，就要设法产生一个正确的几何结构。(激发态的结构优化目前没有包含内坐标冗余，所以在初始结构中定义一个平面结构，得到的激发态结构就也是共平面的)。比较： 甲醛激发态优化 ，确定甲醛第一激发态的结构，比较红外光谱。#T RCIS(Root=1)/6-31+G(D) Opt Freq Density=Current TestFormaldehyde n->pi* Cs Optimization0,1CO,1,R2X,1,1.,2,A3H,1,R4,3,A4,2,90.H,1,R4,3,A4,2,-90.R2=

5、1.25546079R4=1.08213788A3=145.A4=60.这里使用了虚原子，使得对于分子的描述更加简单，这个分子也不再是共平面的结构。计算采用校正因子0.8929，结果如下：计算值 校正值 实验值平面外弯曲 495 442 683CH2 摇摆 978 873 898CH2 剪式 1426 1273 1290CO 伸缩 1647 1471 1173对称CH伸缩 3200 2857 2847反对称CH伸缩 3295 2942 2968 基本与实验值相符练习2 利用Gaussian03进行水分子结构优化与红外分析输入文件为：%chk=H2O#P B3LYP/6-311G OPT FRE

6、Q Geometry optimization and the frequency calculation of H2O 0,1OH 1 1.0H 1 1.0 2 105.4练习3 利用GaussView画出苯环分子，并计算单点能。练习4 1,2-二氯-1,2-二氟乙烷分子几何构型输入法及气态能量计算实验目的：掌握分子几何构型的输入方法。掌握能量计算的方法及对其结果z进行分析。基本原理：      单点能计算是指对给定几何构型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",所以叫单点能计算。单点

7、能的计算可以在不同理论等级,采用不同基组进行。使用单点能计算除了得到该点的能量，还可以得到分子轨道和轨道能级、电荷分布、偶极矩和多极矩、核磁等信息。操作步骤：1,2-二氯-1,2-二氟乙烷可能有以下三种构型：方法1可在Gaussview中构建分子的初始构型并进行相关计算。1）在计算机上找到Gaussview的图标，双击该图标调出Gaussview程序。2）在示有元素周期表的位置处单击，找到你所需要的元素。3）在画面上单击即可调入该元素与氢元素的化合物，而后进行该元素键型的选择及特殊基团的选择，重新构建分子直至构建为所需要的分子。4）按住鼠标左键拖动鼠标可以使分子转动，以便看到后面的被其它原子遮

8、挡住的原子。5）该程序还可以查看分子键长、键角、二面角等参数。6）在Gaussview的calculate选项中选择需要计算的关键词即可进行计算。方法2. （在以后的实验中这两种方法可任意选用）在Route Section一行中输入计算能量所需的方法和基组，能量计算是程序默认的，不需额外输入关键词。在Title Section 一行中输入有标记性的语句。3）在Molecular Speccification Section一行中输入分子构型（用内坐标构建），运用Gaussian03程序进行计算。操作要求：1. 练习G03与Gaussview的基本操作。2. 在Gaussview上构建分子构型。

9、3. 在Gaussview中把分子投入到G03中进行单点能计算。计算方法与基组为：PM3, HF/STO-3G, HF/6-31G(d), MP2/6-31G(d), B3LYP/6-31G(d)4. 练习用Gaussview观看结果。数据记录与处理：1. 记下每个分子的标准几何坐标并比较每种方法及基组下的能量值。2. 比较在HF/6-31G(d)级别下三个构型的能量、电荷、偶极矩。3. 找出在HF/6-31G(d) 级别下每种分子构型的HOMO与LUMO的轨道标号以及能量，分析它们是否会受不同理论与基组的影响。练习5 丙烯分子几何构型的优化极小值点的寻找实验目的：掌握分子几何构型的优化寻找分

10、子平衡几何构型。基本原理：     由于分子几何构型而产生的能量的变化可以用势能面表示。几何优化做的工作通常是寻找势能面上的极小值,而这个极小值,就是分子的稳定的几何形态。对于所有的极小值点和鞍点,其能量的一阶导数,也就是梯度,都是零,这样的点被称为稳定点。但它们的Hessian矩阵（能量对坐标的二阶导数构成的矩阵）性质不同，极小值点的Hessian矩阵中每个值都大于零；而过渡态是一级极大值点，Hessian矩阵只有一个负本征值，并且在负本征值方向能量最高，其余方向能量低。所有的成功的优化都在寻找稳定点,虽然找到的并不一定就是所预期的点。几何优化由初始构

11、型开始,计算能量和梯度,然后决定下一步的方向和步长,其方向总是向能量下降最快的方向进行。大多数的优化也计算能量的二阶导数,来修正力矩阵,从而表明在该点的曲度。本实验是寻找极小值点，实验四是寻找过渡态（一阶鞍点）。操作要求：练习G03与Gaussview的基本操作。构建分子构型(a),(b):使用两种方法：Gaussview中构建和自己输入内坐标 3. 把分子投入到G03中进行几何构型优化。（opt）需要设置的方法与基组为：HF/6-31G(d) 4. 练习用Gaussview观看结果。       (a) Ha-C-C-Hb = 0&

12、#186;        (b) Ha-C-C-Hb = 180º数据记录与处理：记下优化每种构型的步数，以及每步中：四个收敛条件的值，满足收敛条件的个数，能量值。比较两种构型的能量，指出哪个是丙烯的最稳定构型? 练习6 振动频率计算实验目的 ： 掌握振动频率的计算方法，对分子体系进行正则振动分析，对红外光谱进行理论归属。基本原理：      几何优化和单点能计算都将原子理想化了,实际上原子一直处于振动状态。在平衡态,这些振动是规则的和可以预测的.频率分析的计算要采

13、用能量对原子位置的二阶导数。HF方法,密度泛函方法(如B3LYP),二阶Moller-Plesset方法(MP2)和CASSCF方法(CASSCF)都可以提供解析二阶导数。对于其他方法,可以提供数值二阶导数。Freq关键词代表频率分析。频率分析只能在势能面的稳定点进行,这样,频率分析就必须在已经优化好的结构上进行。操作步骤：分别构建下列分子A、B、C初始几何构型。把分子投入到G03中进行几何构型优化, 同时进行频率计算(opt freq)。计算方法与基组为：HF/6-31G(d)。（输入文件分别取名为：a.gjf, b.gjf, c.gjf）利用GaussView找出每个分子中C=C的伸缩频率

14、的值。在正则振动模式中找到具有上述特征的频率即为所要的振动频率。 数据记录与处理：          A: FHC=CHF                  B: FHC=CHOH            C: FHC=C

15、HNH2systemfrequence (c=c伸缩振动)peak numberABC练习7 几何构型优化-寻找过渡态（一阶鞍点）实验目的 ： 1)掌握寻找过渡态的理论方法，优化过渡态的结构。2)运用IRC计算方法验证找到的过渡态是否连接两个极小值点。基本原理： 与实验二的基本原理相同。乙烯醇有两个异构体，HOCC二面角分别为0和180度。两者均没有虚频,说明都是极小值点。0度异构体的能量要低。那么,可以猜测,CCOH二面角为90度的可能是过渡态。操作步骤：计算级别均为：HF/6-31g(d)对乙烯醇的两个异构体分别进行几何优化和频率计算，确定其均为极小值点。 Opt freq (输入文件取名

16、：a.gjf和 b.gjf)对HOCC二面角为90度的构型进行过渡态优化计算。Opt=ts freq(输入文件取名：ts.gjf )运用IRC方法验证以上过渡态。Irc=reverse irc=forward(输入文件取名：irc-f.gjf和 irc-r.gjf)数据记录与处理：记下乙烯醇两种异构体的能量和最前面的两个频率值，填入下表1。记下过渡态优化的步数, 每一步优化之后的构型对应的能量, 以及最前 面的两个频率值，分别填入表1，2。将IRC得到的两个构型与乙烯醇(a),(b)的相比较，看几何构型是否一致；说明irc-reverse和irc-forward分别对应(a),(b)哪个构型？完成下表：表1：能量（hartree）