理论与计算化学II上机实习.pptx

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1、化学反应势能面的概念化学反应势能面的概念超曲面超曲面驻点驻点极小值极小值过渡态过渡态反应坐标反应坐标过渡态：一阶鞍点，反应坐标上的极大值点。反应坐标反映了一系列内坐标的变化。2第1页/共24页化学反应势能面的量化计算化学反应势能面的量化计算BornOppenheimer近似近似从头从头计算计算密度泛函理论计算密度泛函理论计算结构优化结构优化 (能量极小化能量极小化)频率分析和热化学分析频率分析和热化学分析有机反应机理、活性、选择性有机反应机理、活性、选择性3第2页/共24页软件：Gaussian 03计算软件运行输入文件(.gjf文件)得到输出文件(.out文件)4第3页/共24页软件：Gau

2、ssView搭建分子结构产生输入文件(.gjf文件)查看计算结果(.out文件)5第4页/共24页软件：记事本和写字板编辑输入文件(.gjf文件)从输出文件(.out文件)中提取数据6第5页/共24页软件：Excel保存数据计算化学反应的热力学、动力学7第6页/共24页底物、产物、中间体的结构优化和频率分析搭建分子结构提取坐标，编辑输入文件A.gjf结构优化提取坐标，编辑输入文件B.gjf频率分析从A.out中提取单点能，将A.out保存为B.gjf从B.out中提取ZPE、H、G、TCGGaussView记事本或写字板记事本或写字板Gaussian 03Gaussian 03GaussVie

3、w记事本或写字板零点能ZPE，焓H，Gibbs自由能G，自由能的校正值TCG结构优化：opt频率分析：freq单点能：SCF能量8第7页/共24页具体的操作步骤1.利用GaussView搭建分子结构，产生输入文件A.gjf；2.利用记事本或写字板打开A.gjf，提取笛卡尔坐标并编辑A.gjf(关键词：opt)；3.利用Gaussian 03程序包运行A.gjf，产生输出文件A.out；4.利用GaussView打开A.out，提取单点能和电荷分布等，并将A.out保存为B.gjf；5.利用记事本或写字板打开B.gjf，提取笛卡尔坐标并编辑B.gjf (关键词：freq)；6.利用Gaussia

4、n 03程序包运行B.gjf，产生输出文件B.out；7.利用记事本或写字板打开B.out，提取零点能ZPE、焓H、Gibbs自由能G、自由能的校正值TCG等。9第8页/共24页GaussView操作简介Fragment(结构片段)键长、键角、二面角增加、减少化合价Element Fragment;Ring Fragment;R-Group Fragment;Biological Fragment.10第9页/共24页构建分子结构1.打开GaussView软件，默认会弹出主窗口和分子窗口。若没有弹出分子窗口：FileNewCreate MolGroup(快捷键Ctrl+N)。2.单击Eleme

5、nt Fragment，选中需要添加的结构片段(注意原子的杂化状态)，在分子窗口中单击即可产生分子片。继续选择合适的结构片段，并在氢原子或悬挂键上单击，即可引入新的分子片。主窗口分子窗口11第10页/共24页修改分子结构通过调整键长、键角、二面角、增减化合价等可实现对分子结构的修改。例如，利用Modify Dihedral可将(E)-2-丁烯结构变为(Z)-2-丁烯。注意Displacement选择Fixed、Rotate groups、Rotate group和Rotate atom可能会有不同的效果，大家可以尝试一下。不要将键角或二面角设定为0或180。12第11页/共24页保存.gjf文

6、件FileSave(快捷键Ctrl+S)打开文件保存窗口，文件类型选择.gjf文件。注意：1.保存路径和文件名不能包含中文字符，故不能保存在桌面上！2.左下角的Write Cartesians一定要勾选，否则保存的是内坐标！英文(建议不要使用减号以外的符号)一定要勾选13第12页/共24页编辑.gjf文件(结构优化)用记事本或写字板打开.gjf文件，建议仅保留笛卡尔坐标部分，其他部分全部自己重新写！Gaussian 03以两个连续的空行作为输入文件结束的判据，因此一定要按照固定格式书写！分配内存#方法/基组 任务类型自定义标题电荷 自旋多重度2S+1空行空行空行空行笛卡尔坐标结尾需要两行或以上

7、的空行！14第13页/共24页运行.gjf文件启动Gaussian 03，FileOpen打开.gjf文件，检查无误后单击Run，输入保存路径和文件名后单击保存即开始计算。Run15第14页/共24页Gaussian 03操作简介16第15页/共24页正常结束的情况正常结束的标志是最后一行的Normal termination of Gaussian 03 at 若计算任务正常结束，则FileExit关闭Gaussian 03程序包。当输入文件出现错误时，有时会弹出窗口报错，有时会在文档末端出现Error termination of Gaussian 03 at此时应仔细检查输入文件！17第

8、16页/共24页利用GaussView提取.out文件中的数据I启动GaussView，FileOpen(快捷键Ctrl+O)打开.out文件，可以看到经过结构优化后的分子结构，注意文件类型应选择Gaussian Output Files。ResultsSummary中有基组、单点能E(RHF)、分子偶极矩、分子点群等信息。ResultsCharges中有Mulliken电荷数据，注意勾选Show Charge Numbers查看。18第17页/共24页利用记事本或写字板提取.out文件中的数据I利用写字板打开.out文件。搜索Standard basis可以看到基组的信息：Standard

9、basis:STO-3G(5D,7F)搜索primitive gaussians可以看到基函数的个数：2 basis functions,6 primitive gaussians,搜索文档中最后一个Done可以得到单点能：SCF cycles搜索Optimization completed可以考察结构优化是否正常完成：Optimization completed.-Stationary point found.还有很多有用的数据可以从.out文件中获取，有兴趣的同学可以自学。19第18页/共24页编辑.gjf文件(频率分析)用GaussView将结构优化得到的.out文件保存为新的.gjf文

10、件，建议重新命名。用记事本或写字板打开.gjf文件，建议仅保留笛卡尔坐标部分，其他部分全部自己重新写！用Gaussian 03运行即可。结尾需要两行或以上的空行！频率分析只对驻点有效，必须与结构优化在相同理论水平下(即使用相同的计算方法和基组)进行计算！分配内存#方法/基组 任务类型自定义标题电荷 自旋多重度2S+1空行空行空行空行笛卡尔坐标20第19页/共24页利用GaussView提取.out文件中的数据II启动GaussView，FileOpen(快捷键Ctrl+O)打开.out文件，可以看到分子结构(频率分析不改变分子的结构)，注意文件类型应选择Gaussian Output File

11、s。ResultsSummary中有基组、单点能E(RHF)、分子偶极矩、分子点群等信息。ResultsCharges中有Mulliken电荷数据，注意勾选Show Charge Numbers查看。ResultsVibrations中有振动频率(Freq)、振动模式(单击Start查看)、红外光谱(Spectrum)等信息。底物、产物、中间体虚频(在GaussView里显示为负数)的个数应为0！21第20页/共24页利用记事本或写字板提取.out文件中的数据II利用写字板打开.out文件。搜索Gibbs可以看到热化学分析的数据：零点能ZPE自由能校正值TCG焓HGibbs自由能G熵S1 Ha

12、rtree/Particle=627.5095 KCal/Mol22第21页/共24页作业1.分别在HF/STO-3G和HF/6-31G(d)水平下优化H2O分子的结构，读取键长、键角、单点能、偶极矩、电荷分布。2.对HF/6-31G(d)水平下优化得到的H2O分子结构进行频率分析，读取振动频率(判断有没有虚频)及对应的振动模式、ZPE、TCG、H、G。3.在HF/3-21G水平下优化C2H4分子的结构，读取基函数的个数和GF的个数，与你自己手动计算的结果是否一致？选作：在HF/STO-3G水平下优化下列分子的结构，在相同水平下进行频率分析，判断优化出的结构是否为能量极小值点(即判断是否有虚频

13、)，若确为极小值点，以Excel的形式保存单点能、ZPE、TCG、H、G。23第22页/共24页谢谢大家！同学们常犯的错误：1.保存路径或文件名中有中文，例如试图保存在桌面上；2.频率分析计算时未进行重命名，将结构优化得到的.out文件覆盖掉了；3.命名时忘记添加拓展名，可能会导致程序报错；4.未勾选笛卡尔坐标系，导致.gjf文件中没有xyz坐标；5.忘记空行或是多空行了，导致程序报错；6.自旋多重度写错了，导致程序报错；7.没有对GaussView自动产生的.gjf文件进行任何修改就试图直接进行计算；8.结构优化与频率分析的基组不一致；9.任务正常结束后，忘记关闭Gaussian 03，导致下一个任务无法正常进行，程序报错。24第23页/共24页感谢您的观看！第24页/共24页