高斯使用指引

1、高斯應用指南目 錄 TOC o 1-5 h z 第一章功能和計算原理介紹 2Gaussian 功能介紹 2Gaussian是一個功能強大的量子化學綜合軟件包3關于Gaussian 03的介紹下面列出了需要描述穩(wěn)定點時必須考慮的問題 6832:計算原理 6概述 6分子力學方法6電子結構理論 7第二章安裝和對軟硬件的要求 7.軟硬件要求 7硬件環(huán)境 7操作系統(tǒng) 8.安裝 8硬盤分區(qū)方案8安裝軟件 8Gaussian的補釘和升級 9定制軟件運行時占用內存和硬盤的最大空間 9工作環(huán)境初始化設置10第三章高斯輸入文件的創(chuàng)建和程序運行 11.創(chuàng)建輸入文件的目的 11.常用的創(chuàng)建高斯輸入文件的方法 11利用

2、晶體文件產生輸入文件 11利用 Gview, Chem3D包括 ChemdraW 和 Hperchem繪圖軟件產生輸入文件12用HyperChemf勾建輸入文件 12.2Chem3D （包括 ChemdraW 使用簡介14 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document GVIEW 使用簡介30.構建分子中的注意事項 45.怎樣構建Z坐標 45.關于輸出的解釋 48第四章：優(yōu)化計算 54.優(yōu)化目的 55對分子性質的研究是從優(yōu)化而不是單點能計算開始的 55高斯中所用到的一些術語的介紹551 TOC o 1-5 h z 勢能面 55確定最小值55收斂標準 562高

3、斯中自帶的練習 58第五章頻率計算 60.頻率計算 60目的 61輸入格式和結果解釋 61輸入格式61輸出的解釋 61.高斯中自帶的練習 64第六章：單點能計算 641簡要介紹 64.能量計算的格式和輸出解釋 65能量計算的格式 65輸出說明 66.高斯中自帶的練習 67第七章基組 69.基組介紹 69.高斯自帶練習 71第八章選擇合適的理論模型 721簡要介紹 722.高斯自帶的練習 73第九章高精度能量模型 761高精度能量模型簡介 762.高斯自帶的練習 83第十章研究化學反應和反應性 841目的 842請參照練習了解輸入格式和輸出解釋843常用的研究方法的介紹和高斯自帶的練習 84第十

4、一章激發(fā)態(tài)計算931目的 932高斯自帶的練習 94第十二章 溶液中的計算 1001目的 1002高斯自帶的練習和理論模型介紹 100第一章功能和計算原理介紹Gaussian功能介紹Gaussian是一個功能強大的量子化學綜合軟件包。其可執(zhí)行程序可在不同 型號的大型計算機，超級計算機，工作站和個人計算機上運行，并相應有不 同的版本。高斯功能：分子能量和結構過渡態(tài)能量和結構鍵和反應能量分子軌道多重矩原子電荷和電勢振動頻率紅外和拉曼光譜核磁性質極化率和超極化率熱力學性質反應路徑計算可以對體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行。 可以預測周期體系的能量，結構和分子軌 道。因此，Gaussian可以作為功能強大的工具

5、，用于研究許多化學領域的課題， 例如取代基的影響，化學反應機理，勢能曲面和激發(fā)能等等。關于Gaussian 03的介紹是Gaussian系列電子結構程序的最新版本。它在化學、化工、生物化學、 物理化學等化學相關領域方面的功能都進行了增強。.研究大分子的反應和光譜Gaussian 03對ONIOM故了重大修改，能夠處理更大的分子(例如，酶)，可以 研究有機體系的反應機制，表面和表面反應的團簇模型，有機物光化學過程，有 機和有機金屬化合物的取代影響和反應，以及均相催化作用等。 ONIOM勺其它新 功能還有：定制分子力學力場；高效的 ONIO喇率計算；ONIOM寸電、磁性質的 計算。.通過自旋-自旋

6、耦合常數(shù)確定構像當沒有X-射線結構可以利用時，研究新化合物的構像是相當困難的。NMRt譜的 磁屏蔽數(shù)據(jù)提供了分子中各原子之間的連接信息。自旋 -自旋耦合常數(shù)可用來幫 助識別分子的特定構像，因為它們依賴于分子結構的扭轉角。 除了以前版本提供 的NM刖蔽和化學位移以外，Gaussian 03還能預測自旋-自旋耦合常數(shù)。通過 對不同構像計算這些常數(shù)，并對預測的和觀測的光譜做比較，可以識別觀測到的 特定構像。另外，歸屬觀測的峰值到特定的原子也比較容易。.研究周期性體系Gaussian 03擴展了化學體系的研究范圍，它可以用周期性邊界條件的方法(PBC) 模擬周期性體系，例如聚合物和晶體。PBCft術把

7、體系作為重復的單元進行模擬， 以確定化合物的結構和整體性質。例如，Gaussian 03可以預測聚合物的平衡結構和過渡結構。通過計算異構能量，反應能量等，它還可以研究聚合物的反應， 包括分解，降解，燃燒等。Gaussian 03還可以模擬化合物的能帶隙。PBC的其 它功能還有：（1）二維PB加法可以模擬表面化學，例如在表面和晶體上的反應。 用同樣的基組，Hartree-Fock或DFT理論方法還可以用表面模型或團簇模型研 究相同的問題。Gaussian 03使得對研究的問題可以選擇合適的近似方法，而不 是使問題滿足于模塊的能力極限。（2）三維PBC預測晶體以及其它三維周期體 系的結構和整體性質

8、。.預測光譜Gaussian 03可以計算各種光譜和光譜特性。包括：IR和Raman預共振Raman 紫外-可見；NMR振動圓形二色性（VCD）;電子圓形二色性（ECD）;旋光色散（ORD）; 諧性振-轉耦合；非諧性振動及振-轉耦合；g張量以及其它的超精細光譜張量。 5.模擬在反應和分子特性中溶劑的影響在氣相和在溶液之間，分子特性和化學反應經常變化很大。 例如，低位構像在氣 相和在（不同溶劑的）溶液中，具有完全不同的能量，構像的平衡結構也不同， 化學反應具有不同的路徑。Gaussian 03提供極化連續(xù)介質模型（PCM）,用于模 擬溶液體系。這個方法把溶劑描述為極化的連續(xù)介質，并把溶質放入溶劑

9、間的空穴中。Gaussian 03的PCMft能包含了許多重大的改進，擴展了研究問題的范圍： 可以計算溶劑中的激發(fā)能，以及激發(fā)態(tài)的有關特性；NM心及其它的磁性能；用能量的解析二級導數(shù)計算振動頻率，IR和Raman光譜，以及其它特性；極化率 和超極劃率；執(zhí)行性能上的改善。G03W勺界面和G98州比，沒有彳f么變化，G98W勺用戶不需要重新熟悉界面。Gaussian 03新增加了以下內容：新的量子化學方法ONIOM模塊做了增強對ONIOM（MO:M吠支持電子嵌入，可以在 QM區(qū)域的計算中考慮MME域的電 特性。通過算法的改善，ONIOM（MO:MM）大分子（如蛋白質）的優(yōu)化更快，結果 更可靠。ON

10、IOM（MO:MM）夠計算解析頻率，ONIOM（MO:MO頻率計算更快。提供 對一般分子力場（MM）W支持，包括讀入和修改參數(shù)。包含了獨立的MMX化程序。 支持任何ONIOM奠擬的外部程序。（2）修改和增強了溶劑模塊改善和增強了連續(xù)介質模型（PCM）:默認是IEFPCM真型，解析頻率計算可以用于 SCRF方法。此外改善了空穴生成技術。模擬溶液中的很多特性?？梢詫?Klamt 的COSMO-RS序產生輸入，通過統(tǒng)計力學方法，用于計算溶解能，配分系數(shù)， 蒸汽壓，以及其它整體性質。（3）周期性邊界條件（PBC）增加了 PBC真塊，用于研究周期體系，例如聚合物，表面，和晶體。 PBC模塊可 以對一維、

11、二維或三維重復性分子或波函求解具有邊界條件的 Schrodinger方 程。周期體系可以用HF和DFT研究能量和梯度；（4）分子動力學方法動力學計算可以定性地了解反應機制和定量地了解反應產物分布。計算包含兩個主要近似：Born-Oppenheimer分子動力學（BOMD）,對勢能曲面的局域二次近似 計算經典軌跡。計算用Hessian算法預測和校正走步，較以前的計算在步長上能 夠改善10倍以上。還可以使用解析二級導數(shù)，BOMDt夠用于所有具有解析梯度 的理論方法。提供原子中心密度矩陣傳播（ADMP汾子動力學方法，用于 Hartree-Fock和DFT）吸取了 Car和Parrinello 的經驗

12、，ADM聯(lián)遞電子自由度， 而不是求解每個核結構的SC切程。與Car-Parrinello 不同之處在于，ADMPt 遞密度矩陣而不是 MO如果使用了原子中心基組，執(zhí)行效率會更高。這一方法 解決了 Car-Parrinello 存在的一些限制，例如，不再需要用 D代替H以獲得能 量守恒，純DFT和混合DFT均可使用。ADMP&可以在溶劑存在的情況下執(zhí)行， ADM可以用于 ONIOM(MO:MMW。(5)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)計算方面做了增強：由于改善了在完全組態(tài)相互作用計算中求解CI矢量的算法，提高了 CASSC執(zhí)行效率。對能量和梯度計算可以使用約14個軌道(頻 率計算仍是8個)。限制活性空間(RAS)的

13、SCF方法。RASSC把分子軌道分成五 個部分：最低的占據(jù)軌道(計算中作為非活性軌道考慮)，計算中作為雙占據(jù)的 RAS1空間，包含對所研究問題非常重要分子軌道的RAS2空間，弱占據(jù)的RAS3空間，以及未占據(jù)軌道(計算中做凍結處理)。因此，CASSCFE RAS計算中分成 三個部分，考慮的組態(tài)通過定義RAS1空間允許的最少電子數(shù)和RAS聆間允許的 最多電子數(shù)，以及三個RAS間電子總數(shù)來產生。NBCtt道可用于定義CASffi RAS 活性空間。對于對應成鍵/孤對電子的反鍵軌道可以提供相當好的初始猜測。對 稱性匹配簇/組態(tài)相互作用(SAC-CI)方法，用于有機體系激發(fā)態(tài)的高精度計算， 研究兩個或更

14、多電子激發(fā)的過程(例如電離譜的擾動)，以及其它的問題。CIS, TD-HF和TD-DFTB激發(fā)態(tài)計算中可以考慮溶劑影響。新的分子特性(1)自旋-自旋耦合常數(shù)，用于輔助識別磁譜的構像。g張量以及其它的超精細光譜張量，包括核電四次常數(shù)，轉動常數(shù)，四次離 心畸變項，電子自旋轉動項，核自旋轉動項，偶極超精細項，以及Fermi接觸項。 所有的張量可以輸出到Pickett的擬合與光譜分析程序。(3)諧性振-轉耦合常數(shù)。分子的光譜特性依賴于分子振、轉模式的耦合。可用 于分析轉動譜。(4)非諧性振動及振-轉耦合。通過使用微擾理論，更高級的項可以包含到頻率 計算中，以產生更精確的結果。(5)預共振Ramark譜

15、，可以產生基態(tài)結構，原子間連接，以及振動態(tài)的信息。(6)旋光性以及旋光色散，通過 GIAO計算，用于識別手性體系的異構體。(7)電子圓二色性(ECD)o這一特性是光學活性分子在可見 -紫外區(qū)域的差異吸 收，用于歸屬絕對構型。預測的光譜還可用于解釋已存在的 ECDt據(jù)和歸屬峰位， (8)含頻極化和超極化，用于研究材料的分子特性隨入射光波長的變化。(9)用量度無關原子軌道(GIAO)方法計算磁化率，它類似于電極化率，用于研究 分子的順磁/反磁特性。(10)預測氣相和在溶劑中的電、磁特性和光譜。ONIOM預測電、磁特性。新增加的基本算法(1)更好的初始軌道猜測。Gaussian 03使用Harris

16、泛函產生初始猜測。這個 泛函是對DFT非迭代的近似，它產生的初始軌道比 Gaussian 98要好，例如，對 有機體系有所改善，對金屬體系有明顯改善。(2)新的SCF收斂算法，幾乎可以解決以前所有的收斂問題。 對于其它極少數(shù)的 不收斂情況，Gaussian 03提供了 Fermi展寬和阻尼方法。(3)純DFT計算的密度擬合近似。這一近似在計算庫侖相互作用時，把密度用一 組原子中心函數(shù)展開，而不是計算全部的雙電子積分。它用線性換算的算法，對 中等體系的純 DFT計算可以極大地提高計算效率，而又不損失多少精度。Gaussian 03可以對AO基自動產生合適的擬合基，也可以選擇內置的擬合基。 更快的

17、自動FMMTJ法，用于適中的體系（純 DFT約100個原子，混合DFT 約150個原子）。MiDFT使用更快的庫侖能算法，節(jié)省庫侖問題的 CPLH問。O（N）更精確的交換能量項。在 Hartree-Fock和DFT計算中，通過刪除密度矩陣的零值項來屏蔽精確的交換貢獻。這可以節(jié)省時間，而又不損失精度。新增功能：（1）新的密度泛函：OPT應換，PBE和B95相關，VSXCF口 HCTH屯泛函，B1及其 變體 B98, B97-1, B97-2, PBE1PBE1合泛函。（2）高精度能量方法：G3及其變體，W1方法。另外還包含 W1BD它用BD代替 耦合簇，比CBS-QB等口 G3更精確，當然計算也

18、更加昂貴。（3）對重元素全電子基組計算的 Douglas-Kroll-Hess 標量相對論修正，用于當ECP組不能滿足精度的情況。（4）逼近基組極限的UGBSS組。2:計算原理2. 1概述：計算化學有兩種方法（分子力學方法和電子結構理論）。它們所能完成的 任務類型基本上是一樣的。A計算特定分子結構的能量。和能量相關的一些性質 也可以通過某些方法來計算。B完成構型優(yōu)化，確定全局或局域最小點。構型優(yōu) 化主要取決于能量的梯度-也就是能量對原子坐標的一階導。構型優(yōu)化是化學計 算的基礎，任何性質的計算都是在已優(yōu)化好的分子結構上進行的。一個分子結構 對應一個波函，一個波函就可以解出一個能量值， 在自然條件

19、下，體系傾向于以 能量最低的形式存在（也就是我們常說的最穩(wěn)定的構型）。所給的分子結構（不 管是手繪的還是來自晶體結構的） 在轉換為高斯輸入的文件時，由于畫的不準確 （如立體的畫成平面的等）和具體化學環(huán)境的變化（在不選擇溶劑時，默認是在 氣相中優(yōu)化，這與晶體環(huán)境是完全不同的） 而存在一些不合理的地方。所以首先 要進行優(yōu)化，才能進行其他類型的性質計算。C計算由于分子內原子間運動所引 發(fā)的分子振動頻率。頻率是能量對原子坐標的二階導。頻率計算還可以確定其他 與二階導有關的性質。不是所有的化學計算方法都能計算頻率 2. 2分子力學方法：分子力學方法是用經典物理的定律預測分子的結構和性質。很多程序里都有分

20、子力學方法：如 MM3 HyperCherm Quanta, Sybyl和Alchemy等。各種分子 力學方法的差異主要是由所用的力場不同造成的。一個力場包括以下幾個要素： 1有一套定義勢能和構成分子的各原子位置關系的方程2定義在特定化學環(huán)境下描述一個元素特征的一系列原子類型。原子類型描述了元素在不同環(huán)境中的特 征行為。如城基上碳的化學行為與甲基上碳的化學行為是完全不同的。原子類型與雜化方式，電荷及與之相連的其他原子有關。3使方程和原子類型與實驗值吻 合的一個或多個參數(shù)。參數(shù)定義了力常數(shù)，力常數(shù)在方程中用于把原子特征 （鍵 長，鍵角等）與能量聯(lián)系起來。對分子體系中的電子，分子力學方法不能給出明

21、 確的處理。它是在核相互作用的基礎上完成計算。 電子效應已經暗含在參數(shù)化的 力場中。這種近似使得分子力學計算是不昂貴的， 可以用于計算含數(shù)千個原子的 體系。不過同時也帶來了一些限制：1每一種力場（其實就是每一種分子力學方 法，注意：每一種參數(shù)化的力場對應著一種分子力學方法，參數(shù)化的過程就是對方法施加限制使之只能適應特定類型分子計算的過程。這簡化了計算但限定了它的使用范圍）只能適應于特定類型的分子。還沒有那一種力場是普適的，可以用 于所有分子體系的計算。電子效應的忽略意味著分子力學方法不能處理電子效應 占主導地位的化學問題。例如他們不能描述鍵形成或鍵斷裂的過程。取決與微妙 的電子細節(jié)的化學性質也

22、不能用分子力學方法來處理。2. 3電子結構理論：電子結構方法是以量子力學而非經典力學作為計算的基礎。在量子力學中， 分子的能量和其他相關性質是通過解薛定詩方程得到的。不過對于太大的體系來說，準確求解薛定詩方程是不太可能的。 各類電子結構方法的不同主要表現(xiàn)在求 解薛定詩方程所做的近似上。主要可分A半經驗方法：半經驗方法，如 AM1MINDO/3and PM那。MOPACAMPApdyperChem and Gaussian上都有這些程序。其特點是用根據(jù)實驗數(shù)據(jù)所確定的參數(shù)簡化 薛定詩方程的求解計算。由于參數(shù)的設定是由實驗數(shù)據(jù)決定的， 所以不同的方 法適用于不同的體系。主要的應用對象是有機體系?？?/p>

23、以計算很大的體系，計 算時間快，對其適用的體系，可以達到較好的精度。B從頭算方法：與分子力學方法或半經驗方法的差異在于在計算過程中不使用任 何來自實驗的參數(shù)，只使用以下幾個物理常數(shù)：光速，電子和核的電荷，質量 和普郎克常數(shù)。所有計算都建立在量子力學原理上，這就是為什么這種方法被 稱為從頭算的原因。高斯中提供了幾乎所有的從頭算方法。在解薛定詩方程時， 從頭算方法使用了嚴格的數(shù)學近似，這使求解變的方便但也引入了誤差。一般情況下，半經驗方法只能對分子提供定性的描述， 在參數(shù)和所要研究的體 系比較適合的情況下，可以對分子提供比較準確的定量的描述。而從頭算方法因為沒有由實驗數(shù)據(jù)確定的參數(shù)。 所以可計算的

24、體系的范圍要大的多 （而半經 驗方法的使用通常是局限于某一類體系）。而且可以對分子提供高精度的描述 和性質的預測。特別是后 H-F從頭算法，克服了 HF方法不能很好處理電子相 關的缺陷，使其應用范圍進一步擴大，但注意所需的計算耗費也大大增加了。早期從頭算方法所能處理的分子尺度是有限的。現(xiàn)在用工作站（應該還有并行 技術）可以使我們比較準確的處理有上百個原子組成的體系，當然計算量也是相當大的，在一個P4單機上（主頻：2.4G,內存：512+256）完成一個含上百 個原子的組成的體系的計算時，用 HF/6-31+G （D, P）模型要花一個多月的時 間完成優(yōu)化和頻率兩步計算。以目前的經驗來看，在這樣

25、配置的單機上完成由 50個左右的原子組成的體系的計算，從時間上來看是可以接受的。高斯中的 從頭算方法可以處理任何體系（包括金屬，只是在精度上可能與其他一些軟件 如ADF有些不足，高斯的強項應該是在處理分子機理和過渡態(tài)），除了可以研 究氣態(tài)情況下分子的基態(tài)外，高斯還能研究分子的激發(fā)態(tài)，及相應的在溶液中 的狀態(tài)。C密度泛函方法：最近發(fā)展起來的第三類電子結構方法。在很多方面與從頭算方法類似。密度泛函方法的長處在于它包含了電子相關。而 Hartree-Fock方法 只是在平均的意義上處理電子相關。這使得在某些體系和同等的時間耗費上， DFT計算具有比HF方法更高的精度。注意：在研究中比較不同計算水平上

26、的結果是沒有意義的。詳細的關于理論知識的介紹請參考相關量子化學書；黑箱操作是完全可以的，但量子化學知識的欠 缺將使我們只能做一些基本的運算，因為無論是軟件自身還是對體系的有一定 深度的說明都需要一定的理論底子。第二章安裝和對軟硬件的要求1.軟硬件要求由于筆者使用的是高斯 WINDOWS機版本，所以在此主要介紹 WINDOWS的 要求1硬件環(huán)境Pentium II 以上微機。薦用 Pentium III/800 、Pentium IV/1.4G 或更高檔 的計算機。為保證高的計算速度和大分子計算的容量， 對內存、硬盤的要求較高。 專門用于量子化學計算研究工作的機器，其基本配置應為：內存128M

27、G98專用硬盤分區(qū)10G可以保證較大的分子或使用高級大基組的計算作業(yè)能正常進 行。因PC機一般都只配置IDE硬盤，I/O速度較慢。當計算作業(yè)需頻繁執(zhí)行硬 盤讀寫時，相當于快馬拉破車，CPU芯片的效率不能正常發(fā)揮。為提高計算速度， 在許多場合下加大內存容量比提高機器的主頻顯得更為重要。有條件的話，最好將內存提高到512M甚至2G在這樣的配置下，一般的SCF-HF和反應途徑計算均 可采用In Core模式運行。此時，全部的數(shù)據(jù)交換都將在內存中進行，不必勞駕 硬盤，計算效率可與最快的工作站媲美。筆者所用的是P4,1G內存。計算含C,H,N,O,S的約40個原子的體系，通常用B3LYP/6-31G（D

28、）。再大，計算耗費就大 了。若是再加上彌散函數(shù)，真正的想要研究個什么，恐怕得以星期為單位考慮計 算時間。一兩個月出結果很正常。 1. 2操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)應為 Wingdows 98、Wingdows Me Wingdows 2000 或Wingdows XP （G98W雖然也可在Windows 95上正常完成安裝，但因后者的32位總線是模擬 的，與G98W不完全匹配。運行作業(yè)常會莫名其妙地出現(xiàn)死機）。以個人計算經 驗來看，如果涉及到的計算量比較大，操作系統(tǒng)還是以XF%好，雖然占的內存較 大，但系統(tǒng)穩(wěn)定。筆者剛開始用的是W98因計算量大導致系統(tǒng)崩潰，后用W2000 又因計算量過大導致系統(tǒng)崩潰（現(xiàn)

29、象是出現(xiàn)藍屏，提示系統(tǒng)出現(xiàn)了錯誤），現(xiàn)用 WXP再未出現(xiàn)過因計算量導致系統(tǒng)崩潰的情況。對于XP8統(tǒng)如果還出現(xiàn)此類問題，建議換小基組試試，若小基組能算，則表明確實是系統(tǒng)承受不了這么大的計 算量，只有換用服務器或工作站了。不知高斯 WINDOW孫能否在LIUXT用，據(jù) 說它的操作系統(tǒng)更穩(wěn)定。2.安裝2. 1硬盤分區(qū)方案最好不要將Gaussian安裝在C盤（系統(tǒng)盤）應令它與作業(yè)的輸入、輸出文 件子目錄，以及ChemOffice、HyperChem GviewiH甫助軟件共同占用一個專門的 硬盤分區(qū)（虛擬驅動器）。這樣當C盤因中毒或其它意外原因必須重新格式化時， 這些軟件目錄下積累的重要計算輸入文件、

30、檢查點文件和結果文件不致丟失。Gaussian并不是真正的圖形界面軟件。不同于 ChemOffice、HyperChem等“真 Windows應用軟件”，它在運行時不需要通過*.dll 文件與Windows系統(tǒng)進行動 態(tài)連接，其初始化文件（Gaussian）亦不寫入Windows系統(tǒng)內。只要G98W勺安 裝位置不在系統(tǒng)盤。即使后者格式化并重裝了 Windo點統(tǒng)，Gaussian在新的平臺 上可照樣正常運行而不必重裝。 最好Gaussian獨占一個分區(qū)。如果可能的話，可 將除CB外的任一個盤設為NTFS&式，據(jù)說在這個格式下，單個RWF件的大小可 設到4G（筆者未曾試過，因為通常計算16G勺臨時

31、數(shù)據(jù)交換文件空間已足夠了）， 而FAN3蛤式下只能設為2G2安裝軟件安裝手續(xù)比較簡單：將安裝光盤插入光驅，啟動安裝程序Setup.exe ,按照 屏幕提示輸入軟件的“ Serial Number ”并設定程序根目錄的路徑，按“確定” 鍵即可自動完成安裝。 版本Gaussian安裝后在Gaussian根目錄下包含99個程 序文件和5個子目錄。3 Gaussian的補釘和升級Gaussian系列軟件在每兩個大升級版本中間都會有若干次小的升級，改善現(xiàn)存的缺陷和解決用戶在使用中發(fā)現(xiàn)的問題。有 licence的軟件用戶可通過 Internet 定期訪問Gaussian公司主頁，下載所需的補釘或升級文件。

32、不過即使 有l(wèi)icence ,也得要升級費用的。 網址： 2. 4定制軟件運行時占用內存和硬盤的最大空間在Gaussian上運行的每個作業(yè)均可在輸入文件的 Route section （即帶# 號的行）通過關鍵詞規(guī)定作業(yè)運行時許可占用的最大內存和硬盤空間。具體格式如下：mem=10MW 1 MW8MB所以這個命令設置計算所使用的內存為 80MB 如不設置，高斯使用默認的內存和硬盤空間：內存 48M硬盤空間是2G這個默 認設置，尤其是內存設置，對于大的計算是不夠的。通?？梢栽O為自己計算機允 許的設置值（筆者一般都設為700MJ存，10GM盤空間）。但如每次啟動作業(yè)都 進行這樣的修改則比較麻煩。用

33、戶可以通過在根目錄下創(chuàng)建一個名為Default.Rou 的文件對上述兩項的缺省值進行設定。在根目錄 Gaussian下可 找至U3 個名為 Default.r1 Default.r2 Default.r3的文件，它們可作為創(chuàng)建Default.Rou文件的模板。它們的內容相同，且為Text格式?？捎肳indows的“記事本”（即Notepad）打開瀏覽和編輯。圖為原始的Default.r1被打力tm 日 丁- A Ar rH文言0 威如拄彈幫助卿-It-利用記事本打開Dekulul用以編軌Default.Rxm文件Gaussian中定制內存和硬盤空間的單位可采用 KR MB GB KW MW或G

34、W采用 任一種單位程序均能正確識別），。其中W表示1個“雙精度字”（a word of double precise ） , 1W=8B 故M- 2MW表示最大許用內存占用為16MB#- MaxDisk=400MB表示最大許用硬盤占用為400MB選取的定制大小必須與計算機的配置相匹配。即：計算機的總內存扣除系統(tǒng)運行 必須的內存占用后的可用余額，以及 G98W所在驅動器上剩余可用空間。原始的 Default.r1上給出的定制適用于內存32M小硬盤的計算機。其計算容量有限。用戶應根據(jù)計算機的實際配置進行修改。例如，在計算機內存為128MB驅動器的剩余硬盤空間約為8GB時，可將定制修改為M- 8MW

35、#- MaxDisk=7GB （或 7.5GB）然后將文件改名，另存為Default.Rou 。定制的大小應考慮經常運行的作業(yè)的實 際需要，并非越大越好。用戶可以將 Default.r1 、r2、r3三個文件，修改分別 采用為大小的不同定制以作備用。2. 5工作環(huán)境初始化設置Gaussian安裝后的首次啟動時需進行工作環(huán)境初始化設置，規(guī)定主程序、 檢查點文件、輸入輸出文件等默認子目錄和路徑。|主要目的是給出輸入文件，輸 出文件等的存放地方。其內容記錄在 Gaussian根目錄下的初始化文件g03.ini 上。用戶可以在啟動Gaussian前用Notepad對該文件直接編輯修改，也可點擊 “Fi

36、le ”下拉菜單中的“ Preference 選項在程序界面上進行設定。下面介紹后 一種初始化方式。在主窗口上打開下拉菜單 File點擊Preference ”選項后將跳出如圖4-4所示的“Gaussian Preference ”對 話框，圖中給出了填寫的實例。用戶應根據(jù)您的計算機及軟件安裝的實際情況逐 條正確填寫。圖G98W工作環(huán)境初始化設置對話框6個欄目的含義為：ASCII Editor 外部ASCII文本編輯器，用于編輯輸入、輸出文件、Default.Rou、 gaussw.ini及其它Text格式文件。GaussW安裝時自動設定為 Windows附件中的Notepad。因Notepa

37、d可編輯文件的最大長度僅為64KBi而大分子計算的輸出文件長度有時10達到幾百KR這時，用Notepad無法打開。建議改用功能強大的文本編輯器如 EditPlus 2.1 （在 “Computer Chemistry 2001 ” 光盤上已提供），并設定相應 的路徑?；蛴糜浭卤疽部伞？梢愿鶕?jù)個人條件選擇打開輸出文件的格式，不必拘泥我所介紹的。Bin Path GaussW行程序文件所在路徑。通常放在安裝高斯時自動生成的TEST文件夾中，也可以自己設置。在設置時文件夾的名字最好用英文或拼音，以免高斯不能識別。Scratch Path GaussW 檢查點文件和運行時的中間文件的位置和路徑。默認是

38、 Scratch文件夾（這個文件夾是在安裝過程中自動生成的）如本欄空白，則這些 文件將在輸入文件所在子目錄下生成。建議將其設定于 GaussW根目錄下的 Scratch 子目錄。Output Path GaussW 作業(yè)運行結果的輸出文件*.out的位置和路徑。可選擇與 輸入文件路徑相同，也可另行定義。通常放在安裝高斯時自動生成的TES攻件夾 1Input Path GaussW 作業(yè)輸入文件*. gjf的位置和路徑。PDB Viewer默認的分子圖形外部瀏覽器，用于在作業(yè)完成后馬上在線瀏覽當前 分子的圖形。當G98W在作業(yè)正常結束（在主窗口出現(xiàn)字符串 Normal termination o

39、f Gaussian 98）后，工具條上的PDB瀏覽器按鈕 即會顯亮。點擊此按鈕即可進行 瀏覽。同時，在已指定的Scratch子目錄內自動生成一個與輸入文件同名的 PDB 格式文件* pdb。能識別和打開PDB格式文件的Windows應用軟件有Chem315.0、 HyperChem6.1和AlChemy2000以GVIE僧。1g據(jù)ZORK建議：在這一項中需要 注意的是這些軟件所在目錄中不能存在漢字等 GAUSSIAN能識別的字符，這些字 符的存在會導致GAUSSIAN這些軟件間不能建立關聯(lián)?？捎袝r即使是在注意了以 上問題后，依然不能在GAUSSIAN這些軟件間不能建立關聯(lián)。也就是不能在線瀏

40、覽當前分子的圖。此時，筆者建議不要在此花太多時間，可放棄這個功能。直接 打開GVIE僧軟件，從軟件中調入輸入文件，輸出文件和檢查點文件，效果是一 樣的。點擊屏幕上ROUTE可在出現(xiàn)的框中設定硬盤空間ASCII Editor： IhWiTEXE后引m Pam;.:比能巾小而我口一.,ScrMcb師麗麗麗麗森麗TOutput Patti：。施8W旭si PlOC6S5inpa Patht 麗麗痂i- RoutePOD Vievcr： 口生 Caicd個人建議：命令要多試，不要害怕出錯；所給的默認的內存和硬盤空間設置完成 高斯自帶的練習是沒問題的；應盡可能的學些電腦知識。電腦是量11化程序的載體，熟

41、悉電腦有助于更好的使用量化軟件；在計算過程 中最常需要改動的是內存，其次是硬盤空間，其他的采用默認設置 對計算無影響。內存設置方式：輸入文件的Route section （即帶#號的行）：%mem=。硬盤空間設置設置方式：1在高斯“Preference ”中ROUTE置；2 在高斯目錄下 Default.r1 Default.r2 Default.r3中設置；GIVEW勺安裝和GAUSSIA睡一樣的，都是很智能化的。第三章高斯輸入文件的創(chuàng)建和程序運行初學時，可以調用高斯自帶的練習進行計算已達到學習高斯的目的（在example和exercise文件夾中）。但最終我們需要構建自己的輸入文件，本章主

42、 要介紹如何構建輸入文件。.創(chuàng)建輸入文件的目的所有的量化程序（包括高斯）都是將所輸入的分子轉化為薛定詩方程，然后 求解方程得到所需要的有關分子的性質。因此我們必須要將所研究的體系轉化為 高斯的輸入文件，才能調入到高斯中進行計算。輸入分子結構的合理性將直接決 定著據(jù)此得到的薛定川方程的合理性，也就影響著所得到的解的準確性，所以創(chuàng)建一個合理的輸入文件是量化計算的一個重要環(huán)節(jié)。對于金屬配合物，塊體材料 和納米材料來說，構建合理的輸入文件也是難點。.常用的創(chuàng)建高斯輸入文件的方法輸入文件的創(chuàng)建大致可分為兩類：利用晶體文件產生輸入文件；利用繪圖軟 件畫出分子結構然后轉換為輸入文件。. 1利用晶體文件產生輸

43、入文件。可以利用汪洋所編寫的一個程序將晶體數(shù)據(jù)轉化為高斯輸入文件（網址： HYPERLINK /disparticle.php?boardName=Gaussian&ID=14201 /disparticle.php?boardName=Gaussian&ID=14201 ）。 根據(jù)筆者使用的結果，轉化效果很好，保持了晶體結構的原貌。以這種方式產生 輸入文件的優(yōu)點：可以給出一個很好的初始構型 【特別是對有很多可能構型的大 分子，也就是我們所說的柔性分子，如果沒有晶體數(shù)據(jù)作為選擇構型的依據(jù)的話， 就需要對多種可能的構型都做個計算，然后根據(jù)能量判定出能量最低的那個構型 作為研究的對象。這個過程將大

44、大增加我們的計算耗費。 為什么要找出能量最低 的構型呢？這是因為一個宏觀體系中具有最可幾分布的那些微觀狀態(tài)性質將代 表宏觀體系的性質，在自然條件下，這個狀態(tài)的能量是最低的，也就是我們所說 的勢能面上的極小點（詳細介紹見優(yōu)化章節(jié)）。量化研究的起點就是要找出具有 這個能量狀態(tài)的結構（可根據(jù)能量最小來判斷）一個好的初始構型將大大縮短 這個尋找的過程。這就是使用晶體文件創(chuàng)建輸入文件的原因。對于沒有晶體結構 的物質也可以用量化軟件進行研究， 但對于大分子來說，尋找并判斷出用于研究 的合適初始構型不是一件容易的事。關于汪洋晶體程序的使用請參見程序自帶的 使用說明。2. 2利用Gview, Chem3D包括

45、ChemdraW和Hperchem繪圖軟件產生輸入文件使用繪圖軟件構建高斯輸入文件的優(yōu)點是真正實現(xiàn)了量化軟件的優(yōu)勢，既除了可以研究有晶體結構的物質外，還可以研究沒有晶體數(shù)據(jù)的物質。畢竟在自然 條件下，有晶體數(shù)據(jù)的物質只是一小部分。所以對于這些沒有晶體數(shù)據(jù)物質來說， 量化計算成了一個強有力的而且是廉價的研究手段。但需要注意的是可以用繪圖 軟件繪圖并不表示我們可以隨意的構建分子結構，相反，與用晶體數(shù)據(jù)構建高斯輸入文件相比，在這個構建高斯輸入文件的過程中，我們要付出更多努力，要更12 加的謹慎，因為只有一個合理的輸入結構才能確保下一步量化計算的順利和正 確。量化計算中很多的錯誤都是由于所給的輸入結構

46、不合理和命令不熟悉造成的。所以在用繪圖軟件構建輸入文件前，一定要仔細的琢磨所要研究的物質， 確保輸入的構型在原子的雜化方式（如 C的SP2對應一個平面三角形的結構，在畫 分子結構時要將其體現(xiàn)出來），鍵長，空間結構和對稱性等方面的準確性，否則 計算就會出錯。下面分別扼要的介紹各種軟件的使用（Chem3B口 HperChen#自吳國是老師高斯使用入門應用GaussM,計算結果的圖形顯示以及較復雜分子的構建均需借助于輔助軟件 的配合使用。Gaus酢身能識別和讀入Brookhaven PDB格式的分子描述文件（文 件名為* pdb 或*ent ）,作業(yè)完成后又能通過 External PDB View

47、er 命令輸出 描述分子最后幾何構型的*.pdb文件。因此，能夠讀入和輸出PDB格式文件且?guī)?有分子構建和三維顯示功能的計算機化學軟件均可用作GausS勺輔助軟件。我們先來了解一下如何將繪圖軟件（GVIE怖外，因為它可以直接生成用于高斯 計算的輸入文件）生成的文件轉化成可直接用于高斯計算和易于控制對稱性的高 斯輸入文件。本法通用于能夠輸出*.pdb或*ent文件的輔助軟件。基本步驟：在輔助軟件界面上構建分子，規(guī)整化為“標準構型”或用分子力學法進行初 步幾何優(yōu)化存為PDB格式文件； 打開Gauss勺主窗口，用Utilities-NewMat讀入PDB格式文件并轉換為Z-矩I在跳出的作業(yè)編輯對話框

48、上補充完成輸入文件2. 2. 1用HyperChem勾建輸入文件【例】用HyperChem 6.1構建陰離子Nd,并用Utilities-NewMat 轉換為Gauss 從頭計算或DF研算用的輸入文件。目標分子僅含4個原子，故可在HyperChem界面上直接建造。但因分子不是電中 性，不能用下拉菜單命令 Build -Add H& Model build ”將其規(guī)整到標準構型, 亦不能用分子力學法（MM處理，故在保存文件之前，先用PM3法進行預優(yōu)化,在H匚bnt)k示的 I然然后，點擊“File -Save as”命令，在工作子目錄下將分子描述文件保存為 PDB 以一 的卡川4 NIC。T -

49、i止+帛/左右口西 H匚二.13through NewZMat” 對話框。詢問用戶欲處理的文件名和類型一I 匚LJ一口一西口二1找到產生的輸入文件所在 目錄(最好是專門設一個 用于高斯計算文件夾，并 點選 “ Brookhaven PDB 文件類型，然后點選文件 NO3-T.ent，點擊對話框下 的“打開(O)”鈕，當前對 話框消隱并跳出一新對話 框 “NewZMat Files Conversion ” ,如下圖所點擊“Ot?畫面及默1In3lhk 7TKE1L Hf-ticuptionsSwrif&YP 上symmrtiy.產 Lku 加”。fa r Jr lrrnilnilimr ymi

50、nKry.玲 Ule light Idui dEleriniii ng sintBElry-1rr，！. hvrI汴 甘nM inpwr cnnurtlniWr.AvrrBjir 那H則：*# ijpci.ifi|o4l Fm:htsr臼 d；v Fixii.Jti1-!門”*W SJkll ZRistj L C.JiEi再點菜單 “Theory”，在 “Method” 欄選 “PM3 ;在 “Wavefunction ” 欄選 “Closed Shell ”J/1 f產s .T” -TT F咋 u 3 “ Am hj mL | 丁力、ly?t h J Prs irtkc： ,mtitL |M

51、lK.wIcinr-d Sk-ll Fratriitafb.上述各選項和取值的結果核實無誤后，點擊對話框右下角的“Run”鈕，PM3程序當即啟動，開始進行幾何優(yōu)化計算。因 C2H6分子很小，預優(yōu)化作業(yè)可在十數(shù) 秒內完成。在優(yōu)化計算過程中，畫面上的 3D分子圖形一般會同步顯示其結構變 化。對于C2H6分子，因其標準構型與PM3最優(yōu)構型已十分接近，故結構的微小 變化在屏幕上不易觀察出。預優(yōu)化結束后即可進行.創(chuàng)建Gaussian輸入文件打開命令欄上的“ Gaussian”下拉菜單，點擊“ Create Input File ”命令匕4 hill.1 i.ML Jito*wi E* Bfwrrr t-

52、L 旦&L JME*EMn；.中HBa苒小可 RBq 在跳出的“Create Input Fil對話框上點菜單“ Job Type ,在“Job 欄上選 Minimize Energy ” ； 點取 “Copy Measuremments to Messaged、 ”Do Not Calculate Forece Constant ” 和 “ Use Tight Convergence Criteria ” 。點菜單“Theory” ,在“Method”欄點取“ Hartree-Fock （即單組態(tài)自洽場從頭 算）”；在 “ Wavefunction ” 欄選 “Closed Shell ”

53、。本菜單下的“ Basis”欄僅為Gaussian作業(yè)提供了極小基STO-3G以及三種最常用的價層劈裂基組3-21G、6-31G和6-311G。但所有基組均可通過“Polarization ”欄添加極化函數(shù)。當采用價層劈裂基組時，還可通過顯亮的“ Diffuse ”欄添加 （+或+）。極化函數(shù)和擴散函數(shù)欄目的默認值均為 “None。本例要求采用6-31G*基組（在Gaussian中其關鍵詞與6-31G（d,p）等同）。菜單“Properties ”下的畫面提供了 10種分子性質計算項目共用戶選擇。本算 例旨在確定C2H吩子的最優(yōu)幾何構型，也可視需要增加一些性質的計算。為簡單 起見，此處我們只增

54、加Mulliken布居分析一項附加計算。此時，應在Properties ” 欄點選 “Charges ；在Population ” 欄點取 “Mulliken ” SCF Energy和Diple是默認計算項目，故無須另行選擇。Z3 Xirtrtc-J i tIsCcwvu Iio it Til,kAMg口I：4-MH .Fcl7?一卜U，“ mCASSEFIlxf-i i *i由一0屋1 二三3.嚴】1 Ulr-r ah.j；產二.三此小HK并選定基組（b）確定理論方法（a）aJ i uX ur riiu !. ac 4 1描泣卻i 幅甌Lb4 C*ftS IFfllwiir i&iilit

55、iti! _ZJ,ll1上述各選項和取值的結果核實無誤后，點擊對話框左下角的“Save As”鈕，畫面更換為“ CreateInput File In:。在“文件名”欄鍵入輸入文件名“C2H6-631ss.GJF,點擊”保存(S) ”鈕，輸入文件的創(chuàng)建即大功告成。保存的輸入文件C2H6-631ss.GJF的內容和格式見下。與用 Utilities -NewMat 命令將PDB格式文件轉換而成的輸入文件相比，其格式更為完整。它包含了 “Link 0”命令段，自動將檢查點文件命名為“ Untitled-2.chk ”并將作業(yè)的題目默認 設定為“Untitled-2 ”。同時，分子的自旋多重度已按照

56、圖 5-20b中“Theory” 菜單下Spin欄的取值而正確設定(但該菜單中未設“分子電荷”，故對陰、陽 離子體系，尚需修改電荷值。輸入文件C2H6-631ss.GJF的內容和格式： %Chk=Untitled-2.chkRHF/6-31G(d,p) Opt(Tight) Pop=(Minimal) Test Untitled-20 1C 0 -0.752000 0.000000 -0.002991C 0 0.751984 0.000000 0.002000H 0 -1.153000 0.881989 -0.520996H 0 -1.156998 -0.885986 -0.506989H 0

57、 -1.160004 0.009995 1.016998H 0 1.152985 -0.881989 0.520996H 0 1.159988 -0.010986 -1.016998H 0 1.156982 0.885986 0.505997在Chem3Dft接創(chuàng)建的4U入文件(C2H6-631ss.GJF)上原子位置用笛卡兒坐標描23述用Chem3Dft接創(chuàng)建的輸入文件的最大優(yōu)點是：若對象是中性分子則文件被G98W讀入后不經修改也可直接運行，這為不打算致力精通G98W軟件而又急于運用程序進行不太復雜的計算的用戶提供了很大的方便。因為不必查閱手冊、掌握基本命令和關鍵詞通常也能達到“瞎貓逮死耗子

58、”的目的。然而，根據(jù)計算作業(yè)的特 殊需要，Gaussian的許多關鍵詞均設置多種選項（Option） , Chem3D能提供 這些豐富的功能，因此，創(chuàng)建的文件只能適用于常規(guī)的計算項目。另外， Chem3D 直接創(chuàng)建的輸入文件采用的是笛卡兒坐標，無法施加分子對稱性限制條件，故不適用于時對于對稱性較高分子的幾何優(yōu)化計算。對于已具備計算量子化學基礎知識的用戶,推薦采用經Chem3D建和預優(yōu)化的分子先保存為*.PDB文件，然后再用G98WUtilitiesfNewMat命令創(chuàng)建輸入文件。用該命令將上面的以迪卡兒坐標形式表示的輸入文件轉換為以Z-矩陣形式表示輸入文件，內容和格式如下（主要看看內坐標格式如

59、何利于施加對稱性限 制）：HF/6-31G* TestC2H6.PDB0 1 C C,1,R2 H,1,R32A3 H,1,R32A3,3,D4,0 H,1,R32A3,3,-D4,0 H,2,R3,1,A3,3,180.,0 H,2,R3,1,A3,3,D7,0 H,2,R3,1,A3,3,-D7,0 Variables:R2=1.52220016R3=1.11321125A3=110.02771421D4=-120.D7=60.C2H隊有D3d的對稱性， 在此對稱性下，二面角D4和D7固定不變，故幾何優(yōu) 化計算時應該只有R2、R3和A3三個變量，作相應修改后的幾何優(yōu)化作業(yè)輸入文 件如下：%

60、 Chk=C2H6-631ss_OptHF/6-31G* Opt Pop（bonding） TestC2H6 Geometry Optimization at HF/6-31G* Level 0 10C1C2 C1 RCCH3 C1 RCH C2 ACCHH4 C1 RCH C2 ACCH H3 -120. 024H5 C1 RCH C2 ACCH H3 120. 0H6 C2 RCH C1 ACCH H3 180. 0H7 C2 RCH C1 ACCH H3 60. 0H8 C2 RCH C1 ACCH H3 -60. 0Variables:RCC=1.52RCH=1.11ACCH=110.