天津大学《量子化学》Gaussian软件简介
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CH3F C3v opt
01 C F 1 r1 H 1 r2 2 a1 H 1 r2 2 a1 3 b H 1 r2 2 a1 3 -b
r1=1.38 r2=1.09 a1=110.6
b=120.0
例4： NH3分子 分子点群C3V
Gaussian 程序的结构
Link0：初始化程序， 控制overlay
Example of CH2O with HF/STO-3G:Input file
molecule in Z-matrix molecule in Z-matrix molecule in Cartesian
# HF/STO-3G
# HF/STO-3G
# HF/STO-3G
Example: aldehyde Example: aldehyde Example: aldehyde
作业类型
f
g
h
i
j
SCF能量 4 MW 4 MW 9 MW 23 MW ≈60 MW
SCF梯度 4 MW 5 MW 16 MW 38 MW
SCF振动分析 4 MW 9 MW 27 MW
MP2能量 4 MW 5 MW 10 MW 28 MW ≈70 MW
MP2梯度 4 MW 6 MW 16 MW 38 MW
MP2振动分析 6 MW 10 MW 28 MW
Route Section
a)Route Section以#开始，#控制作业的输出
➢ #N 正常输出；默认 (没有计算时间的信息) ➢ #P 输出更多信息。包括每一执行模块在开始和
结束时与计算机系统有关的各种信息 (包括执行 时间数据，以及SCF计算的收敛信息) ➢ #T 精简输出：只打印重要的信息和结果。
➢Gaussian程序最早的版本是70年出来的，称为 Gaussian70，后来发展了76，80，82，86，88， 90，92，94，98，03。
Gaussian03 图形工具栏
批处理专用
开始作业 暂停当前作业 当前link后暂停 恢复当前作业 终止当前作业
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
Molecule Specification 分子说明
Gaussian作业的格式
%chk=water.chk
% Section： 行首以%开始，段后无空行
%rwf=water.rwf
#p hf/6-31g scfcyc=250 scfcon=8 Route Section：行首以#开始，段后加空行
01 C C 1 r1 H 1 r2 2 a1 H 1 r2 2 a1 3 180.0 H 2 r2 1 a1 3 0.0 H 2 r2 1 a1 4 0.0
例2： C2H4分子 平面形分子
r1=1.32 r2=1.09 a1=120.0
➢ 通过同一个变量控制C-H键长； ➢ 把二面角定义为180和0的常量来 控制分子的平面构型。
元素符号, x, y, z
➢ 分子坐标的格式为：
元素符号(n) 原子1 键长 原子2 键角 原子3 二面角
－原子1，2，3以原子在分子中的序数表示； －键角为(0,180)； －二面角通过右手规则确定。
例1：使用HF方法，优化 H2O2分子
内坐标表示 %chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt
笛卡尔直角坐标表示 %chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt
H2O2 energy calculation
H2O2 energy calculation
01
01
H
H 0.000 0.000
0.000
O 1 0.9
O 0.000 0.900
0.000
O 2 1.4 1 105.0
NH3的几何构型优化输入窗口
NH3的振动频率计算输入窗口（作为优化的后 继作业）
Gaussian应用范围
Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛 的量子化学软件，可以研究：
计振分过化偶原热极算动子渡学极力化可频能态键轨矩电学率以率量的以道和荷性和模，和能及多质超拟红结量反极电，极在外构和应矩势反化气和结能应率相拉构量路和曼径溶光液谱中，的NM体R系,模拟基态和激发态
Gaussian03的新增功能
-Enhanced ONIOM Method
QM(量 子 力 学 )区
QM/MM区
QM区：发生强相互作用 或反应发生区域
I II
III
MM区：无相互作用区域
MM(分 子 力 学 )区
QM/MM区：由QM区向 MM区过渡区域
ONIOM简介
ONIOM:our own n-layer integrated molecular orbital and molecular mechanics
# HF/STO-3G OPT
CH3F C3v opt
01 C F 1 r1 H 1 r2 2 a1 H 1 r2 2 a1 3 b H 1 r2 2 a1 3 -b
r1=1.38 r2=1.09 a1=110.6
b=120.0
例3： CH3F分子 分子点群C3V
➢通过常量b来控制C3V对称性
# HF/STO-3G OPT
H2O2 energy calculation
01 H O 1 r1 O 2 r2 1 a1 H 3 r1 2 a1 1 d1
r1=0.9 r2=1.4 a1=105.0 d1=120.0
通过对两个键长和键角使用 同一变量定义可以控制分子 的对称性
%chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt
打开外部编辑器
编辑输出文件
Gaussian03 程序工具
将.chk文件转换为.fch文件，这种 文件可以使用图形软件打开
将.fch文件还原为.chk文件 从指定.chk文件中显示作业的route section和title 将.chk文件转换成文本格式
将以前版本的Gaussian产生的.chk 文件转换为G03的.chk文件
➢ %mem=n控制运行过程中使用内存的大小,可以以W或者 MB，GB为单位
➢ default：6000000W＝48MB
➢ 内存并非给得越多越好，最有效率的方法是根据作业类型 估算所需要内存的大小
c)不同作业使用内存的估算方法
M + 2NB2 M：不同类型作业需要的最小内存， NB ：计算所使用基函数的数目
2. 几何构型优化 ➢ 求平衡构型，过渡态构型等等
3. 各种分子性质
➢ 电子密度、静电势、多极矩、频率、红外光谱、 拉曼光谱，集居数分析、溶剂效应等。
4. 计算速度加快 ➢ 同样条件比G88快10余倍。
作业
❖ 写出分子 H2C=C=O分子输入坐标 ❖ 其中C=C: 1.35 C=O: 1.20 C-H: 1.09 ❖ 写出苯分子内坐标 ❖ C=C: 1.30 C-H: 1.09
Force
计算核的受力
振动分析
Stable
波函数稳定性测试
反应途径计算
Volume
计算分子体积
在指定反应途径上找能量最大值 Density=CheckPoint 仅计算布居分析
势能面扫描
Guess=Only
仅作分子轨道初猜
极化率和超极化率计算
ReArchive
从.chk 文件中提取存档
Title Section
Level of Theory
2
4
High
1
Low
EONIOM2=E3-E1+E2
3
Model
Real
Journal of Molecular Structure(TheoChem) 461-462(1999)源自文库1-21
应用范围
•酶反应 •有机体系的反应机理 •表面和表面反应的簇模型 •有机物种的光化学反应 •有机物和金属有机物的取代基效应和反应性 •均相催化
Water
title：作业的简要描述，段后加空行
01 O H 1 R1 H 1 R1 2 a1
Molecular Specification： 分子说明部分，段后通常加空行
R1=1.04 a1=104.0
% Section(link 0)
a) 定义计算过程中的临时文件
➢ %chk=name.chk ：.chk文件在计算中记录分子几何构型， 分子轨道，力常数矩阵等信息
Gaussian软件简介
Gaussian03
计算化学面临的挑战是艰巨的， 但也正在取得很大的进展，年 轻化学家若对计算机有兴趣的 话，那末计算化学是具有令人 兴奋前景的研究领域。
── 美国化学会会长 R.布里斯罗
➢Gaussian是目前世界上发展最全面，历史最长 的量子化学计算商业程序包。
➢Gaussian最早是由Pople等科学家组织编写， 并发展的，后来逐步专业化，现在专门成立 了Gaussian公司，从事量子化学程序发展和销 售工作。类似的公司美国还有不少，biochmi， SGI等。
01 C1 O2 1 A H3 1 B 2 C H4 1 B 2 C 3 D
A = 1.28 B = 1.10 C = 121.0 D = 180.0
01 C1 O2 1 1.28 H3 1 1.10 2 121.0 H4 1 1.10 2 121.0 3 180.0
01 C1 0.00 0.00 0.00 O2 0.00 0.00 1.28 H3 0.94 0.00 -0.57 H4 -0.94 0.00 -0.57
H2O2 energy calculation
01 H O 1 r1 O 2 r2 1 a1 H 3 r1 2 a1 1 d1
r1=0.9 a1=105.0 d1=120.0
变量部分
r2=1.4
常量部分
通过设定常量，可以使程序只 对分子结构进行部分优化
# HF/STO-3G OPT
C2H4 opt
编辑批处理作业文件
转换不同格式的分子结构文件
读取.fch文件中的数据并生成三 维空间网格图
利用.chk文件中的分子轨道，生 成电子密度和静电势的空间分布 网格图
从.chk文件中打印出频率和热化 学数据
Gaussian输入界面
%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
➢ %rwf=name.rwf ：.rwf文件主要在作业重起时使用，当计 算量比较大时，.rwf文件通常会非常大，此时需要将之分 割保存
➢ %int=name.int, %d2e=name.d2e ：.int文件在计算过程中存 储双电子积分, .d2e文件在计算过程中存储双电子积分的 二阶导数
b) 内存使用控制
b)Route Section由方法，基组，任务类型三部 分组成
➢ 方法与基组后续课程专门介绍 ➢ Gaussian程序能完成的任务类型
Sp Opt Freq Irc IrcMax Scan Polar
Gaussian程序能完成的任务类型
单点能量计算（默认任务类型） ADMP&BOMP
动力学计算
分子几何结构优化
➢ Title部分必须输入，但是程序并不执行，起标识和 说明作用。
Charge & Multipl.
➢ 输入分子的电荷和自旋多重度
例：
电荷
H2O
0
H3O+ 1
·NO 0
O2
0
多重度2s+1 1 1 2 2
➢ 电荷多重度部分通常也算作分子说明
Molecular Specification
a) 分子说明部分主要用来定义分子核相对位置 ➢ 分子核相对位置可以用笛卡尔坐标，内坐标(Zmatrix)，或者是二者混合表示。 ➢ 笛卡尔坐标是内坐标的一种特殊形式：
O 1.350 1.262
0.000
H 3 0.9 2 105.0 1 120.0
H 1.464 1.742
-0.752
➢上述两个作业将对H2O2分子的结构进行完全优 化，包括所有的键长键角和二面角。
➢通过将内坐标定义成变量，可以对分子结构进
行部分优化。
%chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt
Gaussian
Link1：读入并处理 Route Section，建立 要执行的link列表
L0 Overlay0 L001
L101 L102 Overlay1
L122
Link9999：终止计算
Overlay9,10,11,99
Overlay99 L9999
Gaussian的功能
1. 能量、梯度（力）和频率（力常数）方面 ➢ 包含各种SCF方法，RHF，UHF，ROHF等等。 分析的梯度和力常数，各种类型CI，各种计算相 关能方法。以及几乎所有半经验方法，放在 MOPAC的程序包内。
01 C F 1 r1 H 1 r2 2 a1 H 1 r2 2 a1 3 b H 1 r2 2 a1 3 -b
r1=1.38 r2=1.09 a1=110.6
b=120.0
例4： NH3分子 分子点群C3V
Gaussian 程序的结构
Link0：初始化程序， 控制overlay
Example of CH2O with HF/STO-3G:Input file
molecule in Z-matrix molecule in Z-matrix molecule in Cartesian
# HF/STO-3G
# HF/STO-3G
# HF/STO-3G
Example: aldehyde Example: aldehyde Example: aldehyde
作业类型
f
g
h
i
j
SCF能量 4 MW 4 MW 9 MW 23 MW ≈60 MW
SCF梯度 4 MW 5 MW 16 MW 38 MW
SCF振动分析 4 MW 9 MW 27 MW
MP2能量 4 MW 5 MW 10 MW 28 MW ≈70 MW
MP2梯度 4 MW 6 MW 16 MW 38 MW
MP2振动分析 6 MW 10 MW 28 MW
Route Section
a)Route Section以#开始，#控制作业的输出
➢ #N 正常输出；默认 (没有计算时间的信息) ➢ #P 输出更多信息。包括每一执行模块在开始和
结束时与计算机系统有关的各种信息 (包括执行 时间数据，以及SCF计算的收敛信息) ➢ #T 精简输出：只打印重要的信息和结果。
➢Gaussian程序最早的版本是70年出来的，称为 Gaussian70，后来发展了76，80，82，86，88， 90，92，94，98，03。
Gaussian03 图形工具栏
批处理专用
开始作业 暂停当前作业 当前link后暂停 恢复当前作业 终止当前作业
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
Molecule Specification 分子说明
Gaussian作业的格式
%chk=water.chk
% Section： 行首以%开始，段后无空行
%rwf=water.rwf
#p hf/6-31g scfcyc=250 scfcon=8 Route Section：行首以#开始，段后加空行
01 C C 1 r1 H 1 r2 2 a1 H 1 r2 2 a1 3 180.0 H 2 r2 1 a1 3 0.0 H 2 r2 1 a1 4 0.0
例2： C2H4分子 平面形分子
r1=1.32 r2=1.09 a1=120.0
➢ 通过同一个变量控制C-H键长； ➢ 把二面角定义为180和0的常量来 控制分子的平面构型。
元素符号, x, y, z
➢ 分子坐标的格式为：
元素符号(n) 原子1 键长 原子2 键角 原子3 二面角
－原子1，2，3以原子在分子中的序数表示； －键角为(0,180)； －二面角通过右手规则确定。
例1：使用HF方法，优化 H2O2分子
内坐标表示 %chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt
笛卡尔直角坐标表示 %chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt
H2O2 energy calculation
H2O2 energy calculation
01
01
H
H 0.000 0.000
0.000
O 1 0.9
O 0.000 0.900
0.000
O 2 1.4 1 105.0
NH3的几何构型优化输入窗口
NH3的振动频率计算输入窗口（作为优化的后 继作业）
Gaussian应用范围
Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛 的量子化学软件，可以研究：
计振分过化偶原热极算动子渡学极力化可频能态键轨矩电学率以率量的以道和荷性和模，和能及多质超拟红结量反极电，极在外构和应矩势反化气和结能应率相拉构量路和曼径溶光液谱中，的NM体R系,模拟基态和激发态
Gaussian03的新增功能
-Enhanced ONIOM Method
QM(量 子 力 学 )区
QM/MM区
QM区：发生强相互作用 或反应发生区域
I II
III
MM区：无相互作用区域
MM(分 子 力 学 )区
QM/MM区：由QM区向 MM区过渡区域
ONIOM简介
ONIOM:our own n-layer integrated molecular orbital and molecular mechanics
# HF/STO-3G OPT
CH3F C3v opt
01 C F 1 r1 H 1 r2 2 a1 H 1 r2 2 a1 3 b H 1 r2 2 a1 3 -b
r1=1.38 r2=1.09 a1=110.6
b=120.0
例3： CH3F分子 分子点群C3V
➢通过常量b来控制C3V对称性
# HF/STO-3G OPT
H2O2 energy calculation
01 H O 1 r1 O 2 r2 1 a1 H 3 r1 2 a1 1 d1
r1=0.9 r2=1.4 a1=105.0 d1=120.0
通过对两个键长和键角使用 同一变量定义可以控制分子 的对称性
%chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt
打开外部编辑器
编辑输出文件
Gaussian03 程序工具
将.chk文件转换为.fch文件，这种 文件可以使用图形软件打开
将.fch文件还原为.chk文件 从指定.chk文件中显示作业的route section和title 将.chk文件转换成文本格式
将以前版本的Gaussian产生的.chk 文件转换为G03的.chk文件
➢ %mem=n控制运行过程中使用内存的大小,可以以W或者 MB，GB为单位
➢ default：6000000W＝48MB
➢ 内存并非给得越多越好，最有效率的方法是根据作业类型 估算所需要内存的大小
c)不同作业使用内存的估算方法
M + 2NB2 M：不同类型作业需要的最小内存， NB ：计算所使用基函数的数目
2. 几何构型优化 ➢ 求平衡构型，过渡态构型等等
3. 各种分子性质
➢ 电子密度、静电势、多极矩、频率、红外光谱、 拉曼光谱，集居数分析、溶剂效应等。
4. 计算速度加快 ➢ 同样条件比G88快10余倍。
作业
❖ 写出分子 H2C=C=O分子输入坐标 ❖ 其中C=C: 1.35 C=O: 1.20 C-H: 1.09 ❖ 写出苯分子内坐标 ❖ C=C: 1.30 C-H: 1.09
Force
计算核的受力
振动分析
Stable
波函数稳定性测试
反应途径计算
Volume
计算分子体积
在指定反应途径上找能量最大值 Density=CheckPoint 仅计算布居分析
势能面扫描
Guess=Only
仅作分子轨道初猜
极化率和超极化率计算
ReArchive
从.chk 文件中提取存档
Title Section
Level of Theory
2
4
High
1
Low
EONIOM2=E3-E1+E2
3
Model
Real
Journal of Molecular Structure(TheoChem) 461-462(1999)源自文库1-21
应用范围
•酶反应 •有机体系的反应机理 •表面和表面反应的簇模型 •有机物种的光化学反应 •有机物和金属有机物的取代基效应和反应性 •均相催化
Water
title：作业的简要描述，段后加空行
01 O H 1 R1 H 1 R1 2 a1
Molecular Specification： 分子说明部分，段后通常加空行
R1=1.04 a1=104.0
% Section(link 0)
a) 定义计算过程中的临时文件
➢ %chk=name.chk ：.chk文件在计算中记录分子几何构型， 分子轨道，力常数矩阵等信息
Gaussian软件简介
Gaussian03
计算化学面临的挑战是艰巨的， 但也正在取得很大的进展，年 轻化学家若对计算机有兴趣的 话，那末计算化学是具有令人 兴奋前景的研究领域。
── 美国化学会会长 R.布里斯罗
➢Gaussian是目前世界上发展最全面，历史最长 的量子化学计算商业程序包。
➢Gaussian最早是由Pople等科学家组织编写， 并发展的，后来逐步专业化，现在专门成立 了Gaussian公司，从事量子化学程序发展和销 售工作。类似的公司美国还有不少，biochmi， SGI等。
01 C1 O2 1 A H3 1 B 2 C H4 1 B 2 C 3 D
A = 1.28 B = 1.10 C = 121.0 D = 180.0
01 C1 O2 1 1.28 H3 1 1.10 2 121.0 H4 1 1.10 2 121.0 3 180.0
01 C1 0.00 0.00 0.00 O2 0.00 0.00 1.28 H3 0.94 0.00 -0.57 H4 -0.94 0.00 -0.57
H2O2 energy calculation
01 H O 1 r1 O 2 r2 1 a1 H 3 r1 2 a1 1 d1
r1=0.9 a1=105.0 d1=120.0
变量部分
r2=1.4
常量部分
通过设定常量，可以使程序只 对分子结构进行部分优化
# HF/STO-3G OPT
C2H4 opt
编辑批处理作业文件
转换不同格式的分子结构文件
读取.fch文件中的数据并生成三 维空间网格图
利用.chk文件中的分子轨道，生 成电子密度和静电势的空间分布 网格图
从.chk文件中打印出频率和热化 学数据
Gaussian输入界面
%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
➢ %rwf=name.rwf ：.rwf文件主要在作业重起时使用，当计 算量比较大时，.rwf文件通常会非常大，此时需要将之分 割保存
➢ %int=name.int, %d2e=name.d2e ：.int文件在计算过程中存 储双电子积分, .d2e文件在计算过程中存储双电子积分的 二阶导数
b) 内存使用控制
b)Route Section由方法，基组，任务类型三部 分组成
➢ 方法与基组后续课程专门介绍 ➢ Gaussian程序能完成的任务类型
Sp Opt Freq Irc IrcMax Scan Polar
Gaussian程序能完成的任务类型
单点能量计算（默认任务类型） ADMP&BOMP
动力学计算
分子几何结构优化
➢ Title部分必须输入，但是程序并不执行，起标识和 说明作用。
Charge & Multipl.
➢ 输入分子的电荷和自旋多重度
例：
电荷
H2O
0
H3O+ 1
·NO 0
O2
0
多重度2s+1 1 1 2 2
➢ 电荷多重度部分通常也算作分子说明
Molecular Specification
a) 分子说明部分主要用来定义分子核相对位置 ➢ 分子核相对位置可以用笛卡尔坐标，内坐标(Zmatrix)，或者是二者混合表示。 ➢ 笛卡尔坐标是内坐标的一种特殊形式：
O 1.350 1.262
0.000
H 3 0.9 2 105.0 1 120.0
H 1.464 1.742
-0.752
➢上述两个作业将对H2O2分子的结构进行完全优 化，包括所有的键长键角和二面角。
➢通过将内坐标定义成变量，可以对分子结构进
行部分优化。
%chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt
Gaussian
Link1：读入并处理 Route Section，建立 要执行的link列表
L0 Overlay0 L001
L101 L102 Overlay1
L122
Link9999：终止计算
Overlay9,10,11,99
Overlay99 L9999
Gaussian的功能
1. 能量、梯度（力）和频率（力常数）方面 ➢ 包含各种SCF方法，RHF，UHF，ROHF等等。 分析的梯度和力常数，各种类型CI，各种计算相 关能方法。以及几乎所有半经验方法，放在 MOPAC的程序包内。