北京师范大学《计算化学理论和应用》computational chemistry (1)

%chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt
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
Gaussian 程序的结构
Gaussian
L0 Overlay0 L001
L101 L102 Overlay1
L122
link0: 初始化程序，控制overlay
link1: 读入并处理Route Section， 建立要执行的link列表
link9999: 终止计算
Overlay9,10,11,99 Overlay99 L9999
单点能量计算（默认任务类型） 分子几何结构优化 振动分析 反应途径计算 在指定反应途径上找能量最大值 势能面扫描 极化率和超极化率计算
ADMP&BOMP Force Stable Volume
Density=CheckPoint
Guess=Only
ReArchive
动力学计算 计算核的受力 波函数稳定性测试 计算分子体积 仅计算布居分析 仅作分子轨道初猜 从.chk文件中提取存档
.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
➢ 内存使用控制
%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 综合考虑到计算的需要和硬件水平，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
✓ 关键词可以通过 keyword =option,keyword(option), keyword=(option1, option2, ...)，keyword( option1, option2, ...)指定
例：#p HF/STO-3G opt #p HF/STO-3G opt=(TS,readfc)
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
➢自定义外部文字编辑器，用来打开.out文件 ➢link.exe所在的文件夹 ➢临时文件存放文件夹
Gaussian程序界面和输入文件的构造
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
MP2梯度 4 MW 6 MW 16 MW 38 MW
MP2振动分析 6 MW 10 MW 28 MW
j ≈60 MW
≈70 MW
Route Section
➢ 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
例6： 乙炔分子 直线形分子
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
例2： C2H4分子 平面形分子
# HF/STO-3G OPT
C2H4 opt
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
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
➢分子核相对位置可以用笛卡尔坐标，内坐标(Z-matrix)，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 ➢分子坐标的格式为:
元素符号, x, y, z
元素符号 (n) 原子1 键长 原子2 键角 原子3 二面角 [格式代码]
(0,180)
以原子在分子中的序数表示
通过右手规则确定
例1：使用HF方法，优化 H2O2分子
例4： NH3分子 分子点群C3V
# 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5： 呋喃分子 分子点群C2v
中所作分子轨道(HOMO)，电荷
密度和静电势空间分布图
Gaussian 程序的输入文件
% 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
Molecule Specification 分子说明
Gaussian作业的格式
%chk=water.chk %rwf=water.rwf #p hf/6-31g scfcyc=250 scfcon=8
定制内存和硬盘
-M- 2MW -#- MaxDisk=400MB
Gaussian程序使用的内存单位W 是双精度字，相当于8字节
2MW=16MB
设置方法：
将Default.r1文件改成default.rou
Gaussian03 程序界面
Preferences: 对Gaussian程序进行初 始化设置
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。
➢ Route Section主要由方法，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
Water
01 O H 1 R1 H 1 R1 2 a1
R1=1.04 a1=104.0
% Section： 行首以%开始，段后无空行 Route Section：行首以#开始，段后加空行 title：作业的简要描述，段后加空行 Molecular Specification：
分子说明部分，段后通常加空行
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
NewZmat工具界面
H2O分子单点计算后的.chk文件 转换成.fch文件后，在Chem3D
01 H 0.000 0.000 0.000 O 0.000 0.900 0.000 O 1.350 1.262 0.000 H 1.464 1.742 -0.752
内坐标表示
笛卡尔直角坐标表示
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
优化平衡态 opt=z-matrix 优化过渡态 opt=(ts,z-matrix,noeigentest) optcyc=n Iop(1/8=6)
freq
Freq=noraman Freq=ReadIsotopes
➢ Route Section采用自由格式，大小写不敏感
✓ 同一行不同项之间可以使用空格，逗号和“/”连接； 例：#p hf/6-31g scfcyc=230 scfcon=8 #p,hf/6-31g,scfcyc=230,scfcon=8
Title Section
➢ 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 多重度2s+1
H2O
0
1
H3O+
1
1
·NO
0
2
O2
0
2
电荷多重度部分通常也算作分子说明
Molecular Specification
分子说明部分主要用来定义分子核相对位置
%chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g 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
% Section(link 0)
➢ 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
%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
%chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt
%chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt
H2O2 energy calculation
ห้องสมุดไป่ตู้
H2O2 energy calculation
01 H O 1 0.9 O 2 1.4 1 105.0 H 3 0.9 2 105.0 1 120.0
Gaussian 程序中的部分关键词
Guess Guess=read Guess=mix Guess=alter
Guess
SCF
SCFCYC=n default=64 SCFCON=n SCFDM SCF=DM SCFQC SCF=QC direct (default)
opt
来控制分子的平面构型
例3： CH3F分子 分子点群C3V
# 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
通过常量b来控制C3V对称性
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
作业类型
f
g
h
i
SCF能量 4 MW 4 MW 9 MW 23 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