高斯软件的介绍
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计算机在化学中的应用 课程作业
题 目：高斯软件的简介 指导老师：徐畅老师 姓 名：马乃宇 学 号：C13201045 专 业：高分子化学与物理专业
Gaussian是一个量子化学软件包，它是目前 应用最广泛的计算化学软件之一，Gaussian 软件的出现降低了量子化学计算的门槛， 使得从头计算方法可以广泛使用，从而极 大地推动了其在方法学上的进展。
4).最简单的关键词输入是#或#p，其含义是采用HF方法和 STO-3G基组计算体系的能量；
能量的计算： 如何计算一个体系的能量是获取分子各种性质的基础，因此 首先来看如何计算体系的能量，即进行单点能计算： (1). 计算方法的选择： g98提供的常用计算方法有： 1) 半经验方法： 关键词：AM1, PM3, CNDO, INDO, MINDO 它们主要用于大的有机分子体系(由上百个原子组成)，一般 对于含金属体系不适用。这些方法只有在特殊场合适用。 2) 从头算(ab initio)方法： HF方法：即基于Hartree-Fock原理的方法 关键词：HF，RHF，UHF，ROHF 说明：I)当关键词为HF时，会自动根据自旋多重度选择 RHF还是UHF； Ii)ROHF为限制性开壳层HF方法，与UHF区别在 此时除了成单电子外，其余的和电子仍配对， 通常该方法得到的能量要较UHF略高。 Iii)HF方法可以看作是最低级的从头算方法，该方 法除了在构型优化时有使用外，不适合计算能量。
(2).基组的选择： 1). 全电子基组： 关键词：sto-3g, 3-21g, 4-31g, 6-21g, 6-31g, 6-311g, d95/d95v 说明：I). 不同的基组适用范围是不同的： STO-3G(H-Xe)；3-21G(H-Xe)；6-21G(H-Cl) 4-31G(H-Ne)；6-31G(H-Kr)；6-311G(H-Kr) D95(H-Cl 除了Na, Mg)；D95V(H-Ne)
G98的功能和程序结构
1. 主要功能： 基态(Ground state) •分子构型的优化 激发态(Excited state) 反应过渡态(Transition state) 基态和激发态能量
•能量计算
化学键的键能 电子亲合能和电离能 化学反应途径和势能面
IR光谱 •光谱计算 Raman光谱 电子光谱 NMR
说明：Ii)对于该类方法，硬盘和内存通常开销较大，应考虑 具体的硬件考虑之，其中对于硬盘空间的设置见文件 Default.Rou内容，另外，必须注意到由于受到操作系 统的限制，中间文件似乎不能超过2GB，此时需设置 多个中间文件，具体见g98说明；
耦合簇(Coupled Cluster)方法： 关键词：CCD, CCSD(T) 说明：I)该类方法与MPn方法一样，也是属于较高精度的计算 方法，其中CCD方法，只考虑了双取代，CCSD则在 CCD基础上进一步考虑了单取代； Ii)与MPn方法类似，该类方法计算量较大，通常只适用 小体系。
(5)分子构型描述部分： 有三种描述分子构型的方法： a.直角坐标系方法：(适用于全自由度优化情况) 格式为：元素符号 x y z 例如： O -0.464 0.177 0.0 H -0.464 1.137 0.0 H 0.441 -0.143 0.0 说明：1)元素符号大小写均可，也可直接用原子序数； 2)有时为了便于区别，可在元素符号后加一整数，如： O -0.464 0.177 0.0 H1 -0.464 1.137 0.0 H2 0.441 -0.143 0.0 3)x,y,z数值必须以小数格式输入： O -0.464 0.177 0 () O -0.464 0.177 0.() 4)g98的数据输入均为自由格式，即除了用空格来分隔 数据外，也可用逗号或混合使用；
密度泛函方法(DFT)：基于电荷密度自洽的方法 关键词：B3LYP等 根据所采用的相关和交换泛函，可以选择不同的DFT方法， 具体参见g98的帮助文件。其中B3LYP方法是使用最为广泛的 DFT方法，由于DFT方法考虑了电子之间的相关作用，因此得 到的能量要较HF来得精确，它是目前最常用的量子化学计算方 法。其缺点是，构型优化得到的键长通常偏长。 MPn方法： 关键词：MP2,MP3, MP4, MP5 说明：I)这些方法在HF基础上，进一步根据MP微扰理论考虑电 子相关作用，微扰项截至到二阶则为MP2，截至到三阶 则为MP3，其它类推，理论上考虑的微扰项越多，得到 的能量越精确，但将大大增加计算量，而且通常也无此 必要，多数场合选取MP2即可。
说明：ii)基组的大小决定了基函数的数目，即体系的原子轨道 数目，因此可从所选择的基组来推断MO数目： sto—3g：为最小基组，每个原子轨道用三个高斯函数 (GF)来描述，原子轨道数即为基函数数目。 如O：1s2s2p，原子轨道数为1+1+3=5 GF数目为3*5=15 3—21g：为劈裂(split)基组，其含义是：内层的每个AO 用3个GF描述，价层的AO劈裂为两组，分别用 2个和1个GF描述。显然，3—21g的GF数与sto3g是相同的。 如O：内层为1s，AO数为1，GF数为3 价层2s的AO数为2*1=2，GF数为2+1=3 价层2p的AO数为2*3=6，GF数为3*2+3*1=9 共1+2+6=9个AO和3+3+9=15个GF 对Mg：1s 2s 2p 3s 3p 内层1s, 2s和2p共有1+1+3=5个AO和3*5=15 个GF，价层3s有2个AO和3个GF，价层3p有 6个AO和9个GF，故共5+2+6=13个AO和 15+3+9=27个GF
电荷和电荷密度
•其它功能 偶极矩和超极矩 热力学参数 适用体系：气相和溶液
2.程序结构：
常用模块的功能：
•L0—初始化模块； •L1—读入输入，根据所给关键词确定将要使用的模块； •L101,102,…—与构型优化和反应过渡态相关的模块； •L202—输出距离矩阵、判断化合物点群及确定新的坐标系； •L301,302…309—与基组和赝势有关模块； •L310,…319—计算单及双电子积分模块； •L401,402—SCF初始猜测模块； •L502,503,508—SCF模块； •L601,608—Mulliken布居以及自然键轨道分析模块； •L701,702…—计算能量一阶和二阶导数模块； •L9999—进程结束模块；
说明：6—31g：为劈裂(split)基组，其含义与3-21g类似，内层的 每个AO用6个GF描述，价层的AO劈裂为两组，分 别用3个和1个GF描述。 如O：内层为1s，AO数为1，GF数为6 价层2s的AO数为2*1=2，GF数为3+1=4 价层2p的AO数为2*3=6，GF数为3*3+3*1=12 共1+2+6=9个AO和6+4+12=22个GF 对Mg：1s 2s 2p 3s 3p 内层1s, 2s和2p共有1+1+3=5个AO和6*5=30 个GF，价层3s有2个AO和4个GF，价层3p有 6个AO和12个GF，故共5+2+6=13个AO和 30+4+12=46个GF 6—311g：也为劈裂基组，自是价层的AO劈裂为3组，分别 用3个、1个和1个GF描述。 对于4-31g和6-21g类似。
G98输入文件的编写与使用
1.G98输入文件的组成：
L0命令部分(可无) 关键词部分 标题部分 体系电荷和自旋多重度 分子构型
(1) L0命令部分： 该部分内容均以%打头，主要用于指定计算过程所需 内存，chk以及rwf文件名，其典型内容是： %mem=100mb(计算所需内存，若无，由Default.Rou指定) %chk=h2o(chk文件的名称为h2o.chk) %rwf=h2o(中间结果文件名称为h2o.rwf) (2)关键词部分： 该部分内容由一个或多个关键词组成，用于指定了计 算类型和计算输出的控制等。 (3)标题部分： 由一行文本组成，该内容是必需的。 (4)电荷及自旋多重度： 体系所带电荷以及自旋多重度S=2s+1=成单电子数+1 例如H2O,S=1；Ti原子的基态S=3
说明： 1.根据不同的任务，某些模块需重复调用多次； 2.通常耗时较多的模块有：L5,L7,L8,L9,L10,L11等，此外， L8~L11这些模块的执行对内存和硬盘的需求较大； 3.若L9999未能正常执行完毕，则表明计算过程存在问题，需 检查之； 4.可根据各个模块的功能，对g98程序进行简化，例如如果用 户通常只用g98进行能量计算，则可只保留L1~6和L9999模块 其它模块可以删除去。
键长、键角和二面角数目的总和=3N-6
内坐标的输入格式为： 原子1,原子2,键长,原子3,键角,原子4,二面角
二面角
4
键角 2 1 键长 3
c.直角坐标和内坐标混合输入方法： 对于该方法，只需在采用直角坐标方法输入的原子的元素 符号后加一个整数0即可，例如： X 0 1.0 1.0 1.0 N 1 2.0 H 1 1.0 2 90.0 H 1 1.0 2 90.0 3 120.0 H 1 1.0 2 90.0 3 -120.0 d.分子构型的输入准确性是保证计算结果可靠性的前提，对 于复杂体系，在计算前均需对所输构型进行检查，具体包 括： 可视化处理，即采用一些分子构型软件观察所给构型是 否合理； 在g98运行到L2模块，会给出所输入分子所属点群，此 时，可检查点群是否合理。
Iii)极化(polarization)函数的使用： 在实际计算中，有时需在上述标准基组的基础上，添加一个 或多个极化函数，极化函数是指具有比原子价轨道更高角量子 数的高斯函数。例如H的价轨道为1s，则其极化函数为p型GF， 同样对C、O等价层为p轨道的原子，它们的极化函数应为d型 或f型轨道，类似地，对于过渡金属原子的极化函数为f型轨道。 极化函数的使用目的在于使原子价轨道在空间取向上变得 更“柔软”，从而使之易于与其它原子的轨道成键： 例如对于羰基基团中的C，O 原子，它们极化轨道(即d轨道 )之间形成的d轨道，使得C 原子的p轨道朝O方向极化， O的p轨道向C方向极化，从 而增强了C与O之间的作用。
b.内坐标(z-matrix)方法：(适用于构型的局部优化) 内坐标与直角坐标之间的区别在于，它侧重于从原子之间的 键连角度来描述原子间的相对位置，具体参数包括： 1)键长：( 需用两个原子描述) 即两个原子间的距离，注：该两个原子并非要具有化学直 观意义上的成键。此外，在默认情况下，键长单位为埃。 2)键角：(需用三个原子描述) 确定了二根键之间的夹角，默认单位为度，范围为-180~ 180deg之间，但二根键不能共线，即键角不能等于0和 ±180deg。 3)二面角：(需用四个原子描述) 二面角加上键长和键角就确定了四个原子的位置，其默认 单位为deg，范围为-360~360deg，可以为±360deg。当二 面角等于0，±180和±360deg时四个原子共面。
(6) g98输入文件编辑时的注意事项： 除了可采用g98所提供的输入文件编来编写， 此时应注意 到，在标题部分的前后各有一空行。
2.g98主要功能的使用： g98功能的使用主要由用户所给的关键词(keyword)内容而定， 在输入关键词时注意以下事项： 1).关键词的输入是自由格式，且不区分大小写； 2).当存在多个关键词时，可用空格、逗号来隔开； 3).通常每个关键词有多个选项(option)，若要选择单个或多 个选项时，书写方式有如下几种： keyword = option keyword(option) keyword=(option1, option2, ...) 多个选项时 keyword(option1, option2, ...) 例如：opt=z-matrix，opt(z-matrix)，opt=(z-matrix)三者是 等价的。 opt(z-matrix,maxcycle=20)与 opt=(z-matrix,maxcycle=20)是等价的。 建议统一采用第四种表示方式。
题 目：高斯软件的简介 指导老师：徐畅老师 姓 名：马乃宇 学 号：C13201045 专 业：高分子化学与物理专业
Gaussian是一个量子化学软件包，它是目前 应用最广泛的计算化学软件之一，Gaussian 软件的出现降低了量子化学计算的门槛， 使得从头计算方法可以广泛使用，从而极 大地推动了其在方法学上的进展。
4).最简单的关键词输入是#或#p，其含义是采用HF方法和 STO-3G基组计算体系的能量；
能量的计算： 如何计算一个体系的能量是获取分子各种性质的基础，因此 首先来看如何计算体系的能量，即进行单点能计算： (1). 计算方法的选择： g98提供的常用计算方法有： 1) 半经验方法： 关键词：AM1, PM3, CNDO, INDO, MINDO 它们主要用于大的有机分子体系(由上百个原子组成)，一般 对于含金属体系不适用。这些方法只有在特殊场合适用。 2) 从头算(ab initio)方法： HF方法：即基于Hartree-Fock原理的方法 关键词：HF，RHF，UHF，ROHF 说明：I)当关键词为HF时，会自动根据自旋多重度选择 RHF还是UHF； Ii)ROHF为限制性开壳层HF方法，与UHF区别在 此时除了成单电子外，其余的和电子仍配对， 通常该方法得到的能量要较UHF略高。 Iii)HF方法可以看作是最低级的从头算方法，该方 法除了在构型优化时有使用外，不适合计算能量。
(2).基组的选择： 1). 全电子基组： 关键词：sto-3g, 3-21g, 4-31g, 6-21g, 6-31g, 6-311g, d95/d95v 说明：I). 不同的基组适用范围是不同的： STO-3G(H-Xe)；3-21G(H-Xe)；6-21G(H-Cl) 4-31G(H-Ne)；6-31G(H-Kr)；6-311G(H-Kr) D95(H-Cl 除了Na, Mg)；D95V(H-Ne)
G98的功能和程序结构
1. 主要功能： 基态(Ground state) •分子构型的优化 激发态(Excited state) 反应过渡态(Transition state) 基态和激发态能量
•能量计算
化学键的键能 电子亲合能和电离能 化学反应途径和势能面
IR光谱 •光谱计算 Raman光谱 电子光谱 NMR
说明：Ii)对于该类方法，硬盘和内存通常开销较大，应考虑 具体的硬件考虑之，其中对于硬盘空间的设置见文件 Default.Rou内容，另外，必须注意到由于受到操作系 统的限制，中间文件似乎不能超过2GB，此时需设置 多个中间文件，具体见g98说明；
耦合簇(Coupled Cluster)方法： 关键词：CCD, CCSD(T) 说明：I)该类方法与MPn方法一样，也是属于较高精度的计算 方法，其中CCD方法，只考虑了双取代，CCSD则在 CCD基础上进一步考虑了单取代； Ii)与MPn方法类似，该类方法计算量较大，通常只适用 小体系。
(5)分子构型描述部分： 有三种描述分子构型的方法： a.直角坐标系方法：(适用于全自由度优化情况) 格式为：元素符号 x y z 例如： O -0.464 0.177 0.0 H -0.464 1.137 0.0 H 0.441 -0.143 0.0 说明：1)元素符号大小写均可，也可直接用原子序数； 2)有时为了便于区别，可在元素符号后加一整数，如： O -0.464 0.177 0.0 H1 -0.464 1.137 0.0 H2 0.441 -0.143 0.0 3)x,y,z数值必须以小数格式输入： O -0.464 0.177 0 () O -0.464 0.177 0.() 4)g98的数据输入均为自由格式，即除了用空格来分隔 数据外，也可用逗号或混合使用；
密度泛函方法(DFT)：基于电荷密度自洽的方法 关键词：B3LYP等 根据所采用的相关和交换泛函，可以选择不同的DFT方法， 具体参见g98的帮助文件。其中B3LYP方法是使用最为广泛的 DFT方法，由于DFT方法考虑了电子之间的相关作用，因此得 到的能量要较HF来得精确，它是目前最常用的量子化学计算方 法。其缺点是，构型优化得到的键长通常偏长。 MPn方法： 关键词：MP2,MP3, MP4, MP5 说明：I)这些方法在HF基础上，进一步根据MP微扰理论考虑电 子相关作用，微扰项截至到二阶则为MP2，截至到三阶 则为MP3，其它类推，理论上考虑的微扰项越多，得到 的能量越精确，但将大大增加计算量，而且通常也无此 必要，多数场合选取MP2即可。
说明：ii)基组的大小决定了基函数的数目，即体系的原子轨道 数目，因此可从所选择的基组来推断MO数目： sto—3g：为最小基组，每个原子轨道用三个高斯函数 (GF)来描述，原子轨道数即为基函数数目。 如O：1s2s2p，原子轨道数为1+1+3=5 GF数目为3*5=15 3—21g：为劈裂(split)基组，其含义是：内层的每个AO 用3个GF描述，价层的AO劈裂为两组，分别用 2个和1个GF描述。显然，3—21g的GF数与sto3g是相同的。 如O：内层为1s，AO数为1，GF数为3 价层2s的AO数为2*1=2，GF数为2+1=3 价层2p的AO数为2*3=6，GF数为3*2+3*1=9 共1+2+6=9个AO和3+3+9=15个GF 对Mg：1s 2s 2p 3s 3p 内层1s, 2s和2p共有1+1+3=5个AO和3*5=15 个GF，价层3s有2个AO和3个GF，价层3p有 6个AO和9个GF，故共5+2+6=13个AO和 15+3+9=27个GF
电荷和电荷密度
•其它功能 偶极矩和超极矩 热力学参数 适用体系：气相和溶液
2.程序结构：
常用模块的功能：
•L0—初始化模块； •L1—读入输入，根据所给关键词确定将要使用的模块； •L101,102,…—与构型优化和反应过渡态相关的模块； •L202—输出距离矩阵、判断化合物点群及确定新的坐标系； •L301,302…309—与基组和赝势有关模块； •L310,…319—计算单及双电子积分模块； •L401,402—SCF初始猜测模块； •L502,503,508—SCF模块； •L601,608—Mulliken布居以及自然键轨道分析模块； •L701,702…—计算能量一阶和二阶导数模块； •L9999—进程结束模块；
说明：6—31g：为劈裂(split)基组，其含义与3-21g类似，内层的 每个AO用6个GF描述，价层的AO劈裂为两组，分 别用3个和1个GF描述。 如O：内层为1s，AO数为1，GF数为6 价层2s的AO数为2*1=2，GF数为3+1=4 价层2p的AO数为2*3=6，GF数为3*3+3*1=12 共1+2+6=9个AO和6+4+12=22个GF 对Mg：1s 2s 2p 3s 3p 内层1s, 2s和2p共有1+1+3=5个AO和6*5=30 个GF，价层3s有2个AO和4个GF，价层3p有 6个AO和12个GF，故共5+2+6=13个AO和 30+4+12=46个GF 6—311g：也为劈裂基组，自是价层的AO劈裂为3组，分别 用3个、1个和1个GF描述。 对于4-31g和6-21g类似。
G98输入文件的编写与使用
1.G98输入文件的组成：
L0命令部分(可无) 关键词部分 标题部分 体系电荷和自旋多重度 分子构型
(1) L0命令部分： 该部分内容均以%打头，主要用于指定计算过程所需 内存，chk以及rwf文件名，其典型内容是： %mem=100mb(计算所需内存，若无，由Default.Rou指定) %chk=h2o(chk文件的名称为h2o.chk) %rwf=h2o(中间结果文件名称为h2o.rwf) (2)关键词部分： 该部分内容由一个或多个关键词组成，用于指定了计 算类型和计算输出的控制等。 (3)标题部分： 由一行文本组成，该内容是必需的。 (4)电荷及自旋多重度： 体系所带电荷以及自旋多重度S=2s+1=成单电子数+1 例如H2O,S=1；Ti原子的基态S=3
说明： 1.根据不同的任务，某些模块需重复调用多次； 2.通常耗时较多的模块有：L5,L7,L8,L9,L10,L11等，此外， L8~L11这些模块的执行对内存和硬盘的需求较大； 3.若L9999未能正常执行完毕，则表明计算过程存在问题，需 检查之； 4.可根据各个模块的功能，对g98程序进行简化，例如如果用 户通常只用g98进行能量计算，则可只保留L1~6和L9999模块 其它模块可以删除去。
键长、键角和二面角数目的总和=3N-6
内坐标的输入格式为： 原子1,原子2,键长,原子3,键角,原子4,二面角
二面角
4
键角 2 1 键长 3
c.直角坐标和内坐标混合输入方法： 对于该方法，只需在采用直角坐标方法输入的原子的元素 符号后加一个整数0即可，例如： X 0 1.0 1.0 1.0 N 1 2.0 H 1 1.0 2 90.0 H 1 1.0 2 90.0 3 120.0 H 1 1.0 2 90.0 3 -120.0 d.分子构型的输入准确性是保证计算结果可靠性的前提，对 于复杂体系，在计算前均需对所输构型进行检查，具体包 括： 可视化处理，即采用一些分子构型软件观察所给构型是 否合理； 在g98运行到L2模块，会给出所输入分子所属点群，此 时，可检查点群是否合理。
Iii)极化(polarization)函数的使用： 在实际计算中，有时需在上述标准基组的基础上，添加一个 或多个极化函数，极化函数是指具有比原子价轨道更高角量子 数的高斯函数。例如H的价轨道为1s，则其极化函数为p型GF， 同样对C、O等价层为p轨道的原子，它们的极化函数应为d型 或f型轨道，类似地，对于过渡金属原子的极化函数为f型轨道。 极化函数的使用目的在于使原子价轨道在空间取向上变得 更“柔软”，从而使之易于与其它原子的轨道成键： 例如对于羰基基团中的C，O 原子，它们极化轨道(即d轨道 )之间形成的d轨道，使得C 原子的p轨道朝O方向极化， O的p轨道向C方向极化，从 而增强了C与O之间的作用。
b.内坐标(z-matrix)方法：(适用于构型的局部优化) 内坐标与直角坐标之间的区别在于，它侧重于从原子之间的 键连角度来描述原子间的相对位置，具体参数包括： 1)键长：( 需用两个原子描述) 即两个原子间的距离，注：该两个原子并非要具有化学直 观意义上的成键。此外，在默认情况下，键长单位为埃。 2)键角：(需用三个原子描述) 确定了二根键之间的夹角，默认单位为度，范围为-180~ 180deg之间，但二根键不能共线，即键角不能等于0和 ±180deg。 3)二面角：(需用四个原子描述) 二面角加上键长和键角就确定了四个原子的位置，其默认 单位为deg，范围为-360~360deg，可以为±360deg。当二 面角等于0，±180和±360deg时四个原子共面。
(6) g98输入文件编辑时的注意事项： 除了可采用g98所提供的输入文件编来编写， 此时应注意 到，在标题部分的前后各有一空行。
2.g98主要功能的使用： g98功能的使用主要由用户所给的关键词(keyword)内容而定， 在输入关键词时注意以下事项： 1).关键词的输入是自由格式，且不区分大小写； 2).当存在多个关键词时，可用空格、逗号来隔开； 3).通常每个关键词有多个选项(option)，若要选择单个或多 个选项时，书写方式有如下几种： keyword = option keyword(option) keyword=(option1, option2, ...) 多个选项时 keyword(option1, option2, ...) 例如：opt=z-matrix，opt(z-matrix)，opt=(z-matrix)三者是 等价的。 opt(z-matrix,maxcycle=20)与 opt=(z-matrix,maxcycle=20)是等价的。 建议统一采用第四种表示方式。