量子化学计算实验详解2014

量子化学计算方法及应用

实验目的：

（1）掌握Gaussian03W的基本操作，通过计算小分子比较不同方法与基组对结果的影响，并比较同分异构体的稳定性；（2）通过运用量子力学方法计算分子的总电子密度，自旋密度，分子轨道及静电势。

实验注意：

（1）穿实验服；实验记录用黑色，蓝色或蓝黑色钢笔或签字笔记录，不需要画表格；

（2）实验前请先仔细阅读后附的软件使用介绍，然后逐步按照实验步骤所写内容进行操作；

（3）所有保存的文件全部保存在E盘或D盘根目录用自己学号命名的文件夹内，文件不要带中文命名，实验完毕全部删除，不得在计算用机上使用自己携带的U盘或其他便携存储设备！

实验步骤：

一、计算准备

打开GaussView，在新建的分子窗口中画出给定的分子结构，点击右键选择Lables显示原子序号；点击File –Save...，把分子保存为mol.gjf文件；用记事本打开mol.gjf文件，根据分子的对称性修改分子的Z矩阵，为相同环境的原子设置相同的键长并给出名称及初始值，以丙二烯的初始Z­矩阵为例：

C

C 1 B1

H 2 B2 1 A1

H 2 B3 1 A2 3 D1

C 4 B4 2 A3 1 D2

H 5 B5 4 A4 2 D3

H 5 B6 4 A5 2 D4

B1 1.35520000

B2 1.07000000

B3 1.07000000

B4 3.37362449

B5 1.07000000

B6 1.07000000

A1 120.22694612

（以下省略...）

由于氢3，氢4与碳2的键长和氢6，氢7与碳5的键长均相等，所以B2、B3、B5、B6均可设定为键长CH（自定义名称，注意所有字母都用大写！），把下面的B2改为CH并把B3、B5、B6删除（数值不同不要紧，后面已为其给出相同的键长初始值）；另外把B1改为键长CC，B4改为键长CC2，键角二面角可无视；修改后Z矩阵如下：C

C 1 CC

H 2 CH 1 A1

H 2 CH 1 A2 3 D1

C 4 CC2 2 A3 1 D2

H 5 CH 4 A4 2 D3

H 5 CH 4 A5 2 D4

CC 1.35520000

CH 1.07000000

CC2 3.37362449

A1 120.22694612

（以下省略...）

注意内坐标所有变量均在后面给出初始值，变量设值不能重复，修改好后保存，用GaussView点击File – Open尝试打开刚才保存的mol.gjf文件，如果打开有误请再检查和修改。把分子结构和原子编号在实验原始数据记录上记录下来（不需记录Z­矩阵）。

二、量子力学方法几何优化计算比较

（1）打开Gaussian03W，点击File – Open...打开刚才保存的mol.gjf文件，作如下修改（不需区分大小写）：%Section部分全部删除，留空

Route Section部分修改为：#T HF/6­21G Opt=Z­matrix Nosymm

Title Section部分改为自定义标题，如：C2H2F2

Charge & Multipl.部分不需修改按默认值：0 1

Molecule Specification部分会读取分子Z矩阵，不需修改，注意开头不要留有空行

点击File – Save Job保存Gaussian输入文件；点击右边的Run按钮，保存输出文件为mol.out，点击“保存”开始计

算作业；当计算窗口Run Progress上显示“Processing Complete.”且输出窗口末尾出现”Normal termination”字样时，表示计算正常结束（如计算出现“Error termination”或中途结束，点击确定，点击File – Modify...，正确修改输入文件后继续）。

计算结束后点击View – Editor ­> Output File查看输出文件，从末尾开始找到”Job cpu time”记录计算时间；在倒数约第十行附近找到并记录能量值HF=... 。

（2）点击File – Modify...，在Route Section一栏把6­21G 基组改为6­31G(d)，记录时间和能量值。

（3）点击File – Modify...，把方法从HF改为MP2，基组保持6­31G(d)不变，重复上述计算，记录时间和能量值MP2=... 。

（4）点击File – Modify...，把MP2方法改为给定的DFT方法(B3LYP/B3P86/B3PW91/B1B95)，计算并记录时间和能

量值HF=...；往上找到”Dipole moment”记录总偶极矩Tot=...（不需要记录xyz方向上的偶极矩）；继续向上找到”Optimized Parameters”一栏下”Value”一列，记录优化后的各键长值（只需要键长）。

（5）点击File – Modify...，把Route Section修改为“#T (给定的DFT方法)/6­31G(d) Opt=Z­matrix Nosymm Freq”进行计算，从输出文件末尾向上查找并记录1Atm压力及常温下内能U298.15K(Sum of electronic and thermal Energies)，焓H298.15 (Sum of electronic and thermal Enthalpies)以及吉布斯自由能G298.15 K(Sum of electronic and thermal Free Energies)，根据实验教K

材上的公式求出熵值并换算成kJ/mol·K­1写在数据记录上。

三、描绘分子性质

（1）打开GaussView软件，点击File – Open...在下拉菜单中选择Gaussian Output Files (*.out *.log)找到计算文件夹内

的mol.out文件（即最后保存的out文件）打开，点击Save...在下拉菜单中选择MDL Mol Files (*.mol)保存为mol.mol文件；

打开Hyperchem，点击File – Open...在下拉菜单中选择MDL Mol (*.mol)，打开刚才保存的mol.mol文件。点击Setup – Semi­empirical，选择“CNDO”作为计算方法；点击Options...，如图进行设置：

点击OK，然后点击Compute ­ Single Point进行单点能计算，从状态栏（窗口最下面）读出并记录能量值；点击Display – Labels...在Atoms一栏选择Charge后点击OK，从分子上显示数值记录各不同类型的原子电荷。

（2）点击Compute ­ Plot Molecular Properties Graph，选择Electrostatic Potential及2D Contours，点击OK绘制出二维

静电势图，用工具栏以下工具调整至合适视图（未选中工具栏视角转换工具前切勿在窗口点击任何按键！）：

Rotate out­of­plane：平面外旋转工具Mgnify/Shrink：放大镜工具

在实验记录上画出分子的二维静电势图，注意标记正负（紫色为负，绿色为正，下同）。

（3）点击Compute ­ Plot Molecular Properties Graph，选择Total Charge Density及3D Isouface，点击确定，观察三维总电荷密度图。