2._Gaussian_09_软件基本介绍

McMahon, R. J. et. al. Inorg. Chem. 2012, 51, 9846
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研究各种光谱
NMR 辅助确定化合物结构
“In this work we show how DFT calculations based on density functionals and basis sets designed for the prediction of NMR spectra (M06/pcS-2 level of theory) can be used to reproduce the observed parameters, thereby offering to the synthetic chemist a useful tool to discard or accept putative structures of unknown organic molecules.”
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研究反应机理
金催化剂催化1,5双烯重排机理
Gaussian 09 能够模拟诸如气相、液相、固相以及多相等 复杂化学环境下的化学反应，精确计算反应活化能及其它反 应性质，能够帮助研究者理解反应机理，从而为理性调控化 学反应提供分子层面的理论依据。
Felix, R. J. et. al. Nature. Chemistry. 2012, 4, 405
密度泛函是使用最广泛的第一性原理方法
The Nobel Prize in Chemistry 1954 Linus Pauling (1901-1994) 价键理论 The Nobel Prize in Chemistry 1966 Roberts S Mulliken (1896-1986) 分子轨道理论
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Gaussian 的功能
对化学反应的全面研究
使用Gaussian 09 研究您感兴趣的化学问题
快速可靠地得到分子稳定结构 预测过渡态结构 确定局域稳定点是稳态还是过渡态 通过内禀反应坐标（IRC）来追踪反应路径，从而确定一 个特定的过渡态连接的是哪个反应物和产物。一旦得到反 应的势能面图像，反应热和能垒就能够被精确的预测。 • 研究反应机理 • 更多相关信息： • http://www.gaussian.com/g_prod/g09b.htm • • • •
Dieckmann, A. et. al. JCTC. 2012, 8, 5064
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Gaussian的功能
光化学及其它激发态过程 • Gaussian 09 提供一系列方法研究体系的激发态性 质，提供的方法有TDDFT、CIS、EOM-CCSD、 CASSCF等。
常见应用体系
• 可以研究燃料分子及其它发色基团的吸收性质、得 到如杀虫剂或其它化合物的光解速率、研究潜在价 值的太阳能材料性质以及其它重要的课题。
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研究反应机理
QM/MM方法计算过渡金属酶催化反应机理
ONIOM模型 • 专为大体系设计的理论 化学模型 • 支持Gaussian 09的所有 计算方法与分子性质预 测
异青霉素N合成酶
Lundberg, et al., JCTC, 5, 222 (2009)
GAUSSIAN 的功能
GAUSSIAN 90,
GAUSSIAN程序是John A. Pople和他在CarnegieMellon大学的课题组在1970年发布的，最初版本 是Gaussian 70,目前已经有四十多年的历史。 GAUSSIAN 92, GAUSSIAN 94, GAUSSIAN 98, GAUSSIAN 03,
历史悠久
GAUSSIAN 70, The Nobel Prize in Chemistry 1998 J. A. Pople (1925-2004) Gaussian-系列程序 GAUSSIAN 76, GAUSSIAN 80,
GAUSSIAN 82,
GAUSSIAN 86, GAUSSIAN 88,
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研究激发态反应
基于卟啉结构的敏化太阳能电池设计
电子的激发态性质 是研究者普遍关心的一 个研究领域，所涉及的 到领域有光化学、光谱 学、生物化学、材料学 等。Gaussian 09 提供多 种激发态计算方法，可 以很好的预测分子或材 料的吸收和发射光谱。
Santhanamoorthi, N. et. al. JPC Lett. 2013, 4, 524
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V Vij
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量子力学三大基本理论
分子轨道理论
• R. S. Mulliken和F. Hund
价键理论
• L. C. pauling和slater
密度泛函理论
• Hohenberg和Kohn
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密度泛函理论 Density Functional Theory
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GAUSSIAN 的功能
研究范围 • 各种物质形态，如气相、 液相、固相、多相 • 各种物质形式，如无机 物、有机物、生物分子、 晶体等 • 各种尺度，如分子尺度、 纳米尺度、介观尺度 • 周期性与非周期性体系 • 基态与激发态
研究内容 • 分子的平衡结构及过 渡态结构 • 化学反应机理 • 分子间相互作用 • 分子性质 • 光谱
The Nobel Prize in Chemistry 1998
Walter Kohn (1923-) 密度泛函理论 The Nobel Prize in Chemistry 1998
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J. A. Pople (1925-2004) Gaussian-系列程序
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Gaussian的由来
财力 人力
理论化学
物力
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背景
计算化学的作用
建立理论化学模型
拟合已有实验结果
理解体系作用机制 改变化学环境，预测新体系性质 实验验证、理性设计
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理论化学方法
计算化学
量子力学
(精确理论，原理上可解决任何化学问题)
牛顿力 学 分子力 学
唯像 学理 论
从头 算
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Gaussian软件的发展、普及和应用对计算化学的 发展做出了巨大贡献
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GAUSSIAN 09
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Nature杂志的评价
实验研究者全新的工具
Nature, 2008, 455, 309-313.
• “It was the release of Gaussian 70 (a generalpurpose, ab initio computer program that has developed into today’s Gaussian 03 software) and the advent of minicomputers, both in the 1970s, that brought the tools of quantum mechanics to organic chemists.”
分子间相互作用
• • • • 氢键作用 静电力或永久偶极相互作用 色散作用 疏水作用等等
常见应用体系 • 蛋白-配体相互作用 • 各种氢键作用体系 • 储氢材料等
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研究弱相互作用
Diels-Alder 反应中色散作用导致的协同效应
弱相互作用在生物 化学、药物化学、材料 等领域等起着非常重要 的作用。 Gaussian 09 能 够研究分子间的弱相互 作用，提供了各种模型 化学方法来精确计算弱 相 互 作 用 能 。 Gaussian 09的计算结果还能为分 子立场参数拟合提供标 准值。
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GAUSSIAN 软件的特点
精确
• 应用完整的、无简化的数学和化学方法得到精确、可靠的结果
高效
• 高效地支持各种CPU平台及操作系统
• 简单、直观地设置计算条件 • 自动完成许多复杂计算 • 计算结果形象、直观地通过GaussView 5显示 . • 其它电子结构程序在对比计算精度与速度时, Gaussian 都是参考软 件。
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研究各种光谱
IR预测与指认谱峰
“Computed anharmonic vibrational frequencies and infrared intensities of carbonyl diazide (1) display excellent agreement with experiment, and reveal the presence of strong Fermi resonances.”
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易用
直观
权威
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GAUSSIAN 的特点
扩展计算化学的极限
第一性 原理 半经验、 QM/MM MM 1µm 1Ǻ 1nm
第一性 原理 半经验、 QM/MM MM
随着计算机技术和理论化学方法的不断发展， Gaussian能够应用到尺度更大的体系中
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内容摘要
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• Gaussian的由来 • Gaussian的特点 • Gaussian的功能 • Gaussian支持的模型化学方法 • Gaussian 09 程序结构
速度快
为什么叫Gaussian?
• 软件使用高斯型（Gaussian-type orbitals, GTO）基组 代替斯莱特型（Slater-type orbitals, STO）来提升计算 的速度。
使用GTO
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使用STO
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内容摘要
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• Gaussian的由来 • Gaussian的特点 • Gaussian的功能 • Gaussian支持的模型化学方法 • Gaussian 09 程序结构
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Gaussian的由来
综合性
Gaussian是一款 综合性量子化学软件 包，它是目前应用最 广泛的计算化学软 件。
化学家 化学工程学家 生物化学家 物理学家 材料学家 其它领域的科学家
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从头算
分子动 力学
密度泛 函
Gaussian
分子力 学
半经验
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Gaussian的由来
李宏平 hp-li@tri-ibiotech.com.cn
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内容摘要
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• Gaussian的由来Baidu Nhomakorabea• Gaussian的特点 • Gaussian的功能 • Gaussian支持的模型化学方法 • Gaussian 09 程序结构
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背景
计算化学是什么
• 计算化学的主要目标是依据化学规律(理论化学) 利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性 质，并用以解释一些具体的化学问题。
密度泛 函 第一性原理
半经 验
唯像规律
分子动力学（时间演化）
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Schrödinger方程
H (r )(r ) E(r )
H T V 2 2 T Ti i i 1 i 2mi ( 2 2 2) xi yi zi
2 2 2 2 i j i
预测光谱一览 • IR, Raman • NMR • UV/Vis, fluorescence • Vibrational circular dichrosism (VCD) • Raman optical activity (ROA) • Electronic circular dichroism (ECD) • Optical rotary dispersion (ORD) • Hyperfine spectra (Microwave spectroscopy) • Franck-Condon, Herzberg-Teller 分析
14000 12000 10000 8000 6000
e.g. B3LYP
4000 2000
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2011 2009 2007 2005 2003 2001 1999 1997 1995 1993 1991 1989 1987 1985 1983 1981 Hits from Web of ScienceTM using ‘Density Functional Theory’ as keywords
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Gaussian的功能
预测和解析光谱 • 光谱是研究分子结构和性质的一 个重要手段。但实验测得的光谱 往往难以解析。电子结构计算的 结果对光谱领域来说显得非常重 要。 • 理论预测光谱能够依据实验峰 值及强度来指认峰的归属 • 辅助确认化合物结构 • Gaussian 09 能精确计算光谱常数 以及相关分子性质，这种实验和 理论结合的方法能够对有兴趣的 分子得到非常精确的结构和光谱 数据。