实验小型分子的构型优化一、实验目的二、预习要求三、实验原理

实验小型分子的构型优化

一、实验目的

1．学会使用Gaussian程序优化分子构型。

2．学会使用密度泛函（DFT）方法得到分子的最优构型。

3．学会从输出文件中找到分子的能量、频率等数据。

二、预习要求

明确实验目的、实验内容，熟悉实验操作步骤。

三、实验原理

1. 构型优化过程说明：

对分子的构型进行优化是Gaussian 03软件的常用功能之一。构型优化过程是建立在能量计算基础上的，即寻找势能面上的能量极小值点，对于所有的极小值点，其能量的一阶导数（即梯度）为零时，被称为稳定点。稳定点对应分子的稳定构型，因此所有的构型优化过程都在寻找稳定点，并通过检查各原子受力和位移大小是否满足收敛标准来判断找到的稳定点是否是预期的点，进而完成分子构型优化过程。

如下图所示，构型优化由初始构型开始，通过对初始构型能量和梯度的计算，确定下一步的方向和步长，优化方向总是沿能量下降最快的方向进行。通过检查各原子受力和位移大小是否满足收敛标准来判断优化过程是否继续进行。大多数的构型优化也计算能量的二阶导数，来修正力矩阵，从而表明在该点的弯曲程度。

2. 构型优化的输入：

确定初始构型的坐标，选定优化方法及基组，添加关键词OPT即可。

3. 频率的计算

为了保证计算得到的构型为稳定构型，通常需在构型优化的基础上进行频率计算。中间体构型不存在虚频，过渡态构型有且仅有一个虚频。同时，频率分析可以用于预测分子的红外光谱和拉曼光谱（频率和强度）、计算几何优化的力矩阵、判断分子在势能面上的位置、计算零点能和热力学数据（系统的熵和焓）等方面。

四、计算机与软件

计算机所需软件为Gaussian 03及其相应做图软件GaussView。计算机内存要求在256M 以上，可以在PC机或工作站上进行。

五、实验步骤

1. 根据提供的参考构型，运用GaussView软件构造待优化分子的初始结构，得到它们的坐标。

2. 选择密度泛函(B3LYP)方法和6-31G基组，添加关键词OPT，编写Gaussian 03软件的输入文件。

3. 用Gaussian 03软件对初始构型进行优化，检查优化输出文件，查看优化结果。在优化过程中，得到每一个新构型之后，都要计算其单点能，然后在此基础上继续进行优化，直到四个收敛标准同时得到满足，此时对应的几何构型就被认为是最优构型。

4. 将前面得到的优化结果用GaussView软件打开，重新保存成.gjf格式的输入文件。将输入文件的命令行更改为：# B3LYP/6-31G freq，读入到Gaussian 03软件中对分子构型进行频率计算。

六、数据处理

1. 用GaussView软件查看优化后的分子构型。

2. 记录优化后构型的结构参数(键长、键角)、频率等数值，填入到对应的表格中，并画出分子的振动光谱。

七、思考题

1. 如何判断优化后的构型为最稳定构型?

2. 简述用Gaussian 03程序做构型优化时需注意的问题。

CH3CH2O

CH3CFHO

Bond length(Å) CH3CH2O CH3CFHO R(1-2)

R(1-3)

R(1-4)

R(1-5)

R(2-6)

R(2-7)

R(2-8)

二、键角

Bond angle(deg) CH3CH2O CH3CFHO A(3-1-4)

A(3-1-5)

A(1-2-7)

A(1-2-8)

A(6-2-7)

A(6-2-8)

三、请画出振动光谱图：