计算化学实验_分子结构模型的构建及优化计算

实验9 分子结构模型的构建及优化计算

一、目的要求

1．掌握Gaussian 和GaussView程序的使用。

2．掌握构建分子模型的方法，为目标分子设定计算坐标。

3．能够正确解读计算结果，采集有用的结果数据。

二、实验原理

量子化学是运用量子力学原理研究原子、分子和晶体的电子结构、化学键理论、分子间作用力、化学反应理论、各种光谱、波谱和电子能谱的理论，以及无机、有机化合物、生物大分子和各种功能材料的结构和性能关系的科学。

Gaussian程序是目前最普及的量子化学计算程序，它可以计算得到分子和化学反应的许多性质，如分子的结构和能量、电荷密度分布、热力学性质、光谱性质、过渡态的能量和结构等等。GaussView是一个专门设计的与Gaussian配套使用的软件，其主要用途有两个：构建Gaussian的输入文件；以图的形式显示Gaussian计算的结果。本实验主要是借助于GaussView程序构建Gaussian的输入文件，利用Gaussian程序对分子的稳定结构和性质进行计算和分析。

三、软件与仪器

1．软件：Gaussian03、GaussView计算软件，UltraEdit编辑软件。

2．仪器：计算机1台。

四、实验步骤

1．利用GaussView程序构建Gaussian的输入文件

打开GaussView程序，如图9-1所示，在GaussView中利用建模工具

（View→Builder→），如图9-2所示，在程序界面元素周期表的位置处找到所需的元素，单击即可调入该元素与氢元素的化合物。

图9-1 GaussView打开时的界面

图9-2点击Builder及双击图标后出现的元素周期表窗口图若要构建像乙烷这样的链状分子，需要先点击工具栏中的按钮，常见的链状分子就显示在新打开的窗口中，如图9-3所示。

图9-3 常见链状官能团窗口图

若要构建像苯、萘等环状结构的分子结构，需要双击工具栏中的按钮，常见的环状有机分子就显示在新打开的窗口中，如图9-4所示。

进行分子的基本构型搭建后，在进行元素及键型、特殊基团的选择，重现构建分子直至构建为所需分子。选定要编辑的原子后，在对原子之间的键长、键角或者二面角进行选定，输入所需要的键长、键角或二面角值。要求学生练习构建H2O、CH4、乙烯和乙醛等分子的构型。

绘制出分子的结构式后，把图形保存成gjf文件（File→Save，取名为*.gjf，注意文件名和路径都不能包含中文字符）。

图9-4 常见环状官能团窗口图

构建分子成功后，可以利用GaussView查看分子的对称性和坐标。从Edit→point group 路径可以查看所构建的分子点群；从Edit→atom list 路径可以产看所构建的分子内坐标和直角坐标。

2．数据文件的修改

使用UltraEdit软件打开刚才保存的gjf文件，在Route Section 行中输入计算构型及能量所需的方法，使用方法及关键词为#p HF/6-31G（d）opt （maxcycle=300）freq，即可提交Gaussian 程序进行分子优化及频率计算，得到该分子的最稳定结构。对计算得到的稳定构型，关键词为#p HF/6-31G（d）pop=full，即可得到分子的性质。

3．分子结构的几何优化及振动频率计算

采用Gaussian 03 程序包进行几何优化及频率计算。双击桌面上的g03w.exe 图标，此时出现如图9-5所示的窗口，打开计算数据文件，File→Open→指定文件，此时出现如图9-6所示的窗口，点击开始运算。分子结构的计算结果文件保存为相应的out 文件。计算过程中，主程序窗口不断显示计算进程，当“Run progress”栏内显示“Processing Complete”时，计算已完成，此时在本窗口底部可以看到“Normal termination of Gaussian…”字段。完成计算后，关闭Gaussian软件窗口。

图9-5 Gaussian03计算窗口

图9-6 Gaussian03文件执行窗口

4．展示优化的稳定分子结构

采用Gauss View软件可观测分子的构型。用GaussView程序打开计算得到的数据文件*.out，利用主窗口中的“Modify Bond”、“Modify Angle”和“Modify Dihdral”工具，借助鼠标即可显示分子中特定键长、键角和二面角的几何参数。记录个分子优化后的结构参数，其中键长

保留三位小数，单位为埃（Å）；键角和二面角保留一位小数，单位为度（°）。

GaussView可采用不同的形式展示分子三维结构，如球键模型、球棍模型等。通过分子模型的旋转、平移和缩放带来生动的立体效果，通过控制鼠标来从不同角度观察分子在空间的形状。将鼠标放在分子上，前后移动，可以将分子放大或缩小，左右移动，可以将分子旋转。“Shift+鼠标左键”组合可以在平面内平移分子。当工作窗口内有多个分子时，可以用“Shift +Alt+鼠标左键”组合移动想要移动的分子，以调节各个分子间的距离，可以用“Ctrl +Alt+鼠标左键”组合，调节其中一个分子的角度，以调节各个分子间的角度。

五、注意事项

1．利用GaussView搭建分子模型后，一定要注意检查分子的对称性，体系的对称性直接影响着下面的计算。

2．图形文件保存成gjf 文件时，注意文件名和路径都不能包含中文字符。

六．数据记录与处理

1．优化构型

使用UltraEdit软件依次打开各*.out文件，在“Search”菜单下点击“Find”，搜寻各文件中“Optimization completed”字段。鉴于优化构型为分子势能面上的极低点，故以表9-1所示的四项“Convergence Criteria”均达“YES”为构型优化收敛的判据。利用鼠标向前翻页可以看到构型优化过程的自洽迭代细节。

表9-1 HF/6-31G（d）水平下优化水分子构型收敛细节

Item Value Threshold Converged? Maximum Force 0.000450 YES

RMS Force 0.000300 YES Maximum Displacement 0.001800 YES

RMS Displacement 0.001200 YES 使用UltraEdit软件依次查看各*.out文件中“Optimization completed”字段之后的“Standard orientation”，记录各分子的优化构型（直角坐标数据）。

2．分子能量及前线轨道分析

使用UltraEdit软件依次查看各*.out文件中分子的总能量E(总)、电子动能KE、电子与核的吸引能PE、电子排斥能EE、核排斥能NN（单位为Hartree，有效位数取至小数点后五位）；前线轨道能级和前线分子的轨道构成。