分子结构模型的构建及优化计算

分子结构模型的构建及优化计算
一、目的要求
1．掌握Gaussian09W 和GaussView5.0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。

Gaussian09W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。

GaussView5.0是一个专门设计的与Gaussian09W配套使用的软件，其主要用途有两个：构建Gaussian09W的输入文件；以图的形式显示Gaussian09W计算的结果。

本实验主要是借助于GaussView5.0程序构建Gaussian09W的输入文件，利用Gaussian09W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：Gaussian09W、GaussView5.0计算软件
2．仪器：计算机1
四、实验步骤
H20:
1. 分子的最稳定结构
打开GaussView5.0程序，在GaussView5.0中利用建模工具（View→Builder →），在程序界面元素周期表的位置处找到所需的氧、氢元素，单击即可调入
该元素与氢元素的化合物。

绘制出水分子的结构式后，把图形保存成.gif文件（File→Save，取名为1H2O.gif）
构建分子成功后，可以利用GaussView5.0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。

用记事本打开刚才保存的1H2O.gif，把计
算方法及关键词改为 #p HF/6-31G(d) opt (maxcycle=300) freq, 并对题目进行修改，再保存。

采用Gaussian 09W程序进行几何优化及频率计算。

打开计算数据文件，File → Open→指定文件，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。

2. 分子的性质
用GaussView5.0打开1H2O.out，并保存成1—1H2O.gif. 在用记事本打开1—1H2O.gif，把计算方法及关键词改为#p HF/6-31G(d) pop=full，保存。

使用Gaussian09W软件打开刚才修改后保存的gjf文件，在Route Section 行中进行分子优化及频率计算，得到该分子的性质。

3. 展示优化的稳定分子结构
采用Gauss View5.0软件可观测分子的构型。

用GaussView5.0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（°）。

利用相同的方法分别对CH4、乙烯、乙醛进行优化计算。

注意：在构建乙烯、乙醛时需要用：
五、注意事项
1．利用GaussView5.0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
( H20 ) ( CH4 )
( 乙烯 ) （ 乙醛 ）
H20
CH4
C2H4
CH3CHO
键长
1O-2H 0.9474
1
1C-2H 1.0836
6
1C-2H 1.0762
1C-4H
1.08665 1C-3H
1.081
50
1C-4H
1C-3H
1C-2H 1.086
66
1O-3H 1C-3H4C-5H1C-5C
1.504
14
1C-5H
4C-6H5C-7H
1.095
21
4C-1C
1.317
12
5C-6O
1.187
70
键角3H-1O-
2H 105.47
858
4H-1C-
2H
109.47
122
2H-1C
-3H
116.4
2691
2H-1C
-3H
109.84
612
4H-1C-5
H
5H-4C
-6H
116.4
2691
3H-1C
-4H
109.85
003
2H-1C
-4H
109.84
612 3H-1C-2
H
6H-4C
-1C
121.7
8655
7H-5C
-6O
120.27
793
2H-1C-
5H
4C-1C
-2H
121.7
8655
2H-1C
-5C
109.80
710
3H-1C
-5C
110.26
826
5H-1C-
3H
5H-4C
-1C
121.7
8655
4H-1C
-5H
109.80
710109
.81991
1C-5C
-7H
115.31
915 3H-1C-
4H
4C-1C
-3H
121.7
8655
1C-5C
-6O
124.40
292
二面
角无无
6H-4C
-1C-3
H
180
4H-1C
-5C-7
H
58.756
75
6H-4C
-1C-2
H
0.0000
4H-1C
-5C-6
O
-121.2
5644
5H-4C
-1C-3
H
0.0000
3H-1C
-5C-7
H
179.94
551
5H-4C
-1C-2
H
180
3H-1C
-5C-6
O
-0.067
68
2H-1C
-5C-7
H
-58.87
892
2H-1C
-5C-6
121.10
788
O
点群C2V TD D2H C1
偶极
距
2.1993 0 0 2.981
E(总)-76.01074649 -40.19517192 -78.03171781 -152.9159655
KE7.585933103750
D+01 4.018278060896D
+01
7.7980925271
83D+01
1.5267734555
46D+02
PE-1.99081867064
2D+02 -1.200250365555
D+02
-2.486688933
779D+02
-4.996086358
045D+02
EE 3.792404369074
D+01 2.613306041974D
+01
5.8971136131
67D+01
1.2370622907
61D+02
Virial
常数
2.0020 2.0003 2.0007 2.0016
光谱项State=1-A1State=1-A1 State=1-AG State=1-A
七、实验讨论与启示
1．量子化学理论计算精度决定于计算所用的方法和基组的类型。

分子体系的总能量及结构参数会随着计算所用的方法和基组的不同而略有变化。

2．对程序初学者，运行程序时往往会产生非正常中断的情况，根据自己的经验总结程序非正常中断的原因积及其处理方法。