高斯使用指南.docx
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高斯使用指南
高斯应用指南
第一章功能和计算原理介绍……………………………………………………2
1Gaussian功能介绍…………………………………………………………2
1.1Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包……………………3
1.2关于Gaussian03的介绍………………………………………………3
2：
计算原理…………………………………………………………………6
2.1概述……………………………………………………………………6
2.2分子力学方法…………………………………………………………6
2.3电子结构理论…………………………………………………………7
第二章安装和对软硬件的要求…………………………………………………7
1．软硬件要求………………………………………………………………7
1.1硬件环境………………………………………………………………7
1.2操作系统………………………………………………………………8
2．安装………………………………………………………………………8
2.1硬盘分区方案…………………………………………………………8
2.2安装软件………………………………………………………………8
2.3Gaussian的补钉和升级………………………………………………9
2.4定制软件运行时占用内存和硬盘的最大空间………………………9
2.5工作环境初始化设置…………………………………………………10
第三章高斯输入文件的创建和程序运行………………………………………11
1．创建输入文件的目的……………………………………………………11
2．常用的创建高斯输入文件的方法………………………………………11
2.1利用晶体文件产生输入文件…………………………………………11
2.2利用Gview，Chem3D（包括Chemdraw）和Hperchem绘图软件产生输入文件………………………………………………………12
2.2.1用HyperChem构建输入文件…………………………………12
2.2.2Chem3D（包括Chemdraw）使用简介………………………14
2.2.3GVIEW使用简介…………………………………………………30
3．构建分子中的注意事项…………………………………………………45
4．怎样构建Z－坐标………………………………………………………45
5．关于输出的解释…………………………………………………………48
第四章：
优化计算………………………………………………………………54
1.优化目的…………………………………………………………………55
1.1对分子性质的研究是从优化而不是单点能计算开始的……………55
1.2高斯中所用到的一些术语的介绍……………………………………55
1.2.1势能面……………………………………………………………55
1.2.2确定最小值………………………………………………………55
1.2.3收敛标准…………………………………………………………56
2高斯中自带的练习…………………………………………………………58
第五章频率计算………………………………………………………………60
1.频率计算……………………………………………………………………60
1.1目的……………………………………………………………………61
1.2输入格式和结果解释…………………………………………………61
1.2.1输入格式……………………………………………………………61
1.2.2输出的解释………………………………………………………61
2.高斯中自带的练习…………………………………………………………64
第六章：
单点能计算……………………………………………………………64
1简要介绍……………………………………………………………………64
2.能量计算的格式和输出解释……………………………………………65
2.1能量计算的格式………………………………………………………65
2.2输出说明………………………………………………………………66
3.高斯中自带的练习…………………………………………………………67
第七章基组……………………………………………………………………69
1．基组介绍…………………………………………………………………69
2．高斯自带练习……………………………………………………………71
第八章选择合适的理论模型…………………………………………………72
1简要介绍…………………………………………………………………72
2．高斯自带的练习…………………………………………………………73
第九章高精度能量模型………………………………………………………76
1高精度能量模型简介………………………………………………………76
2.高斯自带的练习…………………………………………………………83
第十章研究化学反应和反应性………………………………………………84
1目的………………………………………………………………………84
2请参照练习了解输入格式和输出解释.…………………………………84
3常用的研究方法的介绍和高斯自带的练习……………………………84
第十一章激发态计算…………………………………………………………93
1目的…………………………………………………………………………93
2高斯自带的练习…………………………………………………………94
第十二章溶液中的计算………………………………………………………100
1目的………………………………………………………………………100
2高斯自带的练习和理论模型介绍………………………………………100
第一章功能和计算原理介绍
1：
Gaussian功能介绍
1.1Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包。
其可执行程序可在不同型号的大型计算机，超级计算机，工作站和个人计算机上运行，并相应有不同的版本。
高斯功能：
分子能量和结构
过渡态能量和结构
键和反应能量
分子轨道
多重矩
原子电荷和电势
振动频率
红外和拉曼光谱
核磁性质
极化率和超极化率
热力学性质
反应路径
计算可以对体系的基态或激发态执行。
可以预测周期体系的能量，结构和分子轨道。
因
此，Gaussian可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能等等。
1.2关于Gaussian03的介绍
是Gaussian系列电子结构程序的最新版本。
它在化学、化工、生物化学、物理化学等化学相关领域方面的功能都进行了增强。
1.研究大分子的反应和光谱
Gaussian03对ONIOM做了重大修改，能够处理更大的分子（例如，酶），可以研究有机体系的反应机制，表面和表面反应的团簇模型，有机物光化学过程，有机和有机金属化合物的取代影响和反应，以及均相催化作用等。
ONIOM的其它新功能还有：
定制分子力学力场；高效的ONIOM频率计算；ONIOM对电、磁性质的计算。
2.通过自旋-自旋耦合常数确定构像
当没有X-射线结构可以利用时，研究新化合物的构像是相当困难的。
NMR光谱的磁屏蔽数据提供了分子中各原子之间的连接信息。
自旋-自旋耦合常数可用来帮助识别分子的特定构像，因为它们依赖于分子结构的扭转角。
除了以前版本提供的NMR屏蔽和化学位移以外，Gaussian03还能预测自旋-自旋耦合常数。
通过对不同构像计算这些常数，并对预测的和观测的光谱做比较，可以识别观测到的特定构像。
另外，归属观测的峰值到特定的原子也比较容易。
3.研究周期性体系
Gaussian03扩展了化学体系的研究范围，它可以用周期性边界条件的方法（PBC）模拟周期性体系，例如聚合物和晶体。
PBC技术把体系作为重复的单元进行模拟，以确定化合物的结构和整体性质。
例如，Gaussian03可以预测聚合物的平衡结构和过渡结构。
通过计算异构能量，反应能量等，它还可以研究聚合物的反应，包括分解，降解，燃烧等。
Gaussian03还可以模拟化合物的能带隙。
PBC的其它功能还有：
（1）二维PBC方法可以模拟表面化学，例如在表面和晶体上的反应。
用同样的基组，Hartree-Fock或DFT理论方法还可以用表面模型或团簇模型研究相同的问题。
Gaussian03使得对研究的问题可以选择合适的近似方法，而不是使问题满足于模块的能力极限。
（2）三维PBC：
预测晶体以及其它三维周期体系的结构和整体性质。
4.预测光谱
Gaussian03可以计算各种光谱和光谱特性。
包括：
IR和Raman；预共振Raman；紫外-可见；NMR；振动圆形二色性（VCD）；电子圆形二色性（ECD）；旋光色散（ORD）；谐性振-转耦合；非谐性振动及振-转耦合；g张量以及其它的超精细光谱张量。
5.模拟在反应和分子特性中溶剂的影响
在气相和在溶液之间，分子特性和化学反应经常变化很大。
例如，低位构像在气相和在（不同溶剂的）溶液中，具有完全不同的能量，构像的平衡结构也不同，化学反应具有不同的路径。
Gaussian03提供极化连续介质模型（PCM），用于模拟溶液体系。
这个方法把溶剂描述为极化的连续介质，并把溶质放入溶剂间的空穴中。
Gaussian03的PCM功能包含了许多重大的改进，扩展了研究问题的范围：
可以计算溶剂中的激发能，以及激发态的有关特性；NMR以及其它的磁性能；用能量的解析二级导数计算振动频率，IR和Raman光谱，以及其它特性；极化率和超极划率；执行性能上的改善。
G03W的界面和G98W相比，没有什么变化，G98W的用户不需要重新熟悉界面。
Gaussian03新增加了以下内容：
新的量子化学方法
（1）ONIOM模块做了增强
对ONIOM（MO:
MM）计算支持电子嵌入，可以在QM区域的计算中考虑MM区域的电特性。
通过算法的改善，ONIOM（MO:
MM）对大分子（如蛋白质）的优化更快，结果更可靠。
ONIOM（MO:
MM）能够计算解析频率，ONIOM（MO:
MO）的频率计算更快。
提供对一般分子力场（MM）的支持，包括读入和修改参数。
包含了独立的MM优化程序。
支持任何ONIOM模拟的外部程序。
（2）修改和增强了溶剂模块
改善和增强了连续介质模型（PCM）：
默认是IEFPCM模型，解析频率计算可以用于SCRF方法。
此外改善了空穴生成技术。
模拟溶液中的很多特性。
可以对Klamt的COSMO-RS程序产生输入，通过统计力学方法，用于计算溶解能，配分系数，蒸汽压，以及其它整体性质。
（3）周期性边界条件（PBC）
增加了PBC模块，用于研究周期体系，例如聚合物，表面，和晶体。
PBC模块可以对一维、二维或三维重复性分子或波函求解具有边界条件的Schrodinger方程。
周期体系可以用HF和DFT研究能量和梯度；
（4）分子动力学方法
动力学计算可以定性地了解反应机制和定量地了解反应产物分布。
计算包含两个主要近似：
Born-Oppenheimer分子动力学（BOMD）,对势能曲面的局域二次近似计算经典轨迹。
计算用Hessian算法预测和校正走步，较以前的计算在步长上能够改善10倍以上。
还可以使用解析二级导数，BOMD能够用于所有具有解析梯度的理论方法。
提供原子中心密度矩阵传播（ADMP）分子动力学方法，用于Hartree-Fock和DFT。
吸取了Car和Parrinello的经验，ADMP传递电子自由度，而不是求解每个核结构的SCF方程。
与Car-Parrinello不同之处在于，ADMP传递密度矩阵而不是MO。
如果使用了原子中心基组，执行效率会更高。
这一方法解决了Car-Parrinello存在的一些限制，例如，不再需要用D代替H以获得能量守恒，纯DFT和混合DFT均可使用。
ADMP也可以在溶剂存在的情况下执行，ADMP可以用于ONIOM（MO:
MM）计算。
（5）激发态
激发态计算方面做了增强：
由于改善了在完全组态相互作用计算中求解CI矢量的算法，提高了CASSCF执行效率。
对能量和梯度计算可以使用约14个轨道（频率计算仍是8个）。
限制活性空间（RAS）的SCF方法。
RASSCF把分子轨道分成五个部分：
最低的占据轨道（计算中作为非活性轨道考虑），计算中作为双占据的RAS1空间，包含对所研究问题非常重要分子轨道的RAS2空间，弱占据的RAS3空间，以及未占据轨道（计算中做冻结处理）。
因此，CASSCF在RAS计算中分成三个部分，考虑的组态通过定义RAS1空间允许的最少电子数和RAS3空间允许的最多电子数，以及三个RAS空间电子总数来产生。
NBO轨道可用于定义CAS和RAS活性空间。
对于对应成键/孤对电子的反键轨道可以提供相当好的初始猜测。
对称性匹配簇/组态相互作用（SAC-CI）方法，用于有机体系激发态的高精度计算，研究两个或更多电子激发的过程（例如电离谱的扰动），以及其它的问题。
CIS，TD-HF和TD-DFT的激发态计算中可以考虑溶剂影响。
新的分子特性
（1）自旋-自旋耦合常数，用于辅助识别磁谱的构像。
（2）g张量以及其它的超精细光谱张量，包括核电四次常数，转动常数，四次离心畸变项，电子自旋转动项，核自旋转动项，偶极超精细项，以及Fermi接触项。
所有的张量可以输出到Pickett的拟合与光谱分析程序。
（3）谐性振-转耦合常数。
分子的光谱特性依赖于分子振、转模式的耦合。
可用于分析转动谱。
（4）非谐性振动及振-转耦合。
通过使用微扰理论，更高级的项可以包含到频率计算中，以产生更精确的结果。
（5）预共振Raman光谱，可以产生基态结构，原子间连接，以及振动态的信息。
（6）旋光性以及旋光色散，通过GIAO计算，用于识别手性体系的异构体。
（7）电子圆二色性（ECD）。
这一特性是光学活性分子在可见-紫外区域的差异吸收，用于归属绝对构型。
预测的光谱还可用于解释已存在的ECD数据和归属峰位，
（8）含频极化和超极化，用于研究材料的分子特性随入射光波长的变化。
（9）用量度无关原子轨道（GIAO）方法计算磁化率，它类似于电极化率，用于研究分子的顺磁/反磁特性。
（10）预测气相和在溶剂中的电、磁特性和光谱。
（11）ONIOM预测电、磁特性。
新增加的基本算法
（1）更好的初始轨道猜测。
Gaussian03使用Harris泛函产生初始猜测。
这个泛函是对DFT非迭代的近似，它产生的初始轨道比Gaussian98要好，例如，对有机体系有所改善，对金属体系有明显改善。
（2）新的SCF收敛算法，几乎可以解决以前所有的收敛问题。
对于其它极少数的不收敛情况，Gaussian03提供了Fermi展宽和阻尼方法。
（3）纯DFT计算的密度拟合近似。
这一近似在计算库仑相互作用时，把密度用一组原子中心函数展开，而不是计算全部的双电子积分。
它用线性换算的算法，对中等体系的纯DFT计算可以极大地提高计算效率，而又不损失多少精度。
Gaussian03可以对AO基自动产生合适的拟合基，也可以选择内置的拟合基。
（4）更快的自动FMM方法，用于适中的体系（纯DFT约100个原子，混合DFT约150个原子）。
（5）对纯DFT使用更快的库仑能算法，节省库仑问题的CPU时间。
（6）O（N）更精确的交换能量项。
在Hartree-Fock和DFT计算中，通过删除密度矩阵的零值项来屏蔽精确的交换贡献。
这可以节省时间，而又不损失精度。
新增功能：
（1）新的密度泛函：
OPTX交换，PBE和B95相关，VSXC和HCTH纯泛函，B1及其变体B98，B97-1，B97-2，PBE1PBE混合泛函。
（2）高精度能量方法：
G3及其变体，W1方法。
另外还包含W1BD，它用BD代替耦合簇，比CBS-QB3和G3更精确，当然计算也更加昂贵。
（3）对重元素全电子基组计算的Douglas-Kroll-Hess标量相对论修正，用于当ECP基组不能满足精度的情况。
（4）逼近基组极限的UGBS基组。
2：
计算原理
2．1概述：
计算化学有两种方法（分子力学方法和电子结构理论）。
它们所能完成的任务类型基本上是一样的。
A计算特定分子结构的能量。
和能量相关的一些性质也可以通过某些方法来计算。
B完成构型优化，确定全局或局域最小点。
构型优化主要取决于能量的梯度-也就是能量对原子坐标的一阶导。
构型优化是化学计算的基础，任何性质的计算都是在已优化好的分子结构上进行的。
一个分子结构对应一个波函，一个波函就可以解出一个能量值，在自然条件下，体系倾向于以能量最低的形式存在（也就是我们常说的最稳定的构型）。
所给的分子结构（不管是手绘的还是来自晶体结构的）在转换为高斯输入的文件时，由于画的不准确（如立体的画成平面的等）和具体化学环境的变化（在不选择溶剂时，默认是在气相中优化，这与晶体环境是完全不同的）而存在一些不合理的地方。
所以首先要进行优化，才能进行其他类型的性质计算。
C计算由于分子内原子间运动所引发的分子振动频率。
频率是能量对原子坐标的二阶导。
频率计算还可以确定其他与二阶导有关的性质。
不是所有的化学计算方法都能计算频率
2．2分子力学方法：
分子力学方法是用经典物理的定律预测分子的结构和性质。
很多程序里都有分子力学方法：
如MM3，HyperChem，Quanta，Sybyl和Alchemy等。
各种分子力学方法的差异主要是由所用的力场不同造成的。
一个力场包括以下几个要素：
1有一套定义势能和构成分子的各原子位置关系的方程2定义在特定化学环境下描述一个元素特征的一系列原子类型。
原子类型描述了元素在不同环境中的特征行为。
如羰基上碳的化学行为与甲基上碳的化学行为是完全不同的。
原子类型与杂化方式，电荷及与之相连的其他原子有关。
3使方程和原子类型与实验值吻合的一个或多个参数。
参数定义了力常数，力常数在方程中用于把原子特征（键长，键角等）与能量联系起来。
对分子体系中的电子，分子力学方法不能给出明确的处理。
它是在核相互作用的基础上完成计算。
电子效应已经暗含在参数化的力场中。
这种近似使得分子力学计算是不昂贵的，可以用于计算含数千个原子的体系。
不过同时也带来了一些限制：
1每一种力场（其实就是每一种分子力学方法，注意：
每一种参数化的力场对应着一种分子力学方法，参数化的过程就是对方法施加限制使之只能适应特定类型分子计算的过程。
这简化了计算但限定了它的使用范围）只能适应于特定类型的分子。
还没有那一种力场是普适的，可以用于所有分子体系的计算。
电子效应的忽略意味着分子力学方法不能处理电子效应占主导地位的化学问题。
例如他们不能描述键形成或键断裂的过程。
取决与微妙的电子细节的化学性质也不能用分子力学方法来处理。
2．3电子结构理论：
电子结构方法是以量子力学而非经典力学作为计算的基础。
在量子力学中，分子的能量和其他相关性质是通过解薛定谔方程得到的。
不过对于太大的体系来说，准确求解薛定谔方程是不太可能的。
各类电子结构方法的不同主要表现在求解薛定谔方程所做的近似上。
主要可分
A半经验方法：
半经验方法，如AM1，MINDO/3andPM3等。
MOPAC，AMPAC，HyperChemandGaussian上都有这些程序。
其特点是用根据实验数据所确定的参数简化薛定谔方程的求解计算。
由于参数的设定是由实验数据决定的，所以不同的方法适用于不同的体系。
主要的应用对象是有机体系。
可以计算很大的体系，计算时间快，对其适用的体系，可以达到较好的精度。
B从头算方法：
与分子力学方法或半经验方法的差异在于在计算过程中不使用任何来自实验的参数，只使用以下几个物理常数：
光速，电子和核的电荷，质量和普郎克常数。
所有计算都建立在量子力学原理上，这就是为什么这种方法被称为从头算的原因。
高斯中提供了几乎所有的从头算方法。
在解薛定谔方程时，从头算方法使用了严格的数学近似，这使求解变的方便但也引入了误差。
一般情况下，半经验方法只能对分子提供定性的描述，在参数和所要研究的体系比较适合的情况下，可以对分子提供比较准确的定量的描述。
而从头算方法因为没有由实验数据确定的参数。
所以可计算的体系的范围要大的多（而半经验方法的使用通常是局限于某一类体系）。
而且可以对分子提供高精度的描述和性质的预测。
特别是后H-F从头算法，克服了HF方法不能很好处理电子相关的缺陷，使其应用范围进一步扩大，但注意所需的计算耗费也大大增加了。
早期从头算方法所能处理的分子尺度是有限的。
现在用工作站（应该还有并行技术）可以使我们比较准确的处理有上百个原子组成的体系，当然计算量也是相当大的，在一个P4单机上（主频：
2.4G，内存：
512+256）完成一个含上百个原子的组成的体系的计算时，用HF/6-31+G（D，P）模型要花一个多月的时间完成优化和频率两步计算。
以目前的经验来看，在这样配置的单机上完成由50个左右的原子组成的体系的计算，从时间上来看是可以接受的。
高斯中的从头算方法可以处理任何体系（包括金属，只是在精度上可能与其他一些软件如ADF有些不足，高斯的强项应该是在处理分子机理和过渡态），除了可以研究气态情况下分子的基态外，高斯还能研究分子的激发态，及相应的在溶液中的状态。
C密度泛函方法：
最近发展起来的第三类电子结构方法。
在很多方面与从头算方法类似。
密度泛函方法的长处在于它包含了电子相关。
而Hartree-Fock方法只是在平均的意义上处理电子相关。
这使得在某些体系和同等的时间耗费上，DFT计算具有比HF方法更高的精度。
注意：
在研究中比较不同计算水平上的结果是没有意义的。
详细的关于理论知识的介绍请参考相关量子化学书；黑箱操作是完全可以的，但量子化学知识的欠缺将使我们只能做一些基本的运算，因为无论是软件自身还是对体系的有一定深度的说明都需要一定的理论底子。
第二章安装和对软硬件的要求
1．软硬件要求
由于笔者使用的是高斯WINDOWS单机版本，所以在此主要介绍WINDOWS下的要求
1．1硬件环境
PentiumII以上微机。
荐用PentiumIII/800、PentiumIV/1.4G或更高档的计算机。
为保证高的计算速度和大分子计算的容量，对内存、硬盘的要求较高。
专门用于量子化学计算研究工作的机器，其基本配置应为：
内存≥128M、G98专用硬盘分区≥10G。
可以保证较大的分子或使用高级大基组的计算作业能正常进行。
因PC机一般都只配置IDE硬盘，I/O速度较慢。
当计算作业需频繁执行硬盘读写时，相当于快马拉破车，CPU芯片的效率不能正常发挥。
为提高计算速度，在许多场合下加大内存容量比提高机器的主频显得更为重要。
有条件的话，最好将内存提高到512M甚至2G。
在这样的配置下，一般的SCF-HF和反应途径计算均可采用InCore模式运行。
此时，全部的数据交换都将在内存中进行，不必劳驾硬盘，计算效率可与最快的工作站媲美。
笔者所用的是P4,1G内存。
计算含C,H,N,O,S的约40个原子的体系，通常用B3LYP/6-31G（D）。
再大，计算耗费就大了。
若是再加上弥散函数，真正的想要研究个什么，恐怕得以星期为单位考虑计算时间。
一两个月出结果很正常。
1．2操作系统
操作系统应为Wingdows98、WingdowsMe、Wingdows2000或WingdowsXP（G
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