2._Gaussian_09_软件基本介绍

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013-7-2,#,Gaussian 09,基本介绍,2024/9/14,1,内容摘要,1,Gaussian,的由来,2,Gaussian,的特点,3,Gaussian,的功能,4,Gaussian,支持的模型化学方法,5,Gaussian 09,程序结构,2024/9/14,2,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。,2024/9/14,3,理论化学,人力,物力,财力,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,2024/9/14,4,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,),从头算,密度泛函,半经验,牛顿力学,分子力学,唯像学理论,唯像规律,2024/9/14,5,分子动力学（时间演化）,第一性原理,Schrdinger,方程,2024/9/14,6,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,2024/9/14,7,Hits from,Web of Science,TM,using ,Density Functional Theory, as keywords,密度泛函,是,使用最广泛,的,第一性原理方法,密度泛函理论,Density Functional Theory,e.g. B3LYP,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,The Nobel Prize in Chemistry 1998,Walter Kohn (1923-),密度泛函理论,The Nobel Prize in Chemistry 1998,J. A. Pople (1925-2004),Gaussian-,系列程序,2024/9/14,9,GAUSSIAN 70,GAUSSIAN 76,GAUSSIAN 80,GAUSSIAN 82,GAUSSIAN 86,GAUSSIAN 88,GAUSSIAN 90,GAUSSIAN 92,GAUSSIAN 94,GAUSSIAN 98,GAUSSIAN 03,GAUSSIAN 09,Gaussian,的由来,历史悠久,2024/9/14,10,GAUSSIAN,程序是,John A. Pople,和他在,Carnegie-Mellon,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,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,The Nobel Prize in Chemistry 1998,J. A. Pople (1925-2004),Gaussian-,系列程序,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 general-purpose,ab initio,computer program that has developed into todays Gaussian 03 software) and the advent of minicomputers, both in the 1970s, that,brought the tools of quantum mechanics to organic chemists.”,2024/9/14,11,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。,Gaussian,从头算,密度泛函,半经验,分子力学,分子动力学,Gaussian,的由来,综合性,2024/9/14,12,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,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。,Gaussian,的由来,速度快,2024/9/14,13,使用,GTO,使用,STO,内容摘要,1,Gaussian,的由来,2,Gaussian,的特点,3,Gaussian,的功能,4,Gaussian,支持的模型化学方法,5,Gaussian 09,程序结构,2024/9/14,14,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,易用,简单、直观,地设置计算条件,自动完成,许多复杂计算,直观,计算结果,形象,、,直观,地通过,GaussView 5,显示,.,权威,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。,2024/9/14,15,1,1nm,1m,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,扩展计算化学的极限,GAUSSIAN,的特点,2024/9/14,16,第一性原理,半经验、,QM/MM,MM,第一性原理,半经验、,QM/MM,MM,内容摘要,1,Gaussian,的由来,2,Gaussian,的特点,3,Gaussian,的功能,4,Gaussian,支持的模型化学方法,5,Gaussian 09,程序结构,2024/9/14,17,GAUSSIAN,的功能,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,2024/9/14,18,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,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：, R. J. et. al.,Nature. Chemistry,.,2012, 4, 405,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。,Lundberg, et al.,JCTC,5, 222 (2009),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,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,2024/9/14,22,GAUSSIAN,的功能,研究弱相互作用,Diels-Alder,反应中色散作用导致的协同效应,2024/9/14,23,Dieckmann, A. et. al.,JCTC,.,2012, 8, 5064,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。,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。,2024/9/14,24,研究激发态反应,基于卟啉结构的敏化太阳能电池设计,2024/9/14,25,Santhanamoorthi, N. et. al.,JPC Lett,.,2013, 4, 524,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。,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。,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,2024/9/14,26,2024/9/14,27,McMahon, R. J. et. al.,Inorg. Chem,.,2012, 51, 9846,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.,”,2024/9/14,28,研究各种光谱,NMR,辅助确定化合物结构,Bagno, A. et. al.,JACS,.,2011, 133, 6072,“,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,.,”,2024/9/14,29,研究各种光谱,ORD,、,ECD,、,VCD,辅助确定化合物结构,Berova, N. et. al.,J. Nat. Prod,.,2013, online,“,Computational prediction of ORD, ECD, and VCD allowed us to assign (3S,4aR,8S,8aR) AC to naturally occurring ()-1, while (4aR,8S,8aR) AC was assigned to ()-2 employing only ECD and VCD, because in this case ORD analysis turned out to be unsuitable for AC assignment.,”,“,This study shows that,in,the case of flexible and complex natural products,only a concerted application of more than a single chiroptical technique permits unambiguous assignment of absolute configuration.,”,除草剂,Gaussian,的功能,预测分子性质,2024/9/14,30,Ivanov, S. A. et. al.,JPCC,.,2012, 116, 3242,分子轨道性质,自旋密度分析,Thomas, C. M. et. al.,Organometallics,.,2013, online,Gaussian 09,能够计算诸多分子性质，如静电势、电子密度、磁屏蔽张量、诱导电流密度、多极矩（偶极、四极、八极）、布局分析、自然键轨道分析、分子轨道、极化率、旋轨耦合、旋光性、生成焓、化学键能等等。通过理论得到的结果有助于我们理解分子的特性以及在化学反应中的变化情况。,Gaussian,的功能,热化学,精确预测化学反应的自由能变化（,G,）非常重要。,Gaussian 09,提供了一系列精确预测热化学性质的方法，包括完全基组方法（,CBS,）、,Gaussian-1,到,Gaussian-4,系列方法、,W1,系列方法。除了可以预测,G,和,H,，,Gaussian 09,还能精确预测生成焓、原子化能、离子势、电子亲和能及质子亲和能等热力学性质。,溶剂效应,考虑溶液体系下分子的性质及其变化过程。,2024/9/14,31,内容摘要,1,Gaussian,的由来,2,Gaussian,的特点,3,Gaussian,的功能,4,Gaussian,支持的模型化学方法,5,Gaussian 09,程序结构,2024/9/14,32,Gaussian,支持的模型化学方法,Gaussian,支持的模型化学方法,分子力学方法；,基态半经验方法；,自洽场方法（,SCF-HF,）；,密度泛函方法,（,DFT,）；,(B,班授课,),电子相关方法（,Post-HF,）；,组合式自动高精度能量计算方法；,各种解析基组和密度拟合基组。,2024/9/14,33,分子力学方法：,使用,Amber, DREDING,和,UFF,力场计算能量、梯度和频率；,Gaussian,拥有独立的分子力学程序；,用户可自定义力场,/,参数。,2024/9/14,34,Gaussian,支持的模型化学方法,基态半经验方法,（红色字体为,G09,新增方法）,使用,CNDO/2,、,INDO,、,MINDO3,和,MNDO,方法计算能量和梯度；,使用新式,AM1,、,PM3,、,PM3MM,、,PM6,和,PDDG,计算能量、梯度和解析频率，可自定义参数,支持,DFTB,和,DFTBA,方法,2024/9/14,35,Gaussian,支持的模型化学方法,自洽场,(,SCF,-HF),方法：,计算限制性,(R),和非限制性,(U),的,SCF,能量、梯度和频率，计算限制性开壳层,(RO),能量和梯度；,默认使用,EDIIS+CDIIS,收敛算法，可选择性使用二次收敛算法,(QC),；,全活性空间自洽场,(CASSCF),方法计算能量、梯度和频率；活性空间最高可达,14,个轨道；,限制性活性空间自洽场,(RASSCF),方法计算能量和梯度；,广义价键方法（,GVB,）计算能量和梯度；,波函数稳定性分析，适合,HF,和,DFT,方法。,2024/9/14,36,Gaussian,支持的模型化学方法,密度泛函方法,(DFT),可以使用所有支持的,DFT,方法进行闭壳层和开壳层的能量、梯度和频率；限制性开壳层方法,(RO),计算能量和梯度；,交换泛函：,Slater, Xa, Becke 88, Perdew-Wang 91, Barone-modified PW91, Gill 96, OPTX,TPSS, BRx, PKZB, wPBEh, PBEh,etc.,相关泛函：,VWN, VWN5, LYP, Perdew 81, Perdew 86, Perdew-Wang 91, PBE, B95, TPSS,KCIS, BRC, PKZB, etc.,2024/9/14,37,Gaussian,支持的模型化学方法,密度泛函方法,(DFT),其它纯泛函：,VSXC,、,HCTH,系列,杂化泛函：,B3LYP, B3P86, P3PW91, B1,及其变体, B98, B97-1, B97-2, PBE1PBE,HSEh1PBE, O3LYP, TPSSh, BMK, M05 & M06,及其变体, X3LYP;,用户可自定义杂化方式；,经验弥散：,B97D,长程,(LC),校正,:,LC-wPBE, CAM-B3LYP, WB97XD,及其变体,; Hirao,的通用,LC,校正,.,2024/9/14,38,Gaussian,支持的模型化学方法,电子相关方法：,所有的电子相关方法都支持闭壳层和开壳层计算，同时可选择性使用冻结核选项；限制性开壳层,(RO),计算可应用于,MP2,、,MP3,、,MP4,和,CCSD/CCSD(T),方法；,微扰理论,MP2,计算能量、梯度和频率；,MP3,、,MP4(SDQ),计算能量和梯度；,MP4(SDTQ),和,MP5,计算能量；,B2PLYP,和,MPW2PLYP,双杂化,DFT,方法计算能量、梯度和频率，可选择性使用经验弥散项；,全活性空间,CASSCF,方法,组态相互作用,CISD,计算能量和梯度；,QCISD,计算能量和梯度、,QCISD(TQ),计算能量；,2024/9/14,39,Gaussian,支持的模型化学方法,电子相关方法：,耦合簇方法,CCD,、,CCSD,计算能量和梯度；,可断点续算,的耦合簇类方法,CCD/CCSD/CCSD(T),；,Brueckner Doubles(BD),方法计算能量和,梯度,；,使用,Outer Valance,格林函数方法计算,IP,和,EA,；,完备基组（,Complete Basis Set, CBS,）的,MP2,外推；,Douglas-Kroll-Hess,标量相对论哈密顿方法。,2024/9/14,40,Gaussian,支持的模型化学方法,自动高精度能量计算,G1, G2, G3, G4,及其变体,CBS-4, CBS-Q, CBS-QB3, CBS-APNO,ROCBS-QB3,W1U,W1BD, W1RO,2024/9/14,41,Gaussian,支持的模型化学方法,基组和密度拟合基组,STO-3G, 3-21G, 4-31G, 6-31G, 6-311G,；,D95, D95V, SHC, SV, SVP, LanL2DZ,；,cc-pVD,T,Q,5,6Z, Dcc-pD,TZ,；,TZV, QZVP,；,EPR-II, EPR-III,；,Midi!, UGBS*,；,MTSmall,；,DGD,TZVP etc.,2024/9/14,42,Gaussian,支持的模型化学方法,基组和密度拟合基组,支持有效核心势（,ECP,）；,支持任意角动量的基组和有效核心势；,密度拟合基组：,DGA1, DGA1,W06,；,自动产生密度拟合基组；,2024/9/14,43,Gaussian,支持的模型化学方法,内容摘要,1,Gaussian,的由来,2,Gaussian,的特点,3,Gaussian,的功能,4,Gaussian,支持的模型化学方法,5,Gaussian 09,程序结构,2024/9/14,44,Gaussian 09,程序结构,模块名称,功能,Link 0,初始化程序并控制模块；,Link 1,处理,Route,部分、根据关键词创建需要执行,Links,列表、初始化临时文件；,Link 1xx,读入题目和分子信息、各种优化算法、动力学计算相关,Link,、,BSSE,能量整合相关,Links,；,Link 202,坐标、结构变量和对称性检查、坐标标准化；,Link 3xx,产生基组计算信息、计算积分相关信息等的,Links,；,Link 4xx,分子轨道的初始猜测,Link 5xx,自洽场,(SCF),相关,Links,2024/9/14,45,Gaussian,程序在设计上实现了模块化，即不同功能的程序设计在不同的模块中；,Gaussian 09,程序结构,模块名称,功能,Link 6xx,布居分析和各种基本信息计算相关,Links,Link 7xx,单,/,双电子积分的一阶偏微分、,Hessian,更新和处理用于优化和频率计算的相关信息的,Links,Link 8xx,积分变换、微分变换相关,Links,Link 9xx,计算电子相关能有关的,Links,Link 10xx,求解,CPHF,方程、,CP-MCSCF,方程及计算相关性质的,Links,Link 11xx,各种微分计算,Link 9999,结束计算并总结计算结果,2024/9/14,46,Gaussian,程序运行中会显示,l,xxxx.exe,在运行,其中 “,l”,不是数字“一”，而是字母,“,L,”,的小写，代表,Link,xxxx,是一个三位或者四位的数字，表示程序所属的模块及其功能,Gaussian 09,文件类型,文件,扩展名,作用,输入文件,.gjf, .com,告诉程序计算中使用的系统资源、运行计算的类型和使用的方法、分子说明等信息,输出文件,.out .log,各种需要的计算结果，如优化的结构、布居分析结果、分子轨道能量、模拟的各种光谱信息等；,检查点文件,.chk .fchk,中间结构、分子轨道系数、力常数、耦合簇方法的振幅项等信息,读写文件,.rwf,所有的信息包括其他文件不存储的电子积分和微分信息等,设置文件,Default.Route,自定义,Gaussian,计算的默认设置,其它文件,.inp .de2,等,临时存储的一些信息,Cube,文件,.cub .cube,使用,GaussView,显示分子轨道、静电势等的表面图形的数据文件,2024/9/14,47,推荐书籍,2024/9/14,48,Chapter 1,Computational,Models & Model Chemistries,计算化学与模型化学,Chapter 2,Single Point Energy Calculations,单点能计算,Chapter 3,Geometry Optimizations,几何构型优化,Chapter 4,Frequency,Calculations,频率计算,Chapter 5,Basis Set Effects,基组效应,Chapter,6,Selecting an Appropriate Theoretical Method,选择合适的理论方法,Chapter,7,High Accuracy Energy Models,高精度能量模型,Chapter,8,Studying,Chemical Reactions and Reactivity,研究化学反应及活性,Chapter,9,Model Excited States,模拟激发态,Chapter,10,Modeling Systems in Solutions,模拟溶液体系,Appendix,The Theoretical,Background &,Overview of Gaussian input,理论背景及,Gaussian,输入文件概述,Gaussian 09,Users Reference,Gaussian 09,IOPs Reference,GaussView 5,Reference,推荐书籍,2024/9/14,49,Gaussian 09 D.01,发布,几个重要的新增和改进亮点,新增多个新的,DFT,泛函和两个半经验色散模型；,新增激发态计算方法,TDA,；,新增,SCF,选项，加速大分子计算；,提供,NBO6,（自然键轨道分析软件）的接口；（有需要购买,NBO6,的用户，可直接联系源资科技）。,大大改进,Gaussian 09,软件与外部程序的衔接；,改进,Linda,版本的通讯方式；,修复多个,bug,；,Gaussian 09W,版,Utilities,应用程序可支持,64,位,Windows,版本；,更多消息请参考：,http:/www.tri- 09 for Windows,提供,64,位版本,2024/9/14,50,