Gaussian 软件教程

Gaussian 是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以研究：分子能量和结构，过渡态的能量和结构，化学键以及反应能量，分子轨道，偶极矩和多极矩，原子电荷和电势，振动频率，红外和拉曼光谱，NMR，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径等。

支持的计算方法如下：

理论方法

举例

半经验（Semi-empirical）

AM1，PM3，PM6

密度泛函（Density functional theory）

B3LYP， M06

Hartree-Fock

HF

微扰（Perturbation theory）

MP2， MP4

耦合簇（Coupled cluster）

CCSD

组态相互作用（Configuration interaction）

CISD

多组态自洽场（MCSCF）

CASSCF

基组

基组其实就是一套模板化的函数。

进行量子化学计算，最关键的部分就是求解出体系各个能级的波函数。根据分子轨道理论的思想，分子轨道可以用各个原子轨道的线性组合来拟合。因此，我们就可以拿一套原子的波函数（基函数）作为基底，混合它们来求解体系波函数。描述一个原子所用到的全部基函数就叫做一套基组。

劈裂价键基组（Split-valence basis set）

利用高斯开展 DFT 计算时，常用劈裂价键基组对原子轨道进行描述，得益于其对计算精度和效率的有效平衡。

常见的劈裂价键基组有 3-21G、6-31G、6-311G 等，在这些表示中，“-”之前的数字表示构成内层原子轨道的高斯型函数数目，“-”之后的数字分别表示构成价层轨道的劈裂基函数的高斯型函数数目。

Note

以 6-31G 所代表的基组为例，每个内层电子轨道由 6 个高斯型函数线性组合而成，而每个价层电子轨道则被劈裂成两个基函数，分别由 3 个和 1 个高斯型函数线性组合而成。

极化函数（polarization function）

在劈裂价键基组上添加极化函数的方式：以添加了极化函数的基组 6-31G(d)和 6-31G(d,p)为例，6-31G(d)相当于在劈裂价键基组 6-31G 的基础上为重原子（除氢，氦原子）添加一个 d 极化函数（在表示方法上，6-31G(d)等同于 6-31G*）；而 6-31G(d,p)则相当于除了在劈裂价键基组 6-31G 的基础上为重原子添加一个 d 极化函数，也为轻原子（氢和氦原子）添加一个 p 极化函数（6-31G(d,p)等同于 6-31G**）。

弥散函数（diffuse function）

添加弥散基组的方式：以添加了极化函数和弥散函数的基组 6-31+G(d)和 6-31++G(d,p)为例，6-31+G(d)相当于在基组 6-31G 的基础上为重原子（除氢，氦原子）添加一个极化函数和一个弥散函数；而 6-31++G(d,p)则相当于除了在基组 6-31G 的基础上为重原子添加一个极化函数和一个弥散函数，也为轻原子（氢和氦原子）添加一个极化函数和一个弥散函数。

Gaussian 关键词指明基组

  • 混合基组

混合基组就是指不同的原子用不同的基组，写 gen 关键词代表从坐标部分后面读入基组定义。

以 CH\(_4\) 分子为例，如果我们想让 C 是 6-311G*，H 是 6-31G**，则输入文件为

# m062x/gen

CH4

0 1
C -0.00000000  0.00000000  0.00000000
H -0.00000000  0.00000000  1.09000000
H -0.00000000 -1.02766186 -0.36333333
H -0.88998127  0.51383093 -0.36333333
H  0.88998127  0.51383093 -0.36333333

C 0
6-311G*
****
H 0
6-31G**
****

Note

可以在元素符号前写上-，表明分子中有这个元素则基组定义生效，如果没有这个元素也不报错，例如可以将上面 C 0 改成 C -F 0。

  • 赝势基组

赝势基组需要和对应的赝势一起使用，使用赝势基组需要用 genecp 关键词，代表先从分子坐标后面读取赝势基组定义，再读取赝势定义。

以 Cu(CO)+为例：

# B3LYP/genecp

Cu(CO)+

1 1
Cu
C 1 B1
O 2 B2 1 180.

B1 1.94000000
B2 1.11540000

Cu 0
SDD
****
C O 0
6-31G*
****

Cu 0
SDD

限制性优化

推荐在冗余内坐标（关键词 opt=modredundant）下进行限制优化，因为此种方法可以随意定义限制的内坐标，并不仅限于输入文件里出现的内坐标。

以水分子优化过程中保持 H-H 距离固定为例，输入文件可以写成

# B3LYP/6-31G** opt=modredundant

Title Card Required

0 1
O               0.00000000    0.00000000   -0.11081188
H               0.00000000    0.58397589    0.44324751
H               0.00000000   -0.58397589    0.44324751

2 3 F

Note

F 前面写两个原子序号，代表冻结键长；F 前面写三个原子序号，代表冻结键角；F 前面写四个原子序号，代表冻结二面角。

GaussView

修改部分原子的显示方式

  1. 给原子分组，Tools-Atom Groups，调整 Atom Group Class 为 ONIOM Layer，最多划分为三组

../_images/gv1.png

  1. 默认的分组显示方式在 View-Default Format，可自行修改

../_images/gv2.png

参考