分子的几何构型优化计算123
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。
高斯中的优化
优化第一步：确定分子构型，可以根据对分子的了解通过GVIEW和CHEM3D等软件来构建，但更多是通过实验数据来构建（如根据晶体软件获得高斯直角坐标输入文件，软件可在大话西游上下载，用GVIEW可生成Z-矩阵高斯输入文件），需要注意的是分子的原子的序号是由输入原子的顺序或构建原子的顺序决定来实现的，所以为实现对称性输入，一定要保证第一个输入的原子是对称中心，这样可以提高运算速度。
我算的分子比较大，一直未曾尝试过，希望作过这方面工作的朋友能补全它。
以下是从本论坛，大话西游及宏剑公司上下载的帖子。
将键长相近的，如B12 1.08589B13 1.08581B14 1.08544键角相近的，如A6 119.66589A7 120.46585A8 119.36016二面角相近的如D10 -179.82816D11 -179.71092都改为一致，听说这样可以减少变量，提高计算效率，是吗？在第一步和在以后取某些键长键角相等，感觉是一样的。
只是在第一步就设为相等，除非有实验上的证据，不然就是纯粹的凭经验了。
在前面计算的基础上，如果你比较信赖前面的计算，那么设为相等，倒还有些依据。
但是，设为相等，总是冒些风险的。
对于没有对称性的体系，应该是没有绝对的相等的。
或许可以这么试试：先PM3，再B3LYP/6-31G.（其中的某些键长键角设为相等），再B3LYP/6-31G（放开人为设定的那些键长键角相等的约束）。
比如键长，键角，还有是否成键的问题，Gview看起来就是不精确，不过基本上没问题，要是限制它们也许就有很大的问题，能量上一般会有差异，有时还比较大如果要减少优化参数，不是仅仅将相似的参数改为一致，而是要根据对称性，采用相同的参数。
例如对苯分子分子指定部分如下：CC 1 B1C 2 B2 1 A1C 3 B3 2 A2 1 D1C 4 B4 3 A3 2 D2C 1 B5 2 A4 3 D3H 1 B6 2 A5 3 D4H 2 B7 1 A6 6 D5H 3 B8 2 A7 1 D6H 4 B9 3 A8 2 D7H 5 B10 4 A9 3 D8H 6 B11 1 A10 2 D9B1 1.395160B2 1.394712B3 1.395427B4 1.394825B5 1.394829B6 1.099610B7 1.099655B8 1.099680B9 1.099680B10 1.099761 B11 1.099604 A1 120.008632 A2 119.994165 A3 119.993992 A4 119.998457 A5 119.997223 A6 119.980770 A7 120.012795 A8 119.981142 A9 120.011343 A10 120.007997 D1 -0.056843 D2 0.034114 D3 0.032348 D4 -179.972926 D5 179.953248 D6 179.961852 D7 -179.996436 D8 -179.999514 D9 179.989175参数很多，但是通过对称性原则，并且采用亚原子可以将参数减少为：XX 1 B0C 1 B1 2 A1C 1 B1 2 A1 3 D1C 1 B1 2 A1 4 D1C 1 B1 2 A1 5 D1C 1 B1 2 A1 6 D1C 1 B1 2 A1 7 D1H 1 B2 2 A1 8 D1H 1 B2 2 A1 3 D1H 1 B2 2 A1 4 D1H 1 B2 2 A1 5 D1H 1 B2 2 A1 6 D1H 1 B2 2 A1 7 D1B0 1.0B1 1.2B2 2.2A1 90.0D1 60.0对于这两个工作，所用的时间为57s和36s，对称性为C01和D6H，明显后者要远远优于前者。
分子的立体结构(整理版)
HCN
0 0
2 4 3
NH4+
H3O+ BF3
0
3
巩固练习 1、用VSEPR模型预测，下列分子的立体结构与 水分子相似的是 （ A B ） A、OF2 B、 H2S C、BeCl2 D、CO2 2、下列分子的立体结构，其中不属于直线型分 子的是 （ D ） A、 BeCl2 B、CO2 C 、 C 2H 2 D、P4 3、下列分子中，各原子均处于同一平面上的是 （ C D） A、NH3 B、CCl4 C、H2O D、CH2O
CH4
(4 － 4 × 1 )＝ 0 (4 － 2 × 2 )＝ 0 (6 － 2 × 2 )＝ 1 (5 － 5 × 1 )＝ 0 (6 － 6 × 1 )＝ 0
CO2
SO2
PCl5 SF6
练习
HCN
(4－1×1－1×3)＝0 (5－1－4×1)＝0 (6－1－3×1)＝1 (4＋2－3×2)＝0 (6＋2－4×2)＝0
测分子体结构：红外光谱仪→吸收峰→分析。
同为三原子分子，CO2 和 H2O 分子的空间结 构却不同，什么原因？
直线形
V形
同为四原子分子，CH2O与 NH3 分子的空间 结构也不同，什么原因？
平面三角形
三角锥形
写出CO2、H2O、NH3、CH2O、CH4等分子的电子式、 结构式及分子的空间构型： 分子 电子式 CO2
CO2
CH4
分子立体结构
（2）若中心原子A的价层电子对包括成键电子对和孤 对电子（中心原子上有孤对电子），则价层电子对的 相对位置不是分子的构型， 如： 化学式 结构式 VSEPR模型 四面 体形 三角 锥形 四面 体形 V型
NH3
H2 O
NHnNHmNHnn123m1234体系Gaussian—n和CBS—n方法物理化学性质的理论研究
辽宁师范大学硕士学位论文NH<,n>,NH<,m><'+>,NH<,n><'->(n=1,2,3;m=1,2,3,4)体系Gaussian—n和CBS—n方法物理化学性质的理论研究姓名：@申请学位级别：硕士专业：理论物理指导教师：@19990420ＮＨ…ＮＨ＋．ＮＨ。
一（ｎ＝１，２，３；ｍ未１．２．３，｛）体系Ｇａｕｓｓｉａｎ－－ｎ和ｃＢＳ—ｎ方法物理化学性质的理论研究ｙ６９０７５３ＮＨ。
，ＮＨ。
＋，ＮＨ。
一（ｎ一１，２，３；ｍ一１，２，３，４）体系Ｇａｕｓｓｉａｎ－－ｎ和ＣＢＳ－－ｎ方法物理化学性质的理论研究研究生（—二，指导教师：‘Ｉ一，Ｌ专业：理论物理摘要使用Ｇａｕｓｓｉａｎ９４程序来研究某些分子体系的物理化学性质是当今原子分子方向的热点。
本论文中我们采用系统的理论方法Ｇａｕｓｓｉａｎ－－ｎ：Ｇ１，Ｇ２，Ｇ２（ＭＰ２）以及ＣＢＳ—ｎ：ＣＢＳ一４，ＣＢＳ—ｑ。
ＣＢＳ—Ｑ，ＣＢＳ—ＡＰＮＯ来研究ＮＨ。
，ＮＨ。
＋，ＮＨ。
一（ｎ一１，２，３；ｍ—ｌ，２，３，４）体系的物理化学性质：离解能（ＤＥ），电子亲合势（ＥＡ），离化能（ＩＥ），质子亲合势（ＰＡ），原子化能（ＡＥ），并对所得结果及其误差进行比较和分析。
从比较和分析结果首先可以得出：我们的计算结果与实验结果及Ｐｏｐｌｅ等人的相应理论研究结果非常接近（例如Ｎ原子和ＮＨ）。
这些方法对于计算总能量和物理化学性质是有效的，其次，从各种计算方法的比较可得，ｃＢｓ—ｎ系列方法比Ｇａｕｓｓｉａｎ～ｎ系列方法有效，而在ＣＢＳ—ｎ系列方法中，从平均意义上讲，ｃＢｓ—ＡＰＮＯ方法的误差最小，是研究分子体系物理化学性质最为有效的方法之一。
最后，对于特定分子体系特定牲质的研究，最佳理论方法的选用需具体分析（请参考本文第三部分的计算结果与分析）．关键词电子亲合势（ＥＡ）离化能（ＩＥ）质子亲合势（ＰＡ）离解能（ＤＥ）原子化能（ＡＥ）ａｂ－－ｉｎｉｔｉｏＧａｕｓｓｉａｎ—ｎＣＢｓ—ｎｌ－引言由于量子力学的形成，现代物理（和化学）的理论的基础已经奠定７０多年了．二十年代，Ｄｉｒａｃ曾说过，物理学大部分和全部化学数学处理所必需的基础规律已完全知道，困难仅在于运用这些规律导出很复杂的有待求解的方程式。
Gaussian程序使用：分子平衡几何构型优化及分子性质计算
Gaussian程序使用：分子平衡几何构型优化及分子性质计算【实验目的与要求】计算化学，其本质是对分子体系薛定谔方程所代表的化学理论通过大型电脑程序的求解，模拟化学的各种实验研究。
作为一门计算化学实验课程，主要目的是从实际操作出发，掌握程序的使用，以便得到预期的结果。
对于所涉及的理论和方法，只要求结合程序的演算能够定性予以理解。
本实验主要涉及优化分子几何构型的程序输入及计算结果的解读。
【实验原理】1. 在结构化学中，曾用“变数别离”方法对于单电子体系(氢原子和类氢离子)的Schrödinger方程进行精确求解。
但是对于多电子的分子体系，由于第i 个电子与其余电子间的排斥能取决于所有电子的坐标，使这种别离变为不可能。
但可以在定核近似下将核的运动别离出去后，在固定的核势场中近似求解多电子体系的能量本征方程。
具体做法是，对第i个电子，可以假定一个单电子的分子轨道(单电子近似)，并将它用现成的原子轨道线性展开(LCAO近似)。
这时，Schrödinger方程由微分方程变成一个齐次线性的代数方程组。
求解该方程组，即求各分子轨道能级及相应的分子轨道展开系数。
具体过程是在给定的核坐标下，先猜测一组展开系数(极端情况均为0)，代入方程组得到一组新的系数，再代入方程组求解，周而复始，直到前后两组系数相同，称为“自恰场迭代”。
这就是HF自恰场分子轨道方法。
2. 量子化学中的基组是用于描述体系波函数的假设干具有一定性质的函数。
基组是量子化学从头计算的基础，在量子化学中有着非常重要的意义。
在量子化学计算中，根据体系的不同，需要选择不同的基组，构成基组的函数越多，基组便越大，计算的精度也越高，计算量也随之增大。
要提高量子化学计算精度，必须加大基组的规模，即增加基组中基函数的数量，增大基组规模的一个方法是劈裂原子轨道，也就是使用多个基函数来表示一个原子轨道。
劈裂价键基组就是应用上述方法构造的较大型基组，所谓劈裂价键就是将价层电子的原子轨道用两个或以上基函数来表示。
（精品资料）实验1-分子构型优化
图 1. GaussView 的主要窗口
GaussView 主控制面板主要分为三部分：（i）菜单栏和当前片段（Current Fragment）窗口；（ii）各种工具栏。默认状态下，这些工具栏是放在菜单栏下面 的，但是可以根据需要，把它们调出来（如图 1-2 所示）。当然也可以根据需要， 重新安排这些工具栏的位置；（iii）可以打开一个或多个分子可视化窗口。
图 1. 势能面中的驻点
计算化学研究分子性质，是从优化分子结构开始，这一点要牢记！这是因为 我们通常认为，在自然情况下分子主要以能量最低的形式存在。只有低能的分子 结构才具有代表性，其性质才能代表所研究体系的性质。在建模过程中，我们无 法保证所建立的模型具有最低的能量，所以，计算化学工作的起点都是分子结构 优化，要将分子优化到一个能量的极值点。如图 2-1 所示，在势能剖面图中，无 论是极小点还是鞍点，都是有意义的分子结构。只有找到这些合理的分子构型， 才能保证其后所得到的计算结果有意义。 2.2 确定能量极小值
图 3. 分子计算中 Gaussian 程序调用的模块
2.3 计算收敛的标准 优化计算不能无限制地进行下去，判定是否可以结束优化计算的判据就是我
们常说的收敛标准。分子结构优化收敛的判据和标准是什么呢？首先，要明确的 一点是，精确的极小点位置是不可能达到的，我们只能无限地接近它，也就是分 子受力趋于 0，坐标变化也趋于 0。在 Gaussian 程序中有两个标准来判断分子结 构优化是否收敛。第一个判据是分子受力情况：即分子内所受的最大力 （Maximum Force）小于 0.00045 eV/Å，力的均方差（RMS Force）小于 0.00030； 收敛的第二个判据是前后两次位移的情况：前后两次的坐标位移要很小，即最大 位 移 （ Maximum Displacement ） 需 要 小 于 0.0018 Å ， 位 移 均 方 差 （ RMS Displacement）要小于 0.0012。只有同时满足了这两个判据，你才会在输出文件 中看到如图 2-4 所示的四个 YES，表明分子优化已经完成，计算正常结束。特别 地，在优化过程中，有时会出现只有前两个 YES 出现，这种结果也是可以接受 的。因为 Gaussian 程序默认，当计算所得的力已比收敛指标小两个数量级时，
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分子结构模型的构建是化学研究和计算化学领域的重要一环，对于理解分子的性质和行为具有重要意义。
优化计算则是对构建的分子结构模型进行调整和优化，以求得最稳定和最符合实验结果的结构体系。
本文将介绍分子结构模型的构建方法以及常用的分子结构优化计算方法。
一、分子结构模型的构建1.实验室试验方法：实验室试验方法通过实验手段确定分子的构型和结构。
常用的实验方法包括谱学方法（如红外光谱、拉曼光谱、核磁共振等）、X射线方法和电子显微镜等。
这些实验方法可以提供分子的一些基本信息，例如键长、键角、晶胞参数等。
不过该方法需要实验设备和实验条件，有时也受到实验技术的限制。
2. 理论计算方法：理论计算方法主要通过量子力学计算、分子力学模拟和分子动力学模拟等，从基本粒子的角度计算分子的结构和性质。
在量子力学计算中，常用的方法有Hartree-Fock（HF）方法、密度泛函理论（DFT）方法、紧束缚模型（TB）方法等。
在分子力学模拟和分子动力学模拟中，常用的方法有分子力学（MM）方法、分子动力学（MD）方法等。
二、分子结构优化计算分子结构优化计算是对构建的分子结构模型进行调整和优化的过程，以找到最稳定和最符合实验结果的结构体系。
1.线性规划方法：线性规划方法是寻找一个解向量，使得目标函数最小或最大。
在分子结构优化计算中，可以通过线性规划方法来优化分子结构的内部参数，如键长、键角等。
2. Monte Carlo方法：Monte Carlo方法是一种通过随机抽样的方式来进行优化计算的方法。
在分子结构优化计算中，Monte Carlo方法可以通过随机调整分子的内部参数，以整个构象空间，寻找最稳定的构象。
3.遗传算法：遗传算法是通过模拟生物进化过程来进行优化计算的方法。
在分子结构优化计算中，可以将每一个分子结构看作一个个体，通过交叉、变异等操作模拟自然选择，以寻找最优解。
4.分子动力学模拟：分子动力学模拟是通过求解分子的运动方程，模拟分子的运动和变化过程。
Chem3D分子构型优化教程
Chem3D分子构型优化教程很多的化学领域的专业人士都知道，分子的性质往往是有分子的结构所决定的，但是在实验室研究的过程中很难观察到稳定分子的结构，这往往是因为中间体寿命过短或者是混合物难以分离造成的，这个时候就需要通过计算化学来预测，即构型优化。
下面来给大家分享一下使用Chem 3D化学绘图软件轻松优化分子构型的两种方法。
所有计算化学研究分子性质均是从优化分子结构开始，在自然情况下分子主要以能量最低的子女格式存在，所以低能的分子结构具有代表性，这样也才能保证得到的计算结构有意义，Chem 3D软件使用MM2分子力学和Gamess量子两种方法来优化构型。
1、MM2分子力学优构型优化方法使用Chem 3D软件MM2分子力学优化构型的操作步骤是绘制出化学结构之后，依次选择Calculations/MM2/Minimize Energy（最小化化学能）命令，如下图所示：MM2分子力学优构型优化方法接着会弹出Minimize Energy对话框，“Display Every nth Iter 用于显示每轮迭代信息”、“Copy Measurements to Output Bo用于控制输出每轮结构参数”、“Minimum RMS是构型收敛标准”。
另外注意一下，MM2分子力学方法计算量小，适合于大体系有机分子的构型优化。
2、Gamess量子化学软件包构型优化方法Gamess量子化学软件包进行构型优化的原理是Chem 3D根据初始分子模型计算能量和梯度，然后决定写一部结构调整的方向的步长，根据各原子受力情况和位移大小判断是否收敛，若没有则继续重复上面的过程直到力和位移的变化均达到收敛标准。
在Chem 3D软件中的操作方法是：绘制出分子结构之后，依次点击Calculations/GAMESS Interface/Minimize，随后会弹出如下图所示的GAMESS对话框。
Gamess量子化学软件包构型优化方法对话框Job&Thery选项卡的Method选项可以更改计算方法，Basis Set是基组类型，Wave Function是波函数类型，通过Polarization、Diffuse和Exponent可以添加或弥散基函数，Opt.Algorithm用于修改构型优化方法，最后的两个选项Spin Multiplicity和Net Charge指的是体系电荷和自选多重度。