2.-Gaussian-09-软件基本介绍

李宏平[e-mail]2020/2/131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•Gaussian09程序结构2020/2/132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。2020/2/133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2020/2/134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2020/2/135分子动力学（时间演化）第一性原理Schrödinger方程2020/2/136)()()(rErrHijijiiiiiiiiiVVzyxmTTVTH)(22222222221量子力学三大基本理论•R.S.Mulliken和F.Hund分子轨道理论•L.C.pauling和slater价键理论•Hohenberg和Kohn密度泛函理论2020/2/137HitsfromWebofScienceTMusing‘DensityFunctionalTheory’askeywords密度泛函是使用最广泛的第一性原理方法密度泛函理论DensityFunctionalTheorye.g.B3LYP020004000600080001000012000140001981198319851987198919911993199519971999200120032005200720092011TheNobelPrizeinChemistry1954LinusPauling(1901-1994)价键理论TheNobelPrizeinChemistry1966RobertsSMulliken(1896-1986)分子轨道理论TheNobelPrizeinChemistry1998WalterKohn(1923-)密度泛函理论TheNobelPrizeinChemistry1998J.A.Pople(1925-2004)Gaussian-系列程序2020/2/139GAUSSIAN70,GAUSSIAN76,GAUSSIAN80,GAUSSIAN82,GAUSSIAN86,GAUSSIAN88,GAUSSIAN90,GAUSSIAN92,GAUSSIAN94,GAUSSIAN98,GAUSSIAN03,GAUSSIAN09Gaussian的由来历史悠久2020/2/1310GAUSSIAN程序是JohnA.Pople和他在Carnegie-Mellon大学的课题组在1970年发布的，最初版本是Gaussian70,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TheNobelPrizeinChemistry1998J.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•“ItwasthereleaseofGaussian70(ageneral-purpose,abinitiocomputerprogramthathasdevelopedintotoday’sGaussian03software)andtheadventofminicomputers,bothinthe1970s,thatbroughtthetoolsofquantummechanicstoorganicchemists.”Nature,2008,455,309-313.2020/2/1311Gaussian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2020/2/1312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•软件使用高斯型（Gaussian-typeorbitals,GTO）基组代替斯莱特型（Slater-typeorbitals,STO）来提升计算的速度。为什么叫Gaussian?Gaussian的由来速度快2020/2/1313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•Gaussian09程序结构2020/2/1314GAUSSIAN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GaussView5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。2020/2/13151Ǻ1nm1µm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2020/2/1316第一性原理半经验、QM/MMMM第一性原理半经验、QM/MMMM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•Gaussian09程序结构2020/2/1317GAUSSIAN的功能•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•光谱研究内容2020/2/1318•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•基态与激发态研究范围Gaussian的功能对化学反应的全面研究•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：•使用Gaussian09研究您感兴趣的化学问题2020/2/1319研究反应机理金催化剂催化1,5双烯重排机理2020/2/1320Felix,R.J.et.al.Nature.Chemistry.2012,4,405Gaussian09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,etal.,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•专为大体系设计的理论化学模型•支持Gaussian09的所有计算方法与分子性质预测ONIOM模型异青霉素N合成酶•氢键作用•静电力或永久偶极相互作用•色散作用•疏水作用等等分子间相互作用•蛋白-配体相互作用•各种氢键作用体系•储氢材料等常见应用体系2020/2/1322GAUSSIAN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2020/2/1323Dieckmann,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。Gaussian09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。Gaussian09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•Gaussian09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。光化学及其它激发态过程•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。常见应用体系2020/2/1324研究激发态反应基于卟啉结构的敏化太阳能电池设计2020/2/1325Santhanamoorthi,N.et.al.JPCLett.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。Gaussian09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•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•Gaussian09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。预测和解析光谱•IR,Raman•NMR•UV/Vis,fluorescence•Vibrationalcirculardichrosism(VCD)•Ramanopticalactivity(ROA)•Electroniccirculardichroism(ECD)•Opticalrotarydispersion(ORD)•Hyperfinespectra(Microwavespectroscopy)•Franck-Condon,Herzberg-Teller分析预测光谱一览2020/2/13262020/2/1327McMahon,R.J.et.al.Inorg.Chem.2012,51,9846研究各种光谱IR预测与指认谱峰“Computedanharmonicvibrationalfrequenciesandinfraredintensitiesofcarbonyldiazide(1)displayexcellentagreementwithexperiment,andrevealthepresenceofstrongFermiresonances.”2020/2/1328研究各种光谱NMR辅助确定化合物结构Bagno,A.et.al.JACS.2011,133,6072“InthisworkweshowhowDFTcalculationsbasedondensityfunctionalsandbasissetsdesignedforthepredictionofNMRspectra(M06/pcS-2leveloftheory)canbeusedtoreproducetheobservedparameters,therebyofferingtothesyntheticchemistausefultooltodiscardoracceptputativestructuresofunknownorganicmolecules.”2020/2/1329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“ComputationalpredictionofORD,ECD,andVCDallowedustoassign(3S,4aR,8S,8aR)ACtonaturallyoccurring(−)-1,while(4aR,8S,8aR)ACwasassignedto(−)-2employingonlyECDandVCD,becauseinthiscaseORDanalysisturnedouttobeunsuitableforACassignment.”“Thisstudyshowsthatinthecaseofflexibleandcomplexnaturalproductsonlyaconcertedapplicationofmorethanasinglechi