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实验二利用Gaussian进行几何优化(寻找过渡态)
一、实验目的
1)了解势能面、极小值、极大值、鞍点、最小能量途径的意义;
2)利用Gaussview搭建分子模型,建立相Gaussian09输入文件;
3)依据所建模型体系大小选择合适方法、基组,进行结构优化;
4)掌握结构优化结果文件分析,并利用Gaussview分析计算结果;
5)分析几何优化过程中相关量的优化过程,寻找乙胺分子两个异构体的过渡
态。
二、实验原理以及方法
势能面:由于分子自身几何构型微小变化产生的能量变化而绘制的能量图。
势能面是连接几何构型和能量的数学对应关系曲线。
1)极大值:一个区域内的能量最高点,向任何方向的
几何变化都能够引起能量的减小。
2)全局最大值:在所有的局域极大值中的最大值,就
是全局最大值。(极小值也同样)
3)鞍点:在一个方向上具有极大值,而在其他方向上
具有极小值的点。(一般的,鞍点代表连接着两个极
小值的过渡态)
4)静态点:对于所有极小值和鞍点,其能量对位置的一
阶偏导数,即梯度(gradient)都为零,这样的点被称为静
图1势能面解析图态点(stationarypoint)
几何优化:就是在势能面上寻找寻找极小值点,极小值点对应的几何构型就
是分子可能的平衡几何构型。优化方法:由初始构型开始,计算能量和梯度,决
定下一步的方向和步长,其向能量下降最快的方向进行。当只有当计算收敛的时
候优化才会结束。
高斯默认的收敛标准:
(这四个条件必须同时满足,才可认为得到了稳定的几何构型)
1)力的最大值小于0.00045;
2)力的均方根小于0.0003;
3)于下一步计算的位移差小于0.0018;
4)位移差均方根小于0.0012。
三、实验仪器
Gaussian09,GaussView,软件计算机
四、实验步骤
首先在GaussView中构建分子构型(乙胺的两个异构体),然后分别进行几
何优化,优化至能量最低值minimum,使用优化后的分子,分别使用两种方法
寻找其过渡态TS,对两种方法计算的最终结果进行比较分析。
五、计算结果分析
1)计算所用的乙胺分子如图2所示。如图所示两个分子中-NH2的空间原子
排布相互垂直,认为这两种构型对应乙胺分子势能面中的两个极小值点的构型,
因此可以想象,过渡态所对应的分子构型应为-NH2在两种构型中间位置。
图2乙胺分子的两种同分异构体
2)软件判断收敛的标准
如下截图所示,当计算所得分子的能量和梯度值(Value)大于阈值(Threshold)
时,将返回重新计算,只有当能量和梯度均小于阈值时,循环才会停止,此时即
可判断为收敛。
3)选用两种方法寻找
第一种方法流程如下:利用优化后的两种构型的分子,将一种分子的gjf文
件中的坐标复制到另一种分子的gjf文件中,修改计算方法和基组为#DFT
(calcfc,qst2)6-31G,保存后进行计算;第二种方法是,利用一种优化后的分
子构型,手动将-NH2基团转动至过渡态的位置,然后修改计算方法和基组并进
行计算。
4)两种方法寻找过渡态过程中分子的能量和梯度变化的曲线图如图3和图4
所示。
图3选用方法一计算所得过渡态分子的能量和梯度变化曲线图
图4选用方法二计算所得过渡态分子的能量和梯度变化曲线图
分析:图中每个数据点代表一次计算,从曲线的变化趋势可以看出,分子的
能量和梯度随计算步数step
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