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Gaussian软件介绍

论文服务工具 | 2020/03/05 13:06:41  | 145 次浏览

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  Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包。其可执行程序可在不同型号的大型计算机,超级计算机,工作站和个人计算机上运行,并相应有不同的版本。高斯功能:过渡态能量和结构、键和反应能量、分子轨道、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径,计算可以对体系的基态或激发态执行。可以预测周期体系的能量,结构和分子轨道。因此,Gaussian可以作为功能强大的工具,用于研究许多化学领域的课题,例如取代基的影响,化学反应机理,势能曲面和激发能等等。常常与gaussview连用。
  关于Gaussian03的介绍
  是Gaussian系列电子结构程序的较新版本。它在化学、化工、生物化学、物理化学等化学相关领域方面的功能都进行了增强。
  ⒈研究大分子的反应和光谱
  Gaussian03对ONIOM做了重大修改,能够处理更大的分子(例如,酶),可以研究有机体系的反应机制,表面和表面反应的团簇模型,有机物光化学过程,有机和有机金属化合物的取代影响和反应,以及均相催化作用等。
  ONIOM的其它新功能还有:定制分子力学力场;高效的ONIOM频率计算;ONIOM对电、磁性质的计算。
  ⒉通过自旋-自旋耦合常数确定构像
  当没有X-射线结构可以利用时,研究新化合物的构像是相当困难的。NMR光谱的磁屏蔽数据提供了分子中各原子之间的连接信息。自旋-自旋耦合常数可用来帮助识别分子的特定构像,因为它们依赖于分子结构的扭转角。
  除了以前版本提供的NMR屏蔽和化学位移以外,Gaussian03还能预测自旋-自旋耦合常数。通过对不同构像计算这些常数,并对预测的和观测的光谱做比较,可以识别观测到的特定构像。另外,归属观测的峰值到特定的原子也比较容易。
  ⒊研究周期性体系
  Gaussian03扩展了化学体系的研究范围,它可以用周期性边界条件的方法(PBC)模拟周期性体系,例如聚合物和晶体。PBC技术把体系作为重复的单元进行模拟,以确定化合物的结构和整体性质。例如,Gaussian03可以预测聚合物的平衡结构和过渡结构。通过计算异构能量,反应能量等,它还可以研究聚合物的反应,包括分解,降解,燃烧等。Gaussian03还可以模拟化合物的能带隙。
  PBC的其它功能还有:⑴二维PBC方法可以模拟表面化学,例如在表面和晶体上的反应。用同样的基组,Hartree-Fock或DFT理论方法还可以用表面模型或团簇模型研究相同的问题。Gaussian03使得对研究的问题可以选择合适的近似方法,而不是使问题满足于模块的能力极限。⑵三维PBC:预测晶体以及其它三维周期体系的结构和整体性质。
  ⒋预测光谱
  Gaussian03可以计算各种光谱和光谱特性。包括:IR和Raman;预共振Raman;紫外-可见;NMR;振动圆形二色性(VCD);电子圆形二色性(ECD);旋光色散(ORD);谐性振-转耦合;非谐性振动及振-转耦合;g张量以及其它的超精细光谱张量。
  ⒌模拟在反应和分子特性中溶剂的影响
  在气相和在溶液之间,分子特性和化学反应经常变化很大。例如,低位构像在气相和在(不同溶剂的)溶液中,具有完全不同的能量,构像的平衡结构也不同,化学反应具有不同的路径。Gaussian03提供极化连续介质模型(PCM),用于模拟溶液体系。这个方法把溶剂描述为极化的连续介质,并把溶质放入溶剂间的空穴中。
  Gaussian03的PCM功能包含了许多重大的改进,扩展了研究问题的范围:可以计算溶剂中的激发能,以及激发态的有关特性;NMR以及其它的磁性能;用能量的解析二级导数计算振动频率,IR和Raman光谱,以及其它特性;极化率和超极划率;执行性能上的改善。
  G03W的界面和G98W相比,没有什么变化,G98W的用户不需要重新熟悉界面。
  Gaussian03新增加了以下内容
  新的量子化学方法
  ⑴ONIOM模块做了增强
  对ONIOM(MO:MM)计算支持电子嵌入,可以在QM区域的计算中考虑MM区域的电特性。
  通过算法的改善,ONIOM(MO:MM)对大分子(如蛋白质)的优化更快,结果更可靠。
  ONIOM(MO:MM)能够计算解析频率,ONIOM(MO:MO)的频率计算更快。
  提供对一般分子力场(MM)的支持,包括读入和修改参数。包含了独立的MM优化程序。
  支持任何ONIOM模拟的外部程序。
  ⑵修改和增强了溶剂模块
  改善和增强了连续介质模型(PCM):
  默认是IEFPCM模型,解析频率计算可以用于SCRF方法。此外改善了空穴生成技术。
  模拟溶液中的很多特性。
  可以对Klamt的COSMO-RS程序产生输入,通过统计力学方法,用于计算溶解能,配分系数,蒸汽压,以及其它整体性质。
  ⑶周期性边界条件(PBC)
  增加了PBC模块,用于研究周期体系,例如聚合物,表面,和晶体。PBC模块可以对一维、二维或三维重复性分子或波函求解具有边界条件的Schrodinger方程。周期体系可以用HF和DFT研究能量和梯度;
  ⑷分子动力学方法
  动力学计算可以定性地了解反应机制和定量地了解反应产物分布。计算包含两个主要近似:
  Born-Oppenheimer分子动力学(BOMD),对势能曲面的局域二次近似计算经典轨迹。计算用Hessian算法预测和校正走步,较以前的计算在步长上能够改善10倍以上。还可以使用解析二级导数,BOMD能够用于所有具有解析梯度的理论方法。
  提供原子中心密度矩阵传播(ADMP)分子动力学方法,用于Hartree-Fock和DFT。吸取了Car和Parrinello的经验,ADMP传递电子自由度,而不是求解每个核结构的SCF方程。与Car-Parrinello不同之处在于,ADMP传递密度矩阵而不是MO。如果使用了原子中心基组,执行效率会更高。这一方法解决了Car-Parrinello存在的一些限制,例如,不再需要用D代替H以获得能量守恒,纯DFT和混合DFT均可使用。ADMP也可以在溶剂存在的情况下执行,ADMP可以用于ONIOM(MO:MM)计算。
  ⑸激发态
  激发态计算方面做了增强:
  由于改善了在完全组态相互作用计算中求解CI矢量的算法,提高了CASSCF执行效率。对能量和梯度计算可以使用约14个轨道(频率计算仍是8个)。
  限制活性空间(RAS)的SCF方法。RASSCF把分子轨道分成五个部分:最低的占据轨道(计算中作为非活性轨道考虑),计算中作为双占据的RAS1空间,包含对所研究问题非常重要分子轨道的RAS2空间,弱占据的RAS3空间,以及未占据轨道(计算中做冻结处理)。因此,CASSCF在RAS计算中分成三个部分,考虑的组态通过定义RAS1空间允许的最少电子数和RAS3空间允许的最多电子数,以及三个RAS空间电子总数来产生。
  NBO轨道可用于定义CAS和RAS活性空间。对于对应成键/孤对电子的反键轨道可以提供相当好的初始猜测。
  对称性匹配簇/组态相互作用(SAC-CI)方法,用于有机体系激发态的高精度计算,研究两个或更多电子激发的过程(例如电离谱的扰动),以及其它的问题。
  CIS,TD-HF和TD-DFT的激发态计算中可以考虑溶剂影响。
  新的分子特性
  ⑴自旋-自旋耦合常数,用于辅助识别磁谱的构像。
  ⑵g张量以及其它的超精细光谱张量,包括核电四次常数,转动常数,四次离心畸变项,电子自旋转动项,核自旋转动项,偶极超精细项,以及Fermi接触项。所有的张量可以输出到Pickett的拟合与光谱分析程序。
  ⑶谐性振-转耦合常数。分子的光谱特性依赖于分子振、转模式的耦合。可用于分析转动谱。
  ⑷非谐性振动及振-转耦合。通过使用微扰理论,更高级的项可以包含到频率计算中,以产生更精确的结果。
  ⑸预共振Raman光谱,可以产生基态结构,原子间连接,以及振动态的信息。
  ⑹旋光性以及旋光色散,通过GIAO计算,用于识别手性体系的异构体。
  ⑺电子圆二色性(ECD)。这一特性是光学活性分子在可见-紫外区域的差异吸收,用于归属绝对构型。预测的光谱还可用于解释已存在的ECD数据和归属峰位,
  ⑻含频极化和超极化,用于研究材料的分子特性随入射光波长的变化。
  ⑼用量度无关原子轨道(GIAO)方法计算磁化率,它类似于电极化率,用于研究分子的顺磁/反磁特性。
  ⑽预测气相和在溶剂中的电、磁特性和光谱。
  ⑾ONIOM预测电、磁特性。
  新增加的基本算法
  ⑴更好的初始轨道猜测。Gaussian03使用Harris泛函产生初始猜测。这个泛函是对DFT非迭代的近似,它产生的初始轨道比Gaussian98要好,例如,对有机体系有所改善,对金属体系有明显改善。
  ⑵新的SCF收敛算法,几乎可以解决以前所有的收敛问题。对于其它极少数的不收敛情况,Gaussian03提供了Fermi展宽和阻尼方法。
  ⑶纯DFT计算的密度拟合近似。这一近似在计算库仑相互作用时,把密度用一组原子中心函数展开,而不是计算全部的双电子积分。它用线性换算的算法,对中等体系的纯DFT计算可以极大地提高计算效率,而又不损失多少精度。Gaussian03可以对AO基自动产生合适的拟合基,也可以选择内置的拟合基。
  ⑷更快的自动FMM方法,用于适中的体系(纯DFT约100个原子,混合DFT约150个原子)。
  ⑸对纯DFT使用更快的库仑能算法,节省库仑问题的CPU时间。
  ⑹O(N)更精确的交换能量项。在Hartree-Fock和DFT计算中,通过删除密度矩阵的零值项来屏蔽精确的交换贡献。这可以节省时间,而又不损失精度。
  新增功能
  ⑴新的密度泛函:OPTX交换,PBE和B95相关,VSXC和HCTH纯泛函,B1及其变体B98,B97-1,B97-2,PBE1PBE混合泛函。
  ⑵高精度能量方法:G3及其变体,W1方法。另外还包含W1BD,它用BD代替耦合簇,比CBS-QB3和G3更精确,当然计算也更加昂贵。
  ⑶对重元素全电子基组计算的Douglas-Kroll-Hess标量相对论修正,用于当ECP基组不能满足精度的情况。
  ⑷逼近基组极限的UGBS基组。

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