百科解釋
高斯功能:
分子能量和結(jié)構(gòu)
過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)
鍵和反應(yīng)能量
分子軌道
多重矩
原子電荷和電勢
振動頻率
紅外和拉曼光譜
核磁性質(zhì)
極化率和超極化率
熱力學(xué)性質(zhì)
反應(yīng)路徑
計算可以對體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行。可以預(yù)測周期體系的能量,結(jié)構(gòu)和分子軌道。因
此,Gaussian可以作為功能強(qiáng)大的工具,用于研究許多化學(xué)領(lǐng)域的課題,例如取代基的影響,化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,勢能曲面和激發(fā)能等等。
關(guān)于Gaussian 03 的介紹
是Gaussian系列電子結(jié)構(gòu)程序的最新版本。它在化學(xué)、化工、生物化學(xué)、物理化學(xué)等化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域方面的功能都進(jìn)行了增強(qiáng)。
1.研究大分子的反應(yīng)和光譜
Gaussian 03對ONIOM做了重大修改,能夠處理更大的分子(例如,酶),可以研究有機(jī)體系的反應(yīng)機(jī)制,表面和表面反應(yīng)的團(tuán)簇模型,有機(jī)物光化學(xué)過程,有機(jī)和有機(jī)金屬化合物的取代影響和反應(yīng),以及均相催化作用等。
ONIOM的其它新功能還有:定制分子力學(xué)力場;高效的ONIOM頻率計算;ONIOM對電、磁性質(zhì)的計算。
2.通過自旋-自旋耦合常數(shù)確定構(gòu)像
當(dāng)沒有X-射線結(jié)構(gòu)可以利用時,研究新化合物的構(gòu)像是相當(dāng)困難的。NMR光譜的磁屏蔽數(shù)據(jù)提供了分子中各原子之間的連接信息。自旋-自旋耦合常數(shù)可用來幫助識別分子的特定構(gòu)像,因為它們依賴于分子結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角。
除了以前版本提供的NMR屏蔽和化學(xué)位移以外,Gaussian 03還能預(yù)測自旋-自旋耦合常數(shù)。通過對不同構(gòu)像計算這些常數(shù),并對預(yù)測的和觀測的光譜做比較,可以識別觀測到的特定構(gòu)像。另外,歸屬觀測的峰值到特定的原子也比較容易。
3.研究周期性體系
Gaussian 03擴(kuò)展了化學(xué)體系的研究范圍,它可以用周期性邊界條件的方法(PBC)模擬周期性體系,例如聚合物和晶體。PBC技術(shù)把體系作為重復(fù)的單元進(jìn)行模擬,以確定化合物的結(jié)構(gòu)和整體性質(zhì)。例如,Gaussian 03可以預(yù)測聚合物的平衡結(jié)構(gòu)和過渡結(jié)構(gòu)。通過計算異構(gòu)能量,反應(yīng)能量等,它還可以研究聚合物的反應(yīng),包括分解,降解,燃燒等。Gaussian 03還可以模擬化合物的能帶隙。
PBC的其它功能還有:(1) 二維PBC方法可以模擬表面化學(xué),例如在表面和晶體上的反應(yīng)。用同樣的基組,Hartree-Fock或DFT理論方法還可以用表面模型或團(tuán)簇模型研究相同的問題。Gaussian 03使得對研究的問題可以選擇合適的近似方法,而不是使問題滿足于模塊的能力極限。(2) 三維PBC:預(yù)測晶體以及其它三維周期體系的結(jié)構(gòu)和整體性質(zhì)。
4.預(yù)測光譜
Gaussian 03可以計算各種光譜和光譜特性。包括:IR和Raman;預(yù)共振Raman;紫外-可見;NMR;振動圓形二色性(VCD);電子圓形二色性(ECD);旋光色散(ORD);諧性振-轉(zhuǎn)耦合;非諧性振動及振-轉(zhuǎn)耦合;g張量以及其它的超精細(xì)光譜張量。
5.模擬在反應(yīng)和分子特性中溶劑的影響
在氣相和在溶液之間,分子特性和化學(xué)反應(yīng)經(jīng)常變化很大。例如,低位構(gòu)像在氣相和在(不同溶劑的)溶液中,具有完全不同的能量,構(gòu)像的平衡結(jié)構(gòu)也不同,化學(xué)反應(yīng)具有不同的路徑。Gaussian 03提供極化連續(xù)介質(zhì)模型(PCM),用于模擬溶液體系。這個方法把溶劑描述為極化的連續(xù)介質(zhì),并把溶質(zhì)放入溶劑間的空穴中。
Gaussian 03的PCM功能包含了許多重大的改進(jìn),擴(kuò)展了研究問題的范圍:可以計算溶劑中的激發(fā)能,以及激發(fā)態(tài)的有關(guān)特性;NMR以及其它的磁性能;用能量的解析二級導(dǎo)數(shù)計算振動頻率,IR和Raman光譜,以及其它特性;極化率和超極劃率;執(zhí)行性能上的改善。
G03W的界面和G98W相比,沒有什么變化,G98W的用戶不需要重新熟悉界面。
Gaussian 03新增加了以下內(nèi)容:
新的量子化學(xué)方法
(1) ONIOM模塊做了增強(qiáng)
對ONIOM(MO:MM)計算支持電子嵌入,可以在QM區(qū)域的計算中考慮MM區(qū)域的電特性。
通過算法的改善,ONIOM(MO:MM)對大分子(如蛋白質(zhì))的優(yōu)化更快,結(jié)果更可靠。
ONIOM(MO:MM)能夠計算解析頻率,ONIOM(MO:MO)的頻率計算更快。
提供對一般分子力場(MM)的支持,包括讀入和修改參數(shù)。包含了獨立的MM優(yōu)化程序。
支持任何ONIOM模擬的外部程序。
(2) 修改和增強(qiáng)了溶劑模塊
改善和增強(qiáng)了連續(xù)介質(zhì)模型(PCM):
默認(rèn)是IEFPCM模型,解析頻率計算可以用于SCRF方法。此外改善了空穴生成技術(shù)。
模擬溶液中的很多特性。
可以對Klamt的COSMO-RS程序產(chǎn)生輸入,通過統(tǒng)計力學(xué)方法,用于計算溶解能,配分系數(shù),蒸汽壓,以及其它整體性質(zhì)。
(3) 周期性邊界條件(PBC)
增加了PBC模塊,用于研究周期體系,例如聚合物,表面,和晶體。PBC模塊可以對一維、二維或三維重復(fù)性分子或波函求解具有邊界條件的Schrodinger方程。周期體系可以用HF和DFT研究能量和梯度;
(4) 分子動力學(xué)方法
動力學(xué)計算可以定性地了解反應(yīng)機(jī)制和定量地了解反應(yīng)產(chǎn)物分布。計算包含兩個主要近似:
Born-Oppenheimer分子動力學(xué)(BOMD), 對勢能曲面的局域二次近似計算經(jīng)典軌跡。計算用Hessian算法預(yù)測和校正走步,較以前的計算在步長上能夠改善10倍以上。還可以使用解析二級導(dǎo)數(shù),BOMD能夠用于所有具有解析梯度的理論方法。
提供原子中心密度矩陣傳播(ADMP)分子動力學(xué)方法,用于Hartree-Fock和DFT。吸取了Car和Parrinello的經(jīng)驗,ADMP傳遞電子自由度,而不是求解每個核結(jié)構(gòu)的SCF方程。與Car-Parrinello不同之處在于,ADMP傳遞密度矩陣而不是MO。如果使用了原子中心基組,執(zhí)行效率會更高。這一方法解決了Car-Parrinello存在的一些限制,例如,不再需要用D代替H以獲得能量守恒,純DFT和混合DFT均可使用。ADMP也可以在溶劑存在的情況下執(zhí)行,ADMP可以用于ONIOM(MO:MM)計算。
(5) 激發(fā)態(tài)
激發(fā)態(tài)計算方面做了增強(qiáng):
由于改善了在完全組態(tài)相互作用計算中求解CI矢量的算法,提高了CASSCF執(zhí)行效率。對能量和梯度計算可以使用約14個軌道(頻率計算仍是8個)。
限制活性空間(RAS)的SCF方法。RASSCF把分子軌道分成五個部分:最低的占據(jù)軌道(計算中作為非活性軌道考慮),計算中作為雙占據(jù)的RAS1空間,包含對所研究問題非常重要分子軌道的RAS2空間,弱占據(jù)的RAS3空間,以及未占據(jù)軌道(計算中做凍結(jié)處理)。因此,CASSCF在RAS計算中分成三個部分,考慮的組態(tài)通過定義RAS1空間允許的最少電子數(shù)和RAS3空間允許的最多電子數(shù),以及三個RAS空間電子總數(shù)來產(chǎn)生。
NBO軌道可用于定義CAS和RAS活性空間。對于對應(yīng)成鍵/孤對電子的反鍵軌道可以提供相當(dāng)好的初始猜測。
對稱性匹配簇/組態(tài)相互作用(SAC-CI)方法,用于有機(jī)體系激發(fā)態(tài)的高精度計算,研究兩個或更多電子激發(fā)的過程(例如電離譜的擾動),以及其它的問題。
CIS,TD-HF和TD-DFT的激發(fā)態(tài)計算中可以考慮溶劑影響。
新的分子特性
(1) 自旋-自旋耦合常數(shù),用于輔助識別磁譜的構(gòu)像。
(2) g張量以及其它的超精細(xì)光譜張量,包括核電四次常數(shù),轉(zhuǎn)動常數(shù),四次離心畸變項,電子自旋轉(zhuǎn)動項,核自旋轉(zhuǎn)動項,偶極超精細(xì)項,以及Fermi接觸項。所有的張量可以輸出到Pickett的擬合與光譜分析程序。
(3) 諧性振-轉(zhuǎn)耦合常數(shù)。分子的光譜特性依賴于分子振、轉(zhuǎn)模式的耦合?捎糜诜治鲛D(zhuǎn)動譜。
(4) 非諧性振動及振-轉(zhuǎn)耦合。通過使用微擾理論,更高級的項可以包含到頻率計算中,以產(chǎn)生更精確的結(jié)果。
(5) 預(yù)共振Raman光譜,可以產(chǎn)生基態(tài)結(jié)構(gòu),原子間連接,以及振動態(tài)的信息。
(6) 旋光性以及旋光色散,通過GIAO計算,用于識別手性體系的異構(gòu)體。
(7) 電子圓二色性(ECD)。這一特性是光學(xué)活性分子在可見-紫外區(qū)域的差異吸收,用于歸屬絕對構(gòu)型。預(yù)測的光譜還可用于解釋已存在的ECD數(shù)據(jù)和歸屬峰位,
(8) 含頻極化和超極化,用于研究材料的分子特性隨入射光波長的變化。
(9) 用量度無關(guān)原子軌道(GIAO)方法計算磁化率,它類似于電極化率,用于研究分子的順磁/反磁特性。
(10) 預(yù)測氣相和在溶劑中的電、磁特性和光譜。
(11) ONIOM預(yù)測電、磁特性。
新增加的基本算法
(1) 更好的初始軌道猜測。Gaussian 03使用Harris泛函產(chǎn)生初始猜測。這個泛函是對DFT非迭代的近似,它產(chǎn)生的初始軌道比Gaussian 98要好,例如,對有機(jī)體系有所改善,對金屬體系有明顯改善。
(2) 新的SCF收斂算法,幾乎可以解決以前所有的收斂問題。對于其它極少數(shù)的不收斂情況,Gaussian 03提供了Fermi展寬和阻尼方法。
(3) 純DFT計算的密度擬合近似。這一近似在計算庫侖相互作用時,把密度用一組原子中心函數(shù)展開,而不是計算全部的雙電子積分。它用線性換算的算法,對中等體系的純DFT計算可以極大地提高計算效率,而又不損失多少精度。Gaussian 03可以對AO基自動產(chǎn)生合適的擬合基,也可以選擇內(nèi)置的擬合基。
(4) 更快的自動FMM方法,用于適中的體系(純DFT約100個原子,混合DFT約150個原子)。
(5) 對純DFT使用更快的庫侖能算法,節(jié)省庫侖問題的CPU時間。
(6) O(N)更精確的交換能量項。在Hartree-Fock和DFT計算中,通過刪除密度矩陣的零值項來屏蔽精確的交換貢獻(xiàn)。這可以節(jié)省時間,而又不損失精度。
新增功能:
(1) 新的密度泛函:OPTX交換,PBE和B95相關(guān),VSXC和HCTH純泛函,B1及其變體B98,B97-1,B97-2,PBE1PBE混合泛函。
(2) 高精度能量方法:G3及其變體,W1方法。另外還包含W1BD,它用BD代替耦合簇,比CBS-QB3和G3更精確,當(dāng)然計算也更加昂貴。
(3) 對重元素全電子基組計算的Douglas-Kroll-Hess標(biāo)量相對論修正,用于當(dāng)ECP基組不能滿足精度的情況。
(4) 逼近基組極限的UGBS基組。