分子平衡几何构型优化及分子性质计算.docx

一、实验目的1、 学会从实际操作出发，掌握程序的使用，得到正确的数据2、 学习Gaussian程序使用，运用程序进行儿种分子模型的构建及优化3、 利用Gaussian程序对分子体系薛定谴方程所代表的化学理论加深理解4、 掌握构建分子模型的方法和分子儿何构型的输入方法，为目标分子设定计算 坐标，模拟化学分子，能够正确解读计算结果，釆集有用的结果数据二、实验原理1、 Gaussian程序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它还可以预言分子和 化学反应的许多性质，如，分子能量和结构、过渡态的能量和结构、电子密度分 布、热力学性质、振动频率、红外和拉曼光谱、NMR化学位移、极化率和静电 势，等等本实验教材的重点，通过驻点（分子和反应势能面上的极小点和鞍点） 的优化和性质计算，进行结构与性质关系的预测和化学反应动力学，包括反应速 率和反应机理的预测2、 HF方程自洽场近似：在结构化学中，“变数分离”方法对于单电子体系（氢原 子和类氢离子）的Schrodinger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，使这种分离变为 不可能。

但可以在定核近似下将核的运动分离出去后，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，Schrodinger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3、 基组用于描述体系波函数的若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沁需丄 A）= （x- 4）lx（y- Ay）ly（z- A）lz xexpW（T-A）JA: Gauss函数中心I:角量子数三、仪器设备与软件计算机、GaussView程序、Gaussian程序四、实验数据处理（一）、在水分子中（测、分子总能（②以及电子动能（個、电子与核的吸引能 （P©、电子排斥能（E©和FMO能（即HOMO与LUMO能）,核对各能量之间的关 系；分子中的各个原子上的静电荷以及化学键的键电荷，分子的偶极矩。

核排斥能（测9. 2065538966$. u.分子总能（Q-76. 0232281985a u.电子动能（個75. 81500790115a u.电子与核的吸引能（朋-198. 9309839994a u.电子排斥能（购37. 88619400319a u.HOMO 能-0. 49716a u.LUMO 能0. 21238a u.（2） 核对各能量之间的关系分子总能Et°t = Siliq - EE + NN可分别为-20.56036, -1. 34091, -0. 70404, -0. 56899 , -0. 49716 得 Etot二一76. 02256011与程序运算出的结果-76. 0232281985比较相近，误差计算得0. 0008788%o可 知该计算方法可行3） 分子中的各个原子上的静电荷1 0 -0.6732132 H 0.3366063 H 0. 336606（4） 化学键的键电荷=0. 308856ex2=0. 617712e（5） 分子的偶极矩=2. 1842（二）、请记录第二题至第七题中第一次和最后一次的分子总能，偶极矩，原 子电荷，分子儿何构型2） £0分子的几何构型优化102H 1 rl3H lr2 2 alEtot(au)各原子电荷（e）点群分子几何构型偶极矩优化前-76. 022541656710 -0. 6763172H 0.3376703H 0.338647Csrlr2al0. 9600. 970104. 52.1911优化后-76. 02361510 -0.6706862H 0.3353423H 0.335344Csrl r2 al0. 9430430. 943061105. 9682. 1476(3) H20分子结构的优化102H 1 rl3H 1 r 2 alEtot(a.u.)各原子电荷(e)点群键长r(A)键角偶极矩优化前-76. 022985082810 -0. 6745822H 0. 3372912H 0. 337291c2vrl=0. 960a2二 104. 52.1870优化后-76. 02361510 -0. 6706862H 0. 3353433H 0. 335343c2vrl=0. 943053al=105. 96822.1476(4) 乙烯分子结构的优化1C2Clrl3Hlr22al4Hlr22al 3180.05H2r21al 30.06H2r21al 40. 0%仗.11.)各原子电荷(e)点群键长r(A)键角偶极矩优化前-78.03756351281 C-0. 2560162 C-0. 2560163 H 0. 1280084 H 0. 1280085 H 0. 1280086 H 0. 128008D2hrl=l. 320r2=l. 090 al 二 120. 00.0优化后-78.03884151 C-0.2543692 C-0. 2543693 H 0. 1271844 H 0. 1271845 H 0. 1271846 H 0. 127184D2hrl=l. 316479r2=l. 076391 al=121. 7440.0(5) CH3F的结构优化1C2Flrl3Hlr22al4Hlr22al 3a25H1 r22al 3_a2E^t (& u・)各原子电荷(e)点群键长r(A)键角偶极矩优化前-139. 0389538311 CO. 0837692 F-0. 4085303 H 0. 1082544 H 0. 1082545 HO. 108254Csvrl=l. 380 r2=l. 090 al=110. 6 a2=12O. 02. 0454优化后-139. 03973591 C 0. 0866032 F-0. 4071863 H 0. 1068614 HO. 1068615 H 0. 106861Csvrl=l. 365 r2=l. 083 al=109. 2 a2=12O. 01. 9819(6-l)C2H2分子的结构优化e 丄26乙—汙f H4k 31C2C1rl3X11. 0290. 04X21. 0190. 030. 05H1r2390. 02180. 06H2r2490. 01180. 0E^t (& u・)各原子电荷(e)点群键长r (A)键角偶极矩优化前-76. 80898402591 C -0. 2472702 C -0. 2472703 H 0. 2472704 HO. 247270Dcohrl=l. 260r2=l. 0900. 0优化后-76. 82183741 C -0. 2334452 C-0. 2334453 H 0. 2334454 HO. 233445Dcohrl=l. 186066r2=l. 0568780. 0(6-2)计算咲喃CHQ分子的结构6 74ala2a2a4a4asas11 11r r rr3r3r4r4102C3C4C5C6H7H8H9HEtot (& u・)各原子电荷(e)点群键长r (A)键角偶极矩优化前-228. 6229328761 0 -0. 5996442 C 0. 1737183 C 0. 1737184 C-0. 2086965 C-0.2086966 H 0. 1764727 H 0. 1764728 HO. 1583289 H 0. 158328rl= 1.400 r2= 1.350 r3= 1.080 r4= 1.090 al 二 107.0 a2= 108. 0 a3= 0.0 a4=120. 0 a5=127. 0 a6=180. 01. 0915优化后-228. 63294151 0 -0. 5434182 C 0. 1690403 C 0. 1690404 C -0. 2230765 C -0. 2230766H 0. 1661587 H 0. 1661588H 0. 1595889H 0. 159588rl= 1.344 r2=l. 339 r3 二 1.068 r4=l. 070 al=107. 1 a2 二110. 8 a3=0. 0 a4=116. 292 a5二126. 704 a6=180. 00. 7715五、分析讨论1、 在处理线性分子（如C02、C2H2）时，为何要使用虚原子（x）?使用虚原子主要目的是1）避免键角180°或接近180。

则无法形成有效二面 角2）保持分子对称性需要3）利用实验数据來处理些特殊问题2、 内坐标的定义，特别是平面和非平面二面角的右手规则内坐标是描述体系内部运动的坐标坐标平面内坐标轴上的点横坐标x与纵坐 标y二者至少有一个为0,当且仅当该点是原点时x与y同时为0,所以有xy=0.对于N 原子分子，其内坐标共有3N・6 （直线型分子为3N・5）个常用的内坐标有三种， 键长、键角和二面角，即用键长、键角和二面角定义原子核的位置平面二面角的右手规则：用右手，大拇指竖直，与四指垂直.然后四指按顺序指 向形成平面的三个原子，此时大拇指的方向为法向量1,以此方法得到另一个平 面的法向量2,如果方向相同，则两平面的二面角为0,如果相反，则两平面的 二面角为180.非平面二面角的右手规则：用同样方法的到两个法向量，做过两平面交线的 中见面，如果两法向量指向中间面的同一侧，则二面角为法向量的夹角的负值, 如果两法向量指向中间面的不同侧，则二面角就为法向量的夹角的3、 在（一）题中经过以下核对各能量之间的关系式验证，Ee = KE + PE + EEEtot = Ee + ENNEtot 叶 EE+NN与程序运算出的结果比较相近，误差计算非常小。