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Gaussian量化模拟入门教程（二）：实例操作之水分子的结构优化

来源：本站时间：2020-10-16 14:18:45 浏览：10812次

注：在未特别说明的情况下，本文中涉及到的所有量化模拟实例均是在本地电脑（Windows系统）建模并生成输入文件，在服务器（Linux系统）中进行计算，最后在本地电脑进行数据处理和分析。

水分子的结构优化：本文以针对水分子（H2O）的结构优化为例，介绍利用Gaussian软件进行量化模拟的常规流程。

1、建模

在GaussView软件中画出一个水分子的结构模型，如下图所示。GaussView的操作非常简单，经过自行简单摸索即可快速上手。由于是手工建模，所以结构（键长、键角）必然不是精确且合理的，但只要与真实情况接近即可。

Gaussian量化模拟软件演示参考图1

2、生成输入文件并修改其内容

将该模型保存为H2O.gjf文件。操作流程：File—Save—命名为H2O.gjf并保存至预建的文件夹中，即得到了一个初步的输入文件。随后用Notepad++软件打开H2O.gjf。为了任务的顺利进行及计算合理性，需要对输入文件按照下图内容进行修改。

*请注意所有命名中不要出现中文字符，不要出现空格。空格可用下划线代替，例如“H2O_O2.gjf”，“Graphene_NH3.gjf”。

Gaussian量化模拟软件演示参考图2

接下来，我们以上图为例介绍Gaussian输入文件（.gjf）中所包含的信息，主要涉及到5部分内容：

① 计算资源分配及输出结果保存部分

“%chk=”命令用于指定计算输出的.chk文件的命名（H2O.chk）以及保存路径（./ 在Linux系统中代表当前文件夹，当然也可以写上完整路径）。该路径需实际存在，否则在后续计算过程中会报错。

事实上这一部分内容可以根据实际需要写的更为详细，例如：

%nproc=4

%mem=3000MB

%chk=./H2O.chk

%rwf=./H2O.rwf

表示本次模拟任务使用4核运算，占用内存3000 MB。计算所得的.chk和.rwf文件分别命名为H2O.chk和H2O.rwf，均保存在当前文件夹下。

② 任务的计算方法和内容部分

“#”指以正常形式输出计算结果。若希望以更为详细的形式输出结果，可写作“#P”，若希望以精简形式输出，可写作“#T”。

“b3lyp”决定本次模拟采用DFT方法并选用b3lyp泛函进行计算。泛函应根据实际需要进行选择，此处给出的较为通用且精度尚可的杂化泛函。关于泛函的选用，可参考sob老师的文章“http://sobereva.com/272”。若希望采用非DFT的其他方法进行计算，此处可根据需要修改方法关键词。例如，使用Hatree-Fock方法，此处应为“hf”。

“6-31g*”指本次模拟所用的基组。无论是DFT还是HF方法的模拟，均需选择合适的基组。此处给出的是较为通用且精度尚可的基组。关于基组的选用，可参考sob老师的文章“http://sobereva.com/336”。

“opt”指本次模拟的具体任务为结构优化。Gaussian的关键词较多，除opt外用的较多的包括irc（反应路径）、freq（振动分析）、scan（势能面扫描）、scrf（使用隐式溶剂）等。这些命令可根据情况连用，例如“opt freq”表示首先进行结构优化，随后对优化的结构进行振动分析。若此处不给任何关键词，则默认进行单点能计算。

③ 模拟任务命名

可以修改本次模拟任务的命名，但通常没必要。根据输入、输出文件的名字足以识别任务。

④ 体系的总电荷量和自旋多重度

“0”是指该计算模型的总电荷量为0。该值根据实际计算情况修改即可，例如计算一个Cu2+时为2，计算苯分子时为0，计算一个SO42-时为-2。

“1”是指该计算模型的自旋多重度为0，其计算方法为该体系中“alpha电子数Nα-beta电子数Nβ+1”。该值需根据体系实际情况结合化学常识进行判断，在无法判断的时候也可通过预测试来得出合理的值。若该值设定不合理，则计算出来的结构并非基态。这一部分内容会在后文中详细介绍，此处仅给出一个简单的判断标准。对于大多数不包含过渡金属的基态分子，例如水、苯、SO42-、常规有机体系等均为闭壳层体系，其自旋多重度为1。对于大多数含有过渡金属的结构、自由基结构、激发态，如二茂铁、基态氧分子、羟基自由基等，均为开壳层体系，自旋多重度大于1，需做进一步判断。

⑤ 模型

该体系中包含的1个O原子和2个H原子，以及这三个原子各自的笛卡尔坐标。

⑥ 原子间的连接方式

对比修改前后的输入文件，可以看到我们删除了第2行中“geom=connectivity”字样和11-13行的内容。这些字样代表原子之间的连接关系，对于量化模拟毫无意义，故而可直接删掉。这是由于量化模拟会在计算过程中根据原子各自电子云间的交叠情况自主判断成键形式，因此软件并不关心输入模型中的化学键。换言之，在建模时，水分子中O和H之间画成单键抑或三键，对于计算结果没有任何影响。

*补充说明：输入文件.gjf内容的最末尾务必保证存在空行，否则在计算过程中会报错。

3、在Linux服务器中进行模拟

通过SSH远程连接服务器（图中使用Xshell和Xftp软件），Xftp用于在本地电脑和服务器间传输文件。在服务器端选择合适的路径建立文件夹并重命名为“H2O_opt”后进入该文件夹，将本地电脑端的H2O.gjf文件传输至服务器端。

Gaussian量化模拟软件演示参考图3

接下来在Xshell端输入“cd /home/gauss/user/simulation/H2O_opt”并回车，进入该文件夹，随后输入“g09 < H2O.gjf > H2O.out”命令即可开始运算。计算过程中注意不要中断Xshell的SSH远程连接，否则任务会被强制中断。为了避免这种状况，在提交任务运算时可将命令写为“nohup g09 < H2O.gjf > H2O.out &”。随后“ctrl+c”切出，并用“exit”命令即可关闭SSH远程连接而不导致计算任务中断。

Gaussian量化模拟软件演示参考图4

当计算开始后，服务器端即立刻生成H2O.out和H2O.chk文件并根据计算进度不断更新其内容。在计算过程中，可通过“tail –f H2O.out”命令实时读取H2O.out文件的更新情况（仅显示最末尾的数行内容并实时更新），监控计算任务的进度。也可以随时将H2O.out文件传输回本地电脑查看计算进展。若希望中断该任务，可通过“kill xxx”命令杀掉该任务。其中xxx为该任务的pid，可在Xshell中通过“top”命令查看。

Gaussian量化模拟软件演示参考图5

4、导出计算结果文件

计算结束后，H2O.out文件可直接传输回本地电脑进行查看，H2O.chk文件则需要先进行处理。这是由于.chk为二进制文件，无法跨平台阅读。若直接将H2O.chk文件传输至本地电脑后以Notepad++软件打开，则显示为乱码。一般处理方法是在服务器中通过formchk命令，将文件转化为.fchk，再将其传输至本地电脑，即可直接阅读或通过Multiwfn等程序进行数据分析。

Linux下的转换方法：formchk H2O.chk，即可生成H2O.fchk文件。

Windows下可直接使用Gaussian软件自带的Utilities-FormChk模块进行转化，生成对应的.fch文件。

Gaussian量化模拟软件演示参考图6

5、输出文件.out的查看

打开H2O.out文件后托至文档末尾，可以看到一句名人名言以及计算耗时等信息，表明计算任务顺利结束。若任务失败，则会提示任务失败并中断，此时需根据报错信息来排查可能的问题并修改输入文件.gjf，重新进行计算。

Gaussian量化模拟软件演示参考图7

将H2O.out或H2O.fchk用GaussView打开即可观看优化的模型。此处应注意，若直接将H2O.out文件用鼠标拖至GaussView中打开，则只会显示优化所得到的最终模型。若想要观看整个优化过程中分子结构的变化情况，需按如下步骤操作：GaussView—File—Open—选中H2O.out或H2O.fchk—勾选“Read Intermediate Geometries”—打开，如下图所示。在打开的窗口中即可逐帧观察优化过程中H2O分子的结构变化。

Gaussian量化模拟软件演示参考图8

此外，在打开的窗口中点击鼠标右键—Results即可选择查看部分计算信息。例如Summary中包含了当前帧的基本信息（电子自旋、能量等），Optimization可显示优化过程中体系的能量和平均受力（RMS）变化情况。Charge Distribution中可以查看优化后的分子（即最后一帧）密立根电荷布局情况（Gaussian在进行DFT计算时会自行对结构优化所得的稳定结构进行密立根电荷计算，无需在输入文件中添加对应关键词）。

灰色的选项意味着我们的计算并未包括相关的信息。假如我们的输入文件中任务关键词为“opt freq”，即在分子结构优化结束后进行振动分析。那么此时，Results栏中的“Vibrations”可选，从中可以分析分子的所有振动形式及对应的红外光谱出峰位置，进而生成该分子的理论红外光谱。

6、检查点.fchk文件的使用

打开Multiwfn软件（Version 3.8），将H2O.fchk文件用鼠标拖入，回车即可加载该文件，显示如下图所示。接下来根据提示输入数字即可输出或显示希望的数据。Multiwfn分析功能极为强大，且配有详细的说明书和数据处理案例，可根据需要参考sob老师提供的案例使用。

Gaussian量化模拟软件演示参考图9