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Gaussian
来源: 作者: 发布时间:2010/3/10 17:27  点击数:7457 次 
 

官方主页:http://www.gaussian.com

基本介绍

Gaussian是目前计算化学领域内最流行、应用范围最广的商业化量子化学计算程序包。它最早是由美国卡内基梅隆大学的约翰·波普(John A Pople,  1998年诺贝尔化学奖)在60年度末、70年代初主导开发的。其名称来自于该软件中所使用的高斯型基组。最初,Gaussian的著作权属于约翰·波普供职的卡内基梅隆大学;1986年,约翰·波普进入美国西北大学后,其版权由Gaussian,Inc.公司所持有。Gaussian软件的出现降低了量子化学计算的门槛,使得从头计算方法可以广泛使用,从而极大地推动了其在方法学上的进展。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。到目前为止,Gaussian已经推出了12个版本,包括Gaussian70Gaussian76Gaussian80Gaussian82Gaussian86Gaussian88Gaussian90Gaussian92Gaussian92/DFTGaussian94Gaussian98Gaussian03等,其版本数字也是该版本发布的年份。其中,每个版本发布后,还陆续发布了一些这些版本的修订版。目前最新的版本是Gaussian03 Revision D.01/D.02

Gaussian程序是用FORTRAN语言编写的,它从量子力学的基本原理出发,可计算能量、分子结构、分子体系的振动频率以及大量从这些基本计算方法中导出的分子性质。它能用于研究不同条件下的分子和反应,包括稳定的粒子和实验上难以观测的化合物,例如瞬时的反应中间物和过渡结构。

Gaussian的并行模式是采用OpenMP来实现的。OPENMP的并行实现是针对共享内存的机器的,实现方法简单。因此Gaussian在共享内存的机器上,能获得很好的性能。对于跨节点的计算,Gaussian使用TCP Linda软件来实现。TCP Linda是一个虚拟共享内存的并行执行环境,它可以把一个通过网络连接的分布式内存的机群或工作站虚拟成共享内存环境,从而使像Gaussian这样的用OPENMP实现并行的程序能够在分布式内存的机器上运行。

功能

1、     分子能量和结构

2、     过渡态能量和结构

3、     键和反应能量

4、     分子轨道

5、     多重矩

6、     原子电荷和电势

7、     振动频率

8、     红外和拉曼光谱

9、     核磁性质

10、 极化率和超极化率

11、 热力学性质

12、 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。

Gaussian 03 介绍

Gaussian 03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。

1、 研究大分子的反应和光谱

Gaussian 03ONIOM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。

2、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,Gaussian 03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。

3、研究周期性体系

Gaussian 03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,Gaussian 03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。Gaussian 03还可以模拟化合物的能带隙。

PBC的其它功能还有:(1) 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-FockDFT理论方法还可以用表面模型或团簇模型研究相同的问题。Gaussian 03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。(2) 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。

4、 预测光谱

Gaussian 03可以计算各种光谱和光谱特性。包括:IRRaman;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。

5、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。Gaussian 03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。

Gaussian 03PCM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,IRRaman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。

Gaussian新增内容

1、    新的量子化学方法

(1) ONIOM模块做了增强

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。

(2) 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KlamtCOSMO-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。

(3) 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HFDFT研究能量和梯度;

(4) 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-FockDFT。吸取了CarParrinello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。

(5) 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)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,CASSCFRAS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CASRAS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。

CISTD-HFTD-DFT的激发态计算中可以考虑溶剂影响。

2、    新的分子特性

(1) 自旋-自旋耦合常数,用于辅助识别磁谱的构像。

(2) g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。

(3) 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。

(4) 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。

(5) 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。

(6) 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。

(7) 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,

(8) 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。

(9) 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。

(10) 预测气相和在溶剂中的电、磁特性和光谱。

(11) ONIOM预测电、磁特性。

3、    新增加的基本算法

(1) 更好的初始轨道猜测。Gaussian 03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Gaussian 98要好,例如,对有机体系有所改善,对金属体系有明显改善。

(2) 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,Gaussian 03提供了Fermi展宽和阻尼方法。

(3) 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。Gaussian 03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。

(4) 更快的自动FMM方法,用于适中的体系(纯DFT100个原子,混合DFT150个原子)。

(5) 对纯DFT使用更快的库仑能算法,节省库仑问题的CPU时间。

(6) O(N)更精确的交换能量项。在Hartree-FockDFT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。

4、    新增功能:

(1) 新的密度泛函:OPTX交换,PBEB95相关,VSXCHCTH纯泛函,B1及其变体B98B97-1B97-2PBE1PBE混合泛函。

(2) 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-QB3G3更精确,当然计算也更加昂贵。

(3) 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。

      (4) 逼近基组极限的UGBS基组。

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