分子构型优化和红外光谱计算实验报告

、实验目的⑴ 了解 Gaussian 程序中优化分子结构的基本原理和流程(2)掌握优化分子结构的计算技术及判断优化是否正常完成的标准。⑶了解红外光谱产生的原理，学会用 Gaussian 程序计算体系的红外光谱。二、基本原理1.分子构型优化计算化学研究分子性质，是从优化分子结构开始的。通常认为，在自然情况下分子主要以能量最低的形式存在。只有低能的分子结构才具有代表性，其性质才能代表所研究体系的性质。结构优化是 Gaussian 程序的常用功能之一。分子构型优化(OPT)的目的是得到稳定分子或过渡态的几何构型，用 Z 矩阵成者 GaussView 输入的结构通常不是精确结构，必须优化。至于不稳定分子、构型有争议的分子、目前还难以实验测定的过渡态结构，优化更为必要。(1) 势能面分子势能的概念源于 Born-Oppenheimer 近似，根据该近似，分子基态的能量可以看作只是核坐标的函数，体系能量的变化可以看成是在一个多维面上的运动。分子可以有很多个可能的构型，每个构型都有一个能量值，所有这些可能的结构所对应的能量值的图形表示就是一个势能面。势能面描述的是分子结构和其能量之间的关系，以能量和坐标作图。势能面上的每一个点对应一个结构。分子势能对于核坐标的一阶导数是该方向的势能梯度失量，各方向势能梯度矢量均为零的点称为势能面上的驻点，在任何一个驻点(staionarypoint)上。分子中所有原子都不受力。驻点包括:全局极大点(最大点，globalmaximum),局部极大点(localmaximum),全局极小点(最小点 globalminimum)，局部极小点(localminimum)和鞍点(saddlepoint,包括一阶鞍点和高阶鞍点)，具体来说，在势能面上，所有的“山谷”为极小点，对这样的点，向任何方向几何位置的变化都能引起势能的升高。极小点对应着一种稳定几何构型，对单一分子不同的极小点对应于不同构象或结构异构体。对于反应体系，极小点对应于反应物、产物、中间物等。而最小点对应着最稳定几何构型。高阶鞍点没有化学意义。一阶鞍点是只在一个方向是极大值，其它方向都是极小值的点，对应于过渡态(TS)。(2) 确定能量极小值构型优化过程是建立在能量计算基础之上的，即寻找势能面上的极小值，而这个极小值对应的就是分子的稳定的几何形态。如果势能面上极小值不止一个，优化结果也可能是局部极小而不是全局极小。至于得到哪一个极小，往往与初始模型有关。在 Gaussian 程序中，分子结构优化要经历的过程如图 I-41 所示。首先，程序根据初始的分子模型，计...