Gaussian 入门指南

Gaussian 入门指南

本文仅针对课题组内同学入门阅读学习,对与本课题组相关的内容做简要介绍。
本人只是初学者,本文可能有大量片面阐述,错误理解。欢迎讨论。

Gaussian 软件简介与安装

Gaussian

Gaussian是一个量子化学软件包,它是目前应用最广泛的计算化学软件之一。其名称来源于原作者为简化计算采用高斯型基组代替了斯莱特函数(原子轨道基组),这加速了积分计算,节约了计算成本。
Gaussian支持分子动力学模拟、半经验方法、Hartree–Fock方法(HF)、Møller–Plesset微扰理论(MP2,MP3,MP4,MP5)、密度泛函理论(DFT)、复合方法等计算理论和方法。我们常用来计算分子结构和能力、键和反应能量、分子轨道、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径等等。
一般来说Gaussian适合计算分子和分子间作用或性质,可以但难以进行周期性结构计算。

泛函和基组

密度泛函理论将第一性原理中的核心问题——求解波函数,转化为了求解电子密度的问题。Gaussian提供了一系列密度泛函模型,如双杂化泛函、普通泛函、MP2、HF和半经验方法等。

推荐阅读:

选择泛函后,我们要选择合适的基组来描述体系的波函数。

  • 斯莱特型基组:用斯莱特型函数模拟原子轨道,用斯莱特型函数构成的基组具有明确的物理意义,能够较好的描述电子云的特征,缺点是在计算多中心双电子积分时,计算量很大。
  • 高斯型轨道:指用高斯型函数替代原来的斯莱特型函数去模拟原子轨道,高斯型函数基组的优点是易于计算,但不能很好地描述原子轨道的特征。
  • 劈裂价键基组:由于内层电子对反应性质的影响往往不大,为了兼顾计算精度和计算效率,将价层电子轨道劈裂成更多的基函数。
  • 极化函数和弥散函数:极化函数在劈裂价键基组的基础上添加更高能级原子轨道所对应的基函数,以描述其对内层电子构成影响。弥散函数可以优化远程相互作用的描述。

合理选择泛函方法和基组对于量子化学计算非常重要,请参考sob老师的两篇基础博文作进一步了解。

推荐阅读:

Gaussian 安装

参考之前的文章Gaussian/GaussView的安装及配置记录了解详细过程,需要注意的是本文仅记录了Linux下的配置过程,win下方法略。

GaussView 的使用


GaussView是用于画分子结构、生成Gaussian输入文件的图形界面软件,建议在win下练习使用。需要指明的一点是,虽然GaussView可以生成Gaussian输入文件,但我们常常只用来绘制结构后保存为.gjf文件,直接以纯文本格式编辑此文件指定其计算资源、泛函基组、电荷自旋多重度等信息。

常用菜单栏

常用菜单栏
其中的按钮功能分别为

  • 选择元素和价态
  • 选择环
  • 选择常用基团
  • 选择氨基酸残基
  • 用户自定义基团

常用菜单栏

  • 键的调整
  • 键角调整
  • 二面角调整
  • 查询已有结构
  • 增加化学键
  • 删除化学键
  • 翻转原子
  • 单个选择
  • 框选
  • 去除选择
  • 全选

基础操作方法

  • 鼠标左键+移动:旋转分子
  • 鼠标中键:移动分子
  • Alt+鼠标左键:单独旋转分子(多分子情况下)
  • Alt+鼠标中键:单独移动分子(多分子情况下)
  • 滚轮:缩放画面

练习一:构建1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐

EMINTFSI
要点:

  • 使用“小扫帚”工具松弛分子
  • 调整分子间相对位置,使相互作用位置尽量合理
  • 保存为gjf文件

Gaussian 的使用

.gjf文件

由练习一生成了EMINTFSI的gjf文件,如下:

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%chk=D:\OneDrive-stu.hit.edu.cn\Science\Calculation\Documents\EMIMTFSI.chk  # 记录分子几何构型,分子轨道,力常数矩阵等信息
# hf/3-21g geom=connectivity # 方法、基组和关键词

Title Card Required # 说明和备注文本

0 1 # 分子电荷数和自旋多重度
C -2.95377289 -1.35504115 1.57021951
C -2.12209701 -1.56794530 0.52886507
C -1.73907541 0.54401989 1.20333613
N -2.59496005 -0.09564613 2.23132267
H -3.75253854 -2.01758686 1.87427023
H -2.05238025 -2.45877053 -0.05234659
H -1.47555468 1.58068219 1.18518001
N -1.37808953 -0.33077627 0.31395828
C -3.75716535 0.71370450 2.61157081
C -4.91741552 0.62215798 1.90482736
H -3.69045194 1.39492111 3.43874793
H -5.76229200 1.20567280 2.19112924
H -4.98113941 -0.05833320 1.08565370
C -0.36396576 -0.11359006 -0.73000908
H 0.11490858 -1.03988549 -0.96463991
H -0.84366486 0.26959906 -1.60806175
H 0.36584872 0.59062823 -0.38910871
N -0.64385578 2.99492647 1.51663434
S 0.63165416 3.66317825 0.51838933
S -1.69940884 4.32614381 1.90482997
O 0.92104015 2.15454914 0.57777621
O 0.51333277 4.75742651 1.59706897
O -0.46212201 5.15350846 1.77346369
O -2.55131198 3.49306354 1.00539720
C 2.38798743 3.81210463 0.92313398
C -2.60401796 5.67004512 1.18339724
F -3.86327302 5.29669271 0.95048341
F -2.56339678 6.71996815 2.06894283
F -2.03528775 6.08457437 0.02619525
F 2.58064621 3.83344243 2.22200527
F 2.80442462 4.96805352 0.40166968
F 3.01901378 2.76055823 0.35365165

1 2 2.0 4 1.0 5 1.0
2 6 1.0 8 1.0
3 4 1.0 7 1.0 8 2.0
4 9 1.0
5
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8 14 1.0
9 10 2.0 11 1.0
10 12 1.0 13 1.0
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18 19 1.0 20 1.0
19 21 2.0 22 2.0 25 1.0
20 23 2.0 24 2.0 26 1.0
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25 30 1.0 31 1.0 32 1.0
26 27 1.0 28 1.0 29 1.0
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我们将此文本改为以下形式:

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%chk=EMIMTFSI.chk  # 临时文件
%mem=32GB # 最大内存数
%nproc=8 # 并行核数
#p opt freq b3lyp/6-311g(d,p) # p代表输出详细信息,opt指优化结构,freq指进行振动分析,b3lyp指使用b3lyp混合泛函,6-311g(d,p)指使用6-311g基组,并给重原子加d轨道杂化,轻原子加p轨道杂化。

EMIMTFSI

0 1
C -2.95377289 -1.35504115 1.57021951
C -2.12209701 -1.56794530 0.52886507
C -1.73907541 0.54401989 1.20333613
N -2.59496005 -0.09564613 2.23132267
H -3.75253854 -2.01758686 1.87427023
H -2.05238025 -2.45877053 -0.05234659
H -1.47555468 1.58068219 1.18518001
N -1.37808953 -0.33077627 0.31395828
C -3.75716535 0.71370450 2.61157081
C -4.91741552 0.62215798 1.90482736
H -3.69045194 1.39492111 3.43874793
H -5.76229200 1.20567280 2.19112924
H -4.98113941 -0.05833320 1.08565370
C -0.36396576 -0.11359006 -0.73000908
H 0.11490858 -1.03988549 -0.96463991
H -0.84366486 0.26959906 -1.60806175
H 0.36584872 0.59062823 -0.38910871
N -0.64385578 2.99492647 1.51663434
S 0.63165416 3.66317825 0.51838933
S -1.69940884 4.32614381 1.90482997
O 0.92104015 2.15454914 0.57777621
O 0.51333277 4.75742651 1.59706897
O -0.46212201 5.15350846 1.77346369
O -2.55131198 3.49306354 1.00539720
C 2.38798743 3.81210463 0.92313398
C -2.60401796 5.67004512 1.18339724
F -3.86327302 5.29669271 0.95048341
F -2.56339678 6.71996815 2.06894283
F -2.03528775 6.08457437 0.02619525
F 2.58064621 3.83344243 2.22200527
F 2.80442462 4.96805352 0.40166968
F 3.01901378 2.76055823 0.35365165

ssh

我们通过ssh协议与服务器建立连接,为了连接服务器,我们需要选择一个终端,一些选择如下:

  • Terminal # 微软刚刚发布在应用商店的一款UI优秀的终端
  • Powershell # win自带的一款强大的命令行终端
  • Cmder # 多种模式可选,自定义空间大,UI优秀,扩展性强
  • cmd # 自带命令行
  • xshell # 流行的一款终端工具,较为简单易用,缺点是商业付费软件
  • PuTTY # 免费开源的终端工具,工具链较全
    其他实用工具:
  • winscp # 远程文件管理图形化工具
  • vscode # 优秀的文本编辑器,有强大插件社区,可使用remote插件登录服务器,同时有终端和文本编辑器

ssh连接命令为ssh [email protected],举例ssh [email protected],即以bo为用户名,从默认端口,登录bolg.greedfox.me服务器。之后输入对用密码即可登录。需要注意的是,本课题组服务器禁用了root登录和密码登录,采用密匙验证,并修改了默认登录端口,因此登录服务器需要

  • 本地生成ssh key,并提交pub_key给我,添加到服务器
  • 以正确的端口和ip登录服务器,请咨询本人

提交计算

之前的软件安装部分提到了服务器软件的安装位置和环境变量的配置,请执行计算之前,检查.bashrc文件的环境变量是否设置妥当。
接下来,我们就可以通过ssh工具将输入文件提交到服务器。
执行g16 < EMIMTFSI.gjf |tee EMIMTFSI.out,即可执行计算,同时将计算过程输出到bash,并记录为.out文本文档。

到此,我们就需要等待计算过程的结束即可,当程序输出报错,或者输出代表着计算成功完成的Gaussian经典格言结尾,我们即可从.out文档查看计算结果。

一个正确结尾的例子:

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TERENCE, THIS IS STUPID STUFF:
YOU EAT YOUR VICTUALS FAST ENOUGH;
THERE CAN'T BE MUCH AMISS, 'TIS CLEAR
TO SEE THE RATE YOU DRINK YOUR BEER.
BUT OH, GOOD LORD, THE VERSE YOU MAKE,
IT GIVES A CHAP THE BELLY-ACHE.
THE COW, THE OLD COW, SHE IS DEAD;
IT SLEEPS WELL, THE HORNED HEAD:
WE POOR LADS, 'TIS OUR TURN NOW
TO HEAR SUCH TUNES AS KILLED THE COW.
PRETTY FRIENDSHIP 'TIS TO RHYME
YOUR FRIENDS TO DEATH BEFORE THEIR TIME.
MOPING, MELANCHOLY MAD:
COME PIPE A TUNE TO DANCE TO, LAD.

-- A. E. HOUSMAN
Job cpu time: 0 days 16 hours 54 minutes 10.3 seconds.
Elapsed time: 0 days 0 hours 42 minutes 19.7 seconds.
File lengths (MBytes): RWF= 5975 Int= 0 D2E= 0 Chk= 74 Scr= 2
Normal termination of Gaussian 16 at Thu Jun 18 23:39:21 2020.

练习二:提交计算水分子的opt freq任务

Linux 基础

#TODO

一些脚本

个人写的一些简单脚本,辅助计算和数据处理过程:一些量子化学计算的简单辅助脚本ChemCaculationScripts开源仓库

sob老师的实用脚本:使用Gaussian时的几个实用脚本和命令

参考链接和推荐阅读

谈谈学量子化学如何正确地入门

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