Gaussian

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最新版本: 
16.A
评分: 
4

简介  
Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件,可以研究:
分子能量和结构,过渡态的能量和结构,化学键以及反应能量,分子轨道,偶极矩和多极矩,原子电荷和电势,振动频率,红外和拉曼光谱,NMR,极化率和超极化率,热力学性质,反应路径。
计算可以模拟在气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态。Gaussian 03还可以对周期边界体系进行计算。Gaussian是研究诸如取代效应,反应机理,势能面和激发态能量的有力工具。
 

功能

Gaussian 98的功能:
基本算法
可对任何一般的收缩gaussian函数进行单电子和双电子积分。这些基函数可以是笛卡尔高斯函数或纯角动量函数,多种基组存储于程序中,通过名称调用。积分可储存在内存,外接存储器上,或用到时重新计算。对于某些类型的计算,计算的花费可以使用快速多极方法(FMM)和稀疏矩阵技术线性化。
将原子轨道(AO)积分转换成分子轨道基的计算,可用的方法有in-core(将AO积分全部存在内存里),直接(不需储存积分),半直接(储存部分积分),和传统方法(所有AO积分储存在硬盘上)。
能量
使用AMBER,DREIDING和UFF力场的分子力学计算。
使用CNDO, INDO, MINDO/3, MNDO, AM1,和PM3模型哈密顿量的半经验方法计算。
使用闭壳层(RHF),自旋非限制开壳层(UHF),自旋限制开壳层 (ROHF) Hartree-Fock波函数的自洽场(SCF)计算。
使用二级,三级,四级和五级Moller-Plesset微扰理论计算相关能。MP2计算可用直接和半直接方法,有效地使用可用的内存和硬盘空间。
用组态相互作用(CI)计算相关能,使用全部双激发(CID)或全部单激发和双激发(CISD)。
双取代的耦合簇理论(CCD),单双取代耦合簇理论(CCSD),单双取代的二次组态相互作用(QCISD),和Brueckner Doubles理论。还可以计算非迭代三组态(以及QCISD和BD的四组态)的贡献。
泛函数理论(DFT),包括LSDA, BLPY, Becke的1993三参数混合方法,Becke的1996单参数混合方法,和由此产生的变体,以及由使用者自行组合的Hartree-Fock和DFT的混合方法。
自动化的高度准确能量方法:G1理论,G2理论和G2(MP2)理论;完全基组(CBS)方法 :CBS-4, CSB-q, CBS-Q,CBS-Q//B3和CBS-QCI/APNO,以及一般CBS外插方法。
广义MCSCF,包括完全活性空间SCF(CASSCF),并允许包含MP2相关作用计算。算法的改善使得Gaussian 98可处理12个以内的活性轨道。
广义价键结-完全配对(GVB-PP) SCF方法。
对Hartree-Fock和DFT方法计算在取消限制后,测试SCF波函数的稳定性。
使用单激发组态相互作用(CI-Singles)方法,HF和DFT的含时方法,和ZINDO半经验方法,计算激发态能量。
梯度和几何优化
解析计算RHF,UHF,ROHF,GVB-PP,CASSCF,MP2,MP3,MP4(SDQ),CID,CISD,CCD,QCISD,密度泛函和激发态CIS能量的核坐标梯度。以上后-SCF方法可以利用冻结核近似。
使用内坐标,笛卡尔坐标或混合坐标,自动进行几何优化到能量最小或鞍点结构。不论输入结构使用何种坐标系统,优化计算的默认执行使用冗余内坐标。
使用同步过渡引导的准Newton方法,自动进行过渡态搜寻。
使用反应内坐标(IRC)计算化学反应路径。
对能量和几何优化进行二或三层ONIOM计算。
同时优化过渡态和反应路径。
使用态平均CASSCF进行圆锥截面优化计算。
沿着指定的反应路径对过渡结构定位能量最大点的IRCMax计算。
直接动力学轨迹计算,其中的经典运动方程集成了解析二级导数。
频率和二级导数
对RHF,UHF,DFT,RMP2,UMP2,和CASSCF方法,和用CIS方法计算的激发态等的力常数(对核坐标的二次导数),极化率,超极化率,和偶极矩解析导数的解析计算方法。
对MP3,MP4(SDQ),CID,CISD,CCD,和QCISD方法的能量或梯度的数值微分,计算力常数,极化率和偶极矩导数。
使用任意同位素,温度,和压强做谐振分析和热化学分析。
决定振动跃迁的红外和拉曼光谱强度。
分子特性
使用SCF,DFT,MP2,CI,CCD,QCISD方法求解各种单电子性质,如Mulliken布居分析,多极矩,自然布居分析,静电势,以及使用Merz-Kollman-Singh方法,CHelp方法,或CHelpG方法由静电势计算的原子电荷。
用SCF,DFT和MP2方法,计算NMR屏蔽张量和分子的磁化系数。
振动圆二色性(VCD)强度。
分子内原子理论的成键分析和原子性质。
用传播算子方法计算电子亲和能和电离势。
CASSCF计算中可计算两自旋状态间的近似自旋轨道耦合。
溶剂模型
所有这些模型使用自洽反应场(SCRF)方法模拟在溶液中的分子系统。
Onsager模型(偶极和球反应场),包括在HF和DFT级别解析的一级和二级导数,在MP2,MP3,MP4(SDQ),CI,CCD和QCISD级别的单点能计算。
Tomasi等人的解析HF,DFT,MP2,MP3,MP4(SDQ),QCISD,CCD,CID和CISD能量与HF和DFT梯度的极化连续重叠球状反应场(PCM)模型。
在HF和DFT级别上,解析能量的IPCM(静态等密度曲面)模型。
在HF和DFT级别上的SCI-PCM(自洽等密度曲面)模型,用解析方法计算能量和梯度,数值方法计算振动频率。

Gaussian 03增加的功能:

新的量子化学方法
(1) ONIOM模块做了增强
对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Klamt的COSMO-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HF和DFT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-Fock和DFT。吸取了Car和Parrinello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)的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,CASSCF在RAS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CAS和RAS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。
CIS,TD-HF和TD-DFT的激发态计算中可以考虑溶剂影响。

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。

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) 纯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。它用线性标度的算法,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DFT约100个原子,混合DFT约150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-Fock和DFT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。

其它新增功能:
(1) 新的密度泛函:OPTX交换,PBE和B95相关,VSXC和HCTH纯泛函,B1及其变体B98,B97-1,B97-2,PBE1PBE杂化泛函。
(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-QB3和G3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。

Gaussian 09增加的功能:

能量和求导
(1) 最近发展的半经验模型(AM1,PM3,PM3MM,PDDG,PM6),计算解析一阶导和二阶导,用户自定义参数,以及结合使用PCM溶剂模型。
(2) TDDFT解析梯度和数值频率。
(3) EOM-CCSD计算激发能。
(4) 新的DFT泛函,包括HSE,wB97,m05/m06,LC类泛函,以及双杂化B2PLYP。
(5) 经验色散模型和相应的泛函。
(6) ROMP3,ROMP4,ROCCSD,ROCCSD(T)能量。
(7) W1RO,W1BD,G4方法计算能量。
(8) DFTB半经验模型,以及使用解析矩阵元的DFTBA版本。

ONIOM
(1) ONIOM与PCM组合。有多种ONIOM+PCM模型。
(2) ONIOM计算IRC,即使分子包含上千个原子效率也很高。

溶剂化
(1) 新的PCM溶剂化算法,使能量成为核坐标的连续函数。现在,PCM的几何优化与气相优化的收敛速度一样。
(2) 特定态的自洽溶剂化,用于模拟荧光和其它发射过程。它对上百种溶剂进行了参数化,可以给出非常好的总溶剂化自由能。

几何优化和IRC
(1) 能量最小化默认使用GEDIIS几何优化算法,这对大的柔软分子特别有帮助。
(2) 对力学部分或电子嵌入部分,以及对能量极小点和过渡结构使用二次收敛ONIOM(MO:MM)优化。
(3) 一个输入部分,用于控制优化中的冻结或非冻结原子。可以用原子、元素、残基、或ONIOM层来指定原子。

分子特性
(1) 解析的含频ROA强度。
(2) 解析的DFT超极化率。
(3) 使用两个态的谐振模式,通过Franck-Condon原理计算电子激发、发射、光电离的谱带带型。
(4) 用Herzberg-Teller或Franck-Condon-Herzberg-Teller理论计算电子激发的谱带带型。
(5) 选择简正模式用于显示,非谐校正,和FC/HT/FCHT分析。可通过原子、元素、残基、或ONIOM层来选择。

分析和输出
(1) 蛋白质二级结构的信息可以包含在分子指定输入部分,或者.fchk文件中。
(2) 轨道布居分析,给出原子或角动量对轨道的贡献。
(3) 正则UHF/UDFT进行二次正交化,用于显示或用于ROHF计算的初始猜测。
(4) CIS和TD激发的自然跃迁轨道分析。
(5) 把占据轨道投影到最小基之后,进行Mulliken布居分析。当基组增大时,这能给出稳定的布居。

其它新功能
(1) SCF的初始猜测可以从片段计算的组合产生,需要指定每个片段的电荷和自旋。
(2) 用四点差分而不是默认的两点差分计算数值频率,具有更高的精度和数值稳定性。

效率改善
(1) HF和DFT对大分子的频率计算更快,特别是当并行时。
(2) FMM以及线性标度的库仑和交换对机群实现了并行。
(3) 大体系的ONIOM(MO:MM)频率计算更快,特别是对电子嵌入。可以计算100-200 QM原子和6000 MM原子的频率。
(4) 在大型频率计算中保存简正模式,用于显示或打印模式,以及开始IRC=RCFC任务。
(5) CC,BD,和EOM-CCSD振幅可以保存在检查点文件中,在以后的计算中读入。保存BD轨道并在以后读入。
(6) 半经验,HF,和DFT的频率计算可以在中期计算中重新开始。
(7) CC和EOM-CC计算可以在中期计算中重新开始。
(8) ONIOM个别步骤的初始猜测可以来自不同的检查点文件。
(9) 加入了SVP,TZVP,QZV基组的密度拟合基。Fit关键字调用与AO基组匹配的拟合基,没有特定的拟合基时需要Auto关键字。
(10)在Default.Route文件中包含DensityFit关键字,只要执行纯密度泛函就使用拟合。
(11)为了与文献发表的基组兼容,读入的密度拟合因子可以是非归一化的原函数,密度归一化的原函数,或归一化的原函数。

Gaussian 16增加的功能:

新的模拟功能
1. TD-DFT解析二阶导数用于预测振动频率/红外拉曼谱,以及执行激发态的过渡态优化和IRC计算
2. EOMCC解析梯度用于结构优化
3. VCD和ROA的非谐振动分析
4. 振动光谱和强度,见Freq=FCHT及相关选项
5. 共振拉曼光谱:见Freq=ReadFCHT
6. 新的DFT泛函:M08HX,MN15,MN15L
7. 新的双杂化方法:DSDPBEP86,PBE0DH,和PBEQIDH
8. PM7半经验方法
9. Ciofini激发态电荷转移判断,见Pop=DCT
10.EOMCC溶剂化相互作用模型,见SCRF=PTED
11.广义内坐标,可以定义任意的冗余内坐标用于约束优化,参见Geom=GIC

执行的增强
1. Hartree-Fock和DFT计算在Linux下支持NVIDIA K40和K80 GPU
2. 改进了大量处理器的并行执行
3. 优化的内存算法,避免CCSD迭代中的I/O
4. GEDIIS优化算法的增强
5. CASSCF对(10,10)以上活性空间的改进,可以使用直到16个轨道(依赖于分子)
6. 显著加速了W1组合模型的芯关联能
7. 加入了算法改进,可以明显加速CEP方法的对角二阶自能近似(D2)的成分

使用的增强
1. Gaussian与其它程序的接口工具,既可以是编译语言(如Fortran,C)也可以是解释语言(如Python,Perl)
2. Link 0 (%)输入行和Default.Route文件中的参数也可以在命令行参数或环境变量中指定
3. 在结构优化中,每隔n步计算一次力常数

评论

沙发。好帖,顶!