Ｇａｕｓｓｉａｎ ０３軟件對分子及離子的幾何構型的描繪

摘 要：通過Gaussian 03優化2-甲基環戊酮分子及離子結構，尋找離子下一步變化的可能的微觀過程。采用量子化學從頭算方法，通過Gaussian 03對圖形的描繪，得出離子穩定結構圖及離子振動光譜圖。最后通過紅外光譜圖分析得出：氫原子振動最強，離子結構將變化，發生氫原子重組。

關鍵詞：2-甲基環戊酮；Gaussian 03；振動頻率；紅外光譜

中圖分類號：TP311文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)2007102

Description on the Structure of Molecule and Ion Using Gaussian 03

CUI Jinyu1，2

(1.Suihua University，Suihua，152060，China;2.Institute of Atomic and Moleculer Physics，Jilin University，Changchun，130000，China)

Abstract：The purpose of this article is adopting Gaussian 03 optimization 2-methyl molecules and ions cyclopentanone structure，the next step-finding may change the microscopic process.By quantum chemical methods，through the graphic depiction Gaussian 03 obtained ion stability and structure of the ion vibration spectra.Finally，infrared spectroscopy analysis obtained:hydrogen atom has strongest vibration，ion structure is changed，hydrogen atoms is reorganized.

Keywords：2-methyl cyclopentanone;vibration frequency;infrared spectrum

Gaussian 03是Gaussian系列電子結構程序的最新版本。它在化學、化工、生物化學、物理化學等化學相關領域方面的功能都進行了增強。Gaussian 03能夠處理更大的分子(例如，酶)，可以研究有機體系的反應機制，表面和表面反應的團簇模型等。Gaussian 03還能預測自旋-自旋耦合常數。通過對不同構像計算這些常數，并對預測的和觀測的光譜做比較，可以識別觀測到的特定構像。Gaussian 03擴展了化學體系的研究范圍，它可以用周期性邊界條件的方法(PBC)模擬周期性體系。Gaussian 03可以計算各種光譜和光譜特性。

本文僅列舉了它的幾個功能，介紹用Gaussian 03計算2-甲基環戊酮分子(C6H10O)及離子(C6H10O+)的基態能量和結構，及相應的振動光譜圖等。

1 Gaussian 03優化2-甲基環戊酮分子及離子的幾何構型并計算能量

1.1 描繪2-甲基環戊酮分子

計算2-甲基環戊酮分子的幾何構型和能量，采用密度泛函理論b3lyp方法，用Gaussian 03程序，基組采用6-31g，各原子坐標采用內坐標形式，輸入路徑如下：

%chk=c6h10o

#p b3lyp/6-31g opt iop(1/6=100) iop(5/13=1)

空

c6h10o

空

0 1

o

c 1 r1

c 2 r2 1 120.

c 3 r2 2 108.1 180.

c 4 r2 3 108.2 0.

c 5 r2 4 108.3 0.

c 6 r3 2 108.1 0.

h 3 r4 2 120.1 30.

h 3 r4 2 120.1 -30.

h 4 r4 3 150.2 80.

h 4 r4 3 150.2 -80.

h 5 r4 4 150.3 70.

h 5 r4 4 150.3 -70.

h 6 r5 5 100.2 90.

h 7 r6 6 100.2 100.

h 7 r6 6 100.2 0.

h 7 r6 6 100.2 -100.

空

r1=1.4

r2=1.45

r3=1.42

r4=1.2

r5=1.35

r6=1.3

保存輸入文件，命名為c6h10o.gjf。打開Gauss View3.07，點擊File菜單，打開gjf文件，察看文件名c6h10o的輸入圖形，如圖1所示。

運行該程序，在其輸出文件中查找頻率freq及其相應的能量。結果freq全部大于零，沒有虛頻，顯示此結構是穩定構型，是基態。其能量為E(RB+HF-LYP)=-309.803 2(H.F)。用Gauss View打開out文件，觀察c6h10o.out的幾何構型如圖2所示。由此進一步計算此構型下的離子構型和能量。

1.2 描繪2-甲基環戊酮離子

采用同樣的方法，只是將文件名換成c6h10o+0.gjf，第6行的電荷數和多重度各加1，輸入路徑為：

%chk=c6h10o+0

#p b3lyp/6-31g(d，p) opt freq test

空

c6h10o+0

空

1 2

…(離子坐標)

運行該程序，在輸出文件中查找頻率freq及其相應的能量。結果freq全部大于零，沒有虛頻，顯示此結構是穩定構型。其能量E(UB+HF-LYP)=-309.583 1(H.F)，幾何構型如圖3所示(與其分子的幾何構型相似，但是鍵長不同，能量不同)。

2 用GaussView觀察2-甲基環戊酮離子的紅外光譜圖

打開Gauss View3.07，點擊File菜單，打開c6h10o+0.out文件，左擊鼠標Results，進入Vibrations，即出現振動的紅外光譜圖，如圖4所示。

從紅外光譜圖上，可以看到不同頻率下的振動強度，如振動強度最大處，頻率448.98 cm-1，此時可能發生2C-6C斷裂，氫原子重排，如圖5所示，從而離子的結構發生變化，如圖6所示。

3 用GaussView察看2-甲基環戊酮離子的電荷分布

打開c6h10o+0.out文件，左擊鼠標Results，進入Charges，察看各原子上電荷的分布情況。如圖7所示。例如1號氧原子帶負電，2號碳原子帶正電，二者之間是一種庫倫引力作用，所以鍵長較短，不容易斷開。那么分析2-甲基環戊酮離子的微觀變化過程，可以排除上述2個原子之間的鍵斷裂，而去分析其他的鍵斷裂的情形。

4 結 語

通過以上分析可見，用Gaussian軟件可以計算分子的能量和振動頻率，分析其所處的狀態是穩定態還是過渡態或者激發態。Gauss View可以生成所計算的圖形，從而進一步分析和確定分子或離子的微觀變化過程，并能形象的表示出來。

參考文獻

［1］Simons J P.The Photochemical and Spectroscopic Approach to Molecular Reaction Dynamics.Comments on Atomic and Molecular Physics，1985，16(3):157-168.

［2］王巧巧.飛秒強激光場中環己酮和2-甲基環己酮分子的電離/解離機制\\.長春:吉林大學，2006.

［3］Wang Zhigang，Pan Shoupu，Yao Mingguang，et al.The Two Hydrogen Transfer Dissoziation Channels of NicotineMolecule in the Gas Phash.

［4］Yergeau F，Petite G，Agostini P.Above-threshold Ionization without Space Charge\\.Journal of Physics B:Atomic Molecular and Optical Physics，1986，19(19):663-669.

［5］唐敖慶，楊忠志，李前樹.量子化學\\.北京:科學出版社，1982. ［6］Hartree D.Calculations of Structure\\.New York:Wiley，1957.

［7］Hohenberg P，Kohn W.Inhomogeneous Electron Gas.Phys.Rev.B，1964:136-864.

［8］Gunnarsson O，Jones R O.Density Functional Calculations f_orAtoms，Molecules and Clusters.Phys.Scr.，1980:21-394.

［9］Gobeli D A，EI-Sayed M A.Laser Multiphoton Ionization-Dissociation Mass Spectrometry.Chemical Reviews，1985，85(6):529-554.

［10］Michael J Frisch，Gary W Trucks.Gaussian 03 User′s Refrence，2004.

作者簡介

崔金玉 女，1972年出生，碩士學位，副教授。主要從事物理學專業教學與研究工作。