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实验1 量子化学计算方法及Gaussian 程序的使用 掌握Gaussian03W 的基本操作，通过利用不同计算方法计算通常食物中营养成分及其燃烧产物的生成焓，来比较不同计算方法的差别。使用计算所得燃烧热数据估算常规食物所能提供的热量。
实验注意：
（1） 实验前认真复习结构化学课中量子力学基础部分。
（2） 请在D 盘根目录下建立以自己的学号命名的文件夹，所有计算的输入和输出文件均
放在该目录下
（3） 实验完成后请将实验报告和所有计算中产生的文件上传至服务器172.16.1.1上的个
人目录中
（4） 上传完毕请将本地个人目录中相关实验的所有文件删除
（一） 原理
量子化学计算方法和软件简介
随着计算机软硬件的高速发展，以及计算化学方法的不断拓展，可以使用计算机模拟的体系规模不断增长，因此计算化学在化学研究中起着越来越重要的作用。作为计算化学的重要分支，量子化学计算基于量子力学原理，通过求解薛定谔方程来获得体系能量等性质。由于严格求解薛定谔方程的困难，根据计算中引入近似的程度，量子化学方法又可以分为三个大类，一类被称之为半经验方法，在计算中针对Hartree-Fock-Roothaan 方程，在波函数、Hamilton 算符和积分运算三个层次上进行简化，使用经验参数，计算量显著减少。常见半经验方法有MNDO ，AM1和PM3等，这类方法主要用于大的有机分子体系(由上百个原子组成)，一般对于含金属体系不适用。第二类方法被称为从头算方法，除了三个基本假设与数学上应用变分或微扰法之外，不再引入其它近似，精确但是计算耗费昂贵。这类方法又可细分为基于Hartree-Fock 原理的HF 方法，在HF 基础上进一步根据MP 微扰理论考虑电子相关作用的MPn 方法，耦合簇(Coupled Cluster)方法和组态相互作用(Configuration interaction)方法等。第三类方法是基于电荷密度自洽的密度泛函方法(DFT)，使用用电子密度取代波函数做为体系能量的变量，考虑了电子之间的相关作用，因此得到的能量要较HF 来得精确，在概念上和实际上都更方便处理，是目前最常用的量子化学计算方法。 Gaussian 可以说是计算化学领域使用最广泛的一个程序软件，从最早的1970年的Gaussian 70开始，现在该软件的最新版本是Gaussian 09，Gaussian 中包括上面提到的所有量子化学计算方法，并且有可以在PC 机上运行的windows 版本，非常容易使用。通过本次实验，预计同学们将初步掌握Gaussian 程序的使用和结果分析。本次实验首先通过对于正丁醇分子的建模和结构优化计算该分子的偶极矩，大家也可以浏览教材实验B.36的内容做一个对比。本次实验的另外一个重点是通过燃烧热的计算对比具有相同分子式的萘和甘菊环分子的稳定性。为了更好地与实际应用结合，我们还为同学提供了以下两份实验作业（具体分配在课堂上由助教老师指定，因此所有同学需要同时预习一下两个实验）。一、通过Gaussian 的半经验方法计算食物中的营养分子的燃烧热；二、计算烷烃分子C n H 2n+2的热值随碳链长度的变化趋势(n=1,2,4,8,10)。
燃烧热的计算
人体所需能量通常是从食物中的碳水化合物、脂肪和蛋白质中获取，食物中的能量可以通过弹式量热计测量，另外现在规范的食品包装上也都会标明所含成分和提供的能量。在人体的食物代谢中碳水化合物在肠道中被分解生成葡萄糖，葡萄糖被输运到细胞中经过一系列反应生成水，二氧化碳和能量：
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C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) →6 CO2 (g) + 6 H2O (l)
脂肪在代谢过程中也生成水和二氧化碳，对一个典型的脂肪酸分子（脂肪代谢的中间产物）：
软脂酸，其燃烧反应可以写成：
C16H32O2 (s) + 23 O2 (g) →16 CO2 (g) + 16 H2O (l)
蛋白质的代谢中生成的是尿素、水和二氧化碳，例如苯丙氨酸-天门冬氨酸二肽,其燃烧反应
可以写成：
C13H16N2O5 (g) + 13 O2 (g) →(NH2)2CO (g) + 12 CO2 (g) + 6 H2O (l)
为了简化计算在本次实验中我们假设蛋白质在人体器官里都分解为20种氨基酸中的一种。
请在预习报告中画出所有实验内容中出现的分子（包括二十种天然氨基酸、尿素、软脂酸、葡萄糖、正丁醇、萘、甘菊环、五种烷烃）的结构式，并写出分子式，以便上机操作时搭建结构使用。
（二） 实验步骤
1.使用GaussView软件生成正丁醇分子，并分别使用AM1，HF, B3LYP(HF和B3LYP方法
可以选择不同基组尝试)方法优化正丁醇分子结构并从结果文件中记录偶极矩值和计
算时间，对比测量偶极矩实验结果和文献值进行讨论。
2.使用GaussView软件生成萘和甘菊环分子，并生成Gaussian输入文件，提交结构优化
和频率计算(可尝试不同方法和基组)。记录计算结果中两个分子的总能量、电子能、
平动能、转动能和振动能，计算两个分子的能量差，对结果进行讨论。
3.选择以下实验之一：
(1)使用GaussView软件分别生成葡萄糖、软脂酸和任意一种氨基酸分子的结构，并
利用半经验方法AM1和PM3对这些分子进行优化，并获得相应的生成焓。通过
盖斯定律计算葡萄糖、软脂酸和氨基酸的燃烧热，将结果换算成kJ/g的单位并与
文献值进行比较。
(2)使用GaussView软件分别生成C1H4,C2H6,C4H10,C8H18,C10H22五种分子的结构，使用
半经验方法AM1和PM3对其进行结构优化，并获得相应的生成焓和燃烧热。将
结果化成热值-碳链长度(n)的曲线，并对结果进行讨论。
（三）实验报告
1. 计算结果要求使用GaussView画出各分子优化后的三维结构。
2. 比较不同方法和基组下计算所得正丁醇偶极矩的值和所耗时间。
3. 比较不同方法和基组下萘和甘菊环分子能量值大小和不同能量项的贡献。
4. 将实验中所计算出的各种分子的燃烧焓以表格形式列出。
5. 注意：Gaussian中能量的单位是hartree，其与标准能量单位的换算关系是1 hartree=2625.50 kJ ˙mol-1，将计算得到的能量转换成标准能量，以表格形式表述。
（四）思考题
1. Gaussian计算中为什么经常会使用内坐标（z矩阵）？
2. 除了给定电荷以外，为什么还要给定分子的自旋多重态？它反映了体系的什么性质？
3. 请阐述在实际计算中如何对众多不同的量化计算方法和基组进行取舍。
4. 计算过程，对同一种分子用不同的算法（或者同一种算法、不同的基组）进行能量计算
得到的绝对数值可以相互比较大小吗？
