Teori dan Aplikasi Menggunakan Software Gaussian
Halaman
| Bagian A | OVERVIEW GAUSSIAN 03 | 63 |
| Penghitungan Single point dan Visualisasi | 63 | |
| Bagian B | MENYUSUN FILE INPUT | 66 |
| Menyusun file input menggunakan Gauss View | 66 | |
| Menyusun file input menggunakan Gaussian 03W atau editor text | 73 | |
| Menyusun file input menggunakan program komputasi lain | 93 | |
| Eksekusi Job Gaussian dari Gauss View atau Gaussian 03W | 104 | |
| Bagian C | KONSEP DAN TEKNIK PENTING | 114 |
| Bab 1 | Penghitungan Energi Single Point (SP) | 114 |
| Bab 2 | Optimasi Geometri | 129 |
| Bab 3 | Penghitungan Frekuensi | 144 |
| Bagian D | KIMIA MODEL | 166 |
| Prosedur Umum Memprediksi Energi Total | 166 | |
| Rekomendasi untuk Memilih Model Riset | 167 | |
| Bab 4 | Pengaruh Basis Set | 169 |
Gaussian03W adalah program kimia komputasi yang dapat menghitung energi, berbagai sifat molekuler, optimasi geometri molekuler dan memprediksi sifat spektroskopis suatu sistem (misalnya UV-Vis, NMR, IR, EPR, Mossbauer, CD dan lain-lain).
Menggunakan kombinasi berbagai metode komputasi, termasuk Density Functional Theory (DFT), Hartree-Fock (HF), juga post-HF, Semi-empirik dan pendekatan Mekanika Molekuler.
Secara lengkap dideskripsikan kemampuan teknis sistem Gaussian 03 sebagai berikut:
Semua model ini menerapkan metodologi self-consistent reaction field (SCRF) untuk memodelkan sistem dalam larutan.
Dalam praktek ini pertama akan dilakukan hitungan Gaussian03W untuk suatu kompleks kecil logam transisi.
Untuk ini dapat digunakan interface gambar yang dikembangkan yang disebut Gauss View.
Kita juga dapat menurunkan file koordinat awal menggunakan Hyperchem, ChemOffice, ChemSketch, Arguslab dan lain-lain dengan menyimpannya dalam format Brookhaven PDB, MDL, Sybyl Mol2 atau CIF.
Mulailah program Gauss View dengan meng-kliknya pada ikon GaussView dari menu awal. Tampilan Gauss View berikut akan muncul.
Deskripsi "Route Card":
Syntax:
#[p] method/basis [keyword=(opt1,opt2)] [keyword2=(opt1[,opt2])]
Contoh Routes:
#hf/6-31g*
#p B3LYP/cc-pvdz opt
#MP2/cc-pvtz maxdisk=12gb
#HF/6-311g(d,p)
freq scf=direct nosymm opt
#CCSD=(T,maxcyc=200)/6-31G* opt=ts
Level Teori:
Bagian Input Gaussian03W:
| Section | Kata kunci | Final blank line? |
|---|---|---|
| Link 0 commands | % commands | no |
| Route Section (# lines) | all | yes |
| Extra Overlays | ExtraOverlays | yes |
| Title section | all | yes |
| Molecule specification | all | yes |
| Modifications to coordinates | Opt-ModRedundant | yes |
| Connectivity specifications | Geom-Connect atau ModConnect | yes |
| 2nd title dan molecule specification | Opt-QST2 atau QST3 | yes |
| Modifications to 2nd set of coordinates | Opt-ModRedundant atau QST2 atau QST3 | yes |
| Connectivity specifications for 2nd set of coordinates | Geom-Connect atau ModConnect Opt-ModRedundant atau QST2 atau QST3 | yes |
| 3rd title dan initial TS structure | Opt-QST3 | yes for both |
| Modifications to 3rd set of coordinates | Opt (ModRedundant, QST3) | yes |
| Connectivity specifications for 3rd set of coordinates | Geom-Connect atau ModConnect Opt-(ModRedundant, QST3) | yes |
| Atomic masses | IRC-ReadIsotopes | yes |
| Frequency of interest | CPHF=RdFreq | yes |
| Initial force constants (Cartesian) | Opt-FCCards | yes |
| Accuracy of energy & forces | Opt-ReadError | no |
| BOMD/ADMP input (1 atau more sections) | ADMP dan BOMD | yes |
| Basis set specification | Gen, GenECP, ExtraBasis | yes |
| Basis set alterations | Massage | yes |
| ECP specification | ExtraBasis, Pseudo-Cards, GenECP | yes |
| Background charge distribution | Charge | yes |
| Finite field coefficients | Field-Read | yes |
| Symmetry types to combine | Guess LowSymm | no |
| Orbital specifications (separate a & β) | Guess-Cards | yes |
| Orbital alterations (separate a & β) | Guess-Alter | yes |
| Orbital reordering (separate a & β) | Guess Permute | no |
| PCM solvation model input | SCRF Read | yes |
| Filename for COSMO/RS | SCRF-COSMORS | no |
| Weights for CAS state averaging | CASSCF-State Average | no |
| States of interest for spin orbit coupling | CASSCF-Spin | no |
| #Orbitals/GVB pair | GVB | no |
| Alternate atomic radii | Pop-ReadRadii atau ReadAtRadii | yes |
| Data for electrostatic properties | Prop-Read atau Opt | yes |
| Cube filename (& Cards input) | Cube | yes |
| NBO input | Pop-NBORead | no |
| Orbital freezing information | ReadWindow options | yes |
| OVGF orbitals to refine | OVGF-ReadOrbitals | yes |
| Temperature, pressure, atomic masses | Freq-ReadIsotopes | no |
| PROAIMS/Pickett output filename | Output=WFN atau Pickett | no |
Berikut ini tipe job yang ada dalam Gaussian 03:
Berikut ini kata kunci yang ada di Gaussian03W untuk memprediksi sifat molekuler:
Daftar metode yang tersedia dalam Gaussian03W:
| SP, Scan | Opt, Force, BOMD | Freq | IRC | ADMP | Polar | Stable | ONIOM | SCRF | PBC | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Molecular Mechanics | * | * | * | |||||||
| AM1, PM3 (etc.) | YLUYYE | |||||||||
| HF | * | * | * | * | * | * | * | |||
| DFT methods CASSCF | * | * | ||||||||
| MP2 | * | * | ||||||||
| MP3, MP4(SDQ) | * | * | * | * | ||||||
| MP4(SDTQ), MP5 | ||||||||||
| QCISD, CCD, CCSD | ||||||||||
| QCISD(T) or (TQ) | 개 | * | ||||||||
| BD | ||||||||||
| OVGF | ||||||||||
| CBS, Gn, W1 methods | * | |||||||||
| CIS | ス | |||||||||
| TD | * | |||||||||
| ZINDO | ||||||||||
| CI | * | |||||||||
| GVB |
Kebanyakan metode memerlukan basis set spesifik, jika tidak ada keyword basis set dalam bagian 'route', maka basis STO-3G akan digunakan sebagai basis set standar. Perkecualian beberapa metode dimana basis set didefinisikan sebagai bagian integral metode tersebut. Metode tersebut adalah:
Berikut ini Basis set yang tersimpan didalam program Gaussian 03 (kecuali 2 buah):
| Atom | cc-PVDZ | cc-pVTZ | cc-pVQZ | cc-pV5Z | cc-pV6Z |
|---|---|---|---|---|---|
| H He | 2s,1p 2s, 1p | 3s,2p,1d 3s,2p,1d | 4s,3p,2d, 1f 4s,3p,2d, 1f | 5s,4p,3d,2f,1g 5s,4p,3d,2f,1g | 6s,5p,4d,3f,2g, 1h Tidak tersedia |
| B-Ne | 3s,2p, ld | 4s,3p,2d, 1f | 5s.4p,3d,2f,1g | 6s,5p,4d,3f,2g,lh | 7s,6p,5d, 4f,3g, 2h, li |
| Al-Ar | 4s,3p, ld | 5s,4p,2d, 1f | 6s,5p,3d.2f,1g | 7s,6p,4d,3f,2g,lh | Tidak tersedia |
| Ga-Kr | 5s,4p,ld | 6s,5p,3d, 1f | Tidak tersedia | Tidak tersedia | Tidak tersedia |
Fungsi polarisasi pertama tunggal dapat juga diajukan menggunakan notasi umum * atau **. Catat bahwa (d,p) dan ** adalah sinonim—$6-31G^{**}$ adalah ekuivalen dengan 6-31G(d,p), untuk contoh—dan bahwa basis set $3-21G^{*}$ hanya memiliki fungsi polarisasi pada atom-atom baris kedua.
Fungsi difusi + dan ++ tersedia dengan beberapa basis set, sebagaimana fungsi polarisasi multiple. Sintaks kata kunci paling baik digambarkan dengan contoh: 6-$31+G(3df,2p)$ menandai basis set 6-31G ditambahi dengan fungsi difusi, 3 set fungsi d dan satu set fungsi f pada atom berat, dan ditambahi dengan 2 set fungsi p pada hidrogen.
Ketika prefiks AUG digunakan untuk menambah fungsi difusi ke basis set cc-pV*Z, satu fungsi difusi dari setiap tipe fungsi ditambahkan pada atom. Untuk contoh, Basis set AUG-cc-pVTZ menempatkan satu fungsi difusi s, satu d, dan satu p pada atom hidrogen, dan satu fungsi difusi d, dan satu p, satu f pada B sampai Ne dan Al sampai Ar.
Menambah suatu fungsi polarisasi tunggal pada 6-311G (yaitu 6-311G(d)) akan menghasilkan satu fungsi d untuk atom baris pertama dan kedua dan satu fungsi f untuk atom transisi baris pertama, karena fungsi telah ada untuk elektron valensi pada baris berikutnya. Demikian pula, menambah suatu fungsi difusi pada Basis set 6-311G akan menghasilkan satu fungsi difusi s, satu p, dan satu d untuk atom baris ketiga.
Ketika kalkulasi inti beku (frozen-core) dilakukan menggunakan basis set D95, kedua orbital inti yang tercakup dan orbital virtual yang bersesuaian dibekukan. Jadi selagi penghitungan $D95^{**}$ pada air memiliki 26 fungsi basis, dan penghitungan $6-31G^{**}$ pada sistem yang sama memiliki 25 fungsi, akan ada 24 orbital digunakan dalam penghitungan post-SCF inti beku yang melibatkan basis set tersebut.
| Basis Set | Aplikasi untuk | Fungsi polarisasi | Fungsi difusi |
|---|---|---|---|
| STO-3G | H-Xe | * | |
| 3-21G | H-Xe | * atau ** | + |
| 6-21G | H-Cl | (d) | |
| 4-31G | H-Ne | (d) atau (d,p) | |
| 6-31G | H-Kr | (3df,3pd) | ++ |
| 6-311G | H-Kr | (3df,3pd) | ++ |
| D95 | H-Cl kecuali Na dan Mg | (3df,3pd) | ++ |
| D95V | H-Ne | (d) atau (d,p) | ++ |
| SHC | H-Cl | * | |
| CEP-4G | H-Rn | * (hanya Li-Ar) | |
| CEP-31G | H-Rn | * (hanya Li-Ar) | |
| CEP-121G | H-Rn | * (hanya Li-Ar) | |
| LanL2MB | H-La, Hf-Bi | ||
| LanL2DZ | H, Li-La, Hf-Bi | ||
| SDD, SDDAll | Semua kecuali Fr dan Ra | ||
| cc-pV(DTQ5)Z | H-He, B-Ne, Al-Ar, Ga-Kr | Tercakup dalam definisi | Ditambahkan via prefiks AUG |
| cc-pV6Z | H. B-Ne | Tercakup dalam definisi | Ditambahkan via prefiks AUG |
| SV | H-Kr | ||
| SVP | H-Kr | Tercakup dalam definisi | |
| TZV dan TZVP | H-Kr | Tercakup dalam definisi | |
| MidiX | H, C-F, S-Cl, I, Br | Tercakup dalam definisi | |
| EPR-II, EPR-III | H, B, C, N, O, F | Tercakup dalam definisi | |
| UGBS | H-Lr | ||
| UGBS(1,2,3)P | |||
| MTSmall | H-Ar | ||
| DGDZVP | H-Xe | ||
| DGDZVP2 | H-F, Al-Ar, Sc-Zn | ||
| DGTZVP | H, C-F, Al-Ar |
Kata kunci yang terkait dengan basis set tambahan:
Basis set lain dapat juga menjadi input untuk program yang menggunakan kata kunci ExtraBasis dan Gen. Kata kunci ChkBasis menandai bahwa basis set membaca dari file checkpoint (didefinisikan via perintah %Chk).
Para pemakai Gaussian harus sadar akan point-point berikut mengenai fungsi basis murni vs Cartesian:
Gaussian 03 memberi perkiraan pencocokan densitas untuk penghitungan DFT murni.
Pendekatan ini memperluas densitas dalam suatu set fungsi berpusat atom ketika menghitung interaksi Coulomb sebagai ganti menghitung semua integral dua elektron.
Hal ini memberi tambahan kinerja penting untuk penghitungan DFT murni pada sistem yang berukuran medium yang terlalu kecil mengambil keuntungan dari algoritma penskalaan linear tanpa degradasi penting dalam akurasi struktur terprediksi, energi relatif dan sifat-sifat molekuler.
Gaussian 03 dapat menurunkan suatu pencocokan yang tepat secara otomatis dari basis AO, atau kita dapat memilih satu dari set pencocokan yang sudah terpasang.
Basis set pencocokan yang diinginkan ditentukan sebagai komponen ketiga kimia model, seperti contoh berikut:
#BLYP/6-31G(d)/Auto
Catat bahwa tanda garis miring diperlukan ketika basis set pencocokan densitas ditentukan.
Set pencocokan DGAI dan DGA2 tersedia dalam Gaussian. DGA1 tersedia untuk H sampai Xe, dan DGA2 tersedia H, He dan B sampai Ne.
Sebagai tambahan, set pencocokan densitas dapat diturunkan secara otomatis dari AO primitif menggunakan Auto, Auto All, atau Auto-N. Dalam kasus terakhir, N adalah momentum angular maksimum yang tersimpan dalam fungsi pencocokan. Asumsinya adalah $Max(MaxTyp+1,2^{*}MaxVal)$, dimana MaxTyp adalah momentum angular tertinggi dalam basis AO dan MaxVal adalah momentum angular valensi tertinggi.
PAuto menurunkan semua hasil fungsi AO pada satu pusat sebagai ganti luas primitif AO, tetapi secara umum lebih banyak lagi fungsi daripada yang dibutuhkan.
Asumsinya, tidak ada set pencocokan yang digunakan. Basis set pencocokan densitas dapat ditambahkan dengan kata kunci ExtraDensityBasis, Didefinisikan secara penuh dengan kata kunci Gen, dan secara bebas diambil dari file checkpoint file (menggunakan ChkBasis).
Berbagai informasi tentang basis set banyak terdapat sumbernya di internet, salah satunya adalah di: http://www.emsl.pnl.gov/forms/basisform.html.
Cr 0.000000 0.000000 0.000000
Cl 0.000000 0.000000 2.120000
C1 2.112240 0.000000 0.181220
Cl 0.332676 1.137854 -1.757560
C1 -1.779564 1.137854 0.181220
Ο -0.480367 -1.643002 -0.523345
Penjelasan lebih detail Spesifikasi Molekuler:
Posisi suatu atom ditetapkan dengan memberi panjang ikatan dengan atom1, sudut dibentuk dengan ikatan ini dan ikatan gabungan atom1 dan atom2, dan sudut (torsi) dihedral dibentuk oleh ikatan gabungan atom2 dan atom3 dengan bidang yang mengandung atom tersebut, atom1 dan atom2.
Contoh 2 bagian spesifikasi molekul untuk etana:
| 0 | 1 | 0,1 | |
|---|---|---|---|
| C | 0.00 0.00 | 0.00 | C1 |
| C | 0.00 0.00 | 1.52 | C2, C1,1.5 |
| H | 0.00 1.02 | -0.39 | H3, C1,1.1,C2,111.2 |
| H | -0.51 -0.88 | -0.39 | H4, C1,1.1,C2,111.2, H3,120. |
| H | 0.88 -0.51 | -0.39 | H5,C1,1.1,C2,111.2,H3,-120. |
| H | -1.02 0.00 | 1.92 | H6, C2,1.1, C1,111.2, H3,180. |
| H | 0.51 -0.88 | 1.92 | H7, C2,1.1, C1, 111.2,H6,120. |
| H | 0.88 0.51 | 1.92 | H8, C2,1.1, C1,111.2,H6,-120. |
Sebelah kiri adalah versi koordinat Cartesian sedangkan yang kanan adalah versi Z-matriks (menggambarkan label unsur). Perhatikan bahwa 3 atom pertama dengan Z-matriks tidak menggunakan jumlah parameter penuh; hanya pada atom ke-4 yang cukup menggambarkan semua parameter yang ditetapkan.
Contoh bentuk lain Z-matriks untuk molekul yang sama:
0
1
C1
C2 C1 RCC
H3 C1 RCH C2 ACCH
H4 C1 RCH C2 ACCH H3 120.
H5 C1 RCH C2 ACCH H3 -120.
H6 C2 RCH C1 ACCH H3 180.
H7 C2 RCH C1 ACCH H6 120.
H8 C2 RCH C1 ACCH H6 -120.
Variables:
$RCH=1.5$
$RCC=1.1$
$ACCH=111.2$
Dalam Z-matriks ini, panjang ikatan dan harga sudut diganti dengan variabel. Harga variabelnya diberikan di bagian terpisah setelah spesifikasi atom terakhir. Definisi variabel dipisahkan dari definisi posisi dengan menggunakan baris kosong atau baris seperti ini:
Variables:
Sebagai suatu contoh perhatikan hydrogen peroxide. Z-matriks untuk struktur ini akan menjadi:
H
0 1 0.9
0 2 1.4 1 105.0
H 3 0.9 2 105.0 1 120.0
Baris pertama Z-matriks untuk spesifikasi hidrogen. Baris berikutnya untuk sebuah atom oksigen dan spesifikasi jarak antar inti atom antara oksigen dengan hidrogen sebesar 0,9 Angstroms. Baris ketiga untuk definisi satu oksigen lain dengan jarak O-O sebesar 1,4 Angstroms (yaitu dari atom 2, oksigen lain) dan memiliki sudut O-O-H (dengan atoms 2 dan 1) sebesar 105 derajat. Baris keempat dan terakhir hanya satu untuk keseluruhan ketiga koordinat internal yang perlu diberikan. Baris ini mendefinisikan hidrogen lain terikat dengan oksigen kedua dengan jarak H-O sebesar 0,9 Angstroms, dan sudut H-O-O sebesar 105 derajat dan sudut dihedral H-O-O-H sebesar 120 derajat.
Variables dapat digunakan untuk spesifikasi beberapa atau semua harga Z-matriks.
H
0 1 R1 R4=1.087345
R6=0.946290
A3=107.159
A4=112.008
A6=109.406
D4=118.774
Berikut output GFPrint dari atom karbon.
Penghitungan energi suatu SP adalah suatu prediksi energi dan sifat-sifat yang berkaitan untuk suatu molekul dengan suatu struktur geometri tertentu.
Frase single point adalah kunci, karena penghitungan ini dilakukan pada titik tunggal tertentu pada permukaan energi potensial (PES) untuk suatu molekul.
Validitas hasil penghitungan ini tergantung pada dimilikinya struktur yang masuk-akal untuk suatu molekul sebagai suatu input.
Penghitungan energi SP dilakukan untuk berbagai maksud, meliputi:
Penghitungan energi SP dapat dilakukan pada setiap level teori dan dengan basis set kecil atau besar.
Tujuan: Mengidentifikasi hasil utama yang diprediksi dengan penghitungan energi single point dengan melihat output penghitungan.
File input lengkapnya adalah
#RHF/6-31G(d) Pop Full Test
Formaldehyde Single Point
0 1
C
0.
0.
0.
O
0.
1.22
0.
H
.94 .54 0.
H .94 -.54
Di sini kita memberi spesifikasi molekuler dalam koordinat Cartesian. Bagian route menentukan penghitungan energi single point pada level Hartree-Fock, menggunakan basis set 6-31G(d).
Kita menentukan suatu penghitungan Hartree-Fock restricted (dengan huruf R sebelum kata kunci prosedur HF) karena molekulnya merupakan sistem tertutup (closed system).
Kita juga memerlukan informasi tentang orbital molekuler yang dimasukkan dalam output Pop-Reg.
Bagian ini menampilkan posisi atom-atom dalam molekul yang digunakan program dalam format koordinat Cartesian.
Orientasi ini dipilih untuk efisiensi penghitungan maksimal dan sesuai dengan penempatan pusat muatan inti untuk molekul pada posisi asal.
Kebanyakan sifat-sifat molekul dilaporkan dikaitkan dengan orientasi standar. Catat bahwa biasanya orientasi ini tidak sama dengan yang digunakan dalam input spesifikasi molekuler.
Tampak dalam output berikut ini orientasi standar yang dihasilkan untuk formaldehida.
Standard orientation:
| Center Number | Atomic Number | Atomic Type | Coordinates (Angstroms) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| X | Y | Z | |||
| 1 | 6 | 0 | 0.000000 | 0.000000 | -0.542500 |
| 2 | 8 | 0 | 0.000000 | 0.000000 | 0.677500 |
| 3 | 1 | 0 | 0.000000 | 0.940000 | -1.082500 |
| 4 | 1 | 0 | 0.000000 | -0.940000 | -1.082500 |
*Tabel dibuat berdasarkan data dari source [40]*
Molekul diposisikan dalam bidang YZ, dengan ikatan C=O berhimpit dengan sumbu Z.
Energi total sistem dihitung pada level Hartree-Fock diberikan pada output berikut:
SCF Done: E (RHF) =
-113.863698436
A.U. after 6 cycles
Harga dalam hartrees (1 hartree = 627,51 kcal/mol, 1 kcal/mol = 4,1868 kjoule/mol). Tulisan 'after 6 cycles' adalah jumlah iterasi/putaran hitungan untuk mencapai konvergensi hitungan SCF.
Ketika kita mendiskusikan energi energi dalam penelitian ini, umumnya kita akan menggunakan hartrees (atomic units, A.U.); sedang ketika kita mendiskusikan perbedaan energi, satuan kcal/mol akan lebih cocok (khususnya ketika membandingkan prediksi hitungan vs hasil eksperimen).
Dalam penghitungan energi level lebih tinggi, harga energi yang dihitung menggunakan prosedur lebih akurat akan muncul lebih rendah dibanding energi Hartree-Fock.
Berikut ini ada output dari hitungan formaldehid pada level MP4 (RMP4 menggantikan RHF dalam bagian route:
#p rmp4(sdtq)/6-31g(d) pop=full test
Output:
E2 =
-0.3029540003D+00 EUMP2=
-0.11416665769336D+03
Harga EUMP2 adalah energi prediksi pada level MP2 kurang lebih -114,16665769336 hartrees.
Berikut ini output energi dari hitungan MP4:
E(RHF) = -113.863703693
SCF Done:
Convg =
0.1662D-08
A.U. after 12 cycles
-V/T = 2.0031
| $S^{**}_{2}=0.0000$ | |
|---|---|
| MP4 (SDTQ) | |
| ========= | |
| E3 -0.54087747D-02 | EUMP3= -0.11417206647D+03 |
| E4 (DQ) = -0.38729364D-02 | UMP4 (DQ) = -0.11417593940D+03 |
| E4 (SDQ) -0.84286865D-02 | UMP4 (SDQ)= -0.11418049515D+03 |
| E4 (SDTQ) -0.18565296D-01 | UMP4 (SDTQ)= -0.11419063176D+03 |
| VARIATIONAL ENERGIES WITH THE FIRST-ORDER WAVEFUNCTION: | |
| E (VAR1)= -0.11414514829D+03 | E (CISD, 4)= -0.11415602041D+03 |
*Tabel dibuat berdasarkan data dari source [63]*
Perhatikan bahwa energi untuk semua metode level lebih rendah HF, MP2, MP3, MP4(DQ) dan MP4(SDQ) - ditampilkan secara semuanya dalam hitungan MP4(SDTQ).
Kata kunci Pop-Reg dalam bagian route meminta data orbital molekuler dimasukkan dalam output. Tampak pada bagian awal bagian analisis population.
... (Tabel panjang dari source [68] dan [78] direpresentasikan sebagai teks di bawah)
Molecular Orbital Coefficients
1 2 3 4 5
(A1)--0 (A1)--0 (A1)--0 (A1)--0 (B2)--0
EIGENVALUES -- -20.58203 -11.33927 -1.39235 -0.87257 -0.69706
1 1 C 1S 0.99566 0.00000 -0.11063 -0.16261 0.00000
2 2S 0.00047 0.02675 0.20993 0.33994 0.00000
3 2PX 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000
4 2PY 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.42032
5 2PZ -0.00007 0.00065 0.17263 -0.18475 0.00000
... (dan seterusnya) ...
16 2 O 1S 0.99472 -0.00038 -0.19670 0.08887 0.00000
... (dan seterusnya) ...
Kontribusi orbital atom untuk setiap atom dalam molekul diberikan untuk setiap orbital molekul.
Dinomori sesuai urutan kenaikan energi (energi orbital molekul ditulis dalam baris yang dilabeli EIGENVALUES di depan koefisien orbital).
Simetri orbital dan baik orbital berisi atau tidak berisi (yang sesungguhnya) tampak di bawah nomor orbital.
Ketika melihat koefisien orbital, apa yang paling penting adalah besar relatifnya terhadap yang lain dalam orbital (abaikan tandanya).
Sebagai contoh, untuk orbital molekul pertama energi terendah, carbon 2s dan 2pz, oksigen 1s, 2s, dan 2pz dan orbital 1s pada kedua hidrogen semuanya memiliki koefisien tidak nol.
Tetapi besarnya koefisien 1s pada oksigen lebih lebih besar lagi dibanding lainnya, jadi orbital molekul ini pada dasarnya sesuai dengan orbital 1s oksigen.
Begitu juga, komponen penting untuk orbital molekul kedua adalah orbital 1s dari atom carbon.
Orbital HOMO dan LUMO dapat diidentifikasi dengan menemukan titik dimana huruf kode occupied/virtual dalam penandaan simetri berubah dari O ke V.
Berikut ini energi dan penandaan simetri untuk set orbital molekul berikutnya dari formaldehid
(A1)--0 (B1)--0 (B2)--0 (B1)--V (A1)--V
EIGENVALUES -- -0.63916 -0.52290 -0.44043 0.13577 0.24838
1 1 C 1S 0.01957 0.00000 0.00000 0.00000 -0.12210
... (dan seterusnya) ...
Analisis ini menempatkan muatan negatif kecil pada atom oksigen dan membagi sama muatan positif antar tiga atom lainnya.
Analisis populasi Mulliken adalah skema bebas untuk menentukan muatan. Muatan atom - tidak seperti densitas elektron bukanlah suatu mekanika kuantum yang teramati, dan tidak dapat diamati dengan jelas dari prinsip pertama (ab initio).
Untuk formaldehid, orbital molekul nomor 8 adalah HOMO, dan orbital molekul nomor 9 adalah LUMO.
Dalam kasus ini, energi juga berubah tanda pada titik yang memisahkan orbital berisi dari orbital kosong.
Gaussian jib melakukan analisis populasi Mulliken, yaitu muatan total partisi antar atom dalam molekul. Berikut bagian output untuk formaldehid:
Total atomic charges:
1
1 C
0.129335
2 O
-0.440414
3 H
0.155539
4 H
0.155539
Sum of Mulliken charges= 0.00000
Gaussian juga memprediksi momen dipol dan momen multipol (sampai hexadecapole). Momen dipol adalah turunan pertama energi terhadap medan listrik terapan.
Ini merupakan ukuran simetri dalam distribusi muatan molekuler, dan diberikan sebagai sebuah vektor tiga dimensi.
Untuk hitungan Hartree-Fock, ini ekuivalen dengan harga ekspektasi X, Y dan Z yang harganya terdapat dalam output.
Berikut ini momen dipol, quadrupole dan hexadecapole untuk formaldehid:
Dipole moment (Debye)
X= 0.0000 Y= 0.0000 Z= -2.8449 Tot= 2.8449
Quadrupole moment (Debye-Ang):
XX= -11.5379 YY= -11.3105 ZZ= -11.8998
XY= 0.0000 XZ= 0.0000 YZ= 0.0000
... (dan seterusnya) ...
Momen dipol dibagi menjadi komponen X, Y dan Z. Dalam kasus ini momen dipol sepenuhnya sepanjang sumbu Z. Dengan mengacu pada orientasi standar molekul, kita menyadari bahwa ini menunjuk ke arah menjauh dari oksigen yang bermuatan negatif.
Momen dipol diberikan dalam satuan debye.
Momen quadrupole memberi perkiraan order kedua distribusi elektron total, paling tidak menyediakan idea kasar tentang bentuknya.
Sebagai contoh, komponen XX, YY dan ZZ sederajat menunjukkan distribusi ruang. Ini perkiraan untuk formaldehid.
Salah satu komponen ini lebih besar secara signifikan dari pada yang lain yang menggambarkan pemanjangan sepanjang sumbu itu.
Jika ada, komponen sumbu lain menggambarkan distorsi sumbu trans (uluran atau kompresi) elipsoid.
Momen quadrupole (dan yang lebih tinggi) secara umum hanya penting ketika momen dipol adalah 0.
Cara lain untuk mendapatkan informasi tentang distribusi elektron adalah dengan menghitung polarisabilitas.
Sifat ini tergantung pada turunan kedua energi thd medan listrik.
Pada bagian Test job not archived kita mendapatkan data input awal hitungan yang digabung dengan ringkasan output.
Biasanya input berisi route section, tittle section, charge and multiplicity, dan molecule specification dan output ringkas paling tidak berisi energi total sistem, data lainnya tergantung pada perintah di bagian route section.
Perhatikan bagian output formaldehid yang berhuruf tebal dan miring berikut:
Test job not archived.
1|1|UNPC-UNK|SP|RMP4SDTQ-FC|6-31G(d) |C1H201 | PCUSER 31-Dec-2008|0 #P R MP4(SDTQ)/6-31G (D) POP-FULL TEST||
Formaldehyde Single Point 0,1 CO,1 1.22 H,1,1.08406642,2,119,87599269 H,1,1,08406642,2,119.87599269,3,18 0.,01 Version-x86-Win32-G98RevA.11.2 State-1-A1 HF-113.8637037 MP2=-1 14.1666577 MP3--114.1720665 MP4D--114.1804401|MP4DQ--114.1759394 MP4SD Q-114.1804952 MP4SDTQ--114.1906318|RMSD-1.662e-009 PG-C02V [C2 (C101), SGV(H2)]||@
Gaussian melaporkan waktu CPU yang digunakan dan ukuran file coretannya sampai selesai.
0 Chk=
5 Scr=
1
Job cpu time: 0 days 0 hours 0 minutes 35.0 seconds.
File lengths (MBytes): RWF= 18 Int- 0 D2E- Normal termination of Gaussian 98.
Tujuan: memprediksi konstanta shielding NMR.
Tensor shielding NMR adalah sifat lain yang dapat dihitung dalam konteks hitungan energi single point.
Hitungan tersebut diminta dengan memasukkan kata kunci NMR pada bagian route section untuk job. Inputnya adalah
#T RHF/6-31G(d) NMR Test
Methane NMR @ HF/6-31G(d) Geometry
0,1
C
H, 1, R
H, ,1,R, 2,109.471221
H, 1, R, 2, 109.471221,3,120.,0
H, 1, R, 2, 109.471221,3,-120.,0
Variables:
R-1.09349799
Kita akan menjalankan job ini pada metana pada level Hartree-Fock menggunakan basis 6- 31G (d); spesifikasi molekuler kita merupakan hasil optimasi geometri menggunakan metode DFT B3LYP dengan basis set yang sama.
Kombinasi ini mengacu pada Cheeseman dkk sebagai kimia model minimal yang direkomendasi untuk prediksi sifat NMR.
Berikut hasil prediksinya untuk atom carbon dalam metana
Calculating GIAO nuclear magnetic shielding tensors.
SCF GIAO Magnetic shielding tensor (ppm):
1
C
Isotropic= 199.0521 Anisotropy
XX= 199.0521 YX- 0.0000 ZX- 0.0000
XY= 0.0000 YY= 199.0521 ZY= 0.0000
XZ- 0.0000 YZ- 0.0000 ZZ- 199.0521
Eigenvalues: 199.0521 199.0521 199.0521
Output memberi harga prediksi untuk setiap atom dalam molekul. Kita melihat harga prediksi untuk carbon kurang lebih 199,1 ppm.
Konstanta shielding dilaporkan dalam penelitian eksperimen biasanya relatif bergeser dari senyawa standar, seringnya menggunakan tetramethylsilane (TMS).
Untuk membandingkan harga prediksi dengan hasil eksperimen, kita perlu menghitung harga shielding absolut untuk TMS, menggunakan kimia model yang tepat sama.
... (Tabel input TMS dari source [172] direpresentasikan sebagai teks di bawah)
Chk-TMS.chk
#T RHF/6-31G(d) NMR Test
TMS NMR
0 1
Si
C 1 R2
C 2 R3 1 A3
... (dan seterusnya) ...
Variables:
R2 1.8800
... (dan seterusnya) ...
Output yang tampak untuk TMS adalah
SCF GIAO Magnetic shielding tensor (ppm):
2 C
Isotropic = 195.2863 Anisotropy = 4.0919
Untuk memperoleh prediksi pergeseran atom carbon dalam metana, kita kurangkan harga absoutnya dari molekul standar/acuan, hasil prediksi pergeserannya adalah sebesar -3.7658 (195,2863 - 199,0521), harga kesesuaian masuk akal dengan harga eksperimen sebesar -7.0.
Catat bahwa konvensi tanda untuk pergeseran: angka negatif menunjukkan bahwa ada lebih banyak shielding dalam molekul tertentu dari pada dalam molekul acuan, dan angka positif menunjukkan bahwa shielding lebih sedikit dari pada dalam molekul acuan.
Jalankan hitungan energi single point pada propena dan tentukan informasi berikut dari output:
Gunakan basis set 6-31G(d) untuk hitungan.
Inputnya sebagai berikut:
#T RHF/6-31G(d) Test
Propene Single Point
H(6)
0 1
H(9)
C
C(2)
H(4)
C 1 R2
C 2 R3 1 A3
C(1)
H 1 R4 2 A4 3 0.
C(3)
H 1 R5 2 A5 3 180.
H(8)
H 2 R6 1 A6 4 180.
H 3 R7 2 A7 1 180.
H(5)
H(7)
H 3 R8 2 A8 1 D8
H 3 R8 2 A8 1 -D8
Variables:
R2 = 1.34
R3 = 1.52
R4 = 1.08
R5 = 1.08
R6 = 1.08
R7 = 1.09
R8 = 1.09
A3 = 120.0
A4 = 120.0
A5 = 120.0
A6 = 120.0
A7 = 109.47117
A8 = 109.47117
D8 = 60.0
Ringkasan outputnya sebagai berikut:
Gaussian 03: IA32W-G03RevC.01 3-Apr-2004
#T RHF/6-31G(d) Test
Propene Single Point
Standard orientation:
Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)
Number Number Type X Y Z
1 6 0 1.273694 0.103415 0.000000
2 6 0 0.000000 0.519712 0.000000
3 6 0 -1.131346 -0.495403 0.000000
4 1 0 1.496403 -0.953373 0.000000
5 1 0 2.077545 0.824680 0.000000
6 1 0 -0.222709 1.576500 0.000000
7 1 0 -2.088089 0.026845 0.000000
8 1 0 -1.058621 -1.120498 0.889981
9 1 0 -1.058621 -1.120498 -0.889981
...
SCF Done: E(RHF) = -117.065692097
A.U. after 5 cycles
...
Mulliken atomic charges:
1 1 C -0.388759
2 C -0.156384
3 C -0.507949
4 H 0.170153
5 H 0.173467
6 H 0.184153
7 H 0.165601
8 H 0.179859
9 H 0.179859
Sum of Mulliken charges- 0.00000
...
Dipole moment (field-independent basis, Debye):
X= -0.3030
Y= -0.0298
Z= 0.0000
Tot= 0.3045
...
HF=-117.0656921|RMSD-5.831e-005|Dipole=0.0481765,0.0.1096878 PG CS [SG (C3H4),X(H 2)]||@
Susunlah daftar energi dan momen dipol untuk 3 stereoisomer 1,2-Dichloro-1,2-Difluoroethane (stoikiometri: CHFCI-CHFCI).
Buatlah file inputnya dan jalankan berdasarkan output ringkas di bawah ini:
... (Tabel input Z-matrix dari source [526] direpresentasikan sebagai teks di bawah)
#T RHF/6-31G(d) SP Test
CHFCI-CHFC1 bentuk RR
Symbolic Z-matrix:
Charge = 0 Multiplicity = 1
C
C 1 CC
Cl 1 CCl 2 CCCl
Cl 2 CCl 1 CCCl 3 180. 0
F 1 CF 2 CCF 4 -D1 0
H 1 CH 2 CCH 4 D2 0
F 2 CF 1 CCF 3 -D1 0
H 2 CH 1 CCH 3 D2 0
Variables:
CC 1.53
CCl 1.76
CF 1.37
CH 1.09
CCCl 109.4
CCF 109.5
CCH 109.6
D1 60.
D2 60.1
...
Standard orientation:
Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)
Number Number Type X Y Z
1 6 0 0.000000 0.765000 -0.278044
2 6 0 0.000000 -0.765000 -0.278044
3 17 0 -1.660072 1.349604 -0.278044
4 17 0 1.660072 -1.349604 -0.278044
5 9 0 0.645709 1.222315 0.840358
6 1 0 0.511868 1.130642 -1.168210
7 9 0 -0.645709 -1.222315 0.840358
8 1 0 -0.511868 -1.130642 -1.168210
...
SCF Done: E(RHF) -1194.71530112
A.U. after 7 cycles
...
Total atomic charges:
1 1 C 0.142585
2 C 0.142585
3 C1 -0.016204
4 C1 -0.016204
5 F -0.358731
6 H 0.232350
7 F -0.358731
8 H 0.232350
Sum of Mulliken charges= 0.00000
...
Dipole moment (Debye):
X= 0.0000
Y= 0.0000
Z= -2.8352
Tot= 2.8352
...
HF=-1194.7153011 RMSD-1.266e-005 Dipole-0.,1.1154359,0.|PG-C02 [X (C2H2C12F2)]||@
Lakukan hal serupa untuk bentuk SS dengan koordinat Cartesian :
... (Z-MATRIX dari source [834])
E 1 1.370000( 4) 2 109.500 ( 10) 4 60.000 ( 15)
H 1 1.090000 ( 5) 2 109.600 ( 11) 4 -60.100 ( 16)
F 2 1.370000 ( 6) 1 109.500 ( 12) 3 60.000 ( 17)
H 2 1.090000 ( 7) 1 109.600 ( 13) 3 -60.100 ( 18)
Lakukan hal serupa juga untuk bentuk meso dengan koordinat Cartesian :
... (Z-MATRIX dari source [836])
F 1 1.370000 ( 4) 2 109.500 ( 10) 4 -60.000 (15)
H 1 1.090000 ( 5) 2 109.600 ( 11) 4 60.100 ( 16)
F 2 1.370000 ( 6) 1 109.500 ( 12) 3 60.000 ( 17)
H 2 1.090000 ( 7) 1 109.600 ( 13) 3 -60.100 ( 18)
Gunakan proyeksi Newman untuk menentukan sudut dihedral yang tepat untuk fluor dan hidrogen sehingga dapat menyusun spesifikasi molekuler untuk bentuk SS dan meso dengan benar.
Tujuan: Memprediksi energi $C_{60}$ dan melihat strukutur orbital HOMO, diprediksi pada level HF dengan basis set 3-21G.
Masukkan SCF Tight dalam bagian route dari jobnya.
Berikut ini file inputnya:
%chk-buckyball.chk
%Mem-8MW
#HF/3-21G SCF-Tight Pop-Reg Test
Single point C60
0 1
C 1.456000 -1.963000 0.695000
C -0.197000 2.278000 0.627000
... (koordinat C60) ...
Energi prediksi yang diperoleh dapat dilihat dalam output berikut:
SCF Done:
E(RHF) = -2259.04767389
A.U. after 15 cycles
Gambar orbital HOMO dapat dilihat di bawah kanan ini
Jika kita lupa memasukkan SCF=Tight dalam bagian Route dan kemampuan komputer tidak mencukupi, maka mungkin proses penghitungan pada Gaussian akan gagal.
Bandingkanlah waktu CPU dalam input yang memasukkan SCF Tight dengan yang tidak. Lakukan juga untuk basis set yang semakin tinggi.!
Tujuan: Menguji hitungan kestabilan SCF. Suatu kestabilan hitungan menentukan apakah hitungan fungsi gelombang sistem molekul stabil atau tidak: dengan kata lain, apakah ada energi fungsi gelombang lebih rendah sesuai dengan penyelesain lain yang berbeda untuk persamaan SCF.
Jika fungsi gelombang tidak stabil, maka apapun hitungan yang dijalankan tidak dilakukan pada keadaan molekul yang diharapkan.
Sebagai contoh, jika suatu hitungan kestabilan menunjukkan fungsi gelombang yang tidak stabil untuk suatu sistem yang dimodelkan pada keadaan ground state, maka hitungan pada kenyataannya tidak seusai dengan keadaan ground state, dan suatu energi dibandingkan dengan kesimpulan lain pada keadaan ground state maka hasilnya tidak akan valid.
Kestabilan penyelesaian SCF untuk sistem yang tidak dikenal/belum diketahui harus selalu diuji.
Pertimbangan kestabilan diterapkan dan dapat diujikan untuk hitungan menggunakan metode DFT juga.
Berikut ini kata kunci Gaussian yang akan dipakai:
Stable
: Menguji kestabilan hitungan penyelesaian SCF molekul. Hal ini menyangkut penentuan apakah ada suatu energi fungsi gelombang lebih rendah untuk suatu sistem, diperoleh dengan melonggarkan batasan yang ditempatkan padanya (misalnya membolehkan fungsi gelombang menjadi open shell atau mengurangi simetri orbital).
Stable opt
: Uji kestabilan penyelesaian SCF dan reoptimasi fungsi gelombang sampai diperoleh penyelesaian energi lebih rendah jika suatu kestabilan diperoleh.
Ketika kita menyebut optimasi fungsi gelombang, kita tidak mengacu kepada optimasi geometri, yang menempatkan konformasi energi terendah mendekati struktur molekul awal yang telah ditentukan.
Memprediksi energi SCF melibatkan pencarian penyelesaian energi terendah untuk persamaan SCF.
Hitungan kestabilan menjamin bahwa fungsi gelombang elektronik teroptimasi ini adalah minimal dalam ruang fungsi gelombang - dan bukan suatu saddle point yang suatu proses yang terpisah sepenuhnya dari penempatan titik minimal atau titi pelana pada suatu permukaan energi potensial inti.
Untuk menggambarkan bagaimana hitungan kestabilan bekerja, kita akan menjalankan hitungan RFH berikut pada molekul oksigen:
#T RHF 6-31G(d) Stable Test
Oxygen Stability: RHF on singlet (!!)
0 1
O 1 R
R 1.22
--Linkl--
#T UHF 6-31G(d) Stable Test
Oxygen UHF Triplet
0 3
O
O 1 R
R 1.22
Kita dapat yakin bahwa fungsi gelombang RHF untuk molekul oksigen adalah tidak stabil, karena kita tahu keadaan dasar (ground state) molekul adalah triplet.
Output dari hitungan kestabilan menguatkan hal ini:
The wavefunction has an RHF - UHF instability.
Hal ini mengindikasikan bahwa ada fungsi gelombang UHF yang memiliki energi lebih rendah dari pada fungsi gelombang RHF, sesuai dengan perkiraan dalam kasus ini.
Catat bahwa ketidakstabilan dapat menjadi berbagai tipe yang berbeda. Jenis yang paling umum adalah:
Jalankan hitungan kestabilan pada keadaan dasar triplet dari molekul oksigen. Berapakah perbedaan antara keadaan dasar dengan keadaan singlet.?
Begitu kita selesai hitungan pertama, rancang dan jalankan hitungan yang akan menentukan keadaan energi elektronik terendah untuk ozon.
Gunakan geometri eksperimental: panjang ikatan O-O = 1,272 A°, sudut ikatan O-O-O = 116,8°
File inputnya sebagai berikut:
#T RHF/6-31+G(D) Stable-Opt Test
Ozone Stability
0,1
O
O,1,1.272
O,2,1.272,1,116.8
--Linkl--
#T UHF/6-31+G(D) Stable-Opt Test
Ozone UHF
0,1
O
O,1,1.272
O,2,1.272,1,116.8
--Linkl--
#T UHF/6-31+G(D) Guess-Mix Stable-Opt Test
Ozone UHF Guess-Mix
0,1
O
O,1,1.272
O,2,1.272,1,116.8
Output menunjukkan bahwa hitungan Stable mengindikasikan fungsi gelombang UHF terhitung untuk molekul oksigen triplet adalah stabil:
The wavefunction is stable under the perturbations considered.
Energi prediksi yang muncul dalam bagian ringkasan SCF melebihi output analisis kestabilan yaitu
SCF Done: E (UHF) = -149.612664370
A.U. after 10 cycles
kurang lebih 0, 085310986 hartree lebih rendah dibanding fungsi gelombang RHF sebesar
SCF Done: E (RHF)
-149.527352714
A.U. after 9 cycles
Karena kita mengetahui molekul oksigen adalah triplet, maka seharusnya kita menjalankan hitungan sebagai hitungan open shell.
Ozone adalah singlet tetapi memiliki suatu struktur elektronik yang tidak umum, karena itu sering sulit untuk memodelkan.
Hitungan RHF Stable=Opt menemukan suatu kestabilan RHF → UHF, dan reoptimasi fungsi gelombang mengarah pada penyelesaian UHF dengan energi sebesar
SCF Done: E (UHF)
-224.341434740 A.U. after 24 cycles
Pada titik ini, dharapkan hitungan UHF akan cukup. Tetapi ketika jalankan hitungan UHF Stable Opt, fungsi gelombang prediksi ditemukan tidak stabil lagi.
The wavefunction has an internal instability
Reoptimasi fungsi gelombang mengarah lagi ke keadaan energi elektronik lebih rendah seperti ditemukan dengan hitungan RHF.
Bahkah untuk suatu hitungan UHF, penting memodifikasi konfigurasi elektronik untuk menentukan keadaan dasar ozon yang benar.
Hal ini tidak mengherankan karakter biradikal ozon sebagai hasil penggabungan orbital π berisi tunggal pada atom oksigen terminal.
Untuk menentukan keadaan elektronik yang benar, hitungan ozon harus dijalankan sebagai hitungan tidak tertutup, dan kata kunci Guess Mix harus dimasukkan.
Kata kunci ini menjelaskan program untuk mencampur HOMO dan LUMO dengan fungsi gelombang dalam usaha meleburkan a-ß dan simetris ruang.
Menjalankan hitungan UHF Guess Mix Stable menegaskan bahwa hasil fungsi gelombang adalah stabil, dan memprediksi energi yang sama (-224.34143 hartrees) seperti hitungan Stable=Opt sebelumnya.
Keadaan elektronik spesifik dapat juga ditentukan menggunakan kata kunci Guess=Alter, untuk mendesain secara eksplisit kepemilikan orbital.
Sebagai catatan akhir, menyadari bahwa hitungan HF yang menjalankan basis set kecil seringkali lebih cenderung mendapatkan penyelesaian SCF tidak stabil daripada hitungan yang lebih besar.
Kadang-kadang hal ini sebagai suatu hasil kontaminasi spin; dalam kasus lain, pengabaian korelasi elektron pada asalnya.
Sistem molekuler yang sama dapat atau tidak dapat mengarah ke suatu ketidakstabilan ketika dimodelkan dengan basis set lebih besar atau metode lebih akurat seperti DFT.
Meskipun begitu, fungsi gelombang harus tetap dicek untuk kestabilan dengan opsi SCF=Stable.
Penghitungan energi biasanya dilakukan untuk suatu sistem molekuler yang memiliki suatu struktur geometri spesifik.
Kita sudah ketahui bahwa perubahan pada struktur molekul biasanya menghasilkan perbedaan dalam haga energi dan sifat-sifat lain.
Cara energi suatu sistem molekul bervariasi terhadap perubahan kecil dalam strukturnya ditentukan oleh permukaan energi potensial-nya (PES).
Suatu PES adalah rumusan matematik yang menghubungkan struktur molekul dan energi yang dihasilkan.
Untuk molekul diatomik terdapat plot 2 dimensi dengan pemisahan antar inti pada sumbu X dan energi pada panjang ikatan itu pada sumbu Y, menghasilkan suatu kurva.
Untuk sistem yang lebih besar, permukaan memiliki dimensi sebanyak derajat kebebasan dalam molekul.
Suatu PES sering digambarkan seperti gambar di bawah ini. Macam gambar ini hanya memperhatikan 2 derajat kebebasan dalam molekul, dan menggambarkan energi di atas bidang yang didefinisikan, membuat suatu permukaan yang tepat.
Suatu titik berkaitan dengan harga tertentu dari dua variabel struktur - dan itu merepresentasikan suatu struktur molekul tertentu dengan tinggi permukaan pada titik itu sesuai dengan energi struktur itu.
global maximum local minimum saddle point local maximum global minimum local minimum
Ada tiga minima pada permukaan potensial. Suatu Minimum adalah bagian bawah lembah pada permukaan potensial.
Dari titik seperti itu, gerakan dalam suatu arah - metapor fisik yang sesuai yang mengubah struktur sedikit mengarah ke energi lebih tinggi.
Suatu Minimum dapat menjadi minimum lokal, berarti bahwa ini titik terendah dalam beberapa daerah terbatas dari permukaan potensial, atau ini akan menjadi minimum global, titik energi terendah dimanapun pada permukaan potensial.
Minima terjadi pada struktur kesetimbangan sistem, dengan minima berbeda sesuai dengan konformasi berbeda atau isomer struktur dalam kasus molekul tunggal, atau molekul reaktan dan produk dalam kasus sistem multikomponen.
Puncak-puncak dan bukit-bukit sesuai dengan maksima pada permukaan energi potensial.
Suatu puncak adalah maksimum dalam semua arah (yaitu keduanya sepanjang dan melintas bukit).
Suatu titik rendah sepanjang bukit - suatu gunung melintang dalam metapor topografik adalah suatu minimum lokal dalam satu arah (sepanjang bukit), dan suatu maksimum dalam arah lain.
Suatu titik yang maksimum dalam satu arah dan suatu minimum dalam arah lain (atau dalam semua arah yang lain dalam kasus permukaan potensial dimensi yang lebih besar) disebut saddle point (titik pelana, sesuai bentuknya).
Sebagai contoh, titik pelana dalam diagram adalah suatu minimum sepanjang bukitnya dan suatu maksimum sepanjang garis yang menghubungkan minima pada sisi lain bukit.
Suatu titik pelana sesuai dengan suatu struktur transisi yang menghubungkan dua struktur kesetimbangan.
Optimasi geometri biasanya berusaha untuk menemukan minima pada permukaan energi potensial, dengan demikian memprediksi struktur kesetimbangan dari sistem molekuler.
Optimasi dapat juga menemukan struktur transisi. Tetapi, dalam bagian ini fokus pokoknya pada optimasi menuju minima.
Optimasi menuju minima disebut minimisasi.
Pada titik minima dan pelana, turunan pertama energi (gradient/kemiringan) sama dengan nol.
Karena gradient adalah negatif gaya-gaya, gaya-gaya itu juga berharga nol pada suatu titik.
Suatu titik pada permukaan energi potensial dimana gaya-gaya berharga nol disebut suatu stationary point (titik diam/seimbang).
Semua optimasi yang sukses menemukan suatu titik seimbang, meski tidak selalu sesuatu yang diharapkan.
Suatu optimasi geometri bermula pada struktur molekul yang ditentukan sebagai input-nya, dan bertahap sepanjang permukaan energi potensial.
Optimasi menghitung energi dan gradient pada titik itu, dan kemudian menentukan sejauh mana dan dalam arah yang mana untuk membuat step berikutnya.
Gradient mengindikasikan arah sepanjang permukaan dimana energi berkurang paling cepat dari titik terkait yang ada sebagaimana kecuraman slope itu.
Kebanyakan algoritma optimasi juga mengestimasi atau menghitung harga turunan kedua energi terhadap koordinat molekuler, pembaruan matrik konstanta gaya (dikenal sebagai hessian).
Konstanta-konstanta gaya ini menentukan lengkungan permukaan pada titik tersebut, memberikan informasi tambahan yang berguna untuk menentukan step berikutnya.
Suatu optimasi selesai jika telah konvergen: pada dasarnya ketika gaya-gaya berharga nol, tahap berikutnya sangat kecil, di bawah harga yang telah ditetapkan lebih dulu oleh algoritma, dan beberapa kondisi yang lain telah terpenuhi.
Beberapa kriteria konvergen yang digunakan Gaussian adalah
Perhatikan bahwa perubahan energi diantara 2 titik bukanlah kriteria eksplisit/jelas untuk konvergensi.
Hal ini terlihat dalam uji ukuran step berikutnya, karena harga step kecil mendekati suatu minimum biasanya akan menghasilkan perubahan energi yang kecil.
Adanya empat kriteria konvergensi yang nyata mencegah suatu identifikasi minimum yang prematur/pradini.
Sebagai contoh, secara umum, mendekati lembah datar pada permukaan energi potensial, gaya-gaya mungkin menjadi mendekati nol (dalam toleransi) sedangkan step terhitung tetap cukup besar selagi optimasi menuju bagian paling bawah dari lembah kurva.
Atau, dalam daerah yang sangat curam, ukuran step dapat menjadi sangat kecil sedangkan gaya-gaya tetap cukup besar.
Pengecekan harga rms untuk hal tertentu juga menjaga terhadap harga toleransi yang jelek untuk suatu kriteria yang mengarah ke prediksi minimum yang salah.
Ada satu perkecualiaan kriteria yang bisa dilihat, dirancang untuk membantu dalam hal optimasi molekul besar.
Ketika gaya-gaya besarnya pangkat 2 lebih kecil daripada harga cutoff (yaitu 1/100 harga batas), maka geometri dipandang konvergen sekalipun jaraknya lebih besar daripada harga cutoff.
Kriteria ini dipakai pada permukaan energi potensial yang sangat datar mendekati minimum, umumnya untuk molekul besar.
Kata-kunci Opt dalam bagian Route diperlukan untuk optimasi geometri, penggunaan basis set dan level teori ditentukan oleh kata-kunci lainnya.
Dalam Gussian, spesifikasi molekul untuk optimasi geometri dapat diberikan dalam suatu format yang diinginkan: koordinat Cartesian, Z-matrik, atau campuran keduanya.
Job optimasi geometri akan menghasilkan struktur sistem yang teroptimasi sebagai outputnya.
Sebelum itu, persyaratan untuk spesifikasi molekuler optimasi geometri harus dipenuhi.
Etilena adalah molekul yang sangat simetrik. Berikut file input optimasi dalam geometri:
#T RHF/6-31G(d) Opt Test
Ethylene Geometry Optimization
0 1
C
C 1 CC
H 1 CH 2 HCC
H 1 CH 2 HCC 3 180.
H 2 CH 1 HCC 3 180.
H 2 CH 1 HCC 4 180.
Variables:
CC = 1.31
CH = 1.07
HCC = 121.5
Harga 180° untuk tiga sudut dihidral menentukan molekul dalam orientasi planar.
Kita lihat output optimasi etilena. Setelah beberapa awalan output dari porsi setup job optimasi, Gaussian menampilkan suatu bagian seperti berikut setiap step (tidak muncul jika menggunakan #T):
GradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGrad
Berny optimization.
Search for a local minimum.
Step number 3 out of a maximum of 25
...
Item Value Threshold Converged?
Maximum Force 0.000084 0.000450 YES
RMS Force 0.000045 0.000300 YES
Maximum Displacement 0.000374 0.001800 YES
RMS Displacement 0.000269 0.001200 YES
Predicted change in Energy--7.939220D-08
'Maximum displacement adalah perubahan terbesar suatu koordinat dalam struktur molekul. Kolom 'threshold' menunjukkan harga 'cutoff untuk setiap kriteria.
Struktur baru diturunkan pada step ini sesuai output ini.
Ketika empat harga dalam kolom 'Converged? Berisi YES maka optimasi selesai dan memusat, barangkali minimum lokal.
Untuk optimasi etilena, konvergensi terjadi setelah 3 step. Setelah setiap step selesai, hitungan energi single point menyusul pada titik baru pada permukaan energi potensial, menghasilkan output normal untuk suatu hitungan.
Ketika optimasi memusat (konvergen), maka diketahui struktur tersebut adalah final dan karena itu berakhirlah hitungan pada titik itu.
Oleh karena itu energi struktur teroptimasi ditemukan dalam komputasi energi single point untuk step seblumnya dengan kata lain, hasilnya muncul sebelum uji konvergensi berhasil dalam output.
Berikut ini energi prediksi untuk etilena:
SCF Done: E (RHF) = -78.0317180626
A.U. after 6 cycles
Hitungan energi single point harus dijalankan dari struktur teroptimasi. Energi etilena ini sesuai dengan titik stasioner pada permukaan energi potensial.
Dalam kasus ini terjadi ketika minimum.
Struktur teroptimasi final muncul setelah uji konvergensi final:
Stationary point found.
! Optimized Parameters
! (Angstroms and Degrees)
! Name Definition Value Derivative Info.
! R1 R(1,2) 1.317 -DE/DX -0.0001
! R2 R(1,3) 1.076 -DE/DX = 0.
! R3 R(1,4) 1.076 -DE/DX 0.
! R4 R(2,5) 1.076 -DE/DX - 0.
! R5 R(2,6) 1.076 -DE/DX= 0.
! A1 A(2,1,3) 121.7952 -DE/DX = 0.
! A2 A(2,1,4) 121.7952 -DE/DX = 0.
! A3 A(3,1,4) 116.4096 -DE/DX- -0.0001
! A4 A(1,2,5) 121.7952 -DE/DX= 0.
! A5 A(1,2,6) 121.7952 -DE/DX = 0.
! A6 A(5,2,6) 116.4096 -DE/DX -0.0001
! D1 D(3,1,2,5) 180. -DE/DX- 0.
! D2 D(3,1,2,6) 0. -DE/DX= 0.
! D3 D(4,1,2,5) 0. -DE/DX = 0.
! D4 D(4,1,2,6) 180. -DE/DX = 0.
! Standard orientation:
Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)
Number Number Type X Y Z
1 6 0 0.000000 0.000000 0.658510
2 6 0 0.000000 0.000000 -0.658510
3 1 0 0.000000 0.914545 1.225447
4 1 0 0.000000 -0.914545 1.225447
5 1 0 0.000000 -0.914545 -1.225447
6 1 0 0.000000 0.914545 -1.225447
'Optimized Parameters' adalah panjang ikatan teroptimasi (dinamai Rn), sudut ikatan (An) dan sudut dihedral (Dn) untuk struktur teroptimasi.
Nomor atom yang dipakai ada dalam kurung. Atom dalam molekul dinomori menurut urutan dalam bagian spesifikasi molekul.
Nomor pusat ini juga muncul dalam koordinat Cartesian untuk ungkapan struktur teroptimasi dalam orientasi standar yang mengikuti daftar parameter teroptimasi.
Dalam contoh ini, 2 panjang ikatan hanya berubah sedikit ketika sudut ikatan C-C-H meningkat sekitar 0,3 derajat.
Bagian lain file output menampilkan analisis populasi, orbital molekul (jika diminta dengan Pop Reg) dan perubahan atomik dan momen dipol untuk struktur teroptimasi.
Fasilitas optimasi dapat digunakan untuk menemukan struktur transisi sebagai struktur keadaan dasar karena keduanya sesuai dengan titik seimbang pada permukaan energi potensial.
Tetapi penemuan secara langsung suatu struktur transisi yang diinginkan dengan menentukan suatu perkiraan yang masuk-akal merupakan tantangan dalam banyak kasus.
Gaussian memasukkan fasilitas untuk penurunan secara otomatis suatu struktur awal untuk optimasi keadaan transisi berdasarkan reaktan dan produk dimana struktur transisi berhubungan, dkenal sebagai metodde STQN.
Prosedur ini diminta dengan opsi QST2 pada kata-kunci Opt. File input yang menggunakan opsi ini akan memasukkan dua judul dan spesifikasi molekuler.
Fasilitas menurunkan suatu perkiraan untuk struktur transisi yang merupakan pertengahan antara reaktan dan produk, dalam istilah koordinat internal yang berlebihan.
Optimasi struktur transisi reaksi $H_{3}CO \rightarrow H_{2}COH$ (reaksi pergeseran 1,2 hidrogen sederhana).
Kita tentukan hitungan UHF (open shell) karena sistem molekul adalah suatu doblet. File inputnya sebagai berikut:
#T UHF/6-31G(d) Opt=QST2
H3CO -> H2COH Reactants
0,2
C
O 1 1.48
H 1 R 2 A
H 1 1.08 2 110. 3 120.
H 1 1.08 2 110. 3 -120.
R=1.08
A=110.
H3CO -> H2COH Reactants
0,2
C
O 1 1.48
H 1 R 2 A
H 1 1.08 2 110. 3 120.
H 1 1.08 2 110. 3 -120.
R=1.9
A=30.
Fasilitas STQN meminta atom yang bersangkutan muncul dalam urutan sama dengan dua spesifikasi molekul (tidak ada masalah baik reaktan atau produk yang muncul pertama).
Tetapi ikatan dalam dua struktur tidak perlu sama.
Dalam struktur transisi prediksi, atom hidrogen terikat lemah dengan kedua atom karbon dan oksigen:
Distance matrix (angstroms) :
C O H H H
1 C 0.000000
2 O 1.367509 0.000000
3 H 1.277596 1.186183 0.000000
4 H 1.078141 2.093325 2.014062 0.000000
5 H 1.078141 2.093325 2.014062 1.852283 0.000000
Untuk banyak kasus yang rumit, Gaussian juga melengkapi opsi QST3 untuk OPT, yang mengoptimasi suatu struktur keadaan transisi didasarkan pada reaktan, produk dan dugaan yang diajukan untuk sgeometri truktur transisi.
Ada beberapa sistem dengan prosedur optimasi standar tidak dapat berhasil dengan baik.
Problem umum dalam banyak kasus rumit adalah konstanta gaya yang diestimasi oleh prosedur optimasi berbeda harga dengan harga yang sebenarnya.
Secara standar, optimasi geometri bermula dengan suatu perkiraan awal untuk turunan matrik kedua yang diturunkan dari suatu medan gaya valensi sederhana.
Matrik perkiraan diperbaiki pada setiap step optimasi menggunakan turunan pertama yg dihitung.;
Ketika perkiraan awal ini tidak baik, maka diperlukan cara yang lebih rumit lagi untuk menurunkan konstanta gaya.
Hal ini penting khususnya untuk optimasi keadaan transisi. Gaussian menyediakan berbagai variasi cara untuk menurunkannya.
Opt=ReadFC
Membaca konstanta gaya awal dari file checkpoint yang dibuat oleh penghitungan frekuensi (biasanya menggunakan level teori lebih rendah dan basis set yang lebih kecil), lebih baik daripada mengestimasinya.
Pilihan ini dapat membantu untuk mengawali suatu optimasi yang salah dalam arah yang benar.
Pilihan ini juga akan meminta agar baris %Chk filename mendahului bagian route input, menetapkan nama file checkpoint.
Opt=CalcFC
Menghitung konstanta gaya pada titik awal menggunakan metode dan basis set yang sama untuk optimasi sendiri.
Opt=CalcAll
Menghitung konstanta gaya pada setiap titik dalam optimasi. Ini prosedur yang mahal dan hanya diperlukan dalam situasi drastis.
Memasukkan ReadFC juga berguna kapan saja telah siap melakukan penghitungan frekuensi pada level teori rendah.
Ketika mendapat kasus rumit dan tidak dimiliki job frekuensi sebelumnya, maka CalcFC adalah baik sebagai pilihan pertama.
CalcAll seharusnya dicadangkan untuk lingkungan yang paling drastis.
Kadang-kadang suatu optimasi perlu step lebih banyak daripada prosedur standar.
Kita dapat menambah jumlah step maksimum dengan opsi MaxCycle ke kata-kunci Opt.
Jika file checkpoint sudah disimpan, maka mungkin juga me-restart optimasi gagal, menggunakan kata-kunci Opt=Restart.
Jika suatu optimasi keluar dari step, jangan mengasumsi secara buta bahwa menambah jumlah step akan memperbaiki masalah.
Ujilah output dan tentukan apakah optimasi ada kemajuan atau tidak.
Lakukan optimasi geometri untuk dua konformer propena, dimana sudut dihedral C-C-C-H adalah 180° (kiri) atau 0° (kanan).
Apa perbedaan antara dua geometri teroptimasi itu?
Gunakan file input berikut ini untuk sudut dihedral 180°:
#T RHF/6-31G(d) FOpt Test
Propene CCCH=180 RHF/6-31G(d) Optimization
0 1
C
C 1 R2
C 2 R3 1 A3
H 1 R4 2 A4 3 0.
H 1 R5 2 A5 3 180.
H 2 R6 1 A6 4 180.
H 3 R7 2 A7 1 180.
H 3 R8 2 A8 1 D8
H 3 R8 2 A8 1 -D8
Variables:
R2 = 1.34
R3 = 1.52
R4 = 1.079
R5 = 1.081
R6 = 1.080
R7 = 1.089
R8 = 1.091
A3 = 120.01
A4 = 120.02
A5 = 120.03
A6 = 120.04
A7 = 109.469
A8 = 109.471
D8 = 60.0
Gunakan file input berikut ini untuk sudut dihedral 0°:
#T RHF/6-31G(d) Opt Test
Propene CCCH = 0 RHF/6-31G(d) Optimization
0 1
C
C 1 R2
C 2 R3 1 A3
H 1 R4 2 A4 3 0.
H 1 R5 2 A5 3 180.
H 2 R6 1 A6 4 180.
H 3 R7 2 A7 1 0.
H 3 R8 2 A8 1 D8
H 3 R8 2 A8 1 -D8
Variables:
R2 = 1.34
R3 = 1.52
R4 = 1.079
R5 = 1.081
R6 = 1.080
R7 = 1.089
R8 = 1.091
A3 = 120.01
A4 = 120.02
A5 = 120.03
A6 = 120.04
A7 = 109.469
A8 = 109.471
D8 = 120.0
Lakukan optimasi geometri untuk dua konformer Vinyl Alcohol. Sebagai tambahan, optimasi konformasi asetaldehid, suatu struktur isomer Vinyl Alcohol.
Apakah tiga bentuk itu menggambarkan minima pada permukaan energi potensial? Berapa perbedaan energi antara tiga bentuk tersebut?
Gunakan file input berikut untuk 0° :
#T RHF/6-31G(d) Opt Test
Vinyl Alcohol CCOH=0 Geom. Opt.
0 1
C
C 1 R2
O 2 R3 1 A3
H 3 R4 2 A4 1 0.
H 2 R5 1 A5 3 180.
H 1 R6 2 A6 3 180.
H 1 R7 2 A7 3 0.
R2 1.33
R3 1.32
R4 0.978
R5 0.990
R6 0.989
R7 0.988
A3 119.73
A4 109.45
A5 119.94
A6 119.50
A7 119.45
Gunakan file input berikut untuk 180°:
#T RHF/6-31G(d) Opt Test
Vinyl Alcohol CCOH=180 Geom. Opt.
0 1
C
C 1 R2
O 2 R3 1 A3
H 3 R4 2 A4 1 180.
H 2 R5 1 A5 3 180.
H 1 R6 2 A6 3 180.
H 1 R7 2 A7 3 0.
R2 1.33
R3 1.32
R4 0.978
R5 0.990
R6 0.989
R7 0.988
A3 119.73
A4 109.45
A5 119.94
A6 119.50
A7 119.45
Gunakan file input berikut untuk asetaldehid:
#T RHF/6-31G(d) Opt Test
Acetaldehyde Geom. Opt.
0 1
C
C 1 R2
H 1 R3 2 A3
H 1 R4 2 A4 3 D4
H 1 R4 2 A4 3 -D4
O 2 R6 1 A6 3 0.
H 2 R7 1 A7 3 180.
Variables:
R2 = 1.54
R3 = 1.09
R4 = 1.08
R6 = 1.22
R7 = 1.10
A3 = 110.5
A4 = 109.9
A6 = 124.3
A7 = 114.2
D4 = 120.6
Jalankan optimasi geometri untuk Vinyl Amine Planar!
Buatlah review optimasi deret senyawa vinyl yang telah dilakukan, dan ringkas pengaruh gugus substituent untuk sifat-sifat berikut:
Optimasikan struktur Chromium Hexacarbonil pada level HF, menggunakan basis set STO-3G atau 3-21G.
Memasukkan SCF=NoVarAcc dalam bagian route (opsi ini meminta untuk menggunakan penuh kriteria konvergensi selama komputasi SCF, dan hal ini membantu dalam konvergensi hitungan ini).
Input molekul ini paling mudah dengan koordinat Cartesian. Susun file input sebagai berikut:
#RHF/3-21G Opt Test SCF NoVarAcc
Cr (CO) 6 3-21G Optimization
0 1
Cr 0.00 0.00 0.00
C 1.93 0.00 0.00
C -1.93 0.00 0.00
C 0.00 1.93 0.00
C 0.00 -1.93 0.00
C 0.00 0.00 1.93
C 0.00 0.00 -1.93
O 3.07 0.00 0.00
O -3.07 0.00 0.00
O 0.00 3.07 0.00
O 0.00 -3.07 0.00
O 0.00 0.00 3.07
O 0.00 0.00 -3.07
Bandingkan panjang ikatan C-Cr dan C O dalam penggunaan kedua basis set yang berbeda tadi dengan hasil eksperimen:
C-Cr = 1,92 C-O = 1,16 .
Kita perlu melakukan hitungan NMR Hartree-Fock menggunakan basis set 6-311G(2d,p).
Hitunglah sifat NMR pada optimasi geometri dengan metoda B3LYP dan basis set 6-31g(d). File inputnya sebagai berikut:
%Chk=benzene
#T B3LYP/6-31G(d) Opt Test
Benzene Opt & NMR
0,1
C
C,1,CC
C,1,CC,2,120.
C, 2, CC, 1,120.,3,0,
C, 3, CC, 1, 120.,2,0.
C, 4, CC, 2, 120.,1,0.
H,1,CH,2,120.,4,180.
H, 2, CH, 1,120.,7,0.
H, 3, CH, 1,120.,7,0.
H, 4, CH, 2,120.,8,0.
H, 5, CH, 3, 120.,9,0.
H, 6, CH, 4,120.,10,0.
CC-1.38617
CH 1.07561
--Linkl--
%Chk benzene
%NoSave
#T HF/6-311+G(2d,p) NMR Geom AllCheck Guess Read Test
Kita juga perlu menjalankan job ini untuk benzena dan TMS (jika menjalankan keduanya bersamaan, maka spesifikasi nama file checkpoint dalam file input harus berbeda).
File inputnya sebagai berikut:
%Chk=TMS
#T B3LYP/6-31G(d) Opt
TMS, Opt + NMR
0,1
C
Si,1,rsic
C,2,rsic,1,acsic
C,2,rsic,1,acsic,3,dtet,0
C,2,rsic,1,acsic, 3,-dtet, 0
H,1,rch,2,ach, 3,d6,0
... (dan seterusnya) ...
rsic 1.867963
acsic 109.471222
rch=1.077794
ach=111.579674
... (dan seterusnya) ...
dtet 120.
--Linkl-
%Chk=TMS
NoSave
#T RHF/6-311+G(2d,p) Geom AllCheck Guess Read NMR Test
Jalankan dua job di atas dan catatlah harga 'shielding absolut' dari TMS dan benzena, lalu hitunglah harga geseran relatifnya dan bandingkan dengan harga hasil eksperimen sebesar 130.9!
Lihat hasilnya pada output!
Untuk benzena:
Calculating GIAO nuclear magnetic shielding tensors.
SCF GIAO Magnetic shielding tensor (ppm):
1 C Isotropic = 57.6205 Anisotropy = 194.3788
Untuk TMS:
Calculating GIAO nuclear magnetic shielding tensors.
SCF GIAO Magnetic shielding tensor (ppm):
1 C Isotropic 188.7867 Anisotropy = 19.4904
Sehingga geseran relatifnya $a = 188,7867 - 57.6205 = 131,1662$. Hasil yang sangat mendekati harga eksperimen!
Prediksikan struktur dari struktur transisi untuk reaksi: $SiH_{4} \rightarrow SiH_{2} + H_{2}$
Berapa panjang ikatan prediksi untuk Si-H dan H-H untuk pelepasan atom-atom H?
Gunakan file input berikut:
#T RHF/6-31G(d) Opt=(QST2, AddRedundant) Test
SiH2 + H2 -> SiH4 Reactants
0,1
Si
X 1 1.0
H 1 1.48 2 55.0
H 1 1.48 2 55.0 3 180.0
H 1 R 2 A1 3 90.0
H 1 R 5 A2 2 180.0
R=2.0
A1=80.0
A2=22.0
SiH2 + H2 -> SiH4 Products
0,1
Si
X 1 1.0
H 1 1.48 2 55.0
H 1 1.48 2 55.0 3 180.0
H 1 R 2 A1 3 90.0
H 1 R 5 A2 2 180.0
R=1.48
A1=125.2
A2=109.5
Optimasi dalam koordinat internal redundant memiliki banyak rekomendasi daripada setup input yang mudah.
Juga menggambarkan pendekatan yang paling effisien untuk optimasi geometri, mengatasi kesulitan dan defisiensi koordinat Cartesian dan Z-matrik (koordinat internal).
Lakukan optimasi struktur bisiklo[2..2.2]oktana menggunakan tiga prosedur optimasi yang berbeda:
Gunakan file input berikut ini:
#T RHF/6-31G(d) Opt Test
Bicyclo[2.2.2]octane RI Opt
0,1
C
c 1 r1
c 1 r2 2 a2
c 1 r2 2 a2 3 120.
c 1 r2 2 a2 3 240.
c 2 r2 1 a2 3 d2
c 2 r2 1 a2 6 120.
c 2 r2 1 a2 6 240.
... (dan seterusnya) ...
r1=2.579
r2=1.5396
r3=1.0895
r4=1.0867
r5=1.0868
a2=70.091
a4=109.2484
a5=110.4824
d2=6.3053
d4=114.9771
d5=-127.9986
--Linkl--
#T RHF/6-31G(d) Opt=Cartesian Test
Bicyclo[2.2.2]octane CC Opt
0,1
C 0.000000000000 0.000000000000 0.000000000000
C 0.000000000000 0.000000000000 2.579000000000
... (koordinat Cartesian) ...
--Linkl--
#T RHF/6-31G (d) Opt-Z-Matrix Test
Bicyclo[2.2.2]octane ZM Opt
0,1
C
c 1 r1
... (Z-matrix) ...
r1=2.579
r2=1.5396
r3=1.0895
r4=1.0867
r5=1.0868
a2=70.091
a4=109.2484
a5=110.4824
d2=6.3053
d4=114.9771
d5=-127.9986
Bandingkan jumlah step optimasi yang diperlukan setiap prosedur. Mana yang paling efisien dan paling cepat konvergen?
Bagian ini mendiskusikan penggunaan penghitungan frekuensi menggunakan Gaussian. Penghitungan frekuensi dapat menyediakan sejumlah kegunaan yang berbeda:
Penghitungan energi dan optimasi geometri mengabaikan vibrasi dalam sistem molekuler.
Dalam cara ini, komputasi ini menggunakan gambaran posisi inti ideal (geometri kesetimbangan dikeluarkan oleh teori struktur elektronik sesuai dengan geometri spektroskopik Re, yang mengasumsikan bahwa tidak ada gerakan inti. Berlawanan dengan geometri Ro, didefinisikan melalui posisi inti rata-rata vibrasi).
Kenyataannya, suatu inti molekul tetap bergerak. Dalam keadaan kesetimbangan, vibrasi ini reguler dan dapat diprediksi, dan molekul dapat diidentifikasi dengan spektra karakteristiknya.
Gaussian dapat menghitung spektra vibrasi molekul dalam keadaan dasar dan ter-eksitasi.
Selain untuk memprediksi frekuensi dan intensitas garis spektra, program dapat juga menggambarkan perpindahan suatu sistem yang berlangsung dalam mode normal-nya.
Gunakan cara lain, ini dapat memprediksi arah dan besar-nya perpindahan inti yang terjadi ketika sistem meng-absorb suatu quantum energi.
Frekuensi molekul bergantung pada turunan kedua energi terhadap posisi inti.
Turunan kedua analitik tersedia untuk Hartree-Fock (kata-kunci HF), Density Functional Theory (utamanya kata-kunci B3LYP), Moller-Plesset orde kedua (kata-kunci MP2) dan prosedur teoretik CASSCF (kata-kunci CASSCF).
Turunan kedua numerik yang lebih banyak menghabiskan waktu tersedia untuk metode lain.
Gaussian dapat juga memprediksi beberapa sifat lain bergantung turunan kedua atau yang lebih tinggi dari energi, seperti polarisabilitas dan hiperpolarisabilitas.
Keduanya bergantung pada turunan kedua terhadap suatu medan listrik, dan dimasukkan secara otomatik dalam setiap penghitungan frekuensi HF.
Memasukkan kata-kunci Freq dalam bagian Route berarti meminta suatu job frekuensi.
Karena sifat dasar komputasi yang terkait, penghitungan frekuensi hanya valid pada titik stasioner/seimbang pada permukaan energi potensial.
Jadi, penghitungan frekuensi harus dilakukan pada struktur yang sudah teroptimasi.
Karena alasan ini, maka penting untuk menjalankan terlebih dahulu optimasi geometri sebelum penghitungan frekuensi.
Cara yang paling baik adalah dengan memasukkan Opt dan Freq sekaligus dalam bagian route job, yang meminta optimasi geometri kemudian diikuti dengan cepat penghitungan frekuensi.
Kemungkinan lain, beri geometri teroptimasi dalam bagian spesifikasi molekul untuk hanya job frekuensi.
Job frekuensi harus menggunakan model teoretis dan basis set yang sama seperti yang dipakai dalam optimasi geometri.
Frekuensi yang dihitung dengan basis set atau prosedur yang berbeda tidak memiliki validitas.
Dalam bagian ini akan digunakan basis set 6-31G(d) untuk semua contoh dan latihan.
Basis set ini adalah basis set terkecil yang memberikan hasil yang baik untuk penghitungan frekuensi.
Catatan: File sampel job pada bagian ini umumnya tidak memasukkan step optimasi.
Spesifikasi molekul dalam file input ini telah diatur sesuai dengan harga teroptimasi.
Tujuan: Menghitung frekuensi formaldehida pada keadaan stasioner.
Dalam contoh ini kita akan melihat frekuensi formaldehid pada level HF. File inputnya sebagai berikut:
%chk=formaldehyde
#T RHF/6-31G(D) Opt Test
Formaldehyde Optimization
0,1
C
O,1,AB
H,1,AH,2,HAB
H,1,AH,2,HAB,3,180.
AB=1.18429
AH=1.09169
HAB=122.13658
--Link1--
%chk=formaldehyde
%NoSave
#T RHF/6-31G(D) Freq Test
Formaldehyde Frequencies
0,1
C
O,1,AB
H,1,AH,2,HAB
H,1,AH,2,HAB,3,180.
AB=1.18429
AH=1.09169
HAB=122.13658
Job frekuensi dimulai dengan menghitung energi struktur input, setelah itu baru menghitung frekuensi pada struktur itu.
Gaussian memprediksi frekuensi, intensitas, dan rasio depolarisasi Raman dan aktivitas hamburan untuk setiap garis spektral.
| Mode | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Simetri | B1 | B2 | A1 | A1 | A1 | B2 |
| Frequencies | 1336.0043 | 1383.6450 | 1679.5843 | 2028.0966 | 3159.3252 | 3231.2607 |
| IR Inten | 0.3694 | 23.1585 | 8.6240 | 150.1839 | 49.7075 | 135.8564 |
Data di atas menunjukkan harga prediksi untuk enam garis spektral formaldehida.
Garis paling kuat (IR) adalah garis ke-4 pada 2028,1 cm⁻¹.
Harga frekuensi kasar yang dihitung pada level HF mengandung kesalahan sistematik berkaitan dengan pengabaian korelasi elektron, dihasilkan data yang lebih besar sekitar 10% - 20%.
Karena itu biasanya dilakukan penskalaan prediksi frekuensi level HF dengan faktor empirik 0,8929.
Penggunaan faktor ini dapat memberikan hasil yang sangat bersesuaian dengan hasil eksperimen untuk rentang sistem yang luas.
Frekuensi yang dihitung dengan metode selain HF juga diskalakan untuk mengurangi kesalahan sistematik yang sudah diketahui.
Pada umumnya faktor skala empiriknya berbeda sedikit dan karena itu dapat menggunakan faktor empirik level HF, yaitu 0,8929.
Tetapi untuk mendapatkan hasil yang lebih tepat maka faktor skala harus sesuai dengan variasi metode dan basis set yang dipakai.
Disamping frekuensi dan intensitas, output juga menampilkan pemindahan inti sesuai dengan mode normal yang dihubungkan dengan garis spektral.
Pemindahan disajikan sebagai koordinat XYZ dalam orientasi standar:
| Center Number | Atomic Number | Atomic Type | X | Y | Z |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 6 | 0 | 0.000000 | 0.000000 | -0.519556 |
| 2 | 8 | 0 | 0.000000 | 0.000000 | 0.664734 |
| 3 | 1 | 0 | 0.000000 | 0.924424 | -1.100269 |
| 4 | 1 | 0 | 0.000000 | -0.924424 | -1.100269 |
Atom karbon dan oksigen diletakkan pada sumbu Z dan bidang molekul berhimpit dengan bidang YZ.
Berikut mode normal final formaldehida:
| Atom | AN | X | Y | Z |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 6 | 0.17 | 0.00 | 0.00 |
| 2 | 8 | -0.04 | 0.00 | 0.00 |
| 3 | 1 | -0.70 | 0.00 | 0.00 |
| 4 | 1 | -0.70 | 0.00 | 0.00 |
Dalam orientasi standar, koordinat X untuk 4 atom adalah 0.
Ketika menginterpretasikan output mode normal, tanda dan harga relatif pemindahan untuk atom yang berbeda adalah lebih penting dari pada besar eksaknya.
Jadi untuk mode normal ini, dua atom hidrogen mayoritas mengalami vibrasi banyak sekali, dalam arah X negatif.
Hal ini berarti bahwa mereka bergerak tegak lurus pada bidang molekul.
Walaupun harga di sini terkesan gerakan ke bawah bidang molekul, tetapi diinterpretasikan sebagai gerakan berlawanan arah juga (dengan kata lain, sebagai gerakan sekitar posisi kesetimbangan).
Jadi hidrogen mengalami osilasi ke atas dan kebawah bidang molekul dalam mode ini.
Hasilnya adalah suatu puncak spektral IR sekitar 1189 cm⁻¹ (kurang lebih 0,8929 kali harga dalam output).
Gerakan dalam mode normal keempat lebih kompleks:
| Atom | AN | X | Y | Z |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 6 | 0.00 | 0.00 | 0.58 |
| 2 | 8 | 0.00 | 0.00 | 0.41 |
| 3 | 1 | 0.00 | -0.46 | -0.19 |
| 4 | 1 | 0.00 | 0.46 | -0.19 |
Di sini, harga pemindahan mengindikasikan bahwa atom oksigen dan karbon bergerak mendekat secara bersama, dan dua atom hidrogen saling mendekat, hasilnya pengurangan sudut ikatan H-C-H.
Vibrasi yang sebenarnya juga terjadi dalam arah sebaliknya, dihasilkan dalam peregangan ikatan C-O, dan dua hidrogen bergerak saling menjauh.
Mode ini sesuai dengan puncak IR yang berkaitan dengan regangan karbonil.
Biasanya untuk mengidentifikasi ikatan dobel C-O. Frekuensi prediksinya kurang lebih 1810 (setelah penskalaan).
Ini adalah kesesuaian yang masuk akal dengan harga eksperimen sebesar 1746. Menggunakan basis set yang lebih besar akan memperbaiki harga ini.
Analisis mode normal memberi contoh informasi yang baik yang dapat diperoleh hanya melalui hitungan teoritis, karena data spektroskopi tidak langsung mengindikasikan tipe spesifik gerakan inti yang menghasilkan setiap puncak.
Catat bahwa mungkin juga untuk menganimasi mode vibrasi melalui program komputer tertentu (misalnya HyperChem).
Semua hitungan frekuensi memasukkan analisis termokimia sistem.
Diasumsikan analisis dilaksanakan pada temperatur 298,15 K dan tekanan 1 atmosfir, menggunakan isotop utama untuk setiap jenis unsur.
Berikut awal output termokimia untuk formaldehida (diperoleh jika job menggunakan #p):
- Thermochemistry -
Temperature 298.150 Kelvin. Pressure 1.00000 Atm.
Atom 1 has atomic number 6 and mass 12.00000
Atom 2 has atomic number 8 and mass 15.99491
Atom 3 has atomic number 1 and mass 1.00783
Atom 4 has atomic number 1 and mass 1.00783
Molecular mass: 30.01056 amu.
Bagian ini mendaflar parameter yang digunakan untuk analisis termokimia: temperatur, tekanan dan isotop.
Gaussian memprediksi berbagai besaran termodinamika penting pada temperatur dan tekanan tertentu, memasukkan koreksi energi termal, kapasitas panas dan entropi.
Hal-hal ini dipccah lagi menjadi komponen sumbernya dalam output:
| Komponen | E (Thermal) KCal/Mol | CV Cal/Mol-Kelvin | S Cal/Mol-Kelvin |
|---|---|---|---|
| Total | 20.114 | 6.255 | 52.100 |
| Electronic | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| Translational | 0.889 | 2.981 | 36.130 |
| Rotational | 0.889 | 2.981 | 15.921 |
| Vibrational | 18.337 | 0.294 | 0.049 |
Kita dapat menentukan temperatur, tekanan, dan atau set isotop berbeda untuk analisis termokimia dengan menentukan opsi ReadIsotopes pada kata kunci Freq dalam bagian route.
Harga semua parameter kemudian harus ditentukan dalam bagian input terpisah mengikuti spesifikasi molekuler - dan dipisahkan dengan baris kosong.
Berikut ini format umum bagian input ReadIsotopes:
[Temperatur] [Tekanan] [Skala]
Isotop atom ke-1
Isotop atom ke-2
......
Isotop atom ke-N
Temperatur dalam °K, tekanan dalam atmosfir, faktor skala sebagai tambahan.
Isotop ditentukan sebagai bilangan bulat walaupun program akan menggunakan harga yang sesungguhnya.
Berikut ini bagian parameter termokimia file input formaldehida, meminta analisis dilakukan pada 400 K, di bawah tekanan 3 atmosfir, menggunakan isotop standar dan tanpa skala:
400 3.0
12
16
1
1
Bagian output termokimia juga memberi energi zero-point sistem.
Energi zero-point adalah koreksi energi elektronik molekul untuk efek vibrasi molekuler pada keadaan 0 Kelvin.
Ketika membandingkan hasil hitungan terhadap besaran termodinamika yang diekstrapolasikan ke nol Kelvin, energi zero-point perlu ditambahkan pada energi total.
Seperti halnya frekuensi, besaran prediksi ini diskalakan untuk mengurangi kesalahan sistematik yang diketahui.
Karena itu, jika kita tidak menentukan suatu faktor skala via input ke opsi ReadIsotopes, kita perlu mengalikan harga dalam output dengan faktor skala yang cocok.
Untuk memprediksi energi sistem pada temperatur yang lebih tinggi, koreksi energi termal harus ditambahkan ke energi total, yang memasukkan efek translasi molekuler, rotasi dan vibrasi pada temperatur dan tekanan tertentu.
Catat bahwa energi termal memasukkan secara otomatis energi zero-point, maka jangan tambahkan keduanya ke harga energi.
Ketika membandingkan hasil energi terhadap eksperimen yang dilakukan pada temperatur tertentu, koreksi energi termal yang diberikan dalam output harus ditambahkan ke total energi (jumlah ini juga diberikan dalam output).
Untuk mengalikan faktor skala yang cocok ke koreksi energi termal, kita harus menentukan faktor skala via input opsi ReadIsotopes.
Besaran yang dilaporkan dalam output tidak dapat dikalikan begitu saja dengan faktor skala sendiri sebagaimana ini disusun oleh beberapa batasan, maka hanya beberapa batasan yang diskalakan.
Berikut terlihat dalam output bagaimana zero-point dan sifat terkoreksi energi termal dari hitungan frekuensi:
Zero-point correction= 0.029201 (Hartree/Particle)
Thermal correction to Energy= 0.032054
Thermal correction to Enthalpy= 0.032999
Thermal correction to Gibbs Free Energy= 0.008244
Sum of electronic and zero-point Energies= -113.837130 (Eo=Eelec+ZPE)
Sum of electronic and thermal Energies= -113.834277 (E=Eo+Evib+Erot+Etrans)
Sum of electronic and thermal Enthalpies= -113.833333 (H = E + RT)
Sum of electronic and thermal Free Energies= -113.858087 (G = H - TS)
Energi zero-point kasar dan koreksi energi termal tertulis pertama, disusul energi sistem prediksi.
Output juga memasukkan koreksi dan harga prediksi final untuk entalpi dan energi bebas Gibbs.
Semua harga dalam satuan Hartrees.
Sifat pokok lain yang dihitung oleh job frekuensi adalah tensor polarisabilitas dan hiperpolarisabilitas.
Exact polarizability: 6.478 0.000 12.919 0.000 0.000 17.641
Approx polarizability: 6.257 0.000 10.136 0.000 0.000 16.188
Tensor diberikan dalam format segitiga lebih rendah (yaitu αxx, αxy, αyy, αxz, αyz, αzz) dalam orientasi standar.
Baris approx polarizability memberi hasil estimasi polarisabilitas yang kasar menggunakan teori perturbasi jumlah semua keadaan, sesuai dengan yang disarankan oleh beberapa penulis sebelumnya.
Dalam job Hartree-Fock normal, tensor hiperpolarisabilitas hanya diberikan dalam catatan arsip, dalam bagian yang dimulai Hyperpolar=.
Tensor ini juga aturan hedral lebih rendah, tetapi diungkapkan dalam input (Z-matriks) orientasi.
Jika bagian route dimulai dengan #P maka informasi tambahan akan ditampilkan.
Polarizability= 6.47820761D+00 6.84841903D-16 1.29193846D+01
4.34932938D-16 1.02140518D-14 1.76406813D+01
HyperPolar = 1.34432209D-15 1.91148689D-14-1.19338708D-15
-2.86205815D-14-3.29194995D+00-9.27141408D-16
-3.78952237D+01 7.63846720D-16 1.89141131D-13
-3.65521867D+01
Tensor sekali lagi dalam format triangular lebih rendah (tetrahedral), diungkapkan di sini dalam orientasi standar.
Kegunaan lain hitungan frekuensi adalah untuk menentukan sifat titik stasioner yang ditemukan dengan optimasi geometri.
Sudah kita catat, optimasi geometri memusat ke suatu struktur pada permukaan energi potensial dimana gaya-gaya dalam sistem pada dasarnya nol.
Struktur final dapat menyerupai suatu yang minimal pada permukaan energi potensial, atau dapat diungkapkan sebagai titik infleksi (saddle point), yang minimum terhadap beberapa arah pada permukaan dan maksimum dalam satu atau lebih yang lainnya.
Titik infleksi pertama - yang maksimum dalam satu arah yang eksak dan minimum dalam semua arah ortogonal yang lain - sesuai dengan struktur keadaan transisi yang menghubungkan dua minima.
Ada dua bagian informasi dari output yang kritis untuk karakterisasi titik stasioner:
Frekuensi imaginer terletak pada output hitungan frekuensi sebagai bilangan negatif.
Secara definisi suatu struktur yang memiliki n frekuensi imaginer adalah titik pelana order ke nth.
Jadi struktur transisi ordineri biasanya dikarakterisasi dengan satu frekuensi imaginer karena merupakan titik pelana order pertama.
Perlu diingat bahwa penemuan satu frekuensi imaginer secara pasti tidak menjamin bahwa kita telah menemukan suatu struktur transisi.
Titik pelana selalu menghubungkan dua minima pada permukaan energi potensial, tetapi minima ini mungkin bukan reaktan dan produk yang diinginkan.
Kapanpun suatu struktur menghasilkan suatu frekuensi imaginer, berarti ada beberapa distorsi geometri yang mana energi sistem lebih rendah dari pada struktur terkait (mengindikasikan suatu struktur yang lebih stabil).
Satu cara untuk melakukannya adalah dengan melihat mode normal sesuai dengan frekuensi imaginer dan menentukan apakah pergantian yang menyusannya cenderung ke arah struktur yang kita sangka menghubungkan struktur transisi.
Simetri mode normal juga relevan dalam beberapa kasus.
Animasi vibrasi dengan paket visualisasi kimia sering sangat berguna.
Hal lain, cara yang lebih akurat untuk menentukan reaktan dan produk struktur transisi yang menghubungkan adalah dengan melakukan hitungan IRC untuk mengikuti jalur reaksi dan sekitarnya menentukan reaktan dan produk secara eksplisit.
| Jika mencari … | dan hitungan frekuensi ditemukan | Berarti … | Jadi seharusnya … |
|---|---|---|---|
| Minimum | 0 frekuensi imaginer | Struktur adalah suatu minimum | Bandingkan energi isomer jika mencari minimum global |
| Minimum | ≥ 1 frekuensi imaginer | Struktur adalah titik pelana, bukan minimum | Teruskan mencari minimum (mencoba tidak membatasi simetri molekul atau mendistorsi molekul sepanjang mode normal sesuai frekuensi imaginer) |
| Keadaan transisi | 0 frekuensi imaginer | Struktur adalah suatu minimum, bukan titik pelana | Coba gunakan Opt=QST2 atau QST3 untuk menemukan TS (Transition State) |
| Keadaan transisi | 1 frekuensi imaginer | Struktur adalah keadaan transisi yang benar | Tentukan jika struktur menghubungkan reaktan dan produk yang benar dengan menguji mode normal frekuensi imaginer atau dengan menjalankan suatu penghitungan IRC |
| Keadaan transisi | >1 frekuensi imaginer | Struktur adalah titik pelana orde lebih tinggi, tetapi bukan struktur transisi yang menghubungkan 2 minima | QST2 dapat lagi digunakan. Sebaliknya, uji mode normal sesuai dengan frekuensi imaginer. Salah satunya akan menunjuk ke reaktan dan produk. Modifikasikan geometri berdasarkan penggantian dalam mode lain, dan jalankan lagi optimasi. |
Tujuan: Mengeksplorasi Permukaan Energi Potensial, C₃H₅F.
Lakukan job optimasi dan frekuensi pada tiga isomer 1-fluoropropene:
Semua optimasi harus sudah berhasil dilakukan dulu.
Job frekuensi untuk dua bentuk dimana sudut dihedral H-C-C-H adalah 0º tidak menghasilkan frekuensi imaginer, dan bentuk cis adalah lebih rendah energinya dibanding bentuk trans sekitar 0,63 kcal/mol.
... (lanjutan dari file input dan analisis untuk sistem C₃H₅F) ...
Jalankan penghitungan frekuensi pada dua isomer Vinyl Alcohol.
Optimasikan struktur pada level RHF, menggunakan basis set 6-31G(d), dan lakukan penghitungan frekuensi pada struktur teroptimasi.
Apakah keduanya berbentuk minima? Apakah efek perubahan struktur (yaitu posisi hidrogen dalam gugus hidroksil) terhadap frekuensi?
... (lanjutan dari latihan-latihan berikutnya) ...
Bagian ini berisi rekomendasi untuk memilih model riset dan pengaruh basis set, sesuai Daftar Isi.