Gaussian
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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。

参见《Gaussian 03简介

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

平台各类Unix/Linux,Windows,MacOS。
相关资源
 
请看starl节译的《Exploring Chemistry with Electronic Structure Methos》(第二版),量子化学计算和使用Gaussian的入门书籍。
相关软件 
1.Akira
2.AMPAC
3.AOIM
4.AOMix
5.ArgusLab
6.Brabosphere
7.ChemCraft
8.ChemOffice
9.ChemShell
10.COSMOS
11.CP-Optimizer
12.Critic2
13.DGrid
14.ECCE
15.FCfast
16.Gabedit
17.GaussDal
18.Gaussian Script
19.GaussSum
20.GaussView
21.gOpenMol
22.GPView
23.GRABFF
24.GRRM
25.HyperChem
26.JIMP2
27.JMol
28.JMolEditor
29.KMovisto
30.KryoMol
31.MaSK
32.Materials Studio
33.MCM95
34.MLGAUSS
35.MMPRO
36.MoCalc
37.MOE
38.Molda
39.Molden
40.MOLEKEL
41.MolSOC
42.MolStudio
43.Molview
44.MOMAP
45.momoFCF
46.MOplot
47.NEB
48.Opep
49.OPTIM
50.Orbdraw
51.PUPIL
52.QMForge
53.QMMM
54.RedS
55.SAPT
56.Scigress
57.SMXGAUSS
58.SNF
59.SpecDis
60.TheoDORE
61.ToPMoD
62.tsscds
63.Vect
64.VEDA
65.VENUS
66.Vibrate
67.Viewmol
68.ViewMol3D
69.VMOdes
70.VUChem
71.Winmostar
72.wxDragon
73.Xaim
74.XCrySDen
75.XVibs
76.ZHTools
77.Zoa