GaussViewとGaussianの簡単な使い方

Transcription

1 GaussView と Gaussian の基本的な使い方 Gaussian のインプットファイルは gjf という拡張子を持ち テキストで書かれた以下のようなファイルである 一行目には chk ポイントファイルの場所や名前の指定 2 行目には計算方法や基底関数 求めたいプロパティに関する記述 6 行目の 0 1 の数字は電荷やスピン多重度 そして各原子の xyz 座標の情報 ( デフォルトでは A 単位 ) で記述されている ( 最後の数値はなくてもよい ) これらのインプットを自分で文字を用いて作成するのは 少しわかりにくい そこで Gaussview というプログラムで 視覚的にインプットファイルを作成し Gaussian のプログラムを流す機能を利用する 計算で得られるアウトプットファイルは chk ファイルと log ファイルという拡張子を持つ chk には分子軌道の情報 ( 基底関数や分子軌道係数など ) が含まれており log ファイルにはその他の多くの計算結果や情報が含まれている Gaussview プログラムでは chk ファイルを読み込むことで 分子軌道を簡単に可視化することができる また log ファイルを読み込むことで いくつかの重要なデータを視覚的に表示することができ便利である 1

2 分子の構築と構造最適化 水 (H2O) 分子を GaussView で作り それを Gaussian(Windows 版 ) で計算する手順を示す 分子の構築まず GaussView を立ち上げたら 左上の 6 C ボタンを押す すると 下図のように周期表が現れるので 作りたい分子に必要な原子 ( ここでは酸素 ) をクリックし 次いで Atom というボタンを押す テンプレートの水分子を用いる場合は 一番右 ( 点線の ) を選択する 2

3 青い画面上で一度左クリック すると酸素原子が 1 つ配置される 水分子を作るには あと水素原子が必要なので 下の図のようにクリックして水素原子を選択する 青い画面にクリックするたびに 原子が加わってしまうので注意 間違えてしまったら Ctrl+z でやり直しができる また Shift を押しながらマウスでドラッグすると分子全体の平行移動が可能 マウスの中心のポチをくるくるすると 拡大縮小ができるので やり方を覚えるとよい 3

4 この状態で 水素原子を下の図のように配置すれば 水分子が完成する HO 距離が離れすぎると計算が上手くいかない場合があるので 適度な距離 ( 長くても 2A 程度 ) に置くこと Gaussian を使って構造最適化計算分子を作成した青い画面上で右クリック Calculate メニュー Gaussian Calculation Setup を選択 すると下図のようなウィンドウが現れる Job Type タブでは Opt+Freq を選択 (Optimization とは 最適化 という意味 ) 4

5 実験テキストに応じて Method タブ内 ( 計算方法 基底関数 ) を変更する Keywords を確認し Submit... ボタンを押す すると 下のようなウィンドウが表示される 計算を行う前に Gaussian 入力ファイルを保存せねばなりません いま 入力ファイルを保存しますか? と聞かれているので Save( 保存 ) ボタンを押す 5

6 すると Gaussian 入力ファイルのファイル名を入力するよう要請される ここでは HF/6-31G で水分子を計算するので h2o_hf_6-31g というファイル名にしよう なお 拡張子は.gjf とする ファイル名には 全角 / スペースなどは使用しないことファイル名を入力したら Save ボタンを押す すると 下のようなウィンドウが表示される OK を選択する 自動的に Gaussian が立ち上がり 水分子の計算がスタートする 6

7 計算が終了すると 下のようなウィンドウが表示される はい を選択する 入力ファイル h2o_hf_6-31g.gjf に対する Gaussian の計算は終了しました 計算結果ファイルを開きますか? と聞かれるので.log のファイルを選択し OK ボタンを押す 最適化プロセスのエネルギーの移り変わりの図の表示や 最適化前後の構造の移り変わりを見る場合のみ Read Intermediate Geometries にチェックを入れる 違う方法でのファイルの開き方 File から Open を選択する ファイルを保存した場所を開き ファイルの種類を Gaussian Output Files にする ここでは 入力ファイルが h2o_hf_6-31g.gjf だったので H2O_HF_6-31G.LOG を選択する 7

8 すると 最適化された 水分子のウィンドウが現れる Read Intermediate Geometries にチェックを入れると 点線 の箇所が表示される 1 番目の構造は初期構造で 最後の番号 ( この場合 11 番目 ) の構造が最適化後の構造となる 最適化後の全エネルギー 電気双極子モーメントの値 最適化後の構造 (11 番目の構造 ) を選択し 右クリック Results Summary... を選択すると 計算条件 全エネルギー [a.u.] 双極子モーメント [Debye] などが表示される 8

9 最適化前後の分子構造 : 結合長 結合角 二面角 分子内の原子間距離や結合角度を調べるためには まずメニュー内の下のアイコンをクリックする 原子間距離結合角二面角 例えば原子間距離なら 原子間距離のアイコンをクリックし 調べたい 2 つの原子を順にクリックする ( 下図のように色が変わり 番号がふられる ) と その距離が示されたウィンドウが現れる 以下の図では 11 番目が選択されているため 最適化 後 の結合長を確認している 結合角度を調べる時も 同様に結合角のアイコンをクリック後 結合角をなす 3 つの原子を順に (H O H) クリックすればよい 9

10 構造最適化プロセスにおける全エネルギーの移り変わり (log ファイル ) Read Intermediate geometries にチェックを入れて log ファイルを開いたときのみ 表示が可能となる 右クリック Results Optimization を選択する すると 縦軸が全エネルギー 横軸が最適化の step 数の図が表示される 適度な大きさにして 右クリック Export を選択し.jpg で保存する 分子振動と赤外スペクトルの表示 (log ファイル ) 右クリック Results Vibrations... を選択する 下図のように 分子振動の振動数が表示される Spectrum を選択すると 赤外スペクトルも表示させることができる 10

11 標準状態におけるエントロピーと自由エネルギー (log ファイル ) 右クリック Results View File を選択 文字列 Thermochemistry を検索する ここから 自由エネルギーやエントロピーの値を読みとり 必要に応じて単位の変換を行う 11

12 各原子の atomic charge 電気双極子モーメント [Debye] とその向き (chk ファイル ) 右クリック Results Charge Distribution.. を選択する すると 下のようなウィンドウが表示される Atomic Charge の Show Numbers にチェックを入れると それぞれの原子に電荷が表示される Dipole Moment の Show Vector にチェックを入れると 電気双極子モーメントの向きが表示される 12

13 分子軌道の表示 (chk ファイル ) linux で流した場合は fchk ファイル 分子軌道を見る際には チェックポイントファイル と呼ばれる.chk 拡張子で終わるファイルを開く必要がある ここでは 入力ファイルが h2o_hf_6-31g.gjf だったので h2o_hf_6-31g.chk を選択する chk ファイルを開いた後 右クリック Edit MOs を選択すると 分子軌道の情報を表すウィンドウが現れる 各分子軌道は エネルギー順にソートされ その軌道エネルギーは原子単位 (Hartree 単位 ) で表示される また矢印の表されている軌道は占有軌道 それ以外の軌道は非占有軌道を表している 13

14 分子軌道の形状を表示するには Visualize タブをクリックし 表示させたい分子軌道をクリックしていく ( ここでは 1~7 番目までの軌道を選択する ) 選択された軌道は図のようにハイライト表示されるので Add List: の部分が 1a-7a となっていることを確認し Update... ボタンをクリックする すると 下図のように分子軌道の形状が表示される このままでは見難いので 分子軌道の形状表示を変更する 分子軌道の絵を右クリック View Display Format... を選択する 14

15 新しく現れたウィンドウの Surface タブをクリックし Format: メニューから Mesh を選択すると 分子軌道が網目状になり 見やすくなる レポートには この形状の絵を貼り付けて作成すること 軌道図の保存は 右クリック File Save Image File を選択 ファイルの種類を.jpg にして保存する 背景を白色にするため White Background にチェックが入っていることを確認する 出来るだけ同じ角度から保存すること 軌道が重なってしまう場合は 少しずらすして保存する 15

16 Diagram タブの Save Data を押しそのままテキストで保存すると 以下のようにエネルギー値が保存される レポートのエネルギーダイアグラムを書く際に使用する 16

17 構造最適化後の構造を用いて NMR 計算 log ファイルから構造をコピーする log ファイルのまま計算の設定をしてしまうと Keywords に不必要なものが入ってしまうため 一度構造をコピーして新たに分子構築を行うことを推奨する 構造最適化計算を行って得られた log ファイルを開く Ctrl+C を押すと メインウィンドウ上に最適化された構造が移る 構造を移すことが出来たら File New Create Molecule Group を選択する すると 新しい青い画面が表示される 青い画面上で一度左クリックをして 水分子を表示させる 17

18 先程同様 Calculate Gaussian Calculation Setup... を選択した後 Job Type タブで NMR を選択し Method タブで計算方法 基底関数を設定後 Submit... ボタンを押して計算を開始する 計算終了後 log ファイルで Results NMR... を選択すると 下図のように NMR スペクトルを表示させることができる 図の保存は右クリック Export で行い.jpg で保存すること なお スペクトルのピーク位置に合わせて左クリックすると 下図のように数値が表示される 18

19 H2O + 分子の計算テンプレートの水分子を選択する H2O + 分子の場合は Charge を 1 に変更する 19

20 TDDFT 法による電子励起状態の計算 まずは いったん高い対称性 (C2v) で分子軌道を作成するために テンプレートから H2O 分子を作成し hf/6-31g で改めて構造最適化を行う (Gaussian では初期構造の対称性を保持して計算するプログラムになっているため 初期構造で 2 つの HO 距離が異なる場合 低い対称性のまま計算が進んでしまう ) 励起状態の計算 (TDDFT) では 得られた対称性の高いアウトプットを用いて 右クリック Calculate Gaussian Calculation Setup... を選択 Job Type は Energy のままで Method タブにおいて下のように設定する Keywords 欄をしっかり確認後 submit して計算を行う 計算結果は log ファイルで Results VIS-UV... で表示出来るほか Results View File でも 結果の詳細を見ることができる なお f の値は振動子強度を表している 20

21 各分子軌道の既約表現は log ファイルに表示されている 先の演習で得られた分子軌道の図と照らし合わせて 既約表現が一致しているか確認すること なお C2v の指標表は以下のとおりである C2v E C2 σv σv A z A B x B y さらに 遷移双極子近似において 対称性的に許容な遷移が起こっているかを確認すること 許容でない遷移では振動子強度 f の値が非常に小さいか 0 になるはずである ヒント ( 基底状態の既約表現 ) (x y z の既約表現 ) ( 励起状態の既約表現 ) が全対称 A1 にならないと遷移双極子モーメントは 0 になってしまい 遷移が起こりにくい 21

22 化学専門実験量子化化学 資料 水の実験データ 結合長 R(O-H) 0.958A 結合角 A(H-O-H) 双極子モーメント 1.87 Debye 基本振動数 1597, 3657, 3756 cm -1 イオン化エネルギー ev ビタミンA 類の吸収波長の実験値 ビタミンA 365 nm βカロテン 466 nm リコペン 500 nm 色と波長 補色 Purple 380~430 Yellow-Green 560~580 Blue 430~360 Yellow 580~590 Blue-Green 460~500 Orange 590~610 Green 500~560 Red 610~780 単位 nm 22