分子模拟实验报告-结构优化

分子模拟实验报告 

一、优化分子几何构形（B3LYP/6‐31++G*） 

分子   H2O 

结构 

能量（Hartrees） 

‐76.38552 

关键键参数  

RO(1)‐H(2)=0.969Å ∠H(3)‐O(1)‐H(2)=105.5° 

  CH2O   

‐114.44963 

RC(1)=O(2)=1.209Å RC(1)‐H(4)=1.109Å ∠H(3)‐C(1)‐O(2)=121.9° 

  HCOOH   

‐189.67894 

RC(1)‐O(2)=1.207Å RC(1)‐O(3)=1.348Å RC(1)‐H(4)=1.099Å RO(3)‐H(5)=0.978Å ∠O(2)‐C(1)‐O(3)=125.3° ∠C(1)‐O(3)‐H(5)=108.1°   

RC(1)‐O(2)=1.426Å RC(1)‐H(3)=1.093Å ∠O(2)‐C(1)‐H(3)=106.3° ∠C(1)‐O(2)‐H(6)=108.7° 

   CH3OH    

‐115.65888 

   CH4 

‐40.19567

RC(1)‐H(2)=1.084Å

分子模拟实验  20160921 

   CH3F    

‐139.68417 

RC(1)‐F(2)=1.399Å

    CH3Cl  

‐500.01335 

RC(1)‐Cl(2)=1.806Å

   C2H6 

‐79.76845 

RC(1)‐C(2)=1.533Å

  C2H4     

‐78.53512 

RC(1)‐C(2)=1.335Å

C2H2    (NH2)2CO 

‐77.28198 ‐225.15945 

RC(1)‐C(2)=1.208Å

 RC(3)‐O(4)=1.224Å RC(3)‐N(1)=1.389Å RN(1)‐H(5)=1.013Å ∠C(3)‐N(1)‐H(5)=113.3° ∠C(3)‐N(1)‐H(6)=118.2° ∠O(4)‐C(3)‐N(1)=112.9° 

分子模拟实验  20160921 

二、水的二聚体几何结构优化 

理论水平    AM1 

结构 

󰛳󱈺󰡴󰫛󰡻󱈻󰫛 ‐0.19356  Hartrees 

󰛳󰡴󰫛󰡻 ‐0.09441 Hartrees 

∆󰛳 

‐0.00474 Hartrees 

理论水平    

HF/6‐31++G* 

结构 

RO‐H 2.158 Å 󰛳󱈺󰡴󰫛󰡻󱈻󰫛 ‐152.04304 Hartrees 

RO‐O 3.117 Å 󰛳󰡴󰫛󰡻 ‐76.01774 Hartrees 

∆󰛳 

‐0.00756 Hartrees 

理论水平    

B3LYP/6‐31++G* 

结构 

RO‐H 2.054 Å E󱈺󰯁󰰮󰯈󱈻󰰮 ‐152.77986 Hartrees 

RO‐O 3.003 Å E󰯁󰰮󰯈 ‐76.38552 Hartrees 

∆󰛳 0.00882 Hartrees 

理论水平    

MP2/6‐31++G* 

∆󰛳 0.01115 Hartrees 

结构 

RO‐H 1.959 Å 󰛳󱈺󰡴󰫛󰡻󱈻󰫛 ‐152.43071 Hartrees 

RO‐O 2.935 Å 󰛳󰡴󰫛󰡻 ‐76.20978 Hartrees 

RO‐H 1.932 Å 

RO‐O 2.905 Å 

分子模拟实验  20160921 

三、自我测评 

本次实验主要学习了使用GAMESS进行分子结构优化的操作，并且计算了水二聚体的氢键长度和氢键能量。 

GAMESS是使用量子力学方法（QM）的计算组件。量子力学方法的本质是解薛定谔方程，计算精确但耗时，适合中小体系的研究，量子力学方法分类如下： 

还有一类常用的计算方法为分子力学方法（MM），即将牛顿力学原理应用到化学问题中，分子力学方法不考虑电子运动，计算速度快但不适用于化学反应，常用的分子力学方法包括MM2，AMBER，CHARMM，COMPASS等。 

在CHEM3D中GAMESS计算模块包含了常用的量子力学方法如HF、B3LYP、MP2、CIS、AM1、PM3等，CHEM3D程序本身自带MM2组件可以进行分子力学计算。 

本次实验的重点是使用GAMESS计算模块优化分子结构（Minimize （Energy/Geometry），GAMESS设置页面如下图： 

本实验在B3LYP/6‐31++G*理论水平优化了11个分子，记录了能量和一些关键键参数，通过这些操作熟悉了GAMESS计算模块的使用，接下来开始优化H2O二聚体的结构，首先

分子模拟实验  20160921 

画出两个水分子，再使用移动旋转一个水分子使两个水分子位置近似书本图7‐3‐3，再调节一个水分子中的氢原子与另一水分子的氧原子之间的距离为1.8 Å，调节完后使用各种QM方法优化其结构，注意不可使用MM2优化，其会导致两个水分子形成如下图结构：

将优化后的水二聚体能量减去两倍的水分子能量即可得到氢键的能量（注意水二聚体和水分子用相同理论水平优化），同时记录水二聚体氧原子间距离，与实验值（|ΔE|≈5.0Kcal/mol, RO‐O≈2.9~3.0 Å）比较发现AM1和MP2/6‐31++G*误差最大，HF/6‐31++G*和B3LYP/6‐31++G*与实验值较接近，AM1误差较大在意料之中，而MP2/6‐31++G*误差较大就有些奇怪，观察其优化结构发现一个水分子发生了接近90°的扭曲如下图： 

HF/6‐31++G*和B3LYP/6‐31++G*优化后水二聚体的6个原子基本在一个平面上，误差原因可能是水二聚体存在多种构型，而实验测得的氢键数据是多种构型的平均值，MP2/6‐31++G*优化出了一种氢键强度相对较高的构型。查阅文献后发现水二聚体存在10种低能结构[1]，上图中的两种都是水二聚体的低能结构，但是文献中上图右侧构型对应的氢键能量与实验值十分接近，文献中对氢键能量的计算比本实验复杂很多，加入了校正基组叠加误差的步骤，这可能是导致本实验计算值与实测值误差的原因。 

参考文献 

1.杨忠志, 于春阳. 二聚体水分子的10种稳定结构的MP2方法研究[J]. 辽宁师范大学学报(自然科学版), 2008, 31(1):67‐69.