过渡态中虚频问题及解决思路
(2011-01-04 19:20:11)
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波恩黑体极小点进行频率杂谈 |
分类: 学术相关 |
第一,在Gaussian计算中,为了确定优化得到的几何结构是势能面上的局域极小点还是鞍点,或者要得到相关的热力学性质,经常需要对优化后的几何结构进行振动分析。首先,原则上说,振动频率分析只对稳定结构有意义。这里所说的稳定结构包括是势能面上的局域极小点和鞍点。实际上,一个分子可以有很多的自由度,如果在所有自由度上分子都处在稳定平衡,就是稳定的分子。频率分析得结果是所有频率都是正的,表明这是一个局域的极小点。如果分子只在一个自由度上处于不稳定平衡位置,其他自由度上都处在稳定平衡位置,说明该结构是一阶鞍点。分子在稳定自由度方向上的振动才是真实的振动,在不稳定自由度方向上的实际上是不会有振动的。不过我们可以对不稳定方向上的运动也按振动来做数学处理,会的到负的振动频率,我们称它为虚频。虚频的出现表明该结构为鞍点。
第二,Gaussian计算中,频率的计算一定要在和分子结构优化相同的方法,基组下进行,否则计算的结果是没有意义的。我们知道,任何理论水平下的计算,都是在一定的近似下进行的,不同的理论水平的近似程度是不同的。在一种理论水平A下优化的稳定结构Geom_A会和另一种理论水平B下优化的稳定结构Geom_B有差别,也就是说Geom_A不会是理论水平B下的稳定结构。根据前面我们所讨论的,在理论水平B下对一个不稳定的结构进行频率分析是没有意义的。
第三,频率计算中可以考虑同位素效应(Freq=ReadIsotopes)。在波恩-奥本海默近似下,对于同一种元素采用不同的同位素对几何优化和电子结构计算没有影响,频率计算所需的力常数矩阵(Hessian矩阵)也不会变化,变化的只是约化质量。容易理解,重的同位素会导致低的振动频率。实际上,原子序数大的元素的同位素效应非常不明显,一般只需考虑H原子的同位素效应。
第四,各种方法计算的频率和实验结果之间存在系统误差,需要乘以一个约化因子来进行校正(Scale=f)。一般来说,理论计算的频率值会比实验结果大。下面是一些理论水平下的约化因子。注意频率和零点能的约化因子是可以不同的。更多水平下的约化因子需要查文献获得。
方法:约化因子约化因子
(频率)(ZPE)
HF/3-21G0.9085
0.9409
HF/6-31G(d)
0.8929 0.9135
MP2(Full)/6-31G(d)
0.9427 0.9646
MP2(FC)/6-31G(d)
0.9434 0.9676
BLYP/6-31G(d)
0.9940 1.0119
B3LYP/6-31G(d)
0.9613 0.9804
SVWN/6-31G(d) 0.9833
1.0079
第五,Gaussian的频率计算有时会遇到下面的警告:
vibrations may cause
significant
这时一般有两种可能:一种可能是,优化的几何结构不够精确,还没有达到稳定点。对于这种情况,需要考虑用OPT=tight或OPT=VeryTight,结合Int=fine或者Int=VeryFine进行更加精确的优
第七,在频率输出前,会有这样的输出:
Low
frequencies --- -0.0008 0.0003 0.0013 40.6275 59.3808
66.4408
Low
frequencies --- 1799.1892 3809.4604
3943.3536
上面行的六个模式实际对应于平动(前三个)和转动(后三个),理论上,这六个数都应该是零。如果
1、Force和RMS Force都是收敛的,Displacement和RMS Displacement虽然是NO,但是都比较接近收敛判据;
2如果Force和RMS Force都是收敛的,Displacement和RMS
Displacement不收敛且数值远大于收敛判据;
3、Force和RMS
Force不收敛。对于第一种情况,我们可以不管它,仍然可以认为计算结果是可靠的。对于第二和第三种情况,一般说明优化过程中估算的Hessian是不准确的,优化的结构可能还没有达到稳定点,需要重新优化。如果反复优化仍然无法解决这个问题,建议在优化过程中使用OPT=CalcAll。
第九,优化一个局域极小点,收敛后从力常数本征值看应该是局域极小点(没有负的本征值),但是频率计算中会出现虚频和负的本征值。这种情况下虚频一般是由转动模式造成的,说明分子中两个基团之间的相互位置不是很合适,需要绕转动的键相对转动到一个合适的位置,重新优化。绕某个键转动两个基团,有时可以很方便地用修改二面角的方法实现:OPT=Modredundant结合分子描述后输入:*
m n *
[+=]value。其中m,n为连接两个基团的键的顶端原子。有时,用OPT=CalcAll也可以解决这个问题。
关于消除虚频
在进行Gaussian计算时,经常会出现多个虚频个,每个都只有-30~-20左右,但是如果结构改动过大,则一不小心,虚频就会更大。消除虚频的主要方法是改变构型。其次在计算上还可以尝试:nosymm;加大循环次数;提高收敛度;iop(1/8=1)等。通常对于势能面很平,较小的虚频很难消除。
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