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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 计算模拟区 » 量子化学 » NBO/AIM » 【原创】高斯中AIM小结
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mengfc

金虫 (正式写手)

[交流] 【原创】高斯中AIM小结 已有16人参与

有同学最近想算氢键作用，对此类型的处理AIM做的比较好，但GAUSSIAN中的AIM这一小块程序存在问题。但我测试了几个例子，有的会出错，有的没有问题。而且就算出错了有用的部分还是输出了。

根据Bader[1]提出的“分子内原子（AIM）”理论，一个分子电子密度分布的拓扑性质取决于电子密度的梯度矢量场▽ρ(r)和Laplacian量▽2ρ(r)。电子密度ρ(r)在三维空间的三个方向上的二阶导数构成了电子密度的Hessian矩阵，该矩阵的本征值个数为3，并且满足▽2ρ(r)=λ1+λ2+λ3，λ为该点处电子密度的Hessian矩阵本征值。如果Hessian矩阵三个本征值两正一负，记做（3，+1），称为环鞍点（RCP），表明体系存在环状结构。如果Hessian矩阵三个本征值一正两负，记做（3，-1）关键点，称为键鞍点（BCP）。键鞍点处的ρ(r)通常用来描述键的强度，一般来说，ρ(r)越大，该化学键的强度越强。Laplacian量▽2ρ(r)通常用来描述化学键的性质。Popelier[2][3]等人基于电子密度拓扑分析，建议了8个标准用来判定体系内是否存在氢键。Lipkowsk[4]等人进一步指出其中三个标准时最常用且本质的，即在X―H…Y体系中，H…Y间存在键鞍点，其电子密度和它的Laplacian量应该分别存在0.002~0.04和0.02~0.15a.u.范围内。

下面介绍如何通过GAUSSIAN计算得到这些数据。采取的例子HCOOH-HNO（此为重复工作，原工作见文献 中国科学 B辑 化学 2006，36（3）：218~226）



先用MP2/6-31+G(d)方法进行结构优化，优化后结构如图，再在相同水平进行AIM计算。这里说一点，算弱相互作用，MP2方法相对于B3LYP比较好。6-31+G(d)基组小了一些，加的大些效果会好些。计算AIM的输入：#MP2/6-31+G(d) aim=all

输出文件中相关内容如下（只选取了跟AIM有关的部分）

**********************************************************************

        Properties of atoms in molecules using the SCF density.

**********************************************************************


I. ATTRACTORS

-------------------------------------------------------------------------------
Attr.     Cartesian Coordinates          Nucleus               Density
          X          Y          Z       (Distance)        Total         Spin
-------------------------------------------------------------------------------
   1  -3.049212   0.294202   0.000413  C  (0.000005)   0.11824E+03   0.00000E+00
   2  -1.723494   2.190182  -0.001337  O  (0.000010)   0.29075E+03   0.00000E+00
   3  -2.197848  -2.086204   0.000631  O  (0.000010)   0.29041E+03   0.00000E+00
   4   3.201918  -1.247517  -0.001318  O  (0.000011)   0.29103E+03   0.00000E+00
   5   3.893287   0.997132   0.001220  N  (0.000015)   0.19211E+03   0.00000E+00
   6  -0.421511  -2.022776  -0.000882  H  (0.081803)   0.36970E+00   0.00000E+00
   7   2.298316   2.057274   0.004223  H  (0.060998)   0.41341E+00   0.00000E+00
   8  -5.064114   0.332844   0.001787  H  (0.046269)   0.43473E+00   0.00000E+00
-------------------------------------------------------------------------------


II. CRITICAL POINTS ON ATTRACTOR INTERACTION LINES

-------------------------------------------------------------------------------
Line  Attractors       Cartesian Coordinates                   Density
          A   B        X          Y          Z            Total         Spin
-------------------------------------------------------------------------------
    1     2   1    -2.600665   0.899629  -0.000152     0.40874E+00   0.00000E+00
    2     3   1    -2.757698  -0.459531   0.000470     0.31319E+00   0.00000E+00
    3     5   4     3.571387   0.004673   0.000109     0.47763E+00   0.00000E+00
    4     6   3    -0.668100  -2.025830  -0.000675     0.34286E+00   0.00000E+00
    5     6   4     0.830315  -1.679225  -0.000792     0.24354E-01   0.00000E+00
    6     7   2     0.769956   2.010831   0.001780     0.19062E-01   0.00000E+00
    7     7   5     2.620200   1.838883   0.003626     0.34632E+00   0.00000E+00
    8     8   1    -4.381879   0.317072   0.001329     0.30633E+00   0.00000E+00
-------------------------------------------------------------------------------

这里面Attactors A B 表示相互作用的两个原子，下面的标号为计算的原子序号。如第一行A=2 B=1 表示2号原子与1号原子作用，后面的Densiti Total即为上面所说的电子密度ρ(r)。

-------------------------------------------------------------------------------
Line        Density     Ellipticity      Hessian eigenvalues and eigenvectors
            Laplacian                      Eig          X         Y         Z
-------------------------------------------------------------------------------
    1       0.5794E-01    0.8413E-01   -0.1177E+01  -0.81776   0.57557   0.00026
                                       -0.1085E+01  -0.00064  -0.00047  -1.00000
                                        0.2320E+01  -0.57557  -0.81775   0.00075
    2      -0.2776E+00    0.9149E-01   -0.8176E+00  -0.00064  -0.00032  -1.00000
                                       -0.7490E+00  -0.93238  -0.36148   0.00072
                                        0.1289E+01  -0.36148   0.93238  -0.00007
    3      -0.1295E+01    0.7452E-01   -0.1178E+01  -0.95750   0.28841   0.00139
                                       -0.1096E+01   0.00102  -0.00144   1.00000
                                        0.9791E+00   0.28842   0.95750   0.00108
    4      -0.2261E+01    0.1608E-01   -0.1908E+01  -0.01441   0.99990  -0.00035
                                       -0.1878E+01  -0.00084  -0.00036  -1.00000
                                        0.1525E+01  -0.99990  -0.01441   0.00084
    5       0.8033E-01    0.5399E-01   -0.3403E-01  -0.21088   0.97751   0.00128
                                       -0.3229E-01  -0.00040   0.00122  -1.00000
                                        0.1466E+00  -0.97751  -0.21088   0.00013
    6       0.5687E-01    0.4569E-01   -0.2358E-01  -0.03209  -0.99948   0.00271
                                       -0.2255E-01   0.00117  -0.00275  -1.00000
                                        0.1030E+00   0.99948  -0.03208   0.00126
    7      -0.2018E+01    0.3768E-02   -0.1401E+01  -0.00098   0.00132  -1.00000
                                       -0.1395E+01   0.56225   0.82696   0.00054
                                        0.7786E+00   0.82696  -0.56225  -0.00156
    8      -0.1302E+01    0.2639E-01   -0.8911E+00  -0.02185  -0.99976   0.00042
                                       -0.8682E+00  -0.00068  -0.00040  -1.00000
                                        0.4574E+00   0.99976  -0.02185  -0.00067
-------------------------------------------------------------------------------
这里的Line 与第一个表中对应，Line 1就表示2号原子与1号原子作用Density Laplacian就是Laplacian量▽2ρ(r)，后面的Hessian eigenvalues and eigenvectors里面的Eig.表示Hessian矩阵的本征值λ1、λ2和λ3。
-------------------------------------------------------------------------------
Line  Buckling  Distance to attractor A    Distance to attractor B   Angle dev.
                  Arc     Line    Differ.    Arc     Line    Differ.   A     B
-------------------------------------------------------------------------------
    1   0.0207  1.56044  1.56044  0.00001  0.75352  0.75348  0.00004  0.76  2.21
    2   0.0207  1.72090  1.72032  0.00058  0.80814  0.80814  0.00000  3.73  1.47
    3   0.0155  1.04438  1.04336  0.00103  1.30558  1.30556  0.00002  4.27  1.24
    4   0.0057  0.24661  0.24661  0.00000  1.53143  1.53094  0.00049  1.42  3.25
    5   0.0740  1.29962  1.29811  0.00151  2.41370  2.41058  0.00313  5.22  9.14
    6   0.0969  1.53462  1.52907  0.00555  2.50194  2.49989  0.00205 13.57  7.53
    7   0.0037  0.38898  0.38898  0.00000  1.52711  1.52620  0.00091  0.50  3.94
    8   0.0027  0.68242  0.68242  0.00000  1.33293  1.33286  0.00007  0.32  1.02
-------------------------------------------------------------------------------


II-1. RING POINTS

-------------------------------------------------------------------------------
Ring                     Cartesian Coordinates          Attractors
                         X          Y          Z
-------------------------------------------------------------------------------
   1 ( 7-membered)    0.546435   0.138402  -0.001167       1   2   7   5   4   6
                                                           3
-------------------------------------------------------------------------------

-------------------------------------------------------------------------------
Ring                Density              Hessian eigenvalues and eigenvectors
               Total         Spin          Eig          X         Y         Z
-------------------------------------------------------------------------------
    1       0.6500E-02    0.0000E+00   -0.5380E-02  -0.00009  -0.00020   1.00000
                                        0.7336E-02  -0.64627  -0.76311  -0.00022
                                        0.3043E-01   0.76311  -0.64627  -0.00006
-------------------------------------------------------------------------------
此为RCP的关键点。由图中结构可以看出，如果存在环的话只有一个，就是此处Ring 1，其ρ(r)为Density对应的Total。
   8 attractors -   8 bond point(s) +   1 ring point(s) -   0 cage point(s) = 1


FATAL ERROR: TOO MANY PATCHES
Error termination via Lnk1e in C:\G03W\l609.exe at Thu Sep 16 13:40:52 2004.
这块报错不用管它，有用的东西都出来了。
Job cpu time:  0 days  0 hours  5 minutes  4.0 seconds.
File lengths (MBytes):  RWF=     54 Int=      0 D2E=      0 Chk=      1 Scr=      1

现在回到例子，图中对上面的两个原子，氧原子（红）为2号原子，氢原子(白)为7号原子。关键点中ρ(r)=0.019062 a.u.，▽2ρ(r)=（-0.02358）+（-0.02255）+0.1030，为环鞍点（RCP），且均在氢键范围之内，由此可初步判断2号氧原子与7号氢原子中存在氢键。

[1] Bader R W F. A Quantum theory of molecular structure and its applications. Chem Rev, 1991, 91:893-556
[2] Koch U, Popelier P L A. Characterization of C-H-O hydrogen bonds on the basis of the charge density. J Phys Chem, 1995, 99:9747-9754
[3] Popelier P L A. Characterization of a dihydrogen bond on the basis of the electron density. J Phys Chem A, 1998, 102:1873-1878
[4] Lipkowski P, Grabowski S J, Robinson T L,Leszczynski J. Properties of the C-H-H dihydrogen bond: An ab initio and topological analysis. J Phys Chem A, 2004, 108:10865-10872

p.s. 1.借此篇祝所有虫友在虎年里笑口常开，多发好文章！
    2.因为本身不是做这块的，还请各位虫友多批评！
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1楼 2010-01-01 08:29:43
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beefly

专家顾问 (职业作家)

地沟油冶炼专家
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖交流
输入错误：

# MP2/6-31+G(d) aim=all
使用的电子密度来自HF，白白浪费机时

如果用MP2电子密度作AIM分析，应该用
# MP2/6-31+G(d) aim=all Density=MP2
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beefly《西太平洋大学现代英汉词典》[bi:fli]牛肉一般地
17楼2010-12-12 12:12:46
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普通回帖

lihb734

铁杆木虫 (职业作家)

站在计算化学入门的门槛上
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖交流
楼主之奉献精神令鄙人甚是汗颜啊。
元旦快乐！
赞一下(1人) 回复此楼
前途光明，出路难觅！
2楼2010-01-01 09:56:52
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lihb734

铁杆木虫 (职业作家)

站在计算化学入门的门槛上
★
yjcmwgk(金币+1,VIP+0): 1-8 14:11
但我认为critical point 可能翻译为临界点可能要恰当一些。
赞一下(11人) 回复此楼
前途光明，出路难觅！
3楼2010-01-01 09:59:09
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zhou2009

版主 (著名写手)
谢谢原创!
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4楼2010-01-01 10:38:23
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zpppanda111

金虫 (小有名气)
★ ★
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yjcmwgk(金币+1,VIP+0): 1-1 11:12
对于环状结构，高斯还是无法计算，这方面可以使用aimall或者aim2000，
mengfc 专家在关于氢键方面的实例介绍很详细
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5楼2010-01-01 10:45:32
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beefly

专家顾问 (职业作家)

地沟油冶炼专家
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖交流
请教一个基本常识问题：氢键一定要有氢原子参与吗？
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beefly《西太平洋大学现代英汉词典》[bi:fli]牛肉一般地
6楼2010-01-01 12:23:22
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mengfc

金虫 (正式写手)
引用回帖:
Originally posted by lihb734 at 2010-1-1 09:59:
但我认为critical point 可能翻译为临界点可能要恰当一些。

谢谢您的批评指正！元旦快乐！
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7楼2010-01-01 21:17:20
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jghe

金虫 (著名写手)
不错，学习了
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8楼2010-01-01 21:26:45
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mengfc

金虫 (正式写手)
引用回帖:
Originally posted by beefly at 2010-1-1 12:23:
请教一个基本常识问题：氢键一定要有氢原子参与吗？

这个因为我不是科班的，所以不太清楚，但我觉得需要氢的参与，因为氢键是氢原子与电负性大的原子结合形成的弱键，可能不太准确
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9楼2010-01-01 21:29:12
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maomao6972
感谢分享~~~
10楼2010-01-02 17:27:26
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