摘 要：通過(guò)Gaussian 03優(yōu)化2-甲基環(huán)戊酮分子及離子結(jié)構(gòu)，尋找離子下一步變化的可能的微觀過(guò)程。采用量子化學(xué)從頭算方法，通過(guò)Gaussian 03對(duì)圖形的描繪，得出離子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)圖及離子振動(dòng)光譜圖。最后通過(guò)紅外光譜圖分析得出：氫原子振動(dòng)最強(qiáng)，離子結(jié)構(gòu)將變化，發(fā)生氫原子重組。

關(guān)鍵詞：2-甲基環(huán)戊酮；Gaussian 03；振動(dòng)頻率；紅外光譜

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004373X(2008)2007102

Description on the Structure of Molecule and Ion Using Gaussian 03

CUI Jinyu1，2

(1.Suihua University，Suihua，152060，China;2.Institute of Atomic and Moleculer Physics，Jilin University，Changchun，130000，China)

Abstract：The purpose of this article is adopting Gaussian 03 optimization 2-methyl molecules and ions cyclopentanone structure，the next step-finding may change the microscopic process.By quantum chemical methods，through the graphic depiction Gaussian 03 obtained ion stability and structure of the ion vibration spectra.Finally，infrared spectroscopy analysis obtained:hydrogen atom has strongest vibration，ion structure is changed，hydrogen atoms is reorganized.

Keywords：2-methyl cyclopentanone;vibration frequency;infrared spectrum

Gaussian 03是Gaussian系列電子結(jié)構(gòu)程序的最新版本。它在化學(xué)、化工、生物化學(xué)、物理化學(xué)等化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域方面的功能都進(jìn)行了增強(qiáng)。Gaussian 03能夠處理更大的分子(例如，酶)，可以研究有機(jī)體系的反應(yīng)機(jī)制，表面和表面反應(yīng)的團(tuán)簇模型等。Gaussian 03還能預(yù)測(cè)自旋-自旋耦合常數(shù)。通過(guò)對(duì)不同構(gòu)像計(jì)算這些常數(shù)，并對(duì)預(yù)測(cè)的和觀測(cè)的光譜做比較，可以識(shí)別觀測(cè)到的特定構(gòu)像。Gaussian 03擴(kuò)展了化學(xué)體系的研究范圍，它可以用周期性邊界條件的方法(PBC)模擬周期性體系。Gaussian 03可以計(jì)算各種光譜和光譜特性。

本文僅列舉了它的幾個(gè)功能，介紹用Gaussian 03計(jì)算2-甲基環(huán)戊酮分子(C6H10O)及離子(C6H10O+)的基態(tài)能量和結(jié)構(gòu)，及相應(yīng)的振動(dòng)光譜圖等。

1 Gaussian 03優(yōu)化2-甲基環(huán)戊酮分子及離子的幾何構(gòu)型并計(jì)算能量

1.1 描繪2-甲基環(huán)戊酮分子

計(jì)算2-甲基環(huán)戊酮分子的幾何構(gòu)型和能量，采用密度泛函理論b3lyp方法，用Gaussian 03程序，基組采用6-31g，各原子坐標(biāo)采用內(nèi)坐標(biāo)形式，輸入路徑如下：

%chk=c6h10o

#p b3lyp/6-31g opt iop(1/6=100) iop(5/13=1)

空

c6h10o

空

0 1

o

c 1 r1

c 2 r2 1 120.

c 3 r2 2 108.1 180.

c 4 r2 3 108.2 0.

c 5 r2 4 108.3 0.

c 6 r3 2 108.1 0.

h 3 r4 2 120.1 30.

h 3 r4 2 120.1 -30.

h 4 r4 3 150.2 80.

h 4 r4 3 150.2 -80.

h 5 r4 4 150.3 70.

h 5 r4 4 150.3 -70.

h 6 r5 5 100.2 90.

h 7 r6 6 100.2 100.

h 7 r6 6 100.2 0.

h 7 r6 6 100.2 -100.

空

r1=1.4

r2=1.45

r3=1.42

r4=1.2

r5=1.35

r6=1.3

保存輸入文件，命名為c6h10o.gjf。打開(kāi)Gauss View3.07，點(diǎn)擊File菜單，打開(kāi)gjf文件，察看文件名c6h10o的輸入圖形，如圖1所示。

運(yùn)行該程序，在其輸出文件中查找頻率freq及其相應(yīng)的能量。結(jié)果freq全部大于零，沒(méi)有虛頻，顯示此結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定構(gòu)型，是基態(tài)。其能量為E(RB+HF-LYP)=-309.803 2(H.F)。用Gauss View打開(kāi)out文件，觀察c6h10o.out的幾何構(gòu)型如圖2所示。由此進(jìn)一步計(jì)算此構(gòu)型下的離子構(gòu)型和能量。

1.2 描繪2-甲基環(huán)戊酮離子

采用同樣的方法，只是將文件名換成c6h10o+0.gjf，第6行的電荷數(shù)和多重度各加1，輸入路徑為：

%chk=c6h10o+0

#p b3lyp/6-31g(d，p) opt freq test

空

c6h10o+0

空

1 2

…(離子坐標(biāo))

運(yùn)行該程序，在輸出文件中查找頻率freq及其相應(yīng)的能量。結(jié)果freq全部大于零，沒(méi)有虛頻，顯示此結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定構(gòu)型。其能量E(UB+HF-LYP)=-309.583 1(H.F)，幾何構(gòu)型如圖3所示(與其分子的幾何構(gòu)型相似，但是鍵長(zhǎng)不同，能量不同)。

2 用GaussView觀察2-甲基環(huán)戊酮離子的紅外光譜圖

打開(kāi)Gauss View3.07，點(diǎn)擊File菜單，打開(kāi)c6h10o+0.out文件，左擊鼠標(biāo)Results，進(jìn)入Vibrations，即出現(xiàn)振動(dòng)的紅外光譜圖，如圖4所示。

從紅外光譜圖上，可以看到不同頻率下的振動(dòng)強(qiáng)度，如振動(dòng)強(qiáng)度最大處，頻率448.98 cm-1，此時(shí)可能發(fā)生2C-6C斷裂，氫原子重排，如圖5所示，從而離子的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如圖6所示。

3 用GaussView察看2-甲基環(huán)戊酮離子的電荷分布

打開(kāi)c6h10o+0.out文件，左擊鼠標(biāo)Results，進(jìn)入Charges，察看各原子上電荷的分布情況。如圖7所示。例如1號(hào)氧原子帶負(fù)電，2號(hào)碳原子帶正電，二者之間是一種庫(kù)倫引力作用，所以鍵長(zhǎng)較短，不容易斷開(kāi)。那么分析2-甲基環(huán)戊酮離子的微觀變化過(guò)程，可以排除上述2個(gè)原子之間的鍵斷裂，而去分析其他的鍵斷裂的情形。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上分析可見(jiàn)，用Gaussian軟件可以計(jì)算分子的能量和振動(dòng)頻率，分析其所處的狀態(tài)是穩(wěn)定態(tài)還是過(guò)渡態(tài)或者激發(fā)態(tài)。Gauss View可以生成所計(jì)算的圖形，從而進(jìn)一步分析和確定分子或離子的微觀變化過(guò)程，并能形象的表示出來(lái)。

參考文獻(xiàn)

［1］Simons J P.The Photochemical and Spectroscopic Approach to Molecular Reaction Dynamics.Comments on Atomic and Molecular Physics，1985，16(3):157-168.

［2］王巧巧.飛秒強(qiáng)激光場(chǎng)中環(huán)己酮和2-甲基環(huán)己酮分子的電離/解離機(jī)制\\.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2006.

［3］Wang Zhigang，Pan Shoupu，Yao Mingguang，et al.The Two Hydrogen Transfer Dissoziation Channels of NicotineMolecule in the Gas Phash.

［4］Yergeau F，Petite G，Agostini P.Above-threshold Ionization without Space Charge\\.Journal of Physics B:Atomic Molecular and Optical Physics，1986，19(19):663-669.

［5］唐敖慶，楊忠志，李前樹(shù).量子化學(xué)\\.北京:科學(xué)出版社，1982. ［6］Hartree D.Calculations of Structure\\.New York:Wiley，1957.

［7］Hohenberg P，Kohn W.Inhomogeneous Electron Gas.Phys.Rev.B，1964:136-864.

［8］Gunnarsson O，Jones R O.Density Functional Calculations f_orAtoms，Molecules and Clusters.Phys.Scr.，1980:21-394.

［9］Gobeli D A，EI-Sayed M A.Laser Multiphoton Ionization-Dissociation Mass Spectrometry.Chemical Reviews，1985，85(6):529-554.

［10］Michael J Frisch，Gary W Trucks.Gaussian 03 User′s Refrence，2004.

作者簡(jiǎn)介

崔金玉 女，1972年出生，碩士學(xué)位，副教授。主要從事物理學(xué)專業(yè)教學(xué)與研究工作。