第二章 實驗
2.2 理論計算
2.2.1 模擬分子的建造及結構最佳化
執 行 Gaussian 09W(Gaussian, Inc.) 理 論 計 算 軟 體 前 ， 首 先 需 以 GaussView05 軟體(Gaussian, Inc.)建構一個最佳化分子結構。分子結構 的建造方法可參照 Building Molecules Using Gauss View 手冊。37圖 6.
為 GaussView5.08 軟體主要操作介面；表 5.為 GaussView 5.08 工具 列。Gaussian calculate set up 在分子模擬上使用，將在稍後的操作過 程中介紹，其他粗體字功能則與一般作業系統之功能相似，介面的最 上排工具列詳列於表 5.，表中，粗體字為常用選項功能。第二列圖形
功能鍵如圖 6.所標 1-7 功能分別為 Element Fragment、Ring Fragments、
R-Group Fragments、Biological Fragments、Modify Bond、Modify Angle、
custom fragment。
圖 6. GaussView 5.08 首頁介面
1
4
5 6
2 3 7
表 5. GaussView 5.08 選單
主選單
File
aEdit View Calculate
選單列表 New
Create Molecule Group Undo
Add ViewGaussian Calculate Step Open
Add to Molecule Group Redo Builder Gaussian Quick LaunchRecent Files
Copy
Dummies Gaussian Calculation SchemeRelated Files
Cut
Center Current JobsRefresh
Paste
HydrogensSave Delete
LablesSave Temp Files Image Capture Bonds
Print Atom list Cartesian Axes
Save Image Files Synchronize
Preferences Stereochemistry
Exit Positioning Tools
主選單
Results Windows Help
選單列表 Summary NMR Molecule Groups Restore All
GaussView Help
Vibrations Surfaces/Contours Restore About GaussView Change Distribution View Files Minimize AllGaussian Help
GaussView Tipt
a僅 File－＞New－＞Create Molecule Group、Add to Molecule Group 為次選單選項，其餘皆為主選單
由 GaussView 5.08 建構分子的程序開始步驟依序為，開啟檔案 File
－＞ New －＞ Create new molecule group，再由功能項 1-7 開始建 構分子系統的初始架構。以下依序說明 7 種功能鍵的使用方式：
A. 1 號功能鍵 ，Element Fragment：選取分子所含有的元素來建構 分子。例如選圖 7.中的元素 O 下方會跳出 O 的各種鍵結狀態，如 O 原子、雙鍵 O、兩個單鍵可供鍵結的氧原子，依建構所需選擇 適當的選項。水分子可選擇有兩單鍵可鍵結的氧原子項目，便可 以開始進行建造分子，亦可選擇 O 原子開始，若為=O，則可作為 雙鍵 O 的起始步驟。
圖 7. Element Fragment
B. 2 號功能鍵 ，Ring Fragments：如果使用 1 號功能鍵來建造多環
類分子時，會耗時相當多的時間，故若需要建造環、苯、多環類 等分子架構可選取此功能。由圖 8.所示，需要建立甲苯分子，可 由此功能鍵選擇苯環之後，再搭配功能鍵 1 的 C 元素選項，便可 達到快速且準確的建造甲苯分子，可以省時且減少錯誤。
圖 8. Ring Fragments
C. 3 號功能鍵 ，R-Group Fragments：此程式已經備有部分特殊官 能基可一鍵建造，如圖 9.所示，若建構之分子有以下這些特定官 能基，如：炔類、酮類、醛類等，可以此功能鍵加速建立。例如
建造 Acetone 可由此功能鍵選擇碳氧雙鍵的官能基來建造，並使 用功能鍵 1 中的 C 元素鍵結，即可縮短建造 Acetone 的時間。
圖 9. R-Group Fragments
D. 4 號功能鍵 ，Biological Fragments：建構分子中，若含有胺基酸 等官能基可以此功能進行選取所需要之分子結構，如圖 10.所示：
本研究僅研究於有機小分子的建造，故此功能鍵不再多加撰述。
圖 10. Biological Fragments
E. 5 號功能鍵 ，Modify Bond：若手動建構分子，因鍵長與鍵結數 為 GaussView 5.0.8 程式預設，若欲修改鍵數與鍵長參數，如由圖 11.以 Acetone 為範本所示，依序如圖選取原子 1 號跟原子 2 號，
即可輸入鍵長跟選擇原子與原子之間的鍵結數。
圖 11. Modify Bond
F. 6 號功能鍵 ，Modify Angle：因為手動建造分子後，除了必須手 動修改最佳猜測分子的鍵長外，也需要數入最佳猜測原子跟原子 之間的角度，來達到最佳化初始分子結構。若想手動輸入原子間 的鍵結角度，可利用此功能修改分子角度。如圖 12.所示修改鍵角 大小需要選取三個原子才能進行角度的修正，把修改的角度依序 選取原子 1 號、原子 2 號及原子 3 號後，如圖中順序才能輸入真 實分子鍵結的角度。
圖 12. Modify Angle
G. 7 號功能鍵 ，custom fragment：此功能為可修改於程式中資料 庫，進而建構新的分子片段，而本研究尚未使用之，若有需要可 自行增減，如圖 13.所示。
圖 13. Custom fragment
經由以上七種功能介紹，本研究以 Benzene（C6H6）為例說明 GaussView 5.08 的操作流程：以下有幾種建議方式可以建造 Benzene 分 子 ： (1) 選 擇 R-Group Fragments 功 能 鍵 ， 選 取 圖 9.Benzene 結構即可。(2)從 1 號功能鍵選擇分子當中含有的元素 以及鍵結方式。如例子中的 Benzene，碳－碳鍵結含有雙鍵。選 擇圖樣中含有雙鍵碳，在建構分子的預覽畫面放上。或是使用功 能鍵 5－6，輸入 benzene 的鍵長(C-C 鍵為 1.40Å 、C-H 鍵為 1.08 Å )、鍵數(C-C 有單鍵及雙鍵、C-H 鍵為單鍵)及角度(均為 120。)以 完成分子結構的建構。最後如果建構分子可在 NIST 網站中的 Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database(CCCBD) 資料庫中尋找到相對應的計算方式(Method 以及 Basis set 會在後 面章節有詳細介紹)中各原子所在座標，則選取使用資料庫中的各 原子與原子座標；將打開建造好的分子的.gjf 檔修正或改成資料 庫座標，如圖 14.所示，即可完成分子建構。由於建造分子並沒有 特定的方法可自行斟酌，但為確保分子之對稱性正確，建議從中 心原子開始建造。圖 15.為建構完成之 Benzene 分子。
圖 14. Benzene 各原子間距
圖 15. 建構完成 Benzene 分子
建造好準備計算的分子結構之後，使用 Gaussian 09W 計算所需要 的分子參數，而為了使 Gaussian 09W 可算出更精確之軌域能量、波 函數及相關參數如：kinetic energy 與 orbital energy 等。在建造分子 模型結束後，需確認分子的對稱性，必須要把分子模型最佳化且使 結構達到最佳穩定，方法如下：
步驟一：由功能表上 Edit－＞Point group，輸入分子對稱性。
步驟二：由功能表上 Calculate －＞ Gaussian Calculation Step，出現 如圖 16.所示畫面。(畫面中本研究僅使用 Job type、Method、Solvation 以及 Additional keyword，將在稍後介紹。)
步驟三：在 Job Type 下選擇 Optimization 加上 Frequency（Opt + Freq）， 並在 Method 下設定所需的 wave function，下個章節 2.2.1 會把使用之 wave function 做詳細說明。此步驟需要注意，欲計算分子環境為非溶 液時，需在 Solvation 介面上選擇 None。
步驟四：確認所有設置皆沒有問題之後，點擊 Submit，GaussView05 軟體會與 Gaussian 09W 連結並開始最佳化模擬。圖 17.為計算過程視 窗，此時結構最佳化所有的過程便已完成，最佳化結構可以從輸出 檔.log 以 GaussView05 軟體開啟後觀看。
圖 16. Gaussian Calculation Step 設定畫面
圖 17. Gaussian 09W 計算畫面