GUASSIAN中的NBO计算结果分析.doc

GUASSIAN中的NBO计算结果分析
在任务控制行中加上“Pop=nbo”关键词，可对分子进行全面的自然键轨道分析，如果添加的关键词为“Pop=NPA”，则只产生自然布居分析数据。
以C2v对称的甲醛分子为例，说明NBO计算输出文件的各相关信息的意义。
输入文件内容为：
#P HF/STO-3G scf=tight pop=nbo

HF/STO-3G//HF/STO-3G sp formaldehyde

0 1
C1
O2 1 r2
H3 1 r3 2 a3
H4 1 r3 2 a3 3 180.0

r2=1.21672286
r3=1.10137241
a3=122.73666566
计算结束后，用文本编辑器打开对应的输出文件，查找“Gaussian NBO”，可看到相应的计算结果。主要有以下几部分重要的信息：
第一部分显示的是分子中各自然原子轨道占据状况。
NATURAL POPULATIONS: Natural atomic orbital occupancies
NAO Atom No lang Type(AO) Occupancy Energy
---------------------------------------------------------
1 C 1 s Cor( 1s) 2.00000 -11.05947
2 C 1 s Val( 2s) 1.08461 -0.26145
3 C 1 px Val( 2p) 0.90165 -0.04494
4 C 1 py Val( 2p) 0.99304 0.07032
5 C 1 pz Val( 2p) 0.85379 0.14739
6 O 2 s Cor( 1s) 1.99999 -20.15602
7 O 2 s Val( 2s) 1.79982 -1.09031
8 O 2 px Val( 2p) 1.09835 -0.11626
9 O 2 py Val( 2p) 1.91857 -0.38126
10 O 2 pz Val( 2p) 1.37055 -0.15404
11 H 3 s Val( 1s) 0.98982 0.02250
12 H 4 s Val( 1s) 0.98982 0.02250
第一列为原子轨道编号；第二列为原子符号；第三列为原子在分子结构中的编号；第四列“Lang”为原子的角量子数符号；第五列为原子轨道的类型，其中“Cor”指内层轨道（不参与成键），“Val”指价轨道，“Ryd”指激发态高能级轨道；第六列为轨道中占据的电子数；第七列为轨道的能量高低，即能级。
接下来的第二部分为自然布居分析结果。
Summary of Natural Population Analysis:
Natural Population
Natural -----------------------------------------------
Atom No Charge Core Valence Rydberg Total
-----------------------------------------------------------------------
C 1 0.16692 2.00000 3.83308 0.00000 5.83308
O 2 -0.18728 1.99999 6.18729 0.00000 8.18728
H 3 0.01018 0.00000 0.98982 0.00000 0.98982
H 4 0.01018 0.00000 0.98982 0.00000 0.98982
=======================================================================
* Total * 0.00000 3.99999 12.00001 0.00000 16.00000
从上面的数据中，可以看到每个原子上的自然电荷分布情况和该原子中各类轨道的电子占据状况。
Natural Population
--------------------------------------------------------
Core 3.99999 ( 99.9997% of 4)
Valence 12.00001 (100.0001% of 12)
Natural Minimal Basis 16.00000 (100.0000% of 16)
Natural Rydberg Basis 0.00000 ( 0.0000% of 16)
--------------------------------------------------------
以上列出的是各类轨道电子占据的汇总情况。其中内层轨道有4个电子，价轨道有12个电子，基态电子共有16个，没有激发态电子。
Atom No Natural Electron Configuration
----------------------------------------------------------------------------
C 1 [core]2s( 1.08)2p( 2.75)
O 2 [core]2s( 1.80)2p( 4.39)
H 3 1s( 0.99)
H 4 1s( 0.99)
----------------------------------------------------------------------------
以上给出的是每个原子的电子构型。
第三部分为分子的Lewis电子结构分析结果。
NATURAL BOND ORBITAL ANALYSIS:
Occupancies Lewis Structure Low High
Occ. ----------------- --------------- occ occ
Cycle Thresh. Lewis Non-Lewis CR BD 3C LP (L) (NL) Dev
===================================================================
1(1) 1.90 15.90533 0.09467 2 4 0 2 0 0 0.04
Structure accepted: No low occupancy Lewis orbitals
Core 3.99999 (100.000% of 4)
Valence Lewis 11.90534 ( 99.211% of 12)
================== ============================
Total Lewis 15.90533 ( 99.408% of 16)

Valence non-Lewis 0.09467 ( 0.592% of 16)
Rydberg non-Lewis 0.00000 ( 0.000% of 16)
================== ============================
Total non-Lewis 0.09467 ( 0.592% of 16)
其中“CR”为内层电子对，“BD”为2中心键，“3C”为3中心键，“LP”为孤对电子，“(L)”指低占据Lewis轨道，“(NL)”指高占据非Lewis轨道。
第四部分给出的是每一个键轨道的电子占据状况和键轨道的组成。
(Occupancy) Bond orbital/ Coefficients/ Hybrids
---------------------------------------------------------------------------
1. (1.99777) BD ( 1) C 1 - O 2
( 41.41%) 0.6435* C 1 s( 34.36%)p 1.91( 65.64%)
0.0000 0.5862 0.0000 0.0000 0.8102
（1s 2s 2px 2py 2pz）
( 58.59%) 0.7654* O 2 s( 24.04%)p 3.16( 75.96%)
0.0000 0.4903 0.0000 0.0000 -0.8716
2. (2.00000) BD ( 2) C 1 - O 2
( 45.08%) 0.6714* C 1 s( 0.00%)p 1.00(100.00%)
0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
( 54.92%) 0.7411* O 2 s( 0.00%)p 1.00(100.00%)
0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
3. (1.99522) BD ( 1) C 1 - H 3
( 51.57%) 0.7181* C 1 s( 32.82%)p 2.05( 67.18%)
0.0000 0.5729 0.0000 0.7071 -0.4145
( 48.43%) 0.6959* H 3 s(100.00%)
1.0000
4. (1.99522) BD ( 1) C 1 - H 4
( 51.57%) 0.7181* C 1 s( 32.82%)p 2.05( 67.18%)
0.0000 0.5729 0.0000 -0.7071 -0.4145
( 48.43%) 0.6959* H 4 s(100.00%)
1.0000
5. (2.00000) CR ( 1) C 1 s(100.00%)
1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
6. (1.99999) CR ( 1) O 2 s(100.00%)
1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
7. (1.99857) LP ( 1) O 2 s( 75.96%)p 0.32( 24.04%)
0.0000 0.8716 0.0000 0.0000 0.4903
8. (1.91857) LP ( 2) O 2 s( 0.00%)p 1.00(100.00%)
0.0000 0.0000 0.0000 1.0000 0.0000
9. (0.00338) BD*( 1) C 1 - O 2
( 58.59%) 0.7654* C 1 s( 34.36%)p 1.91( 65.64%)
0.0000 0.5862 0.0000 0.0000 0.8102
( 41.41%) -0.6435* O 2 s( 24.04%)p 3.16( 75.96%)
0.0000 0.4903 0.0000 0.0000 -0.8716
10. (0.00000) BD*( 2) C 1 - O 2
( 54.92%) 0.7411* C 1 s( 0.00%)p 1.00(100.00%)
( 45.08%) -0.6714* O 2 s( 0.00%)p 1.00(100.00%)
11. (0.04564) BD*( 1) C 1 - H 3
( 48.43%) 0.6959* C 1 s( 32.82%)p 2.05( 67.18%)
0.0000 -0.5729 0.0000 -0.7071 0.4145
( 51.57%) -0.7181* H 3 s(100.00%)
-1.0000
12. (0.04564) BD*( 1) C 1 - H 4
( 48.43%) 0.6959* C 1 s( 32.82%)p 2.05( 67.18%)
0.0000 -0.5729 0.0000 0.7071 0.4145
( 51.57%) -0.7181* H 4 s(100.00%)
-1.0000
其中“BD”指成键轨道，“BD*”为反键轨道，“CR”为内层电子占据轨道，“LP”为孤对电子占据轨道，“RY*”为单个激发态轨道。
1号键C-O为σ键，占有1.99777个电子。其组成为0.6435 C(sp1.91) + 0.7654 O(sp3.16)，即该键由C原子的一个sp2杂化轨道和O原子的一个sp3杂化轨道组成。成键轨道的具体组成为：
σ(C-O)=0.5862(2sC)+0.4903(2sO)+0.8102(2pzC)-0.8716(2pzO)
其中41.41%的电子位于C原子一方，58.59%的电子位于O原子一方，为极性σ键。
2号键C=O为π键，占有2.00000个电子。其组成为C(p) +O(p)，即该键由C原子的一个p轨道和O原子的一个p轨道组成。成键轨道的具体组成为：
π(C-O)=1.000(2pxC)+1.000(2pxO)
其中45.08%的电子位于C原子一方，54.92%的电子位于O原子一方，为极性π键。
其它的键可以以此类推。
第五部分是通过二级微扰能的计算。确定成键轨道电子与反键轨道电子间所有可能的相互作用。其稳定化能E(2)代表着电子从成键（或占据）轨道向反键（或空轨道）转移的程度，即电子的离域化程度。
Second Order Perturbation Theory Analysis of Fock Matrix in NBO Basis
Threshold for printing: 0.50 kcal/mol
E(2) E(j) -E(i) F(i,j)
Donor NBO (i) Acceptor NBO (j) kcal/mol a.u. a.u.
=======================================================================
within unit 1
1. BD ( 1) C 1 - O 2 / 11. BD*( 1) C 1 - H 3 0.92 1.76 0.036
1. BD ( 1) C 1 - O 2 / 12. BD*( 1) C 1 - H 4 0.92 1.76 0.036
3. BD ( 1) C 1 - H 3 / 9. BD*( 1) C 1 - O 2 1.85 1.59 0.048
3. BD ( 1) C 1 - H 3 / 12. BD*( 1) C 1 - H 4 1.71 1.36 0.043
4. BD ( 1) C 1 - H 4 / 9. BD*( 1) C 1 - O 2 1.85 1.59 0.048
4. BD ( 1) C 1 - H 4 / 11. BD*( 1) C 1 - H 3 1.71 1.36 0.043
8. LP ( 2) O 2 / 11. BD*( 1) C 1 - H 3 29.85 1.04 0.159
8. LP ( 2) O 2 / 12. BD*( 1) C 1 - H 4 29.85 1.04 0.159
从结果看，第8号自然轨道（LP(2)），即孤对电子占据的轨道之一，与两个C-H反键轨道间的作用最大。
最后一部分是NBO结果汇总，给出各类键或轨道的电子占据状况、能量高低及电子离域方向。
Natural Bond Orbitals (Summary):
Principal Delocalizations
NBO Occupancy Energy (geminal,vicinal,remote)
==========================================================================
Molecular unit 1 (CH2O)
1. BD ( 1) C 1 - O 2 1.99777 -1.09402 11(g),12(g)
2. BD ( 2) C 1 - O 2 2.00000 -0.44319
3. BD ( 1) C 1 - H 3 1.99522 -0.69465 9(g),12(g)
4. BD ( 1) C 1 - H 4 1.99522 -0.69465 9(g),11(g)
5. CR ( 1) C 1 2.00000 -11.05946
6. CR ( 1) O 2 1.99999 -20.15611
7. LP ( 1) O 2 1.99857 -0.98034
8. LP ( 2) O 2 1.91857 -0.38126 11(v),12(v)
9. BD*( 1) C 1 - O 2 0.00338 0.89756
10. BD*( 2) C 1 - O 2 0.00000 0.28199
11. BD*( 1) C 1 - H 3 0.04564 0.66156
12. BD*( 1) C 1 - H 4 0.04564 0.66156
----------------------------------------
Total Lewis 15.90533 ( 99.4083%)
Valence non-Lewis 0.09467 ( 0.5917%)
Rydberg non-Lewis 0.00000 ( 0.0000%)
----------------------------------------
Total unit 1 16.00000 (100.0000%)
Charge unit 1 0.00000

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
BD指正常的二中心共价键，CR指内核电子对，LP指孤对电子，RY指高能级空轨道（可激发占据的轨道），RY*、BD*指相应的反键轨道。BD（1）、BD（2）和BD（3）好象是指两个原子间存在的三个不同的键，比如乙炔中C-C之间有一个σ键和2个π键。
大概就是这样吧，刚好看了一点有关NBO的资料，现学现买。
xhlinkong (站内联系TA)
楼上说明白些好吗？BD（1）、BD（2）和BD（3）中括号中数据1，2，3表达的是什么意思？是分别表示单键，双键，叁键？还是结合起来表示两个原子间存在的三个不同的键呢？
yytsnake (站内联系TA)
应该是指两个原子间存在的键吧，比如N2分子中，两个N原子之间存在三个键，BD（1）、BD（2）、BD（3）应该分别代表这三个键，其后的具体形式，应该是这三个键的具体组成和形式。

这个你得看两个原子间的键级是多少。e.g. 1就代表单键。以此类推。另外有时候键级不一定是整数。
xllifan (站内联系TA)
2楼: Originally posted by lkui486 at 2014-01-04 17:02:35
这个你得看两个原子间的键级是多少。e.g. 1就代表单键。以此类推。另外有时候键级不一定是整数。
你好，很感谢你的回复。我想问问是不是看这一块的信息？
1. (1.99777) BD ( 1) C 1 - O 2
( 41.41%) 0.6435* C 1 s( 34.36%)p 1.91( 65.64%)
0.0000 0.5862 0.0000 0.0000 0.8102
（1s 2s 2px 2py 2pz）
( 58.59%) 0.7654* O 2 s( 24.04%)p 3.16( 75.96%)
0.0000 0.4903 0.0000 0.0000 -0.8716
2. (2.00000) BD ( 2) C 1 - O 2
( 45.08%) 0.6714* C 1 s( 0.00%)p 1.00(100.00%)
0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
( 54.92%) 0.7411* O 2 s( 0.00%)p 1.00(100.00%)
0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
BD是代表成键轨道。后面括号里面的（1）或者（2）是代表σ键和π键吗？
lkui486 (站内联系TA)
3楼: Originally posted by xllifan at 2014-01-04 17:17:20
你好，很感谢你的回复。我想问问是不是看这一块的信息？
1. (1.99777) BD ( 1) C 1 - O 2
( 41.41%) 0.6435* C 1 s( 34.36%)p 1.91( 65.64%)
0.0000 0.5862 0.0000 0.0000 0.8102
（1s ...
这个得看具体的杂化形式。比如你的C和O分别怎么杂化的。1似乎是单键C的SP2和O的SP3轨道作用。2似乎是双键C的P和O的P轨道作用。
xllifan (站内联系TA)
4楼: Originally posted by lkui486 at 2014-01-04 17:35:34
这个得看具体的杂化形式。比如你的C和O分别怎么杂化的。1似乎是单键C的SP2和O的SP3轨道作用。2似乎是双键C的P和O的P轨道作用。
...
谢谢你的及时回复。我又看了一下。
σ(C-O)=0.5862(2sC)+0.4903(2sO)+0.8102(2pzC)-0.8716(2pzO)
可以得到上述结果，这样C-O之间是σ键。
π(C-O)=1.000(2pxC)+1.000(2pxO)
可以得到上述结果，这样C-O之间是π键。
请问，上述的σ键和π键是如何确定的？？？谢谢。
lkui486 (站内联系TA)
5楼: Originally posted by xllifan at 2014-01-04 17:46:52
谢谢你的及时回复。我又看了一下。
σ(C-O)=0.5862(2sC)+0.4903(2sO)+0.8102(2pzC)-0.8716(2pzO)
可以得到上述结果，这样C-O之间是σ键。
π(C-O)=1.000(2pxC)+1.000(2pxO)
可以得到上述结果，这样C-O之间是π ...
按照这个公式计算就可以得到分别的键级啊。1是的结果差不多是1，2的结果就是2。那么就说明你的C和O分别有一个σ和一个π键。
lkui486 (站内联系TA)
5楼: Originally posted by xllifan at 2014-01-04 17:46:52
谢谢你的及时回复。我又看了一下。
σ(C-O)=0.5862(2sC)+0.4903(2sO)+0.8102(2pzC)-0.8716(2pzO)
可以得到上述结果，这样C-O之间是σ键。
π(C-O)=1.000(2pxC)+1.000(2pxO)
可以得到上述结果，这样C-O之间是π ...
你的模型中hi羰基么？这两个原子形成的？
xllifan (站内联系TA)
6楼: Originally posted by lkui486 at 2014-01-04 17:52:58
按照这个公式计算就可以得到分别的键级啊。1是的结果差不多是1，2的结果就是2。那么就说明你的C和O分别有一个σ和一个π键。
...
弱弱的问下，是不是成键轨道的具体组成：
σ(C-O)=0.5862(2sC)+0.4903(2sO)+0.8102(2pzC)-0.8716(2pzO)
π(C-O)=1.000(2pxC)+1.000(2pxO)
结果大约等于1的就是σ键？
结果大约等于2的就是π键？
还有其他情况吗？谢谢。
lkui486 (站内联系TA)
8楼: Originally posted by xllifan at 2014-01-04 19:19:39
弱弱的问下，是不是成键轨道的具体组成：
σ(C-O)=0.5862(2sC)+0.4903(2sO)+0.8102(2pzC)-0.8716(2pzO)
π(C-O)=1.000(2pxC)+1.000(2pxO)
结果大约等于1的就是σ键？
结果大约等于2的就是π键？
还有其他情况 ...
根据我的理解就是这样子的。

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1. 如何通过GaussView + Chemcraft 绘制NBO轨道

第一步：计算
用gaussian产生nbo轨道文件。下面是一个输入例子（为了用Chemcraft比较nbo和分子轨道，还加上了gfinput，pop=full这些选项）：

#p b3lyp/6-31g gfinput pop(full,nboread)

test

0 1
Ar
H 1 1.33
F 1 1.95 2 180.

$nbo bndidx plot $end

这个计算完成后，除了gaussian的输出文件外，还会产生FILE.31~.41文件。

PS: 补充说明NBO的输入控制选项
bndidx是指计算键级，plot指输出所有用来画NBO轨道的文件（默认文件名为FILE.31 ~ FILE.41），可以自己命名。加上archive关键字可以输出FILE.47文件（默认名，也可以自定义名称），其中保存了NBO分析的所有信息，可以通过GenNBO软件读取。举例如下：
$nbo
bndidx
plot file=Test-NBO
archive file=Test-NBO
$end
则会输出Test-NBO.31 ~ Test-NBO.41以及Test-NBO.47文件

第二步：打开NBO文件
用Chemcraft打开FILE.31，会自动加载所有的NBO轨道文件。在跳出的“Additional files for NBO visulization”中有一项“NBO output”是空的，需要把gaussian的输出文件加进去。然后Chemcraft就显示分子模型了。（可能需要通过Edit-Rebond来显示键）

第三步：显示NBO
在Chemcraft的Tools菜单下选择Orbitals/Render molecular orbitals。在“Choose orbitals source”中会出现几种轨道类型。我们关心的是NBO，故选第一个。在接下来的轨道列表中选择想要显示的轨道（在轨道前的方框中打勾），可选多个轨道。根据图像的质量，还可以调整格点质量，不过最开始可以先用默认设置。

Chemcraft回到主界面。在左上列表中选择刚刚产生的NBO轨道，在左下方会出现一些选项。其中第一行的两个“Show isosurface”和“Both-signed”是必选的。其它的可以根据需要调整。

第四步：把NBO保存为cube文件
可以直接通过Chemcraft显示NBO轨道， 还可以选择各种显示方式（包括GaussView型）。但是如果不喜欢就需要保存cube文件，并用其他软件显示。
找到想要的NBO后，重复第四步，注意在轨道列表中把右下角的“Save to cube file”也选上，并适当调整网格精度。这样就可以把NBO保存为cube文件了。
cube文件可以用很多软件打开，如Gaussview，还有免费的Gabedit，Molden，JIMP2等，根据经费而定。

如果了解cube文件格式，还可以把cube文件编辑为2维数据，用matlab、origin等程序画等高线图（contour）。

源自小木虫：

2.Natural Bond Order的计算
NBO 3.1没有这个功能。先产生.47文件：
# ... pop=nboread

...

$nbo archive $end

然后编辑Gaussian产生的file.47文件，加上NRT选项，加法如下：
$GENNBO  NATOMS=6  NBAS=33  UPPER  BODM  $END
 $NBO NRT $END  (原先没有NRT，只有一个空格，即$NBO $END，也可以加上RESONANCE 等关键字)
 $COORD
再用Gennbo 5.0进行计算。NBO键级的结果在输出文件的最后。

NRT计算不是很稳定，经常会遇到找不到参考结构的错误, 这时候换个小点的基组也许可以解决。
引自：

3.Natural Bond Order的类型
NBO5有5种键级：
Wiberg bond index matrix in the NAO basis:  ？
Atom-atom overlap-weighted NAO bond order:   ？
MO bond order:       ？（有负值？）
这三种的关键字是（keyword=BNDIDX），还有NLMO（keyword=NLMO）和NBO键级（keyword=NRT；NBO 4.0以上版本）。常用的是Wiberg，NLMO，和NBO。NBO键级可以把键级分解成共价成分和离子成分，不过代码不稳定，很多体系会出错。对有些高对称体系，NLMO有时会破坏对称性。如果没有特别要求，一般用Wiberg就足够了。

我现在也只是知道怎样生成NBO5.0需要的.47的文件。

先建立高斯的gjf文件，命令行加入pop=nboread，在输入文件的最后加入$nboarchive file=**(自己命名） $end

即可在Scratch文件中找到生成的.47的文件。

讨论分子的LUMO HOMO轨道形状，关键词用pop(reg)或pop(full)，保存check文件，再用gaussian中的utilities下面fcheck转化为fcheck文件，再用gview打开fcheck文件即可。

后电荷/静电势/电子密度等的变化与转移，利用AIMALL、AIM2000等软件可以计算相互作用键临界点处的性质。
gyli (站内联系TA)
Gaussian09里可以使用双杂化泛函 计算弱相互作用
coolrainbow (站内联系TA)
有个免费软件叫SAPT2008，可以做非常详细的分子间作用力计算