课前准备--Gaussian和GaussView软件介绍与使用

原创

追风少年i

发布于 2026-09-09 08:12:26

150

作者，Evil Genius

每一个组学都需要大量的时间进行学习，希望大家能坚持到最后。

这一篇我们来学习一下Gaussian和GaussView。

Gaussian 与 GaussView 软件介绍与使用

Gaussian + GaussView 是计算化学中非常经典的一套组合。简单来说：

Gaussian负责“计算”，GaussView负责“建模、设置、提交、可视化和分析”。

Gaussian主要解决的是分子的电子结构、能量、几何构型、振动频率、光谱、反应过程和各种电子性质等量子化学问题；GaussView则提供图形化界面，使这些计算不必完全依赖手写输入文件。官方GaussView 6手册也将其界面定位为分子构建、计算设置和结果可视化的平台。

一、Gaussian是什么？

Gaussian是一套基于量子力学的通用量子化学计算程序。

它不是像PyMOL那样主要用于“看结构”，也不是像Vina那样主要用于“蛋白-配体对接”，而是从电子结构层面计算分子。

例如，一个小分子：

分子结构
           ↓
     Gaussian量子化学计算
           ↓
 ┌─────────┼──────────┐
 ↓         ↓          ↓
能量      电子结构    几何结构
 ↓         ↓          ↓
轨道      HOMO/LUMO   键长/键角
 ↓         ↓          ↓
电荷      ESP/NBO     稳定构象

Gaussian可以进行单点能、几何优化、振动频率、过渡态、反应路径以及多种电子和光谱性质计算；也支持HF、DFT、Post-HF、ONIOM等方法。

二、GaussView是什么？

GaussView是Gaussian的图形化用户界面（GUI）。

可以把两者类比成：

软件	类比
Gaussian	真正进行计算的“计算引擎”
GaussView	操作、设置和查看结果的“图形界面”

GaussView可以：

建立分子；
修改分子；
查看3D结构；
设置Gaussian计算；
自动生成.gjf/.com输入文件；
提交Gaussian任务；
查看.log/.out/.chk结果；
显示HOMO/LUMO；
显示电子密度；
显示ESP；
播放振动模式；
显示IR、Raman、UV/Vis、NMR等结果。

这些功能在GaussView 6官方文档和相关高校使用说明中都有明确描述。

三、Gaussian与GaussView之间的关系

完整流程可以理解为：

GaussView
                     │
        ┌────────────┼────────────┐
        ↓            ↓            ↓
     建立结构      设置计算      查看结果
        │            │            ↑
        └────────────┼────────────┘
                     ↓
                  Gaussian
                     ↓
                量子化学计算
                     ↓
                  输出结果
                     ↓
                  GaussView
                     ↓
                可视化分析

所以：

GaussView本身主要是界面和可视化工具，真正执行量子化学计算的是Gaussian。

四、Gaussian可以研究什么？

Gaussian的应用范围非常广。

1. 分子几何结构

例如：

键长
键角
二面角
分子构象
稳定结构

2. 分子能量

可以计算：

总能量
单点能
相对能量
反应能
活化能
结合能等

3. 电子结构

例如：

HOMO
LUMO
HOMO-LUMO gap
电子密度
静电势
原子电荷
偶极矩
多极矩

4. 光谱

可以模拟：

IR
Raman
UV/Vis
NMR
ECD
VCD
ORD等。

GaussView可以直接将很多计算结果以图形、等值面、谱图或动画形式显示。

五、Gaussian最核心的计算方法

1. HF——Hartree-Fock

HF是非常经典的电子结构计算方法。

核心思想是：

用平均场近似描述电子运动。

但是HF没有完整考虑电子相关，因此现代分子计算中经常使用DFT或Post-HF方法进一步提高描述能力。

六、2. DFT——密度泛函理论

这是实际科研中非常常见的一类方法。

常见泛函包括：

B3LYP
PBE
PBE0
M06
M06-2X
ωB97XD
CAM-B3LYP

例如：

B3LYP/6-31G(d)

这里：

B3LYP
   ↓
DFT泛函

6-31G(d)
   ↓
基组

所以：

“计算方法”通常不是只有B3LYP，而是“理论方法 + 基组”的组合。

七、3. Post-HF方法

例如：

MP2
CCSD
CCSD(T)

通常精度更高，但计算成本也明显增加。

简单理解：

HF
 ↓
DFT
 ↓
MP2
 ↓
CCSD
 ↓
CCSD(T)

不能简单认为后面的所有方法在任何体系上都“绝对更好”，实际需要考虑体系、性质、计算成本以及方法适用性。

八、什么是基组？

这是Gaussian学习中另一个非常重要的概念。

例如：

6-31G(d)
6-31G(d,p)
def2-SVP
def2-TZVP
cc-pVDZ
cc-pVTZ

基组可以理解成：

用一组数学函数来描述原子轨道。

例如：

B3LYP/6-31G(d)

就是：

B3LYP泛函 + 6-31G(d)基组。

九、GaussView如何建立分子？

打开GaussView之后，可以直接通过图形界面建立：

等原子。

也可以利用：

环结构；
官能团；
氨基酸；
分子片段；
模板。

构建复杂结构。

GaussView的官方说明中明确包括分子构建、片段、结构模板以及结构编辑等功能。

十、GaussView还可以导入已有结构

如果已经有：

PDB
MOL
SDF
MOL2

等结构，可以根据格式和具体体系导入。

例如现在做小分子药物研究：

PubChem
   ↓
SDF
   ↓
GaussView
   ↓
Gaussian

或者：

ChemDraw
   ↓
分子结构
   ↓
GaussView
   ↓
3D结构

GaussView也支持多种结构文件和多个分子视图。

十一、Gaussian最常用的第一个计算：Geometry Optimization

几何结构优化

这是初学者最应该掌握的计算。

假设你有一个初始结构：

初始结构
           ↓
      Gaussian优化
           ↓
      调整原子位置
           ↓
      能量逐渐降低
           ↓
       收敛结构

本质上是在势能面上寻找一个局部极小值。

十二、Opt关键词

Gaussian输入文件：

#p B3LYP/6-31G(d) Opt

其中：

Opt

表示：

Geometry Optimization

Gaussian会不断改变：

键长；
键角；
二面角；
原子坐标；

直到满足收敛条件。

十三、第二个重要计算：Frequency

几何优化完成后，经常需要：

Opt
 ↓
Freq

频率计算主要用于：

振动频率；
IR光谱；
Raman；
正常振动模式；
热力学性质；
判断优化结构属于什么类型的驻点。

例如：

#p B3LYP/6-31G(d) Opt Freq

十四、为什么要做Frequency？

因为仅仅：

Opt

完成，并不能充分证明得到的是目标的稳定极小值。

频率计算可以检查：

稳定极小值

通常：

没有虚频

过渡态

通常：

一个虚频

因此：

Opt负责“找到结构”，Freq负责“检查这个结构是什么性质的驻点”。

十五、第三个重要计算：Single Point

Single Point：

在固定几何结构上计算能量和电子性质。

它不会进行几何结构优化。

例如：

优化结构
   ↓
固定坐标
   ↓
Single Point
   ↓
计算电子能量

这在实际研究中非常有用。

例如：

B3LYP/6-31G(d)
     ↓
Opt + Freq

M06-2X/def2-TZVP
     ↓
Single Point

可以用相对较低成本的方法优化结构，再用更高水平的方法评价能量。

十六、Gaussian输入文件的基本结构

例如：

%chk=ligand.chk
#p B3LYP/6-31G(d) Opt Freq

Ligand optimization

0 1
C     0.0000   0.0000   0.0000
O     1.2000   0.0000   0.0000
N    -1.2000   0.0000   0.0000
H     0.0000   1.0000   0.0000

可以拆成：

%chk
 ↓
Checkpoint文件

#p
 ↓
计算方法和关键词

标题
 ↓

0 1
 ↓
电荷 + 自旋多重度

原子坐标
 ↓
分子结构

十七、`%chk`是什么？

例如：

%chk=ligand.chk

表示：

将计算的重要信息写入checkpoint文件。

.chk对于后续：

轨道分析；
电荷分析；
波函数分析；
重启计算；
结果可视化；

非常重要。

GaussView也可以读取Gaussian产生的checkpoint和log等结果文件进行可视化。

十八、`0 1`是什么意思？

这是Gaussian输入中必须特别注意的一行。

0 1

表示：

0 → 总电荷
1 → 自旋多重度

例如：

输入	含义
0 1	中性单重态
0 2	中性双重态
1 1	+1电荷单重态
-1 1	-1电荷单重态

如果电荷或自旋多重度设置错误，后面的量子化学结果也会受到影响。

十九、HOMO和LUMO分析

Gaussian/GaussView非常经典的应用就是：

HOMO-LUMO分析。

HOMO

Highest Occupied Molecular Orbital

即：

最高占据分子轨道。

LUMO

Lowest Unoccupied Molecular Orbital

即：

最低未占据分子轨道。

HOMO-LUMO Gap

常见计算：

可以用于讨论：

电子结构；
电子跃迁；
反应性；
电子给受能力。

但不能简单地说：

HOMO-LUMO gap越小，药物活性就一定越高。

这是不严谨的。

二十、ESP与静电势分析

对于你现在研究的分子对接和分子动力学，ESP非常值得学习。

ESP：

Electrostatic Potential，静电势。

可以通过Gaussian计算电子密度和静电势，并在GaussView中显示成3D等值面。

例如：

Ligand
                ↓
         Gaussian计算
                ↓
       Electron density
                ↓
          ESP calculation
                ↓
        GaussView可视化

ESP可以帮助判断：

哪些区域电子富集；
哪些区域电子贫乏；
潜在氢键受体；
潜在亲核位点；
潜在亲电位点；
分子极性分布。

二十一、Mulliken电荷、ESP电荷和RESP

这是你后续做MD时特别重要的内容。

常见电荷类型：

Mulliken charge
ESP charge
RESP charge

它们并不是同一种算法。

简单理解：

电荷	特点
Mulliken	基于轨道/基函数布居分析
ESP	根据分子静电势拟合
RESP	对ESP进行约束拟合
AM1-BCC	基于经验方法近似获得电荷

如果你要做：

GAFF/GAFF2 + AMBER/ACPYPE + GROMACS

那么RESP电荷是一个非常值得掌握的路线。

二十二、Gaussian + RESP + GAFF2

你之前问到的这个流程可以完整写成：

Ligand
                   ↓
              GaussView
                   ↓
             3D结构检查
                   ↓
            Gaussian Opt
                   ↓
            Gaussian Freq
                   ↓
             ESP计算
                   ↓
            RESP拟合电荷
                   ↓
              GAFF2参数
                   ↓
             AMBER参数
                   ↓
              ACPYPE
                   ↓
              GROMACS
                   ↓
            分子动力学

所以Gaussian在MD体系中的一个重要作用就是：

为小分子提供高质量的量子化学结构和电荷信息。

二十三、溶剂模型：PCM / SMD

真实药物体系通常不是在真空中。

例如：

Ligand
  ↓
Water

因此Gaussian可以使用溶剂模型。

常见：

PCM
IEFPCM
SMD

例如：

#p B3LYP/6-31G(d) Opt SCRF=(SMD,Solvent=Water)

可以在水溶剂环境下进行计算。

这对于：

极性分子；
电荷；
构象；
能量；
反应；

等分析非常重要。

二十四、Gaussian还可以进行过渡态计算

如果研究的是：

化学反应机制

那么不仅仅是：

Reactant

还需要研究：

Reactant
   ↓
Transition State
   ↓
Product

Gaussian可以用于：

TS搜索；
IRC；
反应路径；
活化能；
反应能。

二十五、ONIOM：生物大分子体系的重要方法

对于蛋白质这种巨大体系，直接用高水平QM计算整个蛋白通常成本非常高。

因此可以：

Protein
                   │
       ┌───────────┴───────────┐
       ↓                       ↓
   QM区域                   MM区域
   活性位点                  其他蛋白
       ↓                       ↓
       └───────────┬───────────┘
                   ↓
                 ONIOM

例如：

Ligand + catalytic residues
          ↓
          QM

Protein remaining atoms
          ↓
          MM

这就是Gaussian中非常重要的：

ONIOM多层计算。

Gaussian的ONIOM能力是其用于复杂体系研究的重要功能之一。

二十六、GaussView如何设置计算？

一般可以通过图形界面的：

Calculation Setup

设置：

Job Type

例如：

Single Point
Optimization
Frequency
Opt + Freq
Transition State
IRC

Method

例如：

HF
DFT
MP2

Functional

例如：

B3LYP
M06-2X
ωB97XD

Basis Set

例如：

6-31G(d)
6-31G(d,p)
def2-SVP
def2-TZVP
cc-pVDZ

Charge / Multiplicity

例如：

0 1

二十七、GaussView如何查看计算结果？

Gaussian计算完成以后，通常可以得到：

.log
.out
.chk

等文件。

GaussView可以打开这些结果并查看：

分子结构
     ↓
优化过程
     ↓
能量
     ↓
振动模式
     ↓
轨道
     ↓
电子密度
     ↓
ESP
     ↓
光谱

GaussView还支持对优化过程、正常振动、IRC等进行动画显示。

二十八、Gaussian计算中的几个重要关键词

建议把下面这张表记下来：

Keyword	作用
Opt	几何优化
Freq	频率
SP	单点能
TD	TD-DFT/激发态
NMR	NMR
IRC	反应路径
TS	过渡态
Scan	坐标扫描
SCRF	溶剂模型
SMD	溶剂化模型
PCM	连续介质溶剂模型
Pop	电荷/轨道等布居分析
Stable	波函数稳定性
ONIOM	QM/MM多层计算

二十九、Gaussian实际操作

先用：

H₂O → NH₃ → 苯 → 一个小药物分子

逐步练习。

例如H₂O：

%chk=h2o.chk
#p B3LYP/6-31G(d) Opt Freq

H2O optimization

0 1
O    0.000000    0.000000    0.000000
H    0.758602    0.000000    0.504284
H   -0.758602    0.000000    0.504284

运行：

g16 h2o.gjf

完成后得到：

h2o.log
h2o.chk

再用GaussView打开：

h2o.log

查看：

优化结构；
能量；
频率；
振动模式。

三十、Gaussian的完整科研工作流

内容整合起来，可以形成：

小分子
                       ↓
               ChemDraw / PubChem
                       ↓
                  GaussView
                       ↓
                 结构检查
                       ↓
             电荷 + 自旋多重度
                       ↓
             Gaussian量子化学计算
                       ↓
       ┌───────────────┼───────────────┐
       ↓               ↓               ↓
      Opt             Freq          Single Point
       ↓               ↓               ↓
    稳定结构         无虚频检查       高水平能量
       └───────────────┼───────────────┘
                       ↓
                HOMO / LUMO
                       ↓
                 ESP / 电荷
                       ↓
                RESP / 参数化
                       ↓
              ┌────────┴────────┐
              ↓                 ↓
          AutoDock Vina       GROMACS
              ↓                 ↓
          分子对接            分子动力学
              ↓                 ↓
       Binding Pose          RMSD/RMSF
       H-bond               SASA/Rg
       π-π                  H-bond
              ↓                 ↓
              └────────┬────────┘
                       ↓
                  MM/PBSA
                       ↓
                结合自由能分析
                       ↓
                 实验验证

三十一、Gaussian、GaussView、Vina、GROMACS的关系

这一点可以作为整个学习体系的核心框架：

软件	核心问题	典型输出
GaussView	怎么建模、设置和看结果？	结构、输入文件、可视化
Gaussian	分子的电子结构是什么？	能量、轨道、电荷、频率
AutoDock Vina	配体怎么进入蛋白口袋？	Pose、Docking Score
PyMOL	蛋白-配体怎么结合？	3D结构、相互作用
GROMACS	复合物是否动态稳定？	RMSD、RMSF、Rg、SASA
MM/PBSA	结合能如何？	ΔG_bind及能量分解

因此可以记成：

Gaussian看“电子”，Vina看“结合姿势”，GROMACS看“动态稳定性”，MM/PBSA看“结合能”，PyMOL负责“结构可视化”。

三十二、如果目标是“Gaussian用于分子对接和MD”

第一阶段：GaussView基础

建分子 → 改结构 → 看键长/键角 → 设置电荷和自旋 → 生成Gaussian输入文件

第二阶段：Gaussian基础

Opt → Freq → Single Point

第三阶段：电子结构

HOMO/LUMO → ESP → Mulliken/ESP电荷 → NBO

第四阶段：配体参数化

Gaussian → ESP → RESP → GAFF2

第五阶段：与分子对接结合

配体优化 → PDBQT → Vina → Binding Pose

第六阶段：与MD结合

GAFF2/RESP → GROMACS → RMSD/RMSF/Rg/SASA/H-bond → MM/PBSA

这条路线对于分子对接 + 分子动力学 + 药物设计尤其合适。

**最后需要特别注意：Gaussian和GaussView属于商业软件，具体版本、授权和可用功能需要根据所在单位/服务器的许可证情况确定。

生活很好，有你更好。

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