摘要：Gaussian ONIOM可以用来模拟大分子体系，可以是有机化合物或生物大分子。本教程介绍了ONIOM计算的基本思想，并通过丙醛分子的基态结构详细说明了如何利用GaussView进行分子的分层、计算路径的设定、并利用Gaussian程序进行有机化合物的ONIOM计算。

作者：陈宇
日期：2018-01-15

一．ONIOM方法的基本原理

1. 基本思想

在实际的研究中，真实的分子体系可能包含大量的原子，对于这种体系而言，由于计算资源和计算时间的限制，若使用较高精度的模型方法进行模拟往往是不实际的，ONIOM方法的思想在于把一个分子体系分为若干个区域（也称为层，通常可以分成2层和3层），不同的层能够使用不同精度的方法进行计算，如图1所示。

若划分为2层：则通常划分为High Layer（高层）和Low Layer（低层）。其中高层包含感兴趣的研究区域（对于化学反应而言，则是断键和成键区域），这部分需要使用最昂贵的计算方法；而低层则是其余的部分，这部分则使用便宜的计算方法。

3层划分：有些情况下，反应中心受环境的影响较大，此时低水平方法不能有效的描述这些效应，因此还需要增加一个Medium Layer（中间层，这一层通常紧邻高层系统），这一部分采用介于高层和低层之间的方法进行描述。

ONIOM-Layers

图1. ONIOM分层原理

2. ONIOM计算电子能的原理

由于在ONIOM计算中，不同的层使用不同精度的方法进行计算，因此相比于传统计算，对于体系的电子能，ONIOM有更复杂的计算步骤，图2中每一个圆表示相应的方法在相应的层系统下计算得到的电子能，加号表示在ONIOM能量表达式中加上这个能量项，减号则表示减去这个能量项。

ONIOM：电子能量计算原理

图2. 电子能计算原理

对于2-layer体系：

E(ONIOM) = E(Low, Real) + E(High, Model) – E(Low, Model)

对于3-layer体系：

E(ONIOM) = E(Low, Real) + E(Medium, Middle) + E(High, Model) – E(Medium, Model) – E(Low, Middle)

为了进行一个ONIOM计算需要进行如下三个步骤：

  1. 利用GaussView对分子体系进行分层
  2. 构建ONIOM的输入文件
  3. 结果分析

二． 利用Gaussian程序进行ONIOM计算分层方案

在这个教程中，我们以丙醛分子（图3）的结构优化为例，说明如何进行ONIOM的计算。我们只演示2层的ONIOM计算（3层计算的步骤完全相同，只是需要再划分一个中间层，而划分方法与划分低层的方法相同）。

丙醛分子的结构

图3. 丙醛分子

通常需要注意的是：为了使ONIOM计算更好的模拟真实体系，在对分子体系进行分层时，需要考虑一下几个原则：

  1. 截断的化学键应该是单键（同时应该是非极性键），而不能是双键或三键
  2. 截断的化学键不能是成环的化学键
  3. 分子中有共轭作用的部分要划分到同一层
  4. 在化学反应中，涉及断键和成键的部分要划分到同一层

丙醛分子的2层ONIOM计算可以按图4的分层方案来实现：
丙醛的2层ONIOM分层方案

图4. 分子层的划分

三. 丙醛2层ONIOM计算的详细操作步骤

利用GaussView对分子体系进行分层，下面我们将详细说明这个过程：

1. 构建丙醛分子

首先在GaussView中建立丙醛分子模型。

丙醛分子的模型

图5. 丙醛分子的模型

2.用GaussView的Atom Group Editor进行ONIOM Layer编辑

在菜单栏中Tools的下拉菜单中点击Atom Groups调出原子团编辑对话框，然后在原子团（Atom Group）类型下拉菜单中选择ONIOM layer选项。此时可以看出所有的原子都处于高层，如图6所示。

原子团编辑

图6. ONIOM Layer的编辑

3. 设置低层原子

如图7，为了设置低层部分，点击圈选工具，选中处于想要设置为低层（Low）的原子（也就是1-7号原子，原子标号可以通过点击View下拉菜单中Labels选项显示），然后点击“ONIOM layer (Low)”所在行的“+”号，此时显示1-7号原子处于低层，即完成我们想要的分层。

设置低层原子

图7. 设置ONIOM低层原子

4. 完成ONIOM分层

点击原子团编辑对话框中下面的“OK”关闭对话框，然后点击工具栏中Calculate下拉菜单中的Gaussian Calculation Setup选项，调出ONIOM计算路径设置对话框。


ONIOM计算路径设置对话框

图8. 完成ONIOM分层返回GaussView的计算界面

5. 设定作业类型为：优化与频率计算

点击Job Type，进入工作类型设置界面，选中opt+freq，进行结构优化和频率计算，选择minimum以优化极小点。

图9. 设定计算类型为Opt + Freq

6. 设定ONIOM High Layer的计算方法

点击Method，进入方法基组设定界面，然后勾选右上侧的Mutilayer ONIOM Model，进入ONIOM计算路径编辑界面。首先，点击High Layer，对高层部分进行方法基组的设定（在这个教程中，我们为高层部分指定图10中的方法基组）。可以看到，设定的方法基组已经被显示在对话框的上方。

图10. 设定High Layer的计算方法

7. 设定Low Layer的计算方法

点击Low Layer，为低层指定方法基组，我们为低层部分指定图11中的方法基组。

图11. 设定Low Layer的计算方法

在这里，我们注意到出现了三对电荷/自旋多重度，它们分别表示用不同精度方法计算不同层时采用的设置，依次为：1. 低水平方法计算真实体系；2. 高水平方法计算高层部分；3. 低水平方法计算高层部分。

8.生成Gaussian输入文件，并编辑

点击对话框下面的Edit，保存文件，然后弹出文本编辑界面。如果有必要，可以直接在其中编辑输入文件。在这个教程里，我们将最终的输入文件改写成如下形式：

图12. 编辑输入文件

9.保存输入文件

保存更改的输入文件，即可完成输入文件的编辑。

图13 保存输入文件

10. 提交输入文件，进行计算

11. 结果分析

(1)频率分析

与通常的Gaussian极小点结构优化一样，振动频率中应该没有虚频。

(2)ONIOM电子能量

图14给出了输出文件中电子能量的结果，根据上面的公式，我们能够得到推测的ONIOM电子能：

ONIOM (extrapolated energy) = -192.489635432370

图14. ONIOM计算的电子能量

四. 参考材料

  1. http://gaussian.com/oniom
  2. James B. Foresman and Aeleen Frisch. Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods. Third Edition. P61-64

    3. Expl Chem3第61-64页提供了ONIOM计算有机化合物的详细过程

  3. http://gaussian.com/oniom_technote

    4. 本文详细地介绍了Gaussian的ONIOM技术。

  4. 小分子与生物大分子相互作用的OMIOM(QM/MM)模拟

    5. 请参阅James B. Foresman and Aeleen Frisch. Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods. Third Edition.第401-461页教程