产品帮助文档

# ORCA量化计算

# 1. 分子几何输入

  • 批量上传

    1. 点击“上传 .xyz 文件”按钮，在弹出的文件对话框中同时选择多个 .xyz 文件（每个文件包含一个分子坐标）。
    2. 系统会为每个文件新建一个输入块，并显示“已加载：<文件名>”。
    3. 若同一个文件想重新加载，请先移除对应块，或在文件选择对话框中再选一次。

  • 手动添加分子

    1. 点击“添加分子”按钮，会新建一个空白输入块，文本框内可粘贴 XYZ 文本：

      * xyz 0 1
O    0.000000   0.000000   0.117790
H    0.000000   0.755453  -0.471161
H    0.000000  -0.755453  -0.471161
*

    2. 当您在 textarea 内粘贴/修改几何后，块下方会显示“已加载：X 原子”，以确保该文本确实包含 X 行以字母开头的原子坐标行。

    3. 若要删除某个分子块，点击该块右上角的“×”按钮即可。

# 2. 计算类型 (Job Type)

  • 可选三种类型：
    1. 单点 (SP)：仅对给定几何计算总能量与电子性质，不改变几何。适用于需要快速获取能量或电子分布时。
    2. 几何优化 (Opt)：在选定方法与基组下，将分子几何逐步优化到势能面最低点，用于得到更合理几何。
    3. Opt + Freq：先做几何优化，再自动进行振动频率分析（IR 频谱）。
  • 注意：如果勾选“计算 IR 频率 (Freq)”，系统自动将类型切换为 “Opt + Freq”，因为频率分析必须基于优化几何，否则容易出现虚频。

# 3. 方法 (Methods)

  • Hartree–Fock (HF)

    • 最简单的自洽场方法，只考虑平均场电子相互作用。适合小分子参考基准。

  • 密度泛函 (DFT) 泛函

    • B3LYP：最常用混合泛函，适合有机小分子、配合物初筛。
    • PBE0 (PBE1PBE)：25% HF 交换与 PBE 关联结合，对金属配合物与有机分子表现较好。
    • CAM-B3LYP：含耦合长程校正，用于电荷转移态与激发光谱。
    • ωB97X-D：长程校正 + D3BJ 色散校正混合泛函，适用于非键相互作用与大体系。
    • M06-2X：Minnesota 系列；用于高精度热化学与非键相互作用。
    • TPSS / TPSSh：TPSS 是元泛函，TPSSh 是其混合版本，适合过渡金属体系。

  • 后 HF 方法（仅参考）

    • MP2：二阶 Møller–Plesset 微扰，适用于中等大小体系获取相关能。
    • CCSD(T)：耦合簇带微扰三阶，极高精度但计算成本极高，常作为基准。

  • 选择建议

    1. 初筛小有机分子：可用 B3LYP / PBE0 + def2-SVP。
    2. 中等精度需求（NMR、IR、UV-Vis）：推荐 B3LYP / CAM-B3LYP + def2-TZVP。
    3. 非键相互作用（范德华、π-π）：使用 ωB97X-D 或 M06-2X + def2-TZVP。
    4. 后 HF 相关：MP2 / CCSD(T) + cc-pVDZ / cc-pVTZ。

# 4. 近似 (Approximation)

  • 在计算 DFT、HF、MP2 或 CCSD(T) 时，可启用相应的 RI（resolution-of-identity）近似加速积分计算。
  • 动态联动：
    • 当您在“方法 (Method)”下拉中选择一种方法时，“近似 (Approximation)”下拉会自动更新，只展示该方法支持的选项；
    • 反之，若您先选了“近似”，则“方法”下拉也会相应过滤，保证两者始终是兼容组合。
  • 各方法支持的近似选项：
    • DFT：
      • 无
      • RI-JCOSX（仅适用于 B3LYP、PBE0、CAM-B3LYP、ωB97X-D、M06-2X、TPSS、TPSSh）
    • HF / Hybrid HF：
      • 无
      • RI-JK（加速 Coulomb 与 Exchange 积分）
      • RI-JCOSX（链式球面交换近似，也可用于纯 HF）
    • MP2：
      • 无
      • RI-MP2（仅适用于 MP2）
    • CCSD(T)：
      • 无
      • RI-CC（仅适用于 CCSD(T)）
  • 基组建议： 推荐配合 def2 系列基组（如 def2-SVP、def2-TZVP 等）及其辅助基组（如 def2/J、def2/C）使用 RI 近似，以获得最佳性能与精度。

# 5. 基组 (Basis Sets)

  • STO-3G / 3-21G

    • 最简化基组，用于极快速测试，但精度最低。
    • 仅作初步验证几何或方法正确性。

  • 6-31G 系列 (Pople)

    • 6-31G, 6-31G(d)（6-31G*）、6-31G(d,p)（6-31G**）
      • d 表示对主族元素添加 d 极化函数；(d,p) 同时给 H 添加 p 极化。
      • 适合有机小分子几何优化及性质计算。
    • 6-311G(d,p)
      • 三 ζ 基组，极化函数更完备，适用更高精度需求。
    • 6-311++G(d,p)
      • 在 6-311G(d,p) 上添加弥散函数，适合阴离子与含 Rydberg 激发态体系。
    • 6-311++G(3df,3pd)
      • 进一步增强极化与弥散，适用于复杂有机分子与光谱性质。

  • Ahlrichs 系列 (def2)

    • def2-SVP：双 ζ 极化基组，适合初步几何优化与较快性质计算。
    • def2-SVPD：在 def2-SVP 上加入弥散函数，改善长程电子分布。
    • def2-TZVP：三 ζ 极化基组，适用于 NMR、IR、UV-Vis 等高精度 DFT 计算。
    • def2-TZVPD：加弥散函数版本，适合含苯环堆积等非键相互作用。
    • def2-QZVP / def2-QZVPD：四 ζ 极化（含或不含弥散），适用于追求基组收敛的高精度研究。

  • Dunning 相关一致基组 (cc-pVnZ)

    • cc-pVDZ / cc-pVTZ / cc-pVQZ：n=2,3,4 分别对应双 ζ、三 ζ、四 ζ，有较好相关收敛性能。
    • aug-cc-pVDZ / aug-cc-pVTZ：“aug” 表示在原基组基础上添加弥散函数，适合阴离子与激发态研究。

  • Polarization Consistent (pc-n)

    • pc-1 / pc-2 / pc-3：针对极化收敛设计的一组基组，适用于自洽收敛测试与高精度性质计算。

  • 选择建议

    1. 初步几何优化与临时性质计算：6-31G(d) 或 def2-SVP，计算速度较快。
    2. 中等精度谱学计算 (NMR/IR/UV-Vis)：def2-TZVP、cc-pVTZ、aug-cc-pVDZ，可根据体系大小和非键相互作用选择弥散版本。
    3. 高精度关联能计算 (MP2/CCSD(T))：cc-pVTZ / cc-pVQZ 或 aug-cc-pVTZ，保证相关能精度。
    4. 研究特殊元素：请参考 ORCA 官方文档，某些过渡金属或重元素需专门基组（如 def2-TZVPPD、Dyall 系列）。

# 6. 并行 & 内存

  • 启用并行：勾选后可填写：
    • 并行核数 (nprocs)：整数 1–32，具体数值取决于后台可调度的核心数与用户预算。
    • 每核内存 (MaxCore)：整数 128–32768（MB），即分配给每个核的最大可用内存。
  • 内存计算：页面实时显示“预计总内存 = nprocs × MaxCore”，若超出系统可用（假设 32 GB），则会出现红色警告并禁用“提交”，以免资源不足导致任务失败。

# 7. 溶剂化 (Implicit Solvent Models)

  • CPCM (SMD)

    • 常用溶剂包括 Water、Ethanol、Acetonitrile、Diethyl Ether 等。

    • 勾选后将生成：

      %cpcm
  smd true
  smdsolvent "&lt;SolventName>"
end

    • SMD 是 Solvation Model based on Density，由 Truhlar 团队开发，适用于几乎所有有机溶剂。

  • PCM (Custom ε)

    • 若选择“PCM (自定义 ε)”，在文本框中填写介电常数 ε，例如：78.39 (水)，37.5 (乙醇)，4.8 (二氯甲烷) 等。

    • 系统将生成：

      %pcm
  epsilon &lt;ε>
end

    • PCM 中 ε 代表溶剂介电常数，较高 ε 值可显著稳定高极性或带电体系。

  • 无溶剂 (Gas Phase)

    • 选择“无溶剂”时不生成任何溶剂段，所有计算在真空中进行。

# 8. 谱学性质 (Spectroscopic Properties)

  • NMR 化学位移

    • 勾选后可在下方选择 NMR 方法：

      • GIAO、CSGT、IGLO-II 等。

    • 脚本中会自动添加：

      %EPRNMR
  NUCLEI = ALL C {SHIFT}
END

  • UV-Vis (TDDFT)

    • 勾选后输入“激发根数 (nroots)”。

    • 脚本中会自动添加：

      %tddft
  nroots &lt;value>
end

  • IR (Freq)

    • 勾选后自动切换为 “Opt + Freq”，并在脚本中添加 Freq 关键字。
    • 可设置频率范围及振动动画选项。

# 9. 分子性质 & 输出 (Molecular Properties & Outputs)

  • Mulliken / NPA / 偶极矩

    %output
  Print[P_Mulliken] 1
  Print[P_NPA]      1
  Print[P_Dipole]   1
end

  • HOMO / LUMO 立方体

    %plots
  dim1 80; dim2 80; dim3 80;
  Format Cube;
  MO "HOMO.cube" -1 0;
  MO "LUMO.cube"  1 0;
end

# 10. 脚本拼接与提交

  • 界面会根据上述选项调用 generateOrcaInput(geoText)：

    1. 首行关键字：! <Method> <Basis> TightSCF [SP|Opt|Freq] [Approximation] [NMR] [TDDFT]
    2. 并行 & 内存：%pal nprocs <n> end + %maxcore <m>
    3. 溶剂化：%cpcm … end 或 %pcm epsilon <ε> end
    4. 输出：%output … end
    5. 立方体：%plots … end
    6. TDDFT：%tddft nroots <v> end
    7. NMR：%EPRNMR … END
    8. 几何：* xyz 0 1\n<XYZ>\n*

  • 点击“提交计算”后，前端会生成所有分子脚本并以 JSON 数组形式发送给后端，由后端写入 .inp 并调用 ORCA 执行。

← VASP量化计算 →