289
APPROVED: Angela K. Wilson, Major Professor Weston T. Borden, Committee Member Thomas R. Cundari, Committee Member Martin Schwartz, Committee Member Michael G. Richmond, Chair of the Chemistry Department Michael Monticino, Interim Dean of the Robert B. Toulouse School of Graduate Studies SYSTEMATIC APPROACHES TO PREDICTIVE COMPUTATIONAL CHEMISTRY USING THE CORRELATION CONSISTENT BASIS SETS Brian P. Prascher, B.S. Dissertation Prepared for the Degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY UNIVERSITY OF NORTH TEXAS May 2009

Systematic Approaches to Predictive Computational

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

APPROVED:

Angela K. Wilson, Major Professor Weston T. Borden, Committee Member Thomas R. Cundari, Committee Member Martin Schwartz, Committee Member Michael G. Richmond, Chair of the Chemistry

Department Michael Monticino, Interim Dean of the Robert

B. Toulouse School of Graduate Studies

SYSTEMATIC APPROACHES TO PREDICTIVE COMPUTATIONAL CHEMISTRY

USING THE CORRELATION CONSISTENT BASIS SETS

Brian P. Prascher, B.S.

Dissertation Prepared for the Degree of

DOCTOR OF PHILOSOPHY

UNIVERSITY OF NORTH TEXAS

May 2009

Prascher, Brian P., Systematic Approaches to Predictive Computational

Chemistry using the Correlation Consistent Basis Sets

The development of the correlation consistent basis sets, cc-pVnZ (where n = D,

T, Q, etc.) have allowed for the systematic elucidation of the intrinsic accuracy of ab

initio quantum chemical methods. In density functional theory (DFT), where the cc-pVnZ

basis sets are not necessarily optimal in their current form, the elucidation of the

intrinsic accuracy of DFT methods cannot always be accomplished. This dissertation

outlines investigations into the basis set requirements for DFT and how the intrinsic

accuracy of DFT methods may be determined with a prescription involving recontraction

of the cc-pVnZ basis sets for specific density functionals. Next, the development and

benchmarks of a set of cc-pVnZ basis sets designed for the s-block atoms lithium,

beryllium, sodium, and magnesium are presented. Computed atomic and molecular

properties agree well with reliable experimental data, demonstrating the accuracy of

these new s-block basis sets. In addition to the development of cc-pVnZ basis sets, the

development of a new, efficient formulism of the correlation consistent Composite

Approach (ccCA) using the resolution of the identity (RI) approximation is employed.

The new formulism, denoted ‘RI-ccCA,’ has marked efficiency in terms of computational

time and storage, compared with the ccCA formulism, without the introduction of

significant error. Finally, this dissertation reports three separate investigations of the

properties of FOOF-like, germanium arsenide, and silicon hydride/halide molecules

using high accuracy ab initio methods and the cc-pVnZ basis sets.

. Doctor of Philosophy (Physical

Chemistry), May 2009, 275 pp., 49 tables, 28 illustrations, references, 307 titles.

ii

Copyright 2009

by

Brian P. Prascher

iii  

ACKNOWLEDGEMENTS 

I would like to acknowledge Jesus Christ as my source of strength in all things. (“I have 

strength for all things in Christ who empowers me,” Philippians 4:13) Further, the love, support, 

and  encouragement  of my wife  and  best  friend,  Laura; my  beautiful  daughters,  Emma  and 

Charlotte; my Mom  and  Dad;  and  Lew  and  Diane,  has  been  paramount  for me  during my 

graduate career. 

I  wish  to  thank  my  colleagues  during  my  time  in  the  Wilson  Group  (in  order  of 

appearance): Xuelin Wang, Scott Yockel,  James Seals, Ray Bell, Ben Mintz, Pankaj Sinha,  John 

Determan, Nathan DeYonker, Sammer Tekarli, Gavin Williams, Brent Wilson, Gbenga Oyedepo, 

Kameron  Jorgensen,  and Marie Majkut,  for  constantly  challenging me with  questions  about 

computational  chemistry  and,  in  so  doing,  kept my  knowledge  of  the  subject  up  to  par.  In 

particular,  I  want  to  thank  and  acknowledge  Brent  Wilson  and  Gavin  Williams  for  their 

contributions  to projects discussed  in  this dissertation. Many  thanks  and  acknowledgements 

also go to the numerous undergraduates that served in the Wilson Group, particularly Rebecca 

Lucente‐Schultz, Arjun Kavi, and Jeremy Lai for their contributions to work presented herein. 

I also want to thank the professors of the Chemistry Department, who challenged and 

molded me into the academic that I am today. Finally, I would like to give a heart‐felt thanks to 

Angela Wilson, my academic mother and mentor, whose open‐door,  yet hands‐off approach 

gave me room to spread my wings. 

iv  

TABLE OF CONTENTS 

Page 

ACKNOWLEDGEMENTS ................................................................................................................... iii 

LIST OF TABLES ............................................................................................................................... vii 

LIST OF ILLUSTRATIONS .................................................................................................................. xi 

Chapter 

1. INTRODUCTION ................................................................................................................... 1 

2. COMPUTATIONAL QUANTUM CHEMISTRY ........................................................................ 4 

2.1  The Schrödinger Equation ....................................................................................... 4 2.2  Ab initio Methodology ............................................................................................ 8 

2.2.1  The Hartree‐Fock Approximation ............................................................. 10 2.2.2  Configuration Interaction .......................................................................... 16 2.2.3  Coupled Cluster Theory ............................................................................. 20 2.2.4  Many‐Body Perturbation Theory .............................................................. 24 

2.3  Density Functional Theory .................................................................................... 27 2.3.1  The Hohenberg‐Kohn Theorems ............................................................... 30 2.3.2  The Kohn‐Sham Method ........................................................................... 33 

2.4  Basis Set Theory .................................................................................................... 35 2.5  Model Chemistries ................................................................................................ 40 

3. CORRELATION CONSISTENT BASIS SETS ........................................................................... 43 

3.1  Introduction .......................................................................................................... 43 3.2  Valence and Tight d Basis Sets .............................................................................. 45 3.3  Augmented Basis Sets ........................................................................................... 50 3.4  Core‐Valence Basis Sets ........................................................................................ 50 3.5  Scalar Relativistic Basis Sets .................................................................................. 51 

4. SYSTEMATIC TRUNCATION OF THE CORRELATION CONSISTENT BASIS SETS  IN DENSITY FUNCTIONAL THEORY CALCULATIONS ............................................................................. 53 

4.1  Introduction .......................................................................................................... 53 4.2  Computational Methodology ................................................................................ 56 4.3  Results and Discussion .......................................................................................... 58 

4.3.1  Atoms ........................................................................................................ 58 4.3.2  Homonuclear Diatomics ............................................................................ 60 

v  

4.3.3  CH4, SiH4, NH3, PH3, H2O, and H2S ............................................................. 63 4.3.4  Computational Time Savings ..................................................................... 65 

4.4  Conclusions ........................................................................................................... 66 

5. SYSTEMATIC  RECONTRACTION  OF  THE  CORRELATION  CONSISTENT  BASIS  SETS  FOR DENSITY FUNCTIONAL THEORY CALCULATIONS ............................................................... 82 

5.1  Introduction .......................................................................................................... 82 5.2  Computational Methodology ................................................................................ 85 5.3  Results and Discussion .......................................................................................... 87 

5.3.1  Atoms ........................................................................................................ 87 5.3.2  Molecules .................................................................................................. 89 5.3.3  Kohn‐Sham Limits ...................................................................................... 92 5.3.4  Basis Set Superposition Error .................................................................... 94 5.3.5  Diffuse Functions ....................................................................................... 95 

5.4  Conclusions ........................................................................................................... 96 

6. THE DEVELOPMENT OF S‐BLOCK CORRELATION CONSISTENT BASIS SETS .................... 116 

6.1  Introduction ........................................................................................................ 116 6.2  Computational Methodology .............................................................................. 118 6.3  Basis Set Construction ........................................................................................ 120 

6.3.1  Tight d Functions for Inner Valence Correlation ..................................... 120 6.3.2  Core‐Valence Functions for Sub‐Valence Correlation ............................ 121 6.3.3  Recontracted Basis Sets for Scalar Relativistic Computations ................ 123 

6.4  Benchmark Computations .................................................................................. 125 6.4.1  Ionization Potentials and Electron Affinities ........................................... 125 6.4.2  Optimized Geometries and Vibrational Frequencies .............................. 128 6.4.3  Thermochemistry .................................................................................... 129 

6.5  Conclusions ......................................................................................................... 130 

7. THE  RESOLUTION OF  THE  IDENTITY  APPROXIMATION  APPLIED  TO  THE  CORRELATION CONSISTENT COMPOSITE APPROACH ............................................................................ 137 

7.1  Introduction ........................................................................................................ 137 7.2  Computational Methodology .............................................................................. 142 7.3  Results and Discussion ........................................................................................ 144 

7.3.1  RI‐ccCA Implementation ......................................................................... 144 7.3.2  Auxiliary Basis Sets for RI‐ccCA ............................................................... 145 7.3.3  Energetic Properties ................................................................................ 146 7.3.4  Computational Cost................................................................................. 147 

7.4  Conclusions ......................................................................................................... 152 

8. A SYSTEMATIC INVESTIGATION OF DIHALOGEN‐μ‐DICHALCOGENIDES ......................... 168 

vi  

8.1  Introduction ........................................................................................................ 168 8.2  Computational Methodology .............................................................................. 171 8.3  Results and Discussion ........................................................................................ 173 

8.3.1  Stability of X2A2 Compounds ................................................................... 173 8.3.2  XAAX Structures ...................................................................................... 174 8.3.3  Vibrational Frequency Analyses .............................................................. 176 8.3.4  Anomeric Effects ..................................................................................... 177 

8.4  Conclusions ......................................................................................................... 180 

9. A SYSTEMATIC INVESTIGATION OF GERMANIUM ARSENIDES ....................................... 188 

9.1  Introduction ........................................................................................................ 188 9.2  Computational Methodology .............................................................................. 190 9.3  Results and Discussion ........................................................................................ 192 

9.3.1  Optimized Structures .............................................................................. 192 9.3.2  Classical Barriers to Isomerization .......................................................... 195 9.3.3  Thermochemistry and Relative Stabilities .............................................. 197 

9.4  Conclusions ......................................................................................................... 199 

10. A SYSTEMATIC INVESTIGATION OF SILICON HYDRIDES AND HALIDES ........................... 218 

10.1  Introduction ........................................................................................................ 218 10.2  Computational Methodology .............................................................................. 220 10.3  Optimized Structures .......................................................................................... 221 

10.3.1  SiH, SiF, and SiCl ...................................................................................... 221 10.3.2  SiH2, SiF2, SiCl2, SiHF, and SiHCl ............................................................... 222 10.3.3  SiH3, SiF3, SiCl3, SiH2F, SiH2Cl, SiHF2, and SiHCl2 ...................................... 223 10.3.4  SiH4, SiF4, SiCl4, SiH3F, SiH3Cl, SiH2F2, SiH2Cl2, SiHF3, and SiHCl3 .............. 224 

10.4  Thermochemistry ................................................................................................ 226 10.4.2  Atomization Energies and Enthalpies of Formation ............................... 227 10.4.3  Dissociation Reaction Enthalpies ............................................................ 233 

10.5  Conclusions ......................................................................................................... 234 

11. CONCLUDING REMARKS ................................................................................................. 257 

REFERENCES ................................................................................................................................ 259 

vii  

LIST OF TABLES 

Table 3.1  The composition of the correlation consistent basis sets for the first three rows of the main group. ................................................................................................ 45 

Table 4.1  Total  energies  (Eh)  of  the  carbon  and  oxygen  atoms  computed with  full  and truncated basis sets; energy differences are listed in mEh. .................................. 69 

Table 4.2  Ionization potentials  (eV) of  the  carbon and oxygen atoms  computed with  full and  truncated basis sets;  relative differences are  listed below  the  full basis set values. ................................................................................................................... 71 

Table 4.3  Electron  affinities  (eV)  of  the  carbon  and  oxygen  atoms  computed  with  full, truncated,  and  augmented  truncated  basis  sets  (aug);  relative  differences  are listed below the full basis set values. ................................................................... 72 

Table 4.4  Total energies (Eh) of the C2 and O2 molecules computed with full and truncated basis sets; energy differences are listed in mEh. ................................................... 74 

Table 4.5  BLYP  vertical  ionization  potentials  (eV),  electron  affinities  (eV),  atomization energies (kcal/mol), and optimized bond  lengths (Å) of the C2 and O2 molecules computed with  full  and  truncated basis  sets; electron  affinities  include diffuse functions  and  relative  energy  differences  are  listed  below  the  full  basis  set values. ................................................................................................................... 76 

Table 4.6  B3LYP atomization energies  (kcal/mol) and optimized bond  lengths  (Å)  for CH4 and SiH4 (both 

1A1); relative differences are listed below the full basis set values................................................................................................................................ 78 

Table 4.7  B3LYP optimized geometries (Å and degrees) for NH3 and PH3 (both 1A1); relative 

differences are listed below the full basis set values. .......................................... 79 

Table 4.8  B3LYP optimized geometries (Å and degrees) for H2O and H2S (both 1A1); relative 

differences are listed below the full basis set values. .......................................... 80 

Table 4.9  Percent  CPU  time  and  average  time  saved  computing  B3LYP  single‐point energies with truncated basis sets, relative to the full basis sets. ....................... 81 

Table 5.1  A comparison of  the BLYP and B3LYP  total energies  (Eh) of  the  first  row atoms (including hydrogen) computed with the original and recontracted cc‐pVnZ basis sets; relative differences to the original basis sets are shown  in mEh under  [rc].............................................................................................................................. 101 

viii  

Table 5.2  A comparison of the BLYP and B3LYP ionization potentials and electron affinities (eV) of the first row atoms (including hydrogen) computed with the original and recontracted cc‐pVnZ basis sets; relative differences to the original basis sets are shown under [rc]. ................................................................................................ 102 

Table 5.3  A  comparison of  the BLYP  and B3LYP  total energies  (Eh),  ionization potentials, and  electron  affinities  (eV)  of  the  first  row  dimers  (including  hydrogen) computed  with  the  original  and  recontracted  cc‐pVnZ  basis  sets;  relative differences  to  the original basis  sets are  shown  in mEh  (total energies) and eV under [rc]. ........................................................................................................... 103 

Table 5.4  The BLYP and B3LYP optimized geometries  (Å and degrees) of several  first row molecules  computed  with  the  original  and  recontracted  basis  sets;  relative differences to the original basis set are shown under [rc]. ................................ 105 

Table 5.5  The  BLYP  and  B3LYP  atomization  energies  (kcal/mol)  of  several  first  row molecules  computed  with  the  original  and  recontracted  basis  sets;  relative differences to the original basis set are shown under [rc]. ................................ 107 

Table 5.6  Two‐  and  three‐point  extrapolated  BLYP  and  B3LYP  Kohn‐Sham  limits  of atomization  energies  (kcal/mol)  computed with  the  original  and  recontracted basis sets. Non‐monotonic behavior is denoted by ‘‐‐‐’. .................................... 110 

Table 5.7  The  BLYP  and  B3LYP  atomization  energies  (kcal/mol)  and  their  extrapolated Kohn‐Sham  limits of  four molecules corrected  for basis  set  superposition error (BSSE). ................................................................................................................. 113 

Table 5.8  A  comparison  of  BLYP  and  B3LYP  atomization  energies  (kcal/mol)  and  their extrapolated Kohn‐Sham values using the aug‐cc‐pVnZ, aug‐cc‐pVnZ[rc], and aug‐cc‐pVnZ[rc] basis sets corrected for basis set superposition error (BSSE). ........ 114 

Table 6.1  The composition of the correlation consistent basis sets for s‐block atoms. .... 119 

Table 6.2  CCSD(T)  ionization potentials and electron affinities of  Li, Be, Na, and Mg;  the tight d correlation consistent basis sets for Na and Mg have been used. ......... 131 

Table 6.3  CCSD(T) optimized geometries (Re, Å) of some s‐block molecules computed with various families of correlation consistent basis sets. ......................................... 132 

Table 6.4  CCSD(T)  harmonic  vibrational  frequencies  (Å)  of  some  s‐block  molecules computed with various families of correlation consistent basis sets................. 134 

Table 6.5  CCSD(T) standard state enthalpies of formation at 298.15 K (kcal/mol) for some s‐block molecules computed with various families of correlation consistent basis sets; tight d functions have been used for the Na and Mg atoms. .................... 135 

ix  

Table 7.1  Differences between ccCA and RI‐ccCA total energies (mEh), relative CPU times, and  relative  disk  space  using  different  combinations  of  RI‐SCF  and  RI‐MP2 auxiliary basis sets.a ............................................................................................ 154 

Table 7.2  Total  energies  (Eh)  computed  with  ccCA,  RI‐ccCA,  and  RI‐ccCA+L;  differences (mEh) are relative to the ccCA energies. ............................................................. 155 

Table 7.3  Enthalpies of formation (ΔHf°) at 298 K (kcal/mol) computed with ccCA, RI‐ccCA, and RI‐ccCA+L. ..................................................................................................... 159 

Table 7.4  CPU times and disk space usage of RI‐ccCA and RI‐ccCA+L relative to ccCA...... 164 

Table 8.1  Stabilities  (kcal/mol) of  the different  isomers of X2A2 molecules  relative  to  the gauche isomer, XAAX, computed with B3LYP and CCSD(T). ............................... 182 

Table 8.2  B3LYP and CCSD(T) optimized geometries (Å and degrees) of the fluorine species using various correlation consistent basis sets. ................................................. 183 

Table 8.3  B3LYP and CCSD(T) optimized geometries (Å and degrees) of the chlorine species using various correlation consistent basis sets. ................................................. 184 

Table 8.4  B3LYP and CCSD(T) optimized geometries (Å and degrees) of the bromine species using various correlation consistent basis sets. ................................................. 185 

Table 8.5  B3LYP and CCSD(T) harmonic vibrational  frequencies  (cm‐1) computed with  the aug‐cc‐pVTZ basis set. ......................................................................................... 186 

Table 8.6  A  comparison  of  CCSD(T)  harmonic  and  anharmonic  vibrational  frequencies (cm‐1) of FSSF computed with the cc‐pVDZ basis set. ......................................... 187 

Table 9.1  Non‐relativistic and spin‐orbit (SO) total energies (Eh) of some main group atoms computed  at  the MCSCF/cc‐pVTZ  level  of  theory;  SO  corrections  are  given  in kcal/mol. ............................................................................................................. 202 

Table 9.2  A  comparison  of  the  CCSD(T)  optimized  geometries  (Å  and  degrees)  for  the L‐GeAs  and  GeAs‐L  isomers;  previously  reported  geometries  are  included  for comparison. ........................................................................................................ 203 

Table 9.3  A comparison of the B3LYP optimized geometries (Å and degrees) for the L‐GeAs and  GeAs‐L  isomers;  previously  reported  geometries  are  included  for comparison. ........................................................................................................ 205 

Table 9.4  CCSD(T) and B3LYP classical reaction barriers  (kcal/mol)  for the  forward  (f) and reverse  (r)  reactions;  previously  reported  reaction  barriers  are  included  for comparison. ........................................................................................................ 207 

x  

Table 9.5  Non‐relativistic  (NR),  Cowan‐Griffin  (CG),  and  Douglas‐Kroll  (DK)  enthalpies  of formation at 298 K (kcal/mol) of the L‐GeAs isomers computed with CCSD(T) and B3LYP; spin‐orbit effects have been included in the relativistic enthalpies. ...... 209 

Table 9.6  Non‐relativistic  (NR),  Cowan‐Griffin  (CG),  and  Douglas‐Kroll  (DK)  enthalpies  of formation at 298 K (kcal/mol) of the GeAs‐L isomers computed with CCSD(T) and B3LYP; spin‐orbit effects have been included in the relativistic enthalpies. ...... 212 

Table 9.7  CCSD(T) and B3LYP  enthalpies of isomerization (kcal/mol) from L‐GeAs to GeAs‐L at 298 K. Various basis set  levels and CBS  limits are represented as well as non‐relativistic  (NR)  and  relativistic  energies  using  the  Cowan‐Griffin  (CG)  and Douglas‐Kroll (DK) approach. .............................................................................. 215 

Table 10.1  CCSD(T) optimized geometries (Å) of SiH, SiF, and SiCl. ..................................... 239 

Table 10.2  CCSD(T) optimized geometries (Å and degrees) of SiH2, SiF2, SiCl2, SiHF, and SiHCl.............................................................................................................................. 240 

Table 10.3  CCSD(T) optimized geometries  (Å and degrees) of SiH3, SiF3, SiCl3, SiH2F, SiH2Cl, SiHF2, and SiHCl2. ................................................................................................ 242 

Table 10.4  CCSD(T) optimized geometries  (Å and degrees) of SiH4, SiF4, SiCl4, SiHF3, SiH3F, SiHCl3, SiH3Cl, SiH2F2, and SiH2Cl2. ....................................................................... 244 

Table 10.5  CCSD(T)  and  ccCA  atomization  energies  (kcal/mol)  and  extrapolated  energies; atomic spin‐orbit corrections have been applied to the CCSD(T) results. ......... 246 

Table 10.6  CCSD(T) and ccCA enthalpies of formation at 298 K (kcal/mol) and extrapolated energies; atomic spin‐orbit corrections have been applied to the CCSD(T) results.............................................................................................................................. 249 

Table 10.7  CCSD(T) and ccCA enthalpies of dissociation at 298.15 K (kcal/mol) of the silicon hydrides,  computed  with  the  aug‐cc‐pV(n+d)Z  basis  sets;  the  mean  absolute deviation (MAD) is relative to the experimental values. .................................... 252 

Table 10.8  CCSD(T) and ccCA enthalpies of dissociation at 298.15 K (kcal/mol) of the silicon fluorides,  computed  with  the  aug‐cc‐pV(n+d)Z  basis  sets;  the mean  absolute deviation (MAD) is relative to the experimental values. .................................... 253 

Table 10.9  CCSD(T) and ccCA enthalpies of dissociation at 298.15 K (kcal/mol) of the silicon chlorides,  computed  with  the  aug‐cc‐pV(n+d)Z  basis  sets;  the mean  absolute deviation (MAD) is relative to the experimental values. .................................... 255 

xi  

LIST OF ILLUSTRATIONS 

Figure 2.1  Representations  of  restricted  closed‐shell  (I),  restricted  open‐shell  (II),  and unrestricted (III) wavefunctions. .......................................................................... 14 

Figure 2.2  A  comparison of  the dissociation of H2 using a  single determinant  (SCF) and a two‐determinant (MCSCF) wavefunction. ............................................................ 16 

Figure 2.3  Examples  of  singly‐,  doubly‐,  and  triply‐excited  configurations  of  the  HF reference wavefunction. ....................................................................................... 18 

Figure 2.4  Plots comparing the behavior of a single STO to a single GTO (left) and that of a single  STO with  a  linear  combination  (LC) of  three GTOs  (right).  The units  are arbitrary. ............................................................................................................... 38 

Figure 2.5  A conceptual view of basis set size versus level of sophistication in correlated ab initio methods. The number of determinants with respect to excitation level (n), number of electrons  (N), and basis  set  size  (K)  is given by  the  formula on  the lower axis. ............................................................................................................. 41 

Figure 4.1  BLYP  ionization potentials of  the oxygen  atom  computed with  truncated basis sets  (hash marks) and plotted against the  full basis set values. The  inset shows more detail  at  the quadruple‐ζ  level. Points  denoted  ‘l  >  3’  are  the  truncated basis sets with only s, p, d, and f basis functions. ................................................. 61 

Figure 4.2  BLYP  ionization  potentials  of  the  O2 molecule  (3Σg)  computed with  truncated basis  sets  (hash  marks)  and  plotted  against  the  full  basis  set  values.  Points denoted ‘l > 3’ are the truncated basis sets with only s, p, d, and f basis functions................................................................................................................................ 62 

Figure 4.3  Comparisons  of  CPU  time  savings  (closed  circles),  ionization  potentials (triangles),  electron  affinities  (upside‐down  triangles),  atomization  energies (open  squares),  and  total  energies  (closed  squares)  between  the  full  and truncated cc‐pV5Z basis set using B3LYP. Truncation levels: ‘0’ is the full basis, ‘1’ is cc‐pV5Z(‐1h ; 1g), ‘2’ is cc‐pV5Z(‐1h1g ; 1g1f), etc. .......................................... 68 

Figure 5.1  The  BLYP  potential  energy  curve  of  O2  (3Σg)  computed with  the  original  and 

recontracted correlation consistent basis sets. .................................................... 91 

Figure 5.2  A comparison of the BLYP atomization energies computed with the original and recontracted correlation consistent basis sets. .................................................... 92 

xii  

Figure 5.3  A  comparison  of  BLYP  atomization  energies  computed  with  the  original  and recontracted  correlation  consistent basis  sets,  and  the  recontracted basis  sets with basis set superposition error (BSSE) removed. ............................................ 99 

Figure 5.4  A  comparison  of  BLYP  atomization  energies  computed  with  the  pc‐n, aug‐cc‐pVnZ,  and  aug‐cc‐pVnZ[rc]  basis  sets with  basis  set  superposition  error (BSSE) removed. .................................................................................................. 100 

Figure 6.1  The  incremental CISD correlation energy  lowering of  the Mg atom due  to each polarization function. .......................................................................................... 121 

Figure 6.2  Comparisons of the Na atom valence (cc‐pVnZ) exponents with the core‐valence (cc‐pCVnZ)  and weighted  core‐valence  (cc‐pwCVnZ)  exponents;  the  exponents are grouped by angular momentum. .................................................................. 122 

Figure 6.3  The spacing of the d exponents in the cc‐pVnZ basis sets compared with those in the cc‐pV(n+d)Z basis sets. ................................................................................. 123 

Figure 6.4  CCSD(T) valence correlation energies recovered by the cc‐pVnZ  (V/V), cc‐pCVnZ (V/CV), and cc‐pwCVnZ (V/wCV) basis sets. ....................................................... 124 

Figure 6.5  CCSD(T) core‐valence plus valence correlation energies recovered by the cc‐pVnZ (CV/V), cc‐pCVnZ  (CV/CV), and cc‐pwCVnZ  (CV/wCV);  the 1s orbitals of Na and Mg were kept frozen in each calculation. ........................................................... 126 

Figure 6.6  Comparisons  of  the  scalar  relativistic  corrections  to  the  atomic  Hartree‐Fock energy  using  the  original  contractions  (diamonds)  and  the  Douglas‐Kroll contractions (squares) with increasing basis set size. ........................................ 127 

Figure 7.1  CPU times of RI‐ccCA (top) and RI‐ccCA+L (bottom) versus ccCA; each data point represents a molecule in the test set. ................................................................ 148 

Figure 7.2  Disk space usage of RI‐ccCA (top) and RI‐ccCA+L (bottom) versus ccCA; each data point represents a molecule in the test set. ....................................................... 150 

Figure 7.3  Correlation between molecular size and average CPU time and disk space saved using RI‐ccCA and RI‐ccCA+L, relative to ccCA. ................................................... 151 

Figure 8.1  The orbital representation of anomeric delocalization in XAAX systems: the lone pair on a bridging A atom delocalizes into the adjacent σ*(AX) orbital. ............ 170 

Figure 8.2  The  lowest unoccupied CISD natural orbitals of FSSF: both contour plots are F‐S σ* orbitals (14A, left; 13B, right). The perspective is down the z‐axis (iso‐contour value: 0.095). ...................................................................................................... 178 

xiii  

Figure 8.3  The molecules FSSF  (left), ClSSCl  (center), and BrSSBr  (right), and  the  lone pair orbitals responsible for anomeric delocalization. The prespective  is down the z‐axis (iso‐contour values: 0.06, 0.03, and 0.03, respectively). ............................. 179 

Figure 9.1  A schematic of the forward (f) and reverse (r) reaction coordinates of L migration from the germanium atom to the arsenic atom. ................................................ 195 

Figure 9.2  A  side‐by‐side  comparison of non‐relativistic  and Douglas‐Kroll  (DK)  relativistic CCSD(T)  and  B3LYP  relative  energies  from  mixed  Gaussian/exponential extrapolations. .................................................................................................... 201 

Figure 10.1  Plots comparing the CCSD(T) optimized geometries of SiH, SiF, and SiCl using four different families of correlation consistent basis sets. ....................................... 237 

Figure 10.2  Plots  comparing  the  CCSD(T)  enthalpies  of  formation  at  298  K  of  the  silicon fluorides using four families of correlation consistent basis sets. ..................... 238 

  

1  

CHAPTER 1 

INTRODUCTION 

The practice of chemistry,  in one  form or another, has been around  for millennia, but 

only in the past two centuries has the practice of chemistry evolved from archaic alchemy to a 

pure  and  applied  science.  Modern  chemistry  is  able  to  probe  the  structure,  microscopic 

properties, and reactions of atoms and molecules through systematic laboratory methods that 

include synthetic techniques, such as directly reacting a substance with another substance in a 

controlled  environment;  instrumental  techniques,  including  the  myriad  of  spectroscopic 

techniques;  and,  more  recently,  computational  techniques.  With  the  advent  of  quantum 

mechanics  in  the  early  20th  century,  the way  in which  chemical  properties  traditionally  are 

elucidated  changed  dramatically.  Schrödinger’s  wave mechanics,  simultaneously  introduced 

alongside Heisenberg’s matrix mechanics, offered ways of calculating both static and dynamic 

properties of quantized  systems. Following  the  construction of  the  first electronic  computer, 

chemists and physicists began to submit atomic and molecular properties for calculation using 

Schrödinger’s  and Dirac’s mathematics.  The  amount of  information  acquired  about  chemical 

properties during the early years of quantum mechanics was not substantial,  limited primarily 

by  the  computational  expense  of  both  the  underlying  mathematics  and  the  physical 

computational resources (i.e. storage, time, and software). 

The general organization of  this dissertation  is  such  that  systematically approaching a 

problem  with  computational  chemistry  is  covered  in  detail,  from  the  selection  of  a 

2  

computational model  (Chapter 2) and basis  sets  (Chapter 3);  the development of  systematic 

basis sets for density functional theory (Chapters 4 and 5) and ab initio methods (Chapter 6); to 

the application and benchmarking of these basis sets (Chapters 7‐10). 

First, a basic working knowledge of the mathematics behind computational chemistry, 

specifically ab  initio methods and density  functional methods,  is presented  in  some detail  in 

Chapter 2. From there, Chapter 3 discusses a special class of basis sets, called the correlation 

consistent basis sets, which are the focal point of this dissertation as every subsequent chapter 

employs them. 

In  Chapters  4  and  5,  work  is  described  that  has  been  done  to  gain  a  greater 

understanding  of  the  basis  set  requirements  in  density  functional  theory  calculations.  By 

examining  the  effects  of  systematically  truncating  and  recontracting  the  existing  correlation 

consistent basis sets, a set of compact, fine‐tuned basis sets is presented that provides accurate 

results relative to the original correlation consistent basis sets at a reduced computational cost. 

Further,  the  recontracted  basis  sets,  augmented with  diffuse  functions  and  a  correction  for 

basis  set  superposition  error,  restore  the  smooth,  monotonic  behavior  inherent  to  the 

correlation  consistent  basis  sets  in  Kohn‐Sham  calculations.  Chapter  6  discusses  the 

development and benchmarks of new  correlation  consistent basis  sets  for  the  s‐block atoms 

lithium, beryllium, sodium, and magnesium. As discussed in the chapter, these atoms present a 

unique challenge in the development of accurate basis sets due to their electronic structure.  

Chapter 7 describes the implementation of the resolution of the identity approximation 

into  the  correlation  consistent  composite  approach.  Specifically,  this  chapter  presents  the 

implementation  and  discusses  the  need  for  specialized  correlation  consistent  basis  sets 

3  

optimized  for  the  resolution of  the  identity.  The  chapter  is  concluded by demonstrating  the 

incredible efficiency of resolution of the identity methods, which are the key to accessing larger 

and larger electronic systems on current computational hardware. 

The last three chapters of this dissertation are benchmark/predictive studies employing 

the correlation consistent basis sets  in FOOF‐like molecules, germanium arsenides, and silicon 

hydrides/halides.  The  calculated  structures,  spectroscopy,  and  thermochemistry  of  many 

molecules  is  presented  and  discussed  along  side  experimental  data, where  available.  In  the 

work on FOOF‐like molecules,  the electronic structure  is specifically  focused upon due  to  the 

unique  geometry  of  these  molecules  stemming  from  their  electronic  structure.  All  of  the 

chemical properties presented  for  the germanium arsenides are purely predictive since  these 

molecules have never been reported in the literature. Finally, the silicon molecule benchmarks 

critically examine how the correlation consistent composite approach performs compared with 

coupled cluster theory and present high‐level ab initio predictions of geometries, spectroscopic 

properties, and thermochemistry of several transient silicon hydrides and halides. 

4  

CHAPTER 2 

COMPUTATIONAL QUANTUM CHEMISTRY 

2.1 The Schrödinger Equation 

The central goal of computational chemistry is to model chemical systems by computing 

their  properties  using  the  Schrödinger  equation.1‐4  The  Schrödinger  equation  is  an  eigen‐

equation in which an energy operator, the Hamiltonian, operates on a wavefunction describing 

the electronic and nuclear structure of a given system to produce the system’s total energy as 

an eigenvalue. There  is no  formal proof of  the Schrödinger equation, but  the  fact  that highly 

accurate solutions to this equation agree with experimental observations leads to its continued 

use. Since chemical properties are usually more dependent on the electronic, rather than the 

nuclear  structure  of  a  chemical  system,  the  time‐independent  form  of  the  electronic 

Schrödinger equation within the Born‐Oppenheimer (BO) approximation5 is often employed: 

Ψ Ψ   (2.1)

In the equation above,    is the Hamiltonian, Ψ   is the electronic wavefunction, and    is  the 

total electronic energy of the wavefunction. The Hamiltonian is, in atomic units:6,7 

12 | |

12

(2.2)

where   is the number of electrons interacting with   nuclei. The first term of the Hamiltonian 

is the kinetic energy of the electrons, where   is the Laplacian; the second term is the nuclear‐

electron attraction operator, where   is the charge on nucleus   and | | is the distance 

5  

between electron   and nucleus  ; and the third term is the electron‐electron repulsion, where 

  is the distance between two electrons. The Hamiltonian  is more compactly written as 

, where   is the kinetic term,   is the nuclear‐electron term, and   is 

the electron‐electron  term. Once  the nuclear‐electron potential  (plus  any external potential) 

has been specified, the Hamiltonian is uniquely defined for a given electronic system. 

The  time‐independent  wavefunction  Ψ   is  a  mathematical  function  of  the  electron 

positions within a field of fixed nuclei. All information regarding the static discrete energy states 

of  the  electrons  is  contained  within  this  wavefunction  and  is  extracted  using  the  energy 

operators  of  the Hamiltonian.6,7  In  general,  the wavefunction  is  complex‐valued  and  has  no 

direct  physical  interpretation,  but,  the  squared modulus  of  the wavefunction,  |Ψ | ,  is  the 

electron density (discussed later), which is observable by experiment using x‐ray photoelectron 

spectroscopy. Considering  this,  the wavefunction  itself may  be  interpreted  from  a  statistical 

point of view as a position function of the electrons. Despite the statistical  interpretation, the 

wavefunction may not be used to find the exact position of the electrons – a consequence of 

the Heisenberg uncertainty principle.8 

The  wavefunction  must  have  various  mathematical  properties  so  that  it  remains 

physically viable (i.e. spans a Hilbert space): 1) it must be single‐valued at all points in space, 2) 

it must be continuous at all points in space, 3) it must be zero‐valued at the boundaries (usually 

taken to be  infinity), 4)  its derivatives at the boundaries must also be zero‐valued, and 5) the 

wavefunction must be square  integrable.6 Further,  the electronic wavefunction must be anti‐

symmetric (change sign) with respect to the interchange of two electron coordinates.6,7 That is 

to say, the wavefunction must obey the Pauli exclusion principle,9,10 

6  

Ψ , , … , , , … ,   Ψ , , … , , , … ,   (2.3)

One method of writing an N‐electron wavefunction with the necessary anti‐symmetry, |Ψ , is 

the Slater determinant:7,11 

|Ψ1√ !

1√ !

1!

 

(2.4)

where  the  columns  represent electron orbitals  and  the  rows  represent electrons. The  factor 

1 √ !⁄   is  a  normalization  constant,  1   is  the  parity  of  the  th  term,  and    is  the 

permutation operator, which interchanges the orbital indices. The term in brackets is a product 

wavefunction  called  the  Hartree  product.12‐14  From  linear  algebra,  it  is  known  that  the 

properties of a determinant are such that the  interchange of two rows (electrons  in this case) 

leads to a change of sign in the value of the determinant.15 Thus, the necessary anti‐symmetry 

is taken care of naturally using a determinant as the wavefunction. The form of the  individual 

electron orbitals   may be any mathematical function that obeys the five conditions previously 

discussed, and are usually taken from Gaussian‐type basis sets (discussed later). 

A  subtle  point  worth making  here  is  that  the  non‐relativistic  Hamiltonian  does  not 

intrinsically  account  for  the  spin  of  the  electrons.  This  phenomenon  is  accounted  for  a 

posteriori by using generalized electron coordinates of  the  form  , where   contains 

the spatial components and   the spin component. The generalized coordinates used  in (2.4) 

lead to spin orbitals, which may be separated into their spatial and spin components as: 

|

(2.5)

The  spin  functions  |   and  |   are orthonormal,  | . When  the Hamiltonian  (more 

7  

specifically, the   operator)  is applied to the determinant wavefunction, the anti‐symmetry, 

along with  the orthogonal nature of  the  spin orbitals produces an exchange  interaction. This 

interaction  (also  called  exchange  correlation  or  same  spin  correlation)  only  occurs  between 

electrons of the same spin, has no classical analog, and lowers the classical Coulomb repulsion 

energy a wavefunction without anti‐symmetry  (i.e. a Hartree product). Spin anti‐symmetry  is 

one of the underlying phenomenon responsible for Hund’s rules.16,17 

The Hamiltonian operator contains two 2‐particle interaction terms: the   term and 

the    term. The nuclear positions are  fixed  in  the BO approximation,  reducing    to a 1‐

electron problem. However,    remains a 2‐electron  term.  It  is well‐known  that  there  is no 

closed form solution to the interacting 3‐particle (or higher) problem, and thus no closed form 

solution to the electronic Schrödinger equation for more than one electron. This is the central 

problem of computational quantum chemistry.6,7 

To overcome  the  intractable problem of  finding wavefunctions  that  satisfy  the many‐

electron  Schrödinger  equation,  approximate  wavefunctions  may  be  constructed  using 

variational  calculus. Once  constructed,  the  energy  of  an  approximate wavefunction may  be 

computed as the expectation value of the Hamiltonian, 

Ψ | |Ψ d d Ψ ,… , Ψ ,… ,   (2.6)

where  the  wavefunction  is  assumed  to  be  normalized,  Ψ |Ψ 1.  To  obtain  the  best 

approximation to the exact solution of the Schrödinger equation, an approximate wavefunction 

is constructed with variational parameters that may be adjusted until the expectation value of 

the energy is minimized. Once minimized, the wavefunction is the best solution (in a variational 

sense)  to  the  Schrödinger  equation.  The  question  then  arises  as  to  how  the  variational 

8  

parameters  are  chosen  and  how  the  initial wavefunction  is  constructed.  The  answer  to  this 

question leads to the many approximate methods of constructing many‐electron wavefunctions 

and basis set theory. There are two categories of computational methods that will be focused 

on  in  this  dissertation:  ab  initio methods  and  density  functional  theory.  Basis  set  theory  is 

discussed later in this chapter. 

 

2.2 Ab initio Methodology 

Ab  initio,  or  “from  the  beginning,” methods  are  so‐called  because  only  fundamental 

physical  laws  and  constants  (e.g.  Coulomb’s  law,  the  elementary  charge,  the  masses  of 

subatomic particles, Planck’s constant, the speed of light, etc.) are employed in them, and thus, 

no  bias  from  experimental  data.6,18,19  Ab  initio  methods  first  construct  an  approximate 

wavefunction as a reference, then use that reference in more rigorous methods to approximate 

the exact solution to the Schrödinger equation. 

The  first  ab  initio  approximation  to  the  solution  of  the  Schrödinger  equation  is  the 

Hartree‐Fock approximation,12‐14,20,21 which recasts the many‐electron Hamiltonian as a sum of 

one‐electron operators  and  an  average electron‐electron  repulsion potential.  This procedure 

typically  accounts  for  greater  than  99%  of  the  exact  energy  obtained with  the  Schrödinger 

equation. However, as a result of this approximation, the Hartree‐Fock method recovers all but 

the opposite spin correlation energy (hereafter referred to as just correlation energy), which is 

physically  interpreted  as  the  instantaneous  changes  in  the  motions  of  electrons  due  to 

repulsions by other electrons. The correlation energy is defined as the difference between the 

exact ( ) and Hartree‐Fock ( HF) energies:7,22 

9  

C HF  (2.7)

Although  a  small  fraction  of  the  total  energy,  the  correlation  energy  is  responsible  for  the 

quantitative and, in many cases, qualitative description of chemical properties. Computing the 

correlation energy  is computationally demanding, and  in order to obtain all of the correlation 

energy for an electronic system, every electron must be correlated or allowed to interact with 

every other electron simultaneously in the wavefunction. In practice, this corresponds to a full 

configuration  interaction (FCI)7,23‐25 treatment of the system, which  is only possible to employ, 

using current computing technology, on systems of a few electrons (i.e. ten or less). The task of 

approximating a FCI  treatment  is  the  so‐called N‐electron problem,18 and  correlated ab  initio 

methods are distinguished from one another in how they recover the correlation energy from a 

HF reference wavefunction.7,19,22 

Correlated ab initio methods become more computationally demanding as the number 

of electrons increases, and so, there are two approximations that are often employed to reduce 

the  computational  demand:  1)  the  frozen  core  approximation  and  2)  truncation  of  the 

correlation  space.  The  frozen  core  approximation  assumes  that  chemical  properties  are 

dominated by valence electron effects, and, thus, only valence electrons need to be correlated. 

The remaining core electrons are left frozen, that is, uncorrelated. Truncation of the correlation 

space involves only correlating a certain number of electrons simultaneously. For example, it is 

well  known  that  the  largest  contributor  to  correlation  energy  is  the  electron  pair  energy, 

followed by the single electron correlation energy. Thus, some correlated ab initio methods are 

able  to  recover a significant amount of  the  total correlation energy by only correlating up  to 

two electrons simultaneously.19 

10  

2.2.1 The Hartree‐Fock Approximation 

Since the Schrödinger equation may not be solved exactly as an eigenvalue equation for 

a many‐electron system,  the Hartree‐Fock  (HF) method  is  invoked as a  first approximation  to 

the  exact  many‐electron  wavefunction.  Starting  from  a  trial  one‐electron  orbitals,  the  HF 

method  seeks  to  find  an  optimal  set  of  one‐electron  orbitals  that  minimize  the  energy 

expectation value of the determinant.7 In molecular HF calculations, each one‐electron orbital 

 is approximated as a linear combination of   fixed one‐electron functions  . This is the 

so‐called linear combination of atomic orbitals (LCAO) theory,7,18 in which the molecular orbitals 

(MOs) forming are taken to be a weighted sum of fixed atomic orbitals (AOs): 

 (2.8)

The coefficients   may be varied so that the energy expectation value reaches a minimum, 

leading to the variational nature of the HF method. In this way, the HF wavefunction is known 

to be  the best possible wavefunction constructed  from  the set of AOs when  the total energy 

has been minimized. The energy produced by the HF procedure will always be an upper bound 

to the exact ground state energy. 

The  actual HF  approximation  replaces  the  exact  electron‐electron  repulsion  operator 

with an average effective potential (called the HF potential) by fixing an electron’s coordinates 

and  computing  its  interaction  with  the  other  1  electrons.  To  arrive  at  this  potential, 

consider  the  electronic  Hamiltonian  recast  in  terms  of  a  one‐electron  core‐Hamiltonian 

operator   and the   term, taking  : 

11  

12 | | 

12  

(2.9)

According  to  Slater’s  rules,7,26  the  electron‐electron  repulsion  operator  connects  all  pairs  of 

electrons in a Slater determinant such that: 

12 Ψ Ψ

12  

(2.10)

where the following shorthand has been introduced: 

1   (2.11)

The  permutation  operator    interchanges  the  orbital  indices  of  electrons    and  ,  a 

consequence of  the anti‐symmetry of  the Slater determinant. The  first  integral  that  results  is 

the  classical  Coulomb  repulsion  integral,  denoted  , while  the  second  integral  is  the  afore‐

mentioned  exchange  interaction  between  two  electrons,  denoted  ,  and  only  arises when 

electrons   and   have the same spin. Now, we define two operators that correspond to the 

values of   and  : 

d  

d  

(2.12)

Note that these new operators are one‐electron operators, and each represents a piece of the 

average electron‐electron interaction experienced by electron   in the field of electron  . By 

summing over all the occupied MOs, we obtain the HF potential for a single electron: 

12  

HF   (2.13)

Next, a Fock operator for a single electron21  is defined and a new one‐electron Hamiltonian  is 

written in terms of these Fock operators: 

HF  

 

(2.14)

The operator    is often  referred  to as  the HF, or  zeroth‐order,22 Hamiltonian. Thus,  the HF 

approximation  is  to  turn  the  complicated, many‐electron  Schrödinger  equation  into  a  one‐

electron problem. As a consequence of replacing the exact electron‐electron repulsion with the 

average HF potential, the correlation of the electrons is lost. 

The HF approximation  leads  to a new  set of  Schrödinger‐like equations  called  the HF 

equations. The Fock operator operates on a given orbital    to produce an eigenvalue –  the 

orbital energy   within the averaged‐out electron‐electron repulsion: 

| |

 

(2.15)

The HF orbitals are constrained to be orthogonal, and the orbital energy is 

| |  (2.16)

According  to Koopmans’  theorem,27  this orbital energy may be  interpreted  as  the  ionization 

potential  of  the  corresponding  orbital.  However,  Koopmans’  theorem  neglects  both  the 

correlated motions of electrons and orbital relaxation upon ionization.7 

To solve the HF equations, (2.8) is inserted into (2.15):7,22,28 

13  

 

d d  

(2.17)

Note  that  the  integral  on  the  right‐hand  side  is  not  the  Kronecker  delta  since  the  AOs  are 

allowed to overlap. If we define the Fock integral on the left‐hand side as an element of a Fock 

matrix,  ; the overlap integral on the right‐hand side as an element of an overlap matrix,  ; and 

write the coefficients as   to form the coefficient matrix,  ; then (2.17)  is written  in 

matrix notation as: 

  (2.18)

Solving  (2.18)  is  equivalent  to  solving  each  of  the  HF  equations  simultaneously.  We  are 

interested in obtaining a   matrix such that (2.18) holds. This leads to an iterative procedure for 

solving (2.18) called the self‐consistent field (SCF). The column vectors of  , called the canonical 

HF orbitals, are the MOs of the optimal wavefunction. These orbitals are not unique and may 

be mixed among themselves to form other solutions to the HF equations with the same total 

energy.  The  Slater  determinant  formed  from  the  set  of HF  orbitals  is  the HF wavefunction, 

denoted |Ψ . Applying the full Hamiltonian   to the HF wavefunction gives the HF energy: 

HF | |12  

(2.19)

There are three types of wavefunctions that the SCF procedure may produce, depending 

on the electronic structure of the system of interest: 1) a restricted closed‐shell, 2) a restricted 

open‐shell, or 3) an unrestricted wavefunction (cf. Figure 2.1).7,18,19 A closed‐shell wavefunction 

14  

is one in which each electron is paired up with another electron of the opposite spin, whereas 

an  open‐shell  wavefunction  contains  one  or  more  unpaired  electrons.  In  the  restricted 

wavefunction, each pair of electrons occupies a single spatial orbital, while  in the unrestricted 

case, the α electrons occupy different spatial orbitals than the corresponding β electrons. The 

restricted open‐shell case uses restricted orbitals for the electron pairs and unrestricted orbitals 

for the unpaired electrons. In the unrestricted case, the β orbitals are higher in energy relative 

to  the  α  orbitals  due  to  spin  polarization  of  the  α  electrons.  The  advantage  of  using  an 

unrestricted wavefunction  is a  lower energy, and, hence, better wavefunction. However,  the 

consequence of the electron spins not being perfectly paired leads to a phenomenon called spin 

contamination, such that the unrestricted wavefunction is not a pure spin state.7,22 

The proper  selection of  a  restricted  versus unrestricted HF wavefunction  is  crucial  to 

exploiting the size consistency of the HF method.7,22 A method  is size consistent  if  it correctly 

describes the dissociation of a bond, e.g.  

 Figure 2.1  Representations  of  restricted  closed‐shell  (I),  restricted  open‐shell  (II),  andunrestricted (III) wavefunctions. 

2

3

4α   4

β  

1α   1

β  

2α 2

β  

3α 3

β  

4β  

|ΨI   |ΨII |ΨIII  

15  

H | HH 2 H   (2.20)

For example,  if a restricted closed‐shell wavefunction  is used to dissociate H2, the dissociation 

energy  will  be  too  high  (see  Figure  2.2),  but  an  unrestricted  wavefunction  will  give  the 

qualitatively  correct  dissociation  behavior  into  two  hydrogen  atoms.  The  restricted 

wavefunction  does  not  correctly  dissociation  the H2  bond  because  the wavefunction  always 

forces the two electrons in the system to occupy the same spatial orbital, despite the fact that, 

at  long  bond  lengths,  the  occupied  orbitals  are  localized  on  each  hydrogen  atom  and  are 

spatially very different. Further, there are ionic terms corresponding to H‐ + H+ in the restricted 

wavefunction  that  do  not  disappear  as  the  bond  elongates,  which  lead  to  the  inflated 

dissociation energy of the SCF curve in Figure 2.2. The unrestricted wavefunction will dissociate 

the  H2  molecule  correctly,  but  the  wavefunction  at  the  dissociation  limit  will  be  spin 

contaminated by the triplet configuration. The general consequence of size consistency at the 

HF level is that a restricted wavefunction should be used when dissociation results in fragments 

that can be properly described by restricted wavefunctions, while an unrestricted (or restricted 

open‐shell) wavefunction should be used when the dissociation fragments are open‐shells. 

  A closely related concept that has been alluded to, but not explicitly discussed is the use 

of more  than one determinant  to describe  the  reference electronic  state. The HF  formulism 

introduced  thus  far has only used a  single determinant  in  the  total wavefunction. There  are 

many  systems  in which  the  electronic  state may  not  be  qualitatively  described  by  a  single 

determinant (e.g. atoms and molecules with orbital degeneracies, open‐shell singlets, etc.) and 

a  multi‐determinant  method  is  needed.  In  these  special  cases,  multi‐configuration  self‐

consistent field (MCSCF) is employed to obtain the HF wavefunction. The MCSCF wavefunction 

16  

is constructed as a  linear combination of HF determinants that each describe a different pure 

electronic state, 

|Ψ |Ψ   (2.21)

where both the coefficients   and determinants |Ψ  are simultaneously optimized subject to 

the  constraints  Ψ |Ψ   and  Ψ |Ψ 1.  The  MCSCF  energy  expectation  value  is 

minimized  using  the  HF  operator.  By  introducing  more  determinants  in  the  reference 

wavefunction, so‐called static correlation is introduced, leading to a lower energy solution that 

the  single  reference wavefunction. Static correlation  is  the  interaction between  two or more 

configurations that arises when the ground‐state wavefunction is written as in (2.21). 

 

2.2.2 Configuration Interaction 

As already discussed, the HF orbitals may be mixed among themselves without affecting 

 Figure 2.2  A  comparison of  the dissociation of H2 using a  single determinant  (SCF) and atwo‐determinant (MCSCF) wavefunction. 

‐0.200

‐0.150

‐0.100

‐0.050

0.000

0.050

0.100

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

E(H2) ‐2E(H) / hartree

R(HH) / angstrom

SCF

MCSCF

17  

a  change  in  the  total  energy.7,22  Thus,  it  can  be  said  that  the  occupied HF  orbitals  form  an 

orbital  basis  for  the  single  determinant  ground  state  wavefunction.  However,  the  entire 

collection of HF orbitals, occupied and virtual (unoccupied), form an orbital basis for the fully‐

interacting ground state wavefunction. Another way to look at it is to consider the entire set of 

HF orbitals,  arranged  from  lowest  to highest orbital  energy. By  the aufbau principle,  the HF 

ground state will have the electrons filling up the  lowest energy orbitals. But, this  is only one 

possible configuration of the electrons. In fact, there are   possible configurations (where   

is the number of one‐electron basis functions and    is the number of electrons). These other 

configurations  (Slater  determinants)  form  a  basis  for  the  exact  N‐electron  wavefunction. 

Determining  how  these  configurations  interact  with  each  other  leads  to  the  method  of 

configuration interaction (CI).7,19,22‐25 

The  fully‐interacting wavefunction may be written  as  a  linear  combination of  excited 

Slater determinants formed from the HF orbitals: 

|Φ |Ψ |Ψ14 Ψ

136 Ψ  

(2.22)

Here, |Ψ  represents the HF reference wavefunction, while |Ψ ,  Ψ , and  Ψ  represent 

connected  singly‐,  doubly‐,  and  triply‐excited  determinants  formed  from  the  HF  reference, 

respectively (the term connected will be discussed in subsection 2.2.3). A few examples of these 

types  of  excited  determinants  are  shown  in  Figure  2.3.  The  set  …   is  the  occupied  ( ) 

orbitals  and  …   are  the  virtual  ( )  orbitals.  The  script  notation  “|Ψ ”  denotes  the  th 

occupied orbital is excited to the  th virtual orbital, etc., and the factors 1/4 and 1/36 ensure 

that no excited configuration enters the overall wavefunction more than once. Finally, the sets 

18  

,  , and   are called the singles, doubles, and triples amplitudes, respectively. 

The energy of the CI wavefunction is, recalling the definition in (2.7): 

|Φ |Φ HF C |Φ   (2.23)

The correlation energy  C is obtained by left‐projecting (2.23) onto the HF wavefunction: 

C Ψ |Φ Ψ | HF |Φ  

C Ψ |Φ 1 HF Ψ | |Ψ14 Ψ Ψ  

(2.24)

Assuming  intermediate  normalization,  Ψ |Φ 1,  which  implies  that  1,  the  CI 

correlation energy  C is written: 

 Figure 2.3  Examples  of  singly‐,  doubly‐,  and  triply‐excited  configurations  of  the  HFreference wavefunction. 

|Ψ0  

7 Occup

ied 

Virtual 

|Ψ Ψ Ψ  

19  

C Ψ | |Ψ14 Ψ Ψ

136 Ψ Ψ  

(2.25)

As a consequence of Brillouin’s theorem,7,22 which states that the HF wavefunction does not mix 

with  its singly‐excited determinants, the first summation  in (2.25) equals zero. Also, according 

to Slater’s rules,26 the Hamiltonian does not connect determinants that vary by more than two 

permutations of  the electrons. Thus,  the  triply‐excited, and higher, determinants drop out of 

the expansion in (2.25) leaving: 

C14 Ψ Ψ  

(2.26)

Now,  all  that  must  be  obtained  to  find  the  correlation  energy  of  the  fully‐interacting 

wavefunction is the set of doubles amplitudes. Equation (2.26) demonstrates why two‐electron 

correlation is the predominate contributor to the total correlation energy. 

In practice, obtaining the doubles amplitudes is non‐trivial since they are coupled to not 

only  the other doubles amplitudes, but also  to  the  reference, singles,  triples, and quadruples 

amplitudes.  This means  that  in  order  to  compute  the  correlation  energy,  all  of  the  singly‐, 

doubly‐,  triply‐, and quadruply‐excited determinants must be  formed  from  the HF  reference. 

Even more  complication  arises  since  the  reference,  singles,  triples,  etc.  amplitudes  are  also 

coupled to other excited determinants. As an example, if (2.24) is left‐projected by an arbitrary 

singly‐excited determinant  Ψ , the result would be: 

C Ψ HF Ψ14

Ψ Ψ136

Ψ Ψ  (2.27)

Note that, even though (2.27) is an expression for the amplitude  , the presence of the other 

20  

singles amplitudes  in  this equation precludes  that a method of obtaining each of  the  sets of 

amplitudes simultaneously is needed. This leads to the construction of the FCI matrix, which, in 

general, is very large and requires computing expectation values over all possible combinations 

of configurations.7,19,22 For this reason, the FCI method  is computationally demanding and can 

only be performed on systems with a few electrons. 

Instead  of  constructing  the  entire  FCI  matrix,  the  frozen  core  and  truncated 

wavefunction  approximations  discussed  earlier  may  be  employed.  If  the  correlated 

wavefunction of (2.22) is truncated after, say, the doubly‐excited determinants, then the size of 

the CI matrix  is reduced  to a much more  tractable  form, called CI singles and doubles  (CISD). 

There are two major problems in truncated CI theory. One of these problems is the lack of size 

consistency, despite the correct choice of a restricted or unrestricted HF reference. Truncated 

CI wavefunctions do not have multiplicative separability, and, thus, not all excitations necessary 

to properly describe bond dissociation are included when two fragments are pulled apart. The 

other problem with truncated CI theory is the lack of size extensivity.29 A correlated method is 

size extensive if the correlation energy recovered scales properly with the number of electrons. 

Further,  size  extensivity  ensures  that  the  same  amount  of  correlation  energy  is  recovered 

everywhere on the potential energy surface of an electronic system. The lack of size extensivity 

in  truncated CI methods  stems  from  the  fact  that disconnected excitations  (discussed  in  the 

following section) do not enter the correlated wavefunction. 

 

2.2.3 Coupled Cluster Theory 

Instead of  constructing all or  some of  the possible excited determinants  from  the HF 

21  

reference wavefunction,  it  is possible  to  recover correlation energy by writing  the correlated 

wavefunction  in  terms  of  cluster  functions.30  A  cluster  function  is  a  term  added  to  the  HF 

wavefunction  that  correlates  electrons.  For  example,  consider  a  reference  wavefunction 

describing a system containing three electrons, 

|Ψ1√3!

 (2.28)

A cluster function that correlates electrons in orbitals   and   may be constructed as follows: 

,12  

(2.29)

Here,  …  and   have the same meaning as in subsection 2.2.2, and   is a doubles cluster 

amplitude.  If this cluster  function  is added to the orbital product  , resembling a 

sort  of  CI  expansion,  and  replaced  in  the  reference  wavefunction  as  follows,  a  correlated 

wavefunction results: 

|Φ ,  

|Φ |Ψ12

|  

(2.30)

The correlated wavefunction  in  (2.30)  includes only pair correlation stemming  from electrons 

occupying  the  orbitals    and  .  If  cluster  functions  correlating  all  possible  orbital 

combinations  (not  just  pairs)  were  included  in  the  reference  wavefunction,  then  the  FCI 

wavefunction would result.30 This process  is called the coupled cluster (CC) method.31‐36  It can 

be shown that the CC wavefunction may be written in an exponential ansatz: 

22  

|ΦCC |Ψ1!

|Ψ  (2.31)

Note that the Taylor series expansion of   has been included for later discussion. The cluster 

operator    is  composed  of  single  ( ),  double  ( ),  etc.,  up  through N‐

tuple ( ) cluster functions, each defined by how they operate on the reference wavefunction: 

|Ψ |Ψ  

|Ψ14 Ψ  

|Ψ1! …

… Ψ ……

……

 

(2.32)

If  the  cluster  operator    were  applied  directly  to  the  reference  wavefunction,  the  FCI 

wavefunction  (2.22)  would  result.  However,  the  principle  difference  between  CI  and  CC 

theories  is  the exponential  ansatz of  (2.31), which  gives multiplicative  separability  to  the CC 

wavefunction.29,37 

  Truncated CC methods are defined by restricting  the cluster operator  . For example, 

the  singles  and  doubles  coupled  cluster  (CCSD)  wavefunction  is  determined  by  setting 

 and inserting into the exponential ansatz (2.31): 

|ΦCCSD1!

|Ψ  

|ΦCCSD 112

16

|Ψ . 

(2.33)

Consider the system composed of three electrons in (2.28); the highest possible excitation is a 

23  

triple excitation, thus, only cluster operators and products of cluster operators that correspond 

to, at most, a triple excitation will be included in the CCSD wavefunction.30,38 In this case, (2.33)  

then reduces to 

|ΦCCSD 112 2

16

|Ψ  

|ΦCCSD |ΦCISD12 2

16

|Ψ . 

(2.34)

It is clear from this equation that the CCSD wavefunction includes more configurations than the 

CISD wavefunction, and hence,  includes more correlation than the CISD wavefunction.  In fact, 

not only do single and double excitations enter  the CCSD wavefunction, but  triple excitations 

enter through the disconnected excitation terms   and  . Overall, the exponential ansatz 

allows for disconnected excitations to enter truncated CC wavefunctions, which are the reason 

that CC methods are both size consistent and size extensive.30 

Despite the recovery of more correlation in the wavefunction compared with truncated 

CI methods,  the most  popular  implementations  of  CC  are  not  variational.30  Although,  it  is 

possible evaluate  the  truncated CC energy  in a manner  similar  to  that of  truncated CI. Many 

conventional CC methods exploit simplifications that arise from using a similarity transformed 

Hamiltonian,  .  This  transformed Hamiltonian  comes  from  the  bra‐representation  of 

(2.31), whereby the inverse exponential   arises as the adjoint of  . Due to Slater’s rules,26 

 naturally truncates at quadruple excitations making it more computationally efficient 

than computing the full CC matrix (analogous to the FCI matrix) introduced in subsection 2.2.2. 

As  a  consequence  of  employing  the  transformed  Hamiltonian,  both  the  variational  and 

hermitian nature of the CC equations are lost, but the resultant energy eigenvalues of   

24  

are,  typically,  very  close  to  those  of  , which  is motivation  for  the  continued  use  of  this 

implementation of CC theory.30 

 

2.2.4 Many‐Body Perturbation Theory 

The  correlated methods discussed up  to  this point have used different  configurations 

formed  from  the HF  orbitals  as  a basis  for  constructing  correlated wavefunctions. However, 

another  method  of  obtaining  correlation  energy  is  many‐body  perturbation  theory 

(MBPT).7,19,22,34 Perturbation methods add corrections  (perturbations)  to  the Hamiltonian and 

wavefunction, which, in turn, give rise to a perturbed total energy: 

 

|Φ |Ψ |Ψ |Ψ  

 

(2.35)

Here,  |Ψ   and    are  the  th‐order  wavefunction  and  energy,  respectively,  of  the  th 

eigenstate  of  the  given  system.  Inserting  these  perturbed  quantities  into  the  Schrödinger 

equation and collecting in orders of   yields the  th‐order perturbed Schrödinger equation: 

|Ψ |Ψ |Ψ  (2.36)

Next, MBPT,  like  the  CI  and  CC methods,  assumes  that  the  eigenstates  of  the  zeroth‐order 

wavefunction form a basis for the  th‐order wavefunction such that 

|Ψ |Ψ   (2.37)

If the eigenstates of the zeroth‐order wavefunction are orthonormal,  Ψ Ψ , then 

25  

to find the  th‐order energy, left‐project (2.36) by the zeroth‐order eigenstate   to obtain 

Ψ Ψ   (2.38)

Now,  it  appears  that  the  th‐order  energy  may  be  calculated  from  the  1 ‐order 

wavefunction, but Wigner has shown that the  th‐order wavefunction may be used to obtain up 

to  the  energy  up  to  order  2 1 .22,39  To  obtain  a  given  order wavefunction, we  need  to 

calculate the set of coefficients  , which are obtained by  inserting (2.37)  into (2.36),  left‐

projecting by an arbitrary eigenstate of  the  zeroth‐order wavefunction, and using algebra  to 

clean  up  the  resulting  equation.  Because  this  dissertation will  only  discuss MBPT  results  up 

through  second‐order,  the  derivation  of  the  necessary  quantities  for  obtaining  the  second‐

order energy is now presented. 

  According to Wigner’s theorem, the first‐order wavefunction  is all that  is necessary for 

obtaining  the  second‐order energy. Thus,  inserting  (2.37)  into  (2.36), where  1,  and  left‐

projecting by  Ψ  yields 

Ψ Ψ Ψ Ψ Ψ Ψ Ψ Ψ   (2.39)

With  some  algebra  and  recalling  the  orthogonality  of  the  eigenstates  of  the  zeroth‐order 

wavefunction, the coefficient for the  th component of the first‐order wavefunction is 

Ψ Ψ 

(2.40)

Inserting (2.40) into (2.37), then into (2.38) gives the second‐order energy as 

Ψ Ψ Ψ Ψ 

(2.41)

Now, consider  the  form of  the perturbation operator  .  If  the operator    is  the HF 

26  

operator (2.14) then the perturbation is defined using (2.9), (2.14), and (2.35): 

12  

(2.42)

The  zeroth‐order  wavefunction  is  taken  to  be  the  HF  wavefunction,  and  the  different 

eigenstates are the excited configurations of the HF wavefunction. This form of MBPT is known 

as Møller‐Plesset perturbation theory (MPn, where n denotes the order of perturbation).7,19,22,40 

Using (2.36), the zeroth‐order ground state energy is just the sum of the HF orbital energies, 

Ψ Ψ | |  (2.43)

The first‐order correction to the energy is found using (2.10) and (2.38): 

Ψ Ψ12  

(2.44)

Note that the total energy to first order is the HF energy (2.19),  MPHF. This 

very  important result demonstrates that the HF wavefunction  is stable to first order, which  is 

proof that mixing the HF orbitals among themselves will not lower the total energy. As a result, 

eigenstates  outside  the  HF  ground  state must  be  considered  to  compute  the  second‐order 

energy.  Further,  note  that  the  first‐order  energy  correction  effectively  removes  the  double‐

counting  of  the  electron‐electron  interactions  inherent  to  the  zeroth‐order  energy.  In  the 

energy expression of (2.41), the eigenstates that correspond to |Ψ  must be doubly‐excited 

configurations of the HF wavefunction since 1) the HF wavefunction is stable to first‐order and 

2)  the  singles do not mix with  the HF ground  state by Brillouin’s  theorem. Thus, using  script 

notation defined earlier, the second‐order energy is 

27  

14

Ψ Ψ 

(2.45)

Here,   and   are the orbital energies of the   and   occupied orbitals connected by   to the 

virtual orbitals   and  , whose energies are   and   defined by (2.15). Again it is shown that 

the predominate contributor to the correlation energy is the double excitations (specifically the 

pair correlation) since it is the leading correction to the HF energy. 

Perturbative methods,  in general, are not variational, and, thus, the energies obtained 

are not upper bounds to the exact energy.22 However, MP2 recovers a significant fraction of the 

total correlation energy at a lower computational cost than both CISD and CCSD. Further, MPn 

is both size consistent and size extensive, making  it a more desirable method  than CISD. The 

size  consistency  of  MPn,  like  CI  and  CC  methods,  hinges  on  the  proper  selection  of  the 

underlying HF wavefunction.  If  the  zeroth‐order wavefunction  is  sufficient  for describing  the 

electronic state, then the MPn energies will be size consistent.  In homolytic bond cleavage or 

dissociation of a molecule  into open‐shell  fragments, MPn, as discussed  so  far, will  lose  size 

consistency since the underlying reference wavefunction is not size consistent. 

 

2.3 Density Functional Theory 

Instead of deriving electronic properties  from  a wavefunction,  it  is possible  to derive 

electronic properties from an electron density. The concept of using an electron density in place 

of  the wavefunction  to  solve  the Schrödinger equation was explored by Thomas, Fermi, and 

Dirac  from  1927‐1930  using  a  simplified  quantum model  called  the  homogeneous  electron 

gas.41‐43  It was not until 1964, however,  that the  formal proof of principle was  introduced by 

28  

Hohenberg and Kohn,44 the landmark theorems of whom have become the basis for a modern 

quantum  model  called  density  functional  theory  (DFT).45‐48  There  are  several  fundamental 

differences between ab  initio methodology and DFT. For one, the wavefunction cannot simply 

be replaced by  the electron density  in  the Schrödinger equation and be expected to produce 

meaningful information. This is because the Hamiltonian is specified using the positions of the 

electrons, the  information of which  is not explicitly available  in the electron density. Thus, the 

whole of DFT  is dependent upon designing density functionals, which are operators analogous 

to    and    that  act  on  densities  instead  of  wavefunctions  to  extract  the  energy  of  the 

electronic  system. Before discussing density  functionals  in detail,  it  is pertinent  to define  the 

concept  of  an  electron  density  and  discuss  its  properties.  In  the  sections  that  follow,  the 

fundamental theorems comprising atomic and molecular DFT are discussed. 

As  already  discussed,  the wavefunction  is  a  function  describing  the  spatial  and  spin 

coordinates  of  the  electrons  in  an  electronic  system.  The  distribution  function  or  density  of 

 electrons is generally defined by 

; Ψ ,… , Ψ ,… ,   (2.46)

where  the primed and unprimed electron coordinates  represent  two  independent sets.45,49  If 

the  primed  and  unprimed  sets  are  equal,  then    is  just  the  squared  modulus  of  the 

wavefunction,  and  the  integration  of  (2.46)  over  all  coordinates  is  unity  (assuming 

normalization). Equation (2.46) is defined as the reduced density function (RDF) of order N. The 

two  independent  sets  are  interpreted  as  coordinates  for  an  element  of  the  reduced  density 

matrix (RDM) of order N.50 Other important RDFs are the first‐ and second‐order RDFs, defined 

respectively as 

29  

; d d Ψ , … , Ψ , … ,  

;1

2 d d Ψ , , … , Ψ , , … ,  

(2.47)

When    and  ,  both  RDFs  of  (2.47)  represent  diagonal  elements  of  their 

respective RDMs (corresponding to physical observables) such that 

; d d |Ψ |  

;1

2 d d |Ψ | , ,/

 

(2.48)

where   is a spin orbital, and  ,  is a spin geminal, or two‐electron function. Both 

the set of spin orbitals and spin geminals form orthonormal sets. The product of  ;  and 

a coordinate element is statistically equivalent to the probability of finding any electron within 

the coordinate element. If all possible electron coordinates are integrated over, then the result 

for   is the number of electrons, while the result for   is the number of unique electron pairs: 

d ; d  

d d ; d d , ,/

12  

(2.49)

Using algebra and the results of (2.49), a relationship between   and   may be established: 

;21 d ;  

(2.50)

Equation (2.50) is an important property that stems from a more general observation that first‐

order RDFs may be used to construct higher order RDMs.49,50 

30  

The diagonal  first‐ and second‐order RDFs can be  further simplified to their respective 

spatial densities, denoted  , by integrating out the spin component:45,48 

d ; d d d |Ψ |  

, d d ;1

2 d d d d |Ψ |  

(2.51)

This assumes that the electron spin has been included a posteriori as in (2.5). A similar process 

may  be  used  to  obtain  the  spin  densities    and  ,   by  integrating  out  the  spatial 

components.  If  the  orbitals    are  defined  by  the  LCAO  theory  (2.8),  then   may  be 

written in terms of AOs as 

 (2.52)

where   is an element of the charge density matrix.7 The electron label   is spurious since the 

anti‐symmetric  nature  of  the  wavefunction  does  not  allow  individual  electrons  to  be 

distinguished from one another, and will be dispensed with in the following sections. Equation 

(2.52)  is  the  fundamental quantity  that will be  focused on  in  the Hohenberg‐Kohn and Kohn‐

Sham theorems below. 

 

2.3.1 The Hohenberg‐Kohn Theorems 

Much of the following derivations follow directly from the original paper of Hohenberg 

and Kohn.51 Recall that the Hamiltonian (2.2) for a given electronic system  is uniquely defined 

for a given nuclear‐electron potential  , and thus, so are the wavefunction Ψ and energy  . 

The  extension  that    uniquely  defines  the  density    and  that  ,  in  turn,  uniquely 

31  

defines    is  the  first  Hohenberg‐Kohn  (HK)  theorem.  To  prove  this,  first  consider  two 

systems with different potentials:   and  . Now, assume  that  the potentials   and 

  produce  the  same  density.  Since  the  Hamiltonians    and 

 are uniquely defined, it follows that Ψ Ψ. The respective energies are 

Ψ| |Ψ Ψ Ψ Ψ Ψ  

Ψ Ψ Ψ Ψ Ψ Ψ  

(2.53)

The integrals on the right‐hand side of the above equations may be further simplified to: 

Ψ Ψ d  

Ψ Ψ d  

(2.54)

where the spatial density  is used  instead of the total density since the potential only depends 

on  the  spatial  coordinates.  Inserting  (2.54)  into  (2.53)  and  adding  the  resulting  equations 

together gives a contradiction,  , disproving that two different potentials can lead 

to the same density. It  is said that    is a unique functional of  , where a functional  is a 

mathematical  function  that maps  one  function  to  another,  and  is  written  as  .  The 

implication  of  the  first  HK  theorem  is  that  given  any  density,  the  exact  nuclear‐electron 

potential can be deduced. 

The  second HK  theorem demonstrates  a  variational  approach  to minimizing  the  total 

energy with respect to the electron density. Written as a density functional, the energy is 

Ψ| |Ψ Ψ| |Ψ Ψ| |Ψ

d    

(2.55)

where  Ψ| |Ψ  is a universal energy functional (universal in the sense that it 

32  

may be applied to any number of electrons in any potential) describing the kinetic and Coulomb 

energies. The  total density  is used  in  the expression   since  the    term contains  the 

exchange  interaction.  If  the  number  of  particles  in  the wavefunction  remains  constant  (i.e. 

equation  (2.51)  is  enforced),  then  Ψ  may  be  varied  to  minimize  the  energy.  If  a  trial 

wavefunction Ψ is based on a different potential than the ground state wavefunction Ψ, then 

d   d   (2.56)

in which   is  the density of Ψ and   is the density of Ψ. This equation demonstrates that 

the  energy  of  an  electron  density may  be minimized  by  varying  the  density  arbitrarily with 

respect to a given potential. 

For  convenience,  the  classical  Coulomb  repulsion  is  separated  from  the  universal 

functional   since it may be directly evaluated with one‐electron densities: 

12 d d | |  

(2.57)

Here,    is another universal  functional of  the density  that contains  information on  the 

kinetic, exchange,  and  correlation energies.  The universal energy  formula of Hohenberg  and 

Kohn is written as follows, without any recourse as to the form of  . 

d  12 | |  

(2.58)

Given a  trial density and  the exact  form of  ,  the HK  theorems demonstrate  that  the 

exact,  non‐relativistic  energy  of  an  electronic  system  may  be  obtained  by  variationally 

minimizing  the  energy with  respect  to  the  density.  In  practice,  a  density must  have  certain 

properties, namely it must be N‐representable and V‐representable.45,46 For an electron density 

to be N‐representable, there must be some anti‐symmetric wavefunction that corresponds to 

33  

it; while  to  be  V‐representable,  the  density must  be  N‐representable  and  correspond  to  a 

unique  potential  (via  the  first  HK  theorem).  Parr  and  Yang  give  a  proof  that  one‐electron 

densities  are  automatically  N‐representable  if  they  can  be  decomposed  as  in  (2.48)  with 

occupation  numbers  between  0  and  1  (that  is,  the  density  obeys  the  Pauli  principle).45  By 

extension, two‐electron densities are also N‐representable by (2.50) if the one‐electron density 

is N‐representable. The conditions for a density to be V‐representable are not known, and, as a 

result, the variational nature of the second HK theorem is not strictly enforceable.45 

 

2.3.2 The Kohn‐Sham Method 

Following the seminal paper of Hohenberg and Kohn, Kohn and Sham formulated the HK 

theorems into a self‐consistent procedure – entirely analogous to the HF‐SCF procedure – with 

respect to one‐electron densities.52 The first step in the Kohn‐Sham (KS) procedure is to recast 

the universal functional   in terms of directly calculable quantities; writing it as a sum of 

the remaining energy terms, 

KS XC   (2.59)

where  KS  is  the  KS  kinetic  energy  functional  and  XC  is  an  exchange‐correlation  (XC) 

functional. The kinetic energy functional  KS is chosen to be that of the non‐interacting electron 

model, similar to the HF approximation: 

KS12 d  

12 d  

(2.60)

Because a non‐interacting model is assumed, the kinetic energy of  KS is deficient such that, 

KS Δ   (2.61)

34  

in which   is the (unknown) exact kinetic energy functional and the residual Δ 0. The use of 

KS removes sole dependency of the model on the density and introduces orbitals called the KS 

orbitals. It is worth noting that (2.60) is not the only form that the kinetic energy functional may 

take. As Kohn and Sham and others have discussed, the use of orbitals in this manner helps to 

properly describe the shell structures of atoms. 

Using equations (2.59), (2.60), and (2.58), a KS equation can be written using the density 

functionals of each energy contribution as 

12

12 d | |

XC  (2.62)

where    is  the  KS  orbital  energy  and  the  fourth  term  in  the  parentheses  is  the  exchange‐

correlation  potential  for  a  single  electron.  Solving  the  KS  equations  becomes  an  iterative 

procedure since the KS energy is a functional of the density: 

KS KS  12 | | XC  

(2.63)

For the KS energy functional to be exact, the form of the XC functional must  include not only 

exchange and correlation effects, but also the kinetic energy residual:45,46 

XC X C Δ   (2.64)

The energy expression of  (2.64)  is  the attention of most modern DFT research. The exchange 

term  X has a form that  is known exactly (from the HF approximation), however, the form of 

the correlation functional  C is not known. In practice, the exact HF exchange is only used in a 

class of density  functionals  called hybrid  functionals, and even  then, generally no more  than 

50% of  the  exact  exchange  is  implemented. Another  class of density  functionals  called pure 

functionals do not use HF exchange at all. When approximate exchange functionals are used in 

35  

place  of  the  exact  HF  exchange,  self‐interaction  occurs,  and  must  be  corrected.45,46  Self‐

interaction is the spurious interaction of an electron with itself that occurs when the Coulomb 

and exchange energies do not exactly cancel as they would, cf. (2.13), if the exact HF exchange 

were employed. 

In using any class of density functionals to evaluate the KS equations, the KS orbitals do 

not retain any physical meaning, only a mathematical convenience for expressing the electron 

density.45,48 As  a  result,  Koopmans’  theorem  does  not  strictly  apply.  Further,  the  variational 

nature of the second HK theorem is lost since the exact energy functional   is not known, 

nor  are  the  conditions  for  V‐representability.  Despite  these  facts,  the  KS  procedure  does 

provide  a  much  faster  method  of  including  (approximate)  correlation  effects  in  atoms, 

molecules, and extended systems without the computational cost associated with correlated ab 

initio methods. 

 

2.4 Basis Set Theory 

Broadly speaking, a basis set  is a collection of  fixed elementary  functions, called basis 

functions, the linear combination of which will describe any function in a given function space.15 

A basis set  is called complete  if  it spans all space for any function, and orthogonal  if the basis 

functions are linearly independent. In computational quantum chemistry, a basis set is a set of 

fixed elementary functions that are used to construct the electronic wavefunction.6,7,18,19,22 As 

already  discussed,  the  basis  set  must  have  the  five  characteristics  of  a  physically  viable 

wavefunction. 

It  is known that the exact radial solution to the Schrödinger equation for the hydrogen 

36  

atom  takes  the  form  of  a  combination  of  Laguerre  and  Legendre  polynomials  in  spherical 

coordinates.6 In quantum chemistry, these functions are called Slater‐type orbitals (STOs):6 

Ψ , , ,   (2.65)

Here,   is an integer called the principle quantum number and   is the exponential parameter 

that may assume any positive value and determines the radial extent of the wavefunction. The 

angular dependence, and hence, the orbital and magnetic quantum numbers (the integers   and 

, respectively) of the exact solution enters through the spherical harmonic  . The values of   

determine the shape of the orbital ( 0 is an s‐type function,  1 is a p‐type function,  2 

is a d‐type function, etc.), while the value of   takes values as – , and determines the 

spatial orientation of the orbital. The number of radial nodes in a wavefunction is  1 and 

the number of angular nodes is  . Since the many‐electron Schrödinger equation has no closed 

form  solution,  it  is  assumed  that  a wavefunction  describing  two  or more  electrons may  be 

written as a linear combination of these one‐electron, or hydrogen‐like STO solutions since the 

Laguerre and Legendre polynomials form a complete set. This assumption is entirely analogous 

to  the  expansion  of  an  electric  potential  in  terms  of  Legendre  polynomials  in  classical 

electrodynamics.53,54 A many‐electron wavefunction expanded  in  a basis  set of  STOs  is quite 

accurate,  having  the  correct  short‐range  and  long‐range  behavior  about  the  nucleus.22 

Variational  methods  employing  STO  basis  sets  produce  ground  state  energies  that  quickly 

converge as the number of STOs increases. However, the 2‐electron integrals that arise due to 

the use of STOs in solving the many‐electron Schrödinger equation are non‐trivial in molecular 

computations and must be solved using numerical techniques.55 While many efficient numerical 

techniques  exist  for  computing  integrals,  the  computational  demand  dramatically  increases 

37  

with  the  number  of  electrons  in  the  system.  As  a  result,  computations  involving  STOs  are 

generally reserved for atoms and small molecules (i.e. diatomics). 

For convenience, a Gaussian‐type orbital (GTO)  is typically used  in place of an STO.56‐58 

This  idea was  introduced by Boys,56,58 who postulated that the radial part of an STO could be 

represented, to a tolerable degree of accuracy, as a linear combination of GTOs, 

| |   (2.66)

where    is a contraction coefficient and    is the GTO exponential parameter.  In fact, only an 

infinite sum of GTOs will exactly describe an STO. The summation above is called a contracted 

basis function or simply contraction, while the  individual exponential functions comprising the 

sum are called primitive basis functions or just primitives. 

A wavefunction expanded  in a basis set of GTOs exhibits some  fundamental problems 

when  compared with a wavefunction expanded  in a basis  set of  STOs.  First,  the  short‐range 

behavior  of  a  primitive  GTO  varies  quite markedly  from  that  of  an  STO  and  results  in  an 

incorrect  description  of  the  wavefunction  at  the  nuclear  cusp.22  Second,  the  long‐range 

behavior of a primitive GTO  is  such  that  it decays more  rapidly  than  the corresponding STO. 

Both of these behavioral differences, demonstrated in Figure 2.4, may be circumvented (within 

tolerable accuracy) by using a large number of GTOs in the basis set. For example, the cusp may 

better  be  described  by  using more  high‐exponent  or  tight  functions,  while  the  long  range 

behavior is better described by more low‐exponent or diffuse functions in (2.66). 

The  tradeoff  between  using  a  larger  basis  set  composed  of  GTOs,  compared with  a 

smaller  STO  basis  set,  is  the  ease  of  computing  2‐electron  integrals. Whether  employed  in 

atomic or molecular computations, a GTO basis set produces 2‐electron  integrals that may be 

38  

reduced to error  functions through either a Fourier or Laplace transform.55 The bottleneck of 

either  of  these  transformed  integrals  is  less  computationally  demanding  than  the  numerical 

techniques required to compute 2‐electron integrals using STOs. There are other mathematical 

tricks,  such  as  projective  or  decomposition  techniques,  that may  be  employed  to  lower  the 

computational bottleneck of  the 2‐electron  integrals. One  type of projective  technique called 

the resolution of the identity is discussed in Chapter 7. 

The  basis  sets  discussed  in  this  dissertation  are  atom‐centered,  as  opposed  to  a 

common  origin  or  between  nuclei  (bond‐centered),  and  are GTO‐based.  The  atom‐centered 

GTOs  are  optimized  to  describe  the  AOs  of  a  free  atom.  When  employed  in  molecular 

calculations, the LCAO theory  is  invoked. The question arises as to how many basis functions, 

and what   values, should be chosen to form the basis set. The answer is dependent upon the 

system to be described and the degree of accuracy sought for the many‐electron wavefunction. 

For  example,  a  free  carbon  atom  may  be  described  by  three  basis  functions:  two  s‐type 

functions  ( 0)  for  the  1s  and  2s  orbitals  and  a  single  p‐type  function  ( 1)  for  the  2p 

Figure 2.4  Plots comparing the behavior of a single STO to a single GTO (left) and that of asingle STO with a linear combination (LC) of three GTOs (right). The units are arbitrary. 

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

‐6.0 ‐4.0 ‐2.0 0.0 2.0 4.0 6.0

Value

 of Fun

ction

Distance from Nucleus

STOGTO

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

‐6.0 ‐4.0 ‐2.0 0.0 2.0 4.0 6.0

Value

 of Fun

ction

Distance from Nucleus

STO

LC‐GTO

39  

orbital. This  is  an example of  a minimal basis  set, where  there  are  just enough  functions  to 

cover  the  occupied  AOs  of  each  atom.  Each  occupied  orbital  is  described  by  a  contracted 

function  rather  than  a  single  GTO  due  to  the  deficiencies  of  GTOs  described  earlier.  The 

problem with employing a minimal basis set  is two‐fold: 1) the basis set  is not flexible enough 

to describe the many possible chemical environments an atom might be in and 2) employing a 

minimal basis set in correlated ab initio methods does not recover much correlation energy.7 

The  electronic  structure  of  a  free  atom  is much  different  than  the  same  atom  in  a 

molecule, and the electronic structure  from atom to atom varies markedly as well. Thus,  it  is 

imperative  to  have  a  basis  set  that  will  be  flexible  enough,  that  is,  have  basis  functions 

describing the proper orbital space, from one chemical environment to another. Consider a π 

bond between two carbon atoms, formed by the overlap of their 2p orbitals. If d‐type functions 

are added to the carbon basis sets, then some of the d orbitals will mix with the p orbitals by 

symmetry and  cause  the overlap  forming  the  π bond  to  increase; a  sort of p‐d hybridization 

occurs,  lowering  the  bond  energy.18  These  additional  d‐type  basis  functions  are  called 

polarization functions because they polarize (distort) the 2p orbitals. It is typical of basis sets to 

include  at  least  some  polarization  functions  since  these  functions  aid  in  the  qualitative  and 

quantitative  description  of  chemical  bonds.  Polarization  functions  also  become  important  in 

systematically recovering correlation energy (discussed in Chapter 3). An investigation reported 

by  Schwartz  on  two‐electron  systems  demonstrated  that  the  MP2  correlation  energy  is 

proportional to the highest orbital quantum number  in the basis set.59 This observation  lends 

credence to the use of polarization functions with  ‐values well beyond the minimal basis set. 

40  

2.5 Model Chemistries 

The  discussion  thus  far  has  covered  different  types  of  computational methods  that 

construct approximate many‐electron wavefunctions  (or densities) and basis sets  that can be 

used  to  expand  such wavefunctions. A  dichotomy  arises  as  to which  computational method 

should be selected for a particular chemical system and which basis set will provide the most 

accurate expansion of the wavefunction. Ideally, one would  like to pair the FCI method with a 

basis  set  that  spans  all  possible  AO  space.  This would  give  the  exact  solution  to  the  non‐

relativistic Schrödinger equation within the BO approximation. However, a basis set that spans 

all  possible AO  space  requires  an  infinite  linear  combination  of GTOs, making  the  approach 

intractable.  Instead,  a  compromise must  be made  as  to  how many  and what  type  of  basis 

functions  need  to  be  employed  to  properly  describe  the  electronic  structure.  Further,  a 

compromise as to which computational method is appropriate and applicable to the system of 

interest must be made. Hehre  et al.  coined  the  term model  chemistry, or  level  of  theory  to 

describe  the  coupling  of  a  computational method  and  a  given  basis  set.18  This  concept  is 

graphically represented in Figure 2.5. 

Since  doubles  correlation  is  the  dominant  fraction  of  the  total  correlation  energy, 

compared with  other  excitation  levels,  ab  initio methods  such  as  CISD,  CCSD,  and MP2  are 

generally sufficient and tractable for systems up to 25 non‐hydrogen atoms and a modest‐sized 

basis  set  (the  inclusion  of  singles  in  addition  to  doubles  does  not  appreciably  increase  the 

computational  cost).  In  some  electronic  systems,  triple  and  quadruple  excitations  make 

appreciable  contributions  to  the  total  correlation  energy.  To  recover  triples  and  some 

quadruples, one may use the CCSDT method (note that CISDT is not usually employed since it is 

41  

not  size  consistent).  However,  the  computational  expense  of  such  methods  dramatically 

increases with the number of electrons  in the system. To avoid using CCSDT, the perturbative 

correction  to  triple  excitations,  CCSD(T),  is  used, which  recovers  a  significant  portion  of  the 

triples correlation energy without the computational overhead of a full CCSDT calculation. 

As already discussed, a basis set beyond the minimal set of AOs  is usually employed  in 

ab  initio  methods.  This  is  generally  true  of  DFT  methods,  as  discussed  in  Chapter  4.  The 

composition of  a basis  set  varies  from  system  to  system  and  chemical property  to  chemical 

property.  For example,  a polarized basis  set optimized with HF will not have basis  functions 

optimal for recovering correlation energy if employed in a correlated ab initio model chemistry. 

As a  result,  it  is desirable  to have a basis  set with basis  functions optimized  for both HF and 

correlated  ab  initio methods.  The  correlation  consistent  basis  sets  are  of  this  type  and  are 

discussed  in  detail  in  Chapter  3.  Further,  the  computational methods  discussed  so  far  have 

 Figure 2.5  A conceptual view of basis set size versus level of sophistication in correlated abinitio methods.  The  number  of  determinants with  respect  to  excitation  level  (n),  number  ofelectrons (N), and basis set size (K) is given by the formula on the lower axis. 

  Exact 

Full CI 

Complete Basis Set Limit

No Correlation

Applicable Model Chemistries

HF Limit 

 

∞ 

0   

Basis Set S

ize 

Excited Determinants

42  

been non‐relativistic, and  if relativistic effects are to be  included, a basis set optimized with a 

non‐relativistic method will not  recover all possible  relativistic effects.  It  is pertinent  that  the 

basis  set  employed  in  relativistic  computations  have  core  AOs  optimized  for  the  relativistic 

Hamiltonian employed since the major fraction of relativistic effects come from these orbitals. 

Relativistic basis sets are discussed in detail in Chapters 3 and 6. 

Finally, there  is a special class of model chemistries called composite methods  in which 

individually  energy  components  of  the  total  energy  of  a  system  are  computed  by  different 

levels of theory and specialized basis sets in an effort to achieve an approximation to a higher 

(or intractable) level of theory.18,19 Often time, for example, only the valence correlation energy 

is  computed,  but  the  correlation  between  core  and  valence  electrons  (called  core‐valence 

correlation)  is  important  for  accurately  computing  thermochemical properties.  Further, most 

computational methods are non‐relativistic, but atoms from the second row of the main group, 

and heavier, have  significant  relativistic effects.  To  include  these  two energy  components,  a 

composite method may compute the core‐valence energy and relativistic corrections at a  low 

level of  theory  like MP2 using specialized basis sets. These  individual energy components are 

then added to a previously computed reference energy that was computed at a higher level of 

theory. There are several composite methods in popular use including the Gaussian‐n (Gn),60‐62 

complete basis set (CBS‐n),63‐69 high accuracy extrapolated ab initio thermochemistry (HEAT),70 

Weizmann‐n  (Wn),71,72  and  correlation  consistent  Composite  Approach  (ccCA)73‐80 methods. 

Chapter  7  discusses  the  ccCA  formulism  in  detail,  including  how  the method  recovers  core‐

valence and relativistic effects. 

43  

CHAPTER 3 

CORRELATION CONSISTENT BASIS SETS 

3.1 Introduction 

Having established the basics of basis set theory in computational quantum chemistry in 

the previous  chapter,  a  specific  class of basis  sets  called  the  correlation  consistent polarized 

valence basis sets (cc‐pVnZ, where n = D, T, Q, etc.)81‐109 are discussed at length in this chapter. 

The correlation consistent basis sets were introduced by Dunning as a means to systematically 

recover  correlation  energy  in  correlated  ab  initio  computations.  The  novel  approach  of 

designing basis sets to help recover correlation energy was first studied by Ahlrichs et al.110‐112 

and by Almlöf and Taylor.113,114 Dunning’s approach was similar to that of Almlöf and Taylor in 

which 1) high angular momentum  functions  (d,  f, g, etc.) are employed beyond  the minimal 

basis  set  and  2)  basis  functions  are  grouped  according  to  their  contribution  to  the  total 

correlation energy. Further, the optimized atomic orbitals (AOs) in the basis set are taken to be 

the  natural  orbitals  from  correlated  ab  initio wavefunctions.  The  natural  orbitals  (NOs)  are 

obtained by diagonalizing the correlated density matrix,7,22,50 and have the intrinsic property of 

forming a basis  in which the correlated wavefunction converges most rapidly  (as opposed to, 

say, the molecular orbital basis). The primary difference between the basis sets developed by 

Almlöf and Taylor and those of Dunning is the smaller sets of functions used by Dunning. In fact, 

Dunning’s basis  sets  recover more  than 99% of  the  correlation energy obtained by  the basis 

sets of Almlöf and Taylor, yet contain less basis functions. 

44  

The correlation consistent basis sets for the main group atoms were constructed using 

Gaussian‐type orbital (GTO) basis sets developed by van Duijneveldt.115 The AOs represented in 

each basis set were taken from non‐relativistic multi‐configuration self‐consistent field (MCSCF) 

calculations,  yielding  a  set  of  AOs  that  adequately  describe  the  valence  orbital  degeneracy 

inherent to most atoms. Each AO  is represented by a general contraction of GTOs,114,116,117  in 

which all symmetry‐equivalent basis functions are grouped  in the contraction. From this point 

on, this minimal set of AOs will be called the Hartree‐Fock (HF) basis set. 

Within each  family of  correlation  consistent basis  sets,  there  is a hierarchy called  the 

ζ‐level, where the quality and size of the basis set increases with the ζ‐level. More than that, the 

ζ‐level tells how many valence basis functions are used per atom. For example, a double‐ζ basis 

set contains two functions per valence orbital; a triple‐ζ basis set contains three functions; etc. 

The underlying principle of  the  ζ‐level  is  that more  functions  in  the valence  space give more 

flexibility to the basis set. The core orbitals are always described by a single contracted GTO at 

each  ζ‐level.  Because  only  the  valence  orbitals  are  described  by  multiple  functions,  the 

correlation consistent basis sets are often referred to as split‐valence basis sets. Table 3.1 lists 

the composition of the correlation consistent basis sets for main group atoms (including H and 

He)  according  to  each  ζ‐level. Note  that  the  primitive,  or  uncontracted,  basis  functions  are 

denoted by parentheses, while the contracted functions are denoted by brackets. The notation 

“3s 2p 1d”  indicates that three s‐type functions, two p‐type functions, and one d‐type function 

comprise  the  basis  set,  and  are  not  to  be  confused with  the  principle  and  orbital  quantum 

numbers. The following sections describe the process by which the correlation consistent basis 

sets  were  developed  by  Dunning  and  coworkers,  including  basis  sets  for  valence‐only 

45  

correlation,  long  range  correlation,  core‐valence  correlation,  and  the  recovery  of  scalar 

relativistic effects. 

 

3.2 Valence and Tight d Basis Sets 

As already discussed, the HF basis set is insufficient for recovering correlation energy in 

correlated ab initio computations. Further, high angular momentum (polarization) functions are 

necessary for the qualitative and quantitative description of chemical bonds and necessary for 

expedient recovery of all possible correlation energy by a given ab  initio method. Polarization 

Table 3.1  The composition of the correlation consistent basis sets for the first three rows of the main group. 

Row / Atoms  ζ‐level  Primitives  Polarization  Contracted Basis Set 

H, He  D  ( 4s )  ( 1p )  [ 2s 1p ] 

  T  ( 5s ), ( 6s )a  ( 2p 1d )  [ 3s 2p 1d ] 

  Q  ( 6s ), ( 7s )a  ( 3p 2d 1f )  [ 4s 3p 2d 1f ] 

  5  ( 8s )  ( 4p 3d 2f 1g )  [ 5s 4p 3d 2f 1g ] 

1st / B – Ne  D  ( 9s 4p )  ( 1d )  [ 3s 2p 1d ] 

  T  ( 10s 5p )  ( 2d 1f )  [ 4s 3p 2d 1f ] 

  Q  ( 12s 6p )  ( 3d 2f 1g )  [ 5s 4p 3d 2f 1g ] 

  5  ( 14s 8p )  ( 4d 3f 2g 1h )  [ 6s 5p 4d 3f 2g 1h ] 

2nd / Al – Ar  D  ( 12s 8p )  ( 1d )  [ 4s 3p 1d ] 

  T  ( 15s 9p )  ( 2d 1f )  [ 5s 4p 2d 1f ] 

  Q  ( 16s 11p )  ( 3d 2f 1g )  [ 6s 5p 3d 2f 1g ] 

  5  ( 20s 12p )  ( 4d 3f 2g 1h )  [ 7s 6p 4d 3f 2g 1h ] 

3rd / Ga‐Kr  D  ( 14s 11p 5d )  ( 1d )  [ 5s 4p 2d ] 

  T  ( 20s 13p 8d )  ( 2d 1f )  [ 6s 5p 3d 1f ] 

  Q  ( 21s 16p 11d )  ( 3d 2f 1g )  [ 7s 6p 4d 2f 1g ] 

  5  ( 26s 17p 12d )  ( 4d 3f 2g 1h )  [ 8s 7p 5d 3f 2g 1h ] 

a. Indicates the primitive set for He. 

46  

functions  optimized  using  HF  will  aid  in  the  non‐correlated  description  of  chemical  bonds, 

however,  HF  polarization  functions  are  far  from  optimal  as  virtual  orbitals  in  correlated 

methods.  Therefore,  the  polarization  functions  of  the  correlation  consistent  basis  sets were 

optimized as an even‐tempered expansion using singles and doubles configuration  interaction 

(CISD).  An  even‐tempered  expansion  of  basis  functions  is  a  method  of  determining  the 

exponential parameters using a geometric series:116,118 

,     1,2, …   (3.1)

The parameters   and   are unique for each group of basis functions with the same   value 

and are varied so as to minimize the correlation energy. The advantages of using (3.1)  instead 

of explicit optimization of each polarization  function are 1)  there are only  two parameters  to 

optimize  for  the  entire  group  of    functions  and  2)  the  polarization  functions  are  evenly 

distributed in log‐space, providing even coverage of the orbital space.22 

The  high  angular  functions were  optimized  using  (3.1)  in  groups  according  to  their   

values, and were added to the HF basis set of each atom, as suggested by Schwartz,59 until the 

correlation energy did not  change  appreciably. By  adding  functions  this way,  the  correlation 

space for each particular   value is saturated. Dunning noted that certain functions within each 

 group contributed  similar amounts of correlation energy. Specifically,  it was noted  that  the 

first  d  function  contributed most  to  the  correlation  energy; while  the  second  d  and  first  f 

functions contributed similar amounts to the correlation energy; the third d, second f, and first 

g  functions  contributed  similar  amounts  to  the  correlation  energy;  etc.  From  this,  Dunning 

suggested  that high  angular  functions  should  be  added  to  the HF basis  sets  in  a  correlation 

consistent manner,  that  is,  in  shells  as  (  1d  ),  (  2d  1f  ),  (  3d  2f  1g  ),  etc.  In  this way,  the 

47  

correlation  energy  is  systematically  recovered  with  each  additional  shell  of  high  angular 

functions.  Further  tests were  performed  by  explicitly  optimizing  the  high  angular  functions 

within each   group, but no appreciable  change was noted  in  the  correlation energy,  so  the 

even‐tempered scheme was kept. Even‐tempered optimizations of s and p functions in addition 

to the HF basis sets were also performed with respect to the correlation energy. Dunning found 

that  uncontracting  the  outermost  s  and  p  functions  had  the  same  effect  of  lowering  the 

correlation  energy  as  explicit  optimization.  The  split  valence  nature  of  the  correlation 

consistent  basis  sets  stems  from  the  number  of  s  and  p  functions  that  are  uncontracted:  a 

single  s  and  p  function  are  uncontracted  at  the  double‐ζ  level,  two  s  and  p  functions  are 

uncontracted at the triple‐ζ level, etc. (cf. Table 3.1) 

After being  introduced, studies by Bauschlicher and Partridge119 and Martin et al.120‐122 

employing  the  cc‐pVnZ  basis  sets  showed  that  including  an  additional  tight  d  function 

significantly improved the computed atomization energies of molecules containing second row 

atoms. While  the most dramatic  improvements were  shown  for energetics of  sulfur  species, 

Bauschlicher and Partridge also  showed  that  the atomization energies of SiH3 and SiH4 were 

affected by 1.1 and 1.6 kcal/mol,  respectively, when a  tight d  function was employed  in  the 

triple‐ζ  basis  set.  The  role  of  an  additional  tight  d  function  in  second  row  atoms  was 

commented on by Woon  and Dunning  in  their original paper, however,  the need  for  such  a 

function did not become evident until  the properties of a wider variety of molecular  species 

than were in the original benchmarking papers were studied.123 As a result, Dunning, Peterson, 

and  Wilson  modified  the  sets,  developing  the  tight  d  correlation  consistent  basis  sets, 

cc‐pV(n+d)Z,124 and in numerous studies, have demonstrated the importance of the augmented 

48  

tight d basis sets in coupled cluster and density functional theory studies.101,125‐128  

The  correlation  consistent  build‐up  of  high  angular  functions  with  increasing  ζ‐level 

leads to smooth, monotonic behavior of total energies. As the basis set becomes saturated at 

high  ζ‐levels, more and more of the AO space  is covered by the basis functions, resulting  in a 

nearly  complete  basis  set.  Once  the  basis  set  reaches  completeness,  any  remaining  error 

between a computed chemical property and a reliable experimental measurement is due solely 

to  the  computational method. As  the  ζ‐level  increases,  the  total  energy  computed with  the 

cc‐pVnZ basis  sets  asymptotically  approaches  the  complete basis  set  (CBS)  limit.93  The  exact 

mathematical form of the monotonic behavior is not known, but resembles an exponential‐type 

decay.  To  this  end,  several  empirical  extrapolation  techniques  have  been  developed  to 

approximate the CBS limit.85,95,129‐132 Two popular extrapolation schemes are below: 

CBS   (3.2)

CBS   (3.3)

Equation  (3.2)  is  a  standard  exponential  fit  due  to  Feller,132  while  (3.3)  is  a  mixed 

Gaussian/exponential fit due to Woon, Dunning, and Peterson.85,95  In each equation,   and   

are  fitting  parameters,    is  the  chemical  property  (i.e.  energy)  computed  at  the  th  ζ‐level 

( 2 for double‐ζ,  3 for triple‐ζ, etc.), and  CBS is the estimated CBS limit. Both equations 

are analytic for three points, but are numerical for any more. Taking   to be the lowest ζ‐level in 

a series of three points, the analytic forms of the parameters in (3.2) are 

49  

CBS 2  

2  

ln   

(3.4)

while those in (3.3) are 

CBS  

 

 

 

 

 

(3.5)

Another extrapolation  formula  in common use  is that of Halkier et al.,133 a two‐point scheme 

based on the convergence of correlation energies in atoms: 

CBS11  

(3.6)

in which   takes on the same meaning as in (3.2) and (3.3). The virtue of using (3.6) over (3.2) 

or (3.3) is that it only requires two points to estimate the CBS limit. However, it is not possible 

to  estimate  higher  ζ‐levels with  (3.6)  as  it  is with  (3.2)  and  (3.3).  Further,  using  one  of  the 

exponential‐type extrapolation formulas will sometimes provide a better approximation to the 

true CBS limit since more points are used in the fit. 

50  

3.3 Augmented Basis Sets 

In  order  to  quantitatively  describe  chemistry  stemming  from  long‐range  phenomena 

such  as  van  der  Waals  interactions,  Rydberg  states,  multipole  moments,  polarizabilities, 

hydrogen bonding, and the binding of excess electrons, diffuse functions must be employed in 

the basis set. Dunning and coworkers have developed augmented correlation consistent basis 

sets (aug‐cc‐pVnZ) describing such chemical phenomena.86,88,91,93,95,99,100 

The diffuse functions added at each ζ‐level are comprised of a single function of each   

value present. For example, to the double‐ζ basis set is added a set of ( 1s 1p 1d ) functions, to 

the triple‐ζ basis set is added a set of ( 1s 1p 1d 1f ) functions, etc. The diffuse s and p functions 

were optimized on top of the HF basis set in MCSCF calculations of the atomic anions, while the 

high angular  functions were optimized with CISD on  top of  the polarization  functions already 

present. 

 

3.4 Core‐Valence Basis Sets 

Valence‐only, or valence‐valence (VV) correlation  is generally accepted to be adequate 

for  accurately  computing  most  chemical  properties  since  the  qualitative  and  quantative 

description of many chemical properties relies on changes  in the valence electronic structure. 

As  already  discussed,  the  cc‐pVnZ  and  aug‐cc‐pVnZ  basis  sets  recover  this  correlation 

systematically with increasing ζ‐level. Also well‐known is that in order to achieve ±1.0 kcal/mol 

accuracy, or better,  in  thermodynamic properties, core‐valence  (CV) correlation must also be 

included.93,134 The cc‐pVnZ and aug‐cc‐pVnZ basis sets are not optimal  for  the recovery of CV 

correlation  and  were  reoptimized  specifically  for  the  recovery  of  CV  correlation  by Woon, 

51  

Peterson, and Dunning.81,98  

There are  two  types of CV  correlation  consistent basis  sets,  the original CV basis  sets 

(cc‐pCVnZ)98  and  the  weighted  core‐valence  (wCV)  correlation  consistent  basis  sets 

(cc‐pwCVnZ).81 The principle difference between the CV and wCV basis sets  is that the former 

are designed to recover more core‐core  (CC) correlation energy, while the wCV basis sets are 

intentionally  biased  towards  CV  (almost  no  CC)  correlation  energy.  The  optimization  of  the 

core‐correlation  (tight)  functions proceeded by adding H/He‐like basis sets  for correlating  the 

1s electrons to the first row, main group atoms. Woon and Dunning found that adding groups 

of tight functions as ( 1s 1p ) to the double‐ζ basis set, ( 2s 2p 1d ) to the triple‐ζ basis set, etc. 

resulted  in  smooth, monotonic behavior of  the CC, CV,  and VV  energies,  as opposed  to  the 

erratic behavior of  these energies when  the  valence‐only  cc‐pVnZ basis  sets were used.  The 

following formula was used to optimize the core‐correlating functions: 

Δ CISD CC CV VV CISD CC CISD CV CISD VV (3.7)

The weight,  , in the above equation is taken to be 1.00 in the cc‐pCVnZ basis sets, and to be 

0.01 in the cc‐pwCVnZ basis sets from an in‐depth study of CC and CV effects of first and second 

row molecules by Peterson  and Dunning.81  It has been noted by Peterson81,93  that both  the 

cc‐pCVnZ  and  cc‐pwCVnZ  basis  sets  converge  on  similar CBS  limits,  although  the  cc‐pwCVnZ 

basis  sets  tend  to  produce  lower  energies  in  valence‐only  calculations  because  of  the more 

diffuse nature of the weighted core‐correlation functions. 

 

3.5 Scalar Relativistic Basis Sets 

As discussed  in section 2.4, basis sets optimized with non‐relativistic methods are not 

52  

optimal for use in relativistic calculations. The correlation consistent basis sets discussed so far 

were all developed using non‐relativistic formulisms of HF and CISD. One of the most common 

relativistic models is the spin‐free Douglas‐Kroll (DK) Hamiltonian,135‐137 which approximates the 

full,  four‐component  Dirac  equation138,139  by  a  transformation  of  the  electron  orbitals.  The 

resulting orbitals are then used in a subsequent HF or correlated ab initio calculation to include 

scalar  relativistic  effects  such  as  the mass‐velocity  and  Darwin  corrections,  the  two  largest 

contributors to the relativistic energy.137,140,141 These corrections are termed scalar relativistic 

since they do not  include  inner products containing spin components (i.e. spin‐orbit coupling, 

spin‐spin coupling, etc.) The  largest effect of scalar relativity occurs  in the core orbitals, which 

contract  inward  toward  the nucleus due  to  their  increased  kinetic energy. Because  the  core 

orbitals  of  the  cc‐pVnZ  basis  sets  are  represented  by  a  single  contracted  GTO,  there  is  no 

flexibility  in  the  core  to  change under  the DK  transformation,  resulting  in  a  loss of  accuracy 

within  the  relativistic model.  Thus,  the  core  contractions must  be  reoptimized.  Instead  of 

recontracting only the core orbitals, all of the contractions are typically reoptimized to account 

for variations in the valence orbitals due to fluctuations in the core. 

The  first  to  report on  correlation  consistent basis  sets optimized  for  scalar  relativistic 

computations, denoted cc‐pVnZ‐DK, were de Jong et al.142 Their scheme for recontracting the 

cc‐pVnZ basis sets  is as  follows: 1) remove the polarization  functions  (d,  f, g, and h)  from the 

cc‐pVnZ  basis  sets,  and  uncontract  the  s  and  p  basis  set;  2)  run  a HF  calculation  using  the 

uncontracted  sp basis  set and  the DK Hamiltonian; and 3)  the optimized  s and p contraction 

coefficients are then determined by a population analysis. A similar scheme is used in Chapter 

6, in which DK‐optimized basis sets for the s‐block atoms are reported. 

53  

CHAPTER 4 

SYSTEMATIC TRUNCATION OF THE CORRELATION CONSISTENT BASIS SETS IN DENSITY 

FUNCTIONAL THEORY CALCULATIONS† 

4.1 Introduction 

The  plethora  of  density  functionals  available46  has  brought  about  a  tremendous 

challenge  in applying density  functional  theory  (DFT)44,45,52  to  the  study of  chemical  systems, 

namely,  the  choice  of  a  density  functional  that  is  suitable  for  the  problem  of  interest. 

Unfortunately, no simple means currently exists to aid  in density  functional selection, barring 

whether or not a density  functional was  specifically developed  for a particular problem, and 

reliance upon benchmark studies, when available, is essential. However, it is of great interest to 

have a simple, efficient means to gauge the intrinsic error of a density functional. To accomplish 

this, a  first  step  is  to develop a greater understanding of  the behavior of density  functionals 

with respect to the basis set. 

As shown in Chapter 3, the correlation consistent basis sets exhibit smooth, monotonic 

convergence in energetic properties with increasing basis set size, and that the complete basis 

set  (CBS)  limit may  be  numerically  approximated  through  the  use  of  various  extrapolation 

schemes. Unfortunately,  it  is not  clear whether or not  such  an  approach  is possible  for DFT 

calculations since the correlation consistent basis sets were developed specifically for ab initio 

                                                       † This entire chapter is adapted from B.P. Prascher, B.R. Wilson, and A.K. Wilson, “Behavior of Density Functionals with  Respect  to  Basis  Set.  VI.  Truncation  of  the  Correlation  Consistent  Basis  Sets.”  J.  Chem.  Phys.  2007,  127, 124110, with permission from the American Institute of Physics. 

54  

methods. 

Energetic and structural properties are generally known to converge more quickly with 

respect to  increasing basis set size  for DFT than  for ab  initio methods.125,126,143‐156  In  fact,  it  is 

commonly  assumed  that  small  changes  in  energetic  properties  beyond  the  triple‐ζ  basis  set 

level  typically occur, but  recent work has demonstrated  that  significant  changes  in energetic 

properties sometime do occur beyond the triple‐ζ  level.148,149 Further, recent work has shown 

non‐monotonic behavior of energetic properties can occur with respect to  increasing basis set 

size  in  DFT  calculations.125,126,152‐158  This  observation  has  been  made  using  a  number  of 

molecules  and  density  functionals, with  no  obvious  trends  appearing  as  to when  the  non‐

monotonic behavior does or does not occur. When monotonic behavior does occur, then it has 

been shown that various extrapolation formulas can be used to estimate the CBS limit, or in the 

case  of  density  functional  theory,  the  Kohn‐Sham  (KS)  limit.144,145,154‐156 However, with  non‐

monotonic behavior, such an approach  is not reliable. To date, no single solution to the non‐

monotonic  problem  has  evolved;  rather,  a  number  of  possible  solutions  have  emerged. 

Provided a reasonable grid size is utilized for the numerical calculation of the DFT energy, grid 

selection does not  seem  to  impact  the basis  set convergence.156 Other  factors  that  influence 

convergence  include basis set superposition error152 and basis set contraction,156 which, when 

combined,  have  been  shown  to  lead  to  monotonic  convergence  (discussed  in  the  next 

chapter).148  It  is  important  to  note  that  systematic  convergence  to  the  KS  limit  should  not 

necessarily  be  expected  from  the  correlation  consistent  basis  sets  as  they  were  explicitly 

developed  for  ab  initio  methods.  However,  Jensen  has  developed  a  series  of  polarization 

consistent basis sets (pc‐n, where n = 1‐4) explicitly for DFT,143‐145 and non‐monotonic behavior 

55  

using various density functionals is still observed for these basis sets.155 

Ab  initio  methods  rely  directly  on  the  inclusion  of  many  excited  determinants, 

constructed  from  high  angular momentum  functions, while  density  functionals  do  not. High 

angular momentum  functions  in DFT  computations  have  the  same  effect  as  in Hartree‐Fock 

(HF), that  is, to polarize the electron density. As a result, DFT computations are  less basis set 

dependent  than ab  initio  computations,  and DFT  computations, with  systematic  increases  in 

basis set size, tend to converge quickly. Rapid convergence towards the KS limit is desirable, but 

the high angular momentum functions  included  in many basis sets may not have a significant 

effect on a computed property. Thus, these functions create unnecessary overhead in terms of 

computational  expense  and,  as  shown  in  this  chapter,  may  be  removed  without  the 

introduction of significant error.  

Earlier  work  has  utilized  truncated  or  auxiliary  basis  sets  as  a  means  to  reduce 

computational  cost  in DFT  calculations.  For example,  the  resolution of  the  identity Coulomb 

approximation (RI‐J) has been studied by Skylaris et al.159 and by Head‐Gordon et al.150  In the 

RI‐J approximation, an auxiliary basis set is used to compute the Coulomb integrals, which can 

reduce the computational cost without  introducing errors of more than a  few millihartrees  in 

the total energy.159 

Head‐Gordon et al. have also investigated a dual basis approach, first proposed by Van 

Alsenoy  and  Vahtras  et  al.160,161  in which  a  truncated  form  of  a  basis  set,  such  as  cc‐pVTZ 

without f functions or the inner d functions, is used to construct an initial approximation to the 

full  cc‐pVTZ  basis  density.  Subsequent  parameterization  is  included  to  help  account  for  the 

difference in densities between the full cc‐pVTZ basis set and the truncated basis set.151 Earlier 

56  

work by Jensen examined truncation of core basis functions from double‐ and triple‐ζ polarized 

basis sets (DZP and TZP, respectively) as well as the pc‐n basis sets.147 The conclusions from his 

investigation  indicate that basis sets truncated of certain core functions  lead to results similar 

to those obtained when the full basis sets are employed. However, truncation of core functions 

is not suitable  for  the accurate determination of KS  limits due  to  the  incomplete coverage of 

the exponent space. 

The present  investigation examines the truncation of valence basis  functions  from  the 

correlation consistent basis sets without parameterization, and does not suffer  from  reduced 

coverage of the necessary exponent space since neither the s or p functions are removed from 

the  HF  basis  set.  By  analyzing  the  change  in  computed  properties  as  basis  functions  are 

systematically truncated, the necessity of high angular momentum functions becomes clear, as 

was demonstrated  in a similar study by Mintz et al.  in which truncated correlation consistent 

basis sets were studied in ab initio methods.162,163 Understanding how high angular momentum 

functions  impact  not  only  computed  properties,  but  also  basis  set  convergence, will  aid  in 

designing basis sets for DFT computations. 

 

4.2 Computational Methodology 

Two popular density  functionals have been  included  in  this  study,  including pure and 

hybrid density  functionals. The pure density  functional  is  the gradient‐corrected Becke  (B)164 

exchange  functional,  coupled with  the  Lee‐Yang‐Parr  (LYP)165  gradient‐corrected  correlation 

functional, BLYP. For the hybrid DFT computations, the Becke three‐parameter scheme (B3)166 

is  employed with  the  LYP  correlation  functional,  utilizing  the  third  parameterization  of  the 

57  

Vosko, Wilk, and Nusair local correlation functional (VWN‐3).167 

The  correlation  consistent  basis  sets,  cc‐pVnZ,94‐101  through  quintuple‐ζ  quality  have 

been employed. Systematic truncation of these basis sets follows that of the scheme published 

by Mintz et al.  for  the hydrogen atom,162,163 but  is extended  to  include non‐hydrogen atoms. 

The truncation scheme involves removing the highest  ‐value basis function first, then the most 

diffuse  function  from  the  1  shell,  then  the  second‐most  diffuse  function  from  the  1 

shell, etc. The truncation continues through the polarization functions, but does not include the 

contracted s and p functions. The notation used is as follows: the full triple‐ζ basis is denoted as 

usual: cc‐pVTZ; the first truncation of this basis is denoted cc‐pVTZ(–1f); the second truncation 

is denoted cc‐pVTZ(–1f 1d); and the third truncation  is denoted cc‐pVTZ(–1f 2d) which reflects 

the  removal of one  f  function and  the  two most diffuse d  functions  (for cc‐pVTZ,  this means 

removal of all of the d functions). It is implied that the first truncation of a specific  ‐shell is the 

most diffuse (i.e. lowest exponent). 

In  atomic  computations  it  is  common  practice  to  perform  a  symmetry‐averaging  of 

degenerate electronic  states  since  this  leads  to a more physically‐sound wavefunction.  If  the 

resulting  wavefunction  is  spherically  symmetric  ( 0),  then  basis  functions  of  angular 

momentum not present  in  the  filled, state‐averaged orbitals can be separated  from  the  total 

wavefunction  without  consequence  to  the  total  energy.  This  phenomenon  has  been 

investigated  in great detail by Bauschlicher and Taylor.168 This chapter strictly employs  single 

reference wavefunctions in all computations. Atomic symmetry breaking of the type used here 

has been discussed  in  rigorous detail elsewhere, and  is often necessary  to correctly compute 

electronic  properties.46,169  As  atom‐centered  basis  sets  are  typically  used  in  molecular 

58  

computations,  where  atoms  are  not  spherically‐symmetric,  broken  symmetry  in  atomic 

computations is an appropriate means to effectively gauge basis set truncation effects.  

Vertical  ionization  potentials  and  electron  affinities  have  been  determined  using 

experimental  geometries  for  the  neutral  molecules  taken  from  the  National  Institute  of 

Standards and Technology (NIST) Webbook.170‐172 The geometry was fixed so that the impact of 

removing high angular momentum functions could be gauged without a geometry optimization 

affecting the energy. Optimized geometries and their atomization energies are reported after 

gauging  the  impact  of  truncation.  The  use  of  diffuse  functions  in  the  basis  set  has  been 

restricted  to  only  the  s  and  p  functions  here,  which  are  taken  from  the  augmented 

(aug‐cc‐pVnZ)  basis  sets,  and  have  been  employed  in  computations  of  electron  affinities.173 

Atoms of the first and second rows, their dimers, and the molecules CH4, SiH4, NH3, PH3, H2O, 

and H2S have been investigated. All DFT computations of this study have been performed using 

the Gaussian software suite of programs.174 The default pruned grid (75,302)175 has been used 

in all computations, and total energies in all computations are converged to 10‐8 Eh, or better. 

 

4.3 Results and Discussion 

 

4.3.1 Atoms 

Total energies for the first row atoms carbon and oxygen are given in Table 4.1. Ideally, 

the energy difference between a truncated basis and the full basis set should not be more than 

1.0 mEh  (approximately  1.0  kcal/mol)  since  this  is  the  typical  accuracy  sought  for  computed 

energetics when compared with experiment. As shown  in the table, truncation effects  in BLYP 

59  

computations are similar to those in B3LYP computations. The largest difference between BLYP 

and B3LYP as a result of truncation occurs  for carbon and  is 0.110 mEh at the cc‐pVTZ(‐1f 2d) 

level. Comparing carbon  to oxygen,  the effect of  truncation on  the  total energy of oxygen  is 

almost  twice  that  of  carbon.  For  example,  at  the  cc‐pV5Z(‐1h 2g 3f 4d)  level  for  carbon,  the 

change in the BLYP energy with respect to the full basis set is 1.190 mEh, while for the oxygen 

atom  the  change  is 2.266 mEh. The greatest difference between  the  truncated and  full basis 

sets occurs  for  the  fully  truncated quintuple‐ζ basis  set,  cc‐pV5Z(‐1h 2g 3f 4d),  for all atoms 

investigated. Generally, the fully truncated cc‐pV5Z value for the total energy is comparable to 

the full cc‐pVQZ basis set value for atoms with non‐spherical wavefunctions. 

Computed ionization potentials and electron affinities of carbon and oxygen are shown 

in Table 4.2 and Table 4.3, respectively. It is immediately obvious that electron affinities are not 

as affected by  truncation as  ionization potentials  (note  that  the electron affinities have been 

computed using the s and p diffuse  functions  from the aug‐cc‐pVnZ basis sets).  In the oxygen 

atom, significant changes (i.e. more than 0.04 eV, or 1.0 kcal/mol)  in the computed  ionization 

potential do not occur until  f  functions are completely  removed. The carbon atom  ionization 

potentials show little change relative to the full basis, even with complete truncation of all high 

angular momentum  functions.  Electron  affinities,  on  the  other  hand,  do  not  change  until  d 

functions are  truncated, and even  then,  the differences between  the  full and  truncated basis 

sets  are  less  than  0.04  eV.  There  is  little  dependence  on  the  density  functional  used  since 

truncation effects appear at  the  same  level  for B3LYP and BLYP.  For example,  the  ionization 

potential of oxygen begins to be affected by truncation at the cc‐pVTZ(‐1f), cc‐pVQZ(‐1g 1f), and 

cc‐pV5Z(‐1h 2g 1f) levels in both BLYP and B3LYP. A similar trend results for electron affinities. 

60  

Figure 4.1 is a plot of the full basis set versus truncated basis set ionization potential of oxygen 

determined  with  BLYP.  Because  basis  functions  of     3  do  not  significantly  affect  the 

computed  ionization potentials of atoms, a plot of each basis set containing only s, p, d, and f 

functions is included for comparison in Figure 4.1. The     3 values coincide well with the full 

basis set values. The inset in the figure demonstrates the effect of different truncation levels at 

the cc‐pVQZ level on computed ionization potentials. Based on these observations for first row 

atomic  properties,  a  basis  set  for  use  in DFT  computations  need  only  contain  up  through  f 

functions to achieve full cc‐pVnZ basis set results for total energies,  ionization potentials, and 

electron affinities within 1.0 kcal/mol for atoms. 

 

4.3.2 Homonuclear Diatomics 

The BLYP and B3LYP  total energies  for  the  first row diatomics C2 and O2 are shown  in 

Table  4.4.  In  general,  truncation  affects  the  diatomic  total  energies  by  almost  an  order  of 

magnitude more than  in atoms. This  is expected, since the high angular momentum functions 

are necessary for a better description of bonding and anti‐bonding orbitals, specifically d and f 

functions  which  polarize  p  functions  in  σ‐  and  π‐type  bonds.  This  is  readily  seen  for  each 

diatomic  investigated, where  truncation  of  f  functions  from  the  cc‐pV5Z  basis  set  typically 

causes the difference  in total energy relative to the full basis to  increase on the order of mEh, 

and  the  truncation  of  d  functions  increases  on  the  order  of  tens  of  mEh.  Table  4.5  lists 

computed ionization potentials, electron affinities, and optimized bond lengths for the first row 

dimers with BLYP. The  ionization potentials remain unaffected by truncation until d  functions 

have been truncated, but the electron affinities are affected with truncation of the f functions. 

61  

The  general  trend  in  truncation of d  functions  affecting  ionization potentials  and  f  functions 

affecting  electron  affinities  remains  consistent.  Note  how  truncation  affects  ionization 

potentials  and  electron  affinities  in  diatomics  as  compared with  atoms.  In  atoms,  ionization 

potentials  computed with a  truncated basis are  lower  than  the  full basis  set  results, but are 

higher for diatomics (cf. Figure 4.1 and Figure 4.2). The electron affinities of atoms computed 

with a truncated basis are typically higher than the full basis result, and  in diatomics they are 

lower than the  full basis set result, with the exception being when d  functions are truncated. 

Truncation leads to a systematic change in the computed property for atoms, but this trend is 

not  observed  for  diatomics.  Figure  4.2  demonstrates  the  impact  of  truncation  upon  the 

  

Figure 4.1  BLYP  ionization potentials of  the oxygen  atom  computed with  truncated basissets (hash marks) and plotted against the full basis set values. The  inset shows more detail atthe quadruple‐ζ level. Points denoted ‘l > 3’ are the truncated basis sets with only s, p, d, and fbasis functions. 

62  

computed ionization potential of the oxygen molecule. 

It  is  clear  that  at  least  some of  the  f  functions must  remain  to maintain  atomization 

energies that are within 1.0 kcal/mol of the full basis set values. An example of how f functions 

impact atomization energies is shown by the truncation at the double‐ and triple‐ζ levels for the 

oxygen molecule  in  Table  4.5.  The  removal  of  the  only  f  function  from  cc‐pVTZ  lowers  the 

computed atomization energy by 1.4 kcal/mol and the removal of the most diffuse d function 

increases this deviation almost an order of magnitude. At the quadruple‐ζ level, removing one f 

function significantly increases the deviation from the full basis – more so than the removal of 

the higher g  function. Truncation through the most diffuse  f  function of the quintuple‐ζ basis 

  Figure 4.2  BLYP  ionization  potentials  of  the  O2 molecule  (3Σg)  computed with  truncatedbasis sets (hash marks) and plotted against the full basis set values. Points denoted  ‘l > 3’ arethe truncated basis sets with only s, p, d, and f basis functions. 

63  

does  not  significantly  alter  the  computed  atomization  energy,  but  removing  the  second  f 

function  does.  It  is  clear  that  the  f  shell must  be  retained  in  the  homonuclear diatomics  to 

minimize the deviation of the truncated basis atomization energy from that of the full basis. 

Optimized bond lengths follow a trend similar to that of molecular electron affinities in 

that they depend heavily on the d functions in the basis set. Target accuracy for truncated basis 

set bond  lengths  is 0.01 Å relative to the bond  length determined using the full basis set. The 

removal of  the d  function  from  the double‐ζ basis  set  in  a BLYP  computation of  the oxygen 

molecule affect  the optimized bond  length by 0.060 Å. At  the  triple‐ζ  level,  truncation of  the 

most diffuse d  function significantly affects the bond  length and removal of the entire d shell 

causes the bond length to deviate by 0.064 Å from the full basis set result. The most diffuse d 

function  of  the  quadruple‐  and  quintuple‐ζ  basis  sets  does  not  significantly  affect  the  bond 

length  upon  truncation,  but  removal  of  any  of  the  other  d  functions  from  these  bases 

significantly impacts the computed value. These deviations in truncated basis set bond lengths 

for BLYP are also typical in B3LYP computations. 

 

4.3.3 CH4, SiH4, NH3, PH3, H2O, and H2S 

Table 4.6, Table 4.7, and Table 4.8 provide B3LYP optimized geometries  for CH4, NH3, 

H2O, SiH4, PH3, and H2S. The truncation notation used  in these tables has two terms. The first 

represents  the  truncation  of  the  non‐hydrogen  basis  set,  and  the  second  represents  the 

truncation of the hydrogen basis set. For example, at the triple‐ζ level, ‘‐1f 2d ; 1d 2p’ denotes 

truncation of one  f  and  two d  functions  from  the non‐hydrogen basis  and one d  and  two p 

functions  from  the hydrogen atom basis set. Both  truncations are performed simultaneously. 

64  

Included  in  the  tables  for  CH4  and  SiH4  are  atomization  energies.  Table  4.6  shows  that  the 

atomization  energies  in  heteronuclear  molecules  are  sensitive  to  the  basis  set  truncation, 

varying more  than 1.0 kcal/mol when  truncation of d  functions  from  the non‐hydrogen basis 

(including  p  functions  from  the  hydrogen  basis)  occurs.  Compared  with  the  atomization 

energies  for  homonuclear  diatomics,  the  atomization  energies  for  larger  heteronuclear 

molecules is less sensitive to basis set truncation overall. In fact, the atomization energy of the 

oxygen molecule  suffers almost a 30.0 kcal/mol deviation  from  the  full basis  set  result when 

truncation  of  all  of  the  high  angular momentum  functions  from  each  basis  set  is  done.  For 

methane, full truncation of the basis sets only results in a 10.0 kcal/mol deviation from the full 

basis set atomization energy. The atomization energy for silane is comparable to that of oxygen 

in that the  largest angular momentum functions required are f functions  in the non‐hydrogen 

basis  set  to maintain energies within 1.0  kcal/mol of  those of  the  full basis  set. Therefore,  f 

functions remain necessary in the non‐hydrogen basis set for computed atomization energies. 

In molecules composed of first row atoms, the computed bond  lengths do not vary by 

more than 0.01 Å when the d and p shells are truncated from the non‐hydrogen and hydrogen 

basis sets, respectively. In contrast, molecules which include a second row atom do depend on 

the  d  and  p  shells  from  the  non‐hydrogen  and  hydrogen  basis  sets,  respectively,  to  avoid 

deviating  by more  than  0.01  Å  from  the  full  basis  set  bond  length.  This  is  not  surprising 

considering that the second row atoms are known to form bonds with more 3p character than 

3s, and the 3p orbitals are polarized by d functions present  in the basis set. Further, angles of 

second row systems are not as dependent on the d and p functions of the non‐hydrogen and 

hydrogen basis sets,  respectively. This  is  the direct  result of more p character  in  the bonding 

65  

molecular orbitals for these compounds (cf. Table 4.7 and where the H‐P‐H angle is 93° and the 

H‐N‐H  angle  is 106°;  the H‐S‐H  angle  is 92°  and  the H‐O‐H  angle  is 104°). As  a  result of  the 

different bonding  characteristics of  first and  second  row  systems,  truncation of  the  first  row 

non‐hydrogen/hydrogen  basis  sets  of  their  f/d  functions  the  second  row  non‐

hydrogen/hydrogen basis sets of their d/p functions affects bond angles more than 0.1°. Basis 

set  truncation  is  therefore only effective  in keeping  the accuracy of  the  full basis set  in bond 

lengths and angles (within 0.01 Å and 0.1°) when the d and p shells are present in non‐hydrogen 

and hydrogen basis sets, respectively, for second row systems; and when f and d functions are 

present, respectively, in first row systems. 

 

4.3.4 Computational Time Savings 

In  atomic  computations,  it  is  observed  that  truncating  most  of  the  high  angular 

momentum  functions  from  the  quintuple‐ζ  basis  could  produce  total  energies  that  are 

comparable with the full quadruple‐ζ basis energies at a fraction of the computational cost. In 

heteronuclear molecules,  if  the  basis  set  is  no  longer  truncated when  the  computed  angles 

begin  to vary by more  than 0.1°  from  the  full basis set result,  then  the computational cost  is 

significantly reduced without the introduction of significant error compared with the full basis. 

The benefits are two‐fold: 1) computational time can be reduced significantly and 2) both the 

bond  length and the angle will be within 0.01 Å and 0.1°, respectively,  from the  full basis set 

results. Bond  lengths computed with truncated basis sets remain steadily within 0.01 Å of the 

full basis. Table 4.9  lists  the percent  central processing unit  (CPU)  time  saved  in  single‐point 

computations  for  the  heteronuclear molecules,  and  Figure  4.3  illustrates  how much  time  is 

66  

saved with respect to energetic properties at various truncation levels of the cc‐pV5Z basis set. 

The percent CPU time saved over the  full basis computation escalates quickly as high angular 

momentum  functions  are  removed,  reaching  more  than  50%  when  the  highest  angular 

momentum functions are removed from the cc‐pVQZ and cc‐pV5Z basis sets. CPU time savings 

are greater than 80% at the cc‐pV5Z level when the two highest angular momentum shells are 

removed  from  both  the  non‐hydrogen  and  the  hydrogen  basis.  Since  truncation  impacts 

molecular  ionization potentials, electron affinities, and atomization energies when  truncating 

the  f  functions, by only  removing  the higher angular momentum  functions,  the percent  time 

saved  in computing these properties can be as  large as 90% without deviating more than 1.0 

kcal/mol (0.04 eV) from the full basis set results. Further, in bond lengths (without considering 

angles) where the d shell is important for the non‐hydrogen basis, truncating the higher angular 

momentum  shells  saves over 95% of  the  computational  time without deviating  from  the  full 

basis set bond length by more than 0.01 Å. 

 

4.4 Conclusions 

Truncation of  the  correlation  consistent basis  sets  in DFT  is  an excellent way  to  save 

computational  time and  resources when  computing various energetic properties without  the 

introduction of significant error. In the atoms and molecules studied, truncation of high angular 

functions such as g and h  functions affects  ionization potentials and election affinities by  less 

than  0.01  eV,  and  affects  atomization  energies  by  less  than  1.0  kcal/mol.  Typical  CPU  time 

savings upon truncation of only g and h functions from non‐hydrogen and hydrogen basis sets 

are on the order of 60‐70%. 

67  

Unlike  ab  initio  studies  of  cc‐pVnZ  basis  set  truncation,162,163  DFT  allows  for  the 

truncation  of  not  only  the  hydrogen  basis  but  also  the  non‐hydrogen  atom  basis  set. 

Simultaneous truncation of both the hydrogen f and g functions and non‐hydrogen atom g and 

h  functions  from  the  cc‐pV5Z basis  set  impacts optimized  geometries by  less  than 0.01 Å  in 

bond  lengths  and  0.1°  in  angles  as  compared with  the  full  basis  geometry.  In  all molecules 

investigated here, the removal of  f  functions  from the non‐hydrogen basis with simultaneous 

removal of d  functions  from  the hydrogen basis does not  affect bond  lengths by more  than 

0.01 Å and affects angles by no more than 0.47°. The geometries of molecules composed of first 

row atoms are not affected as greatly as those composed of second row atoms. 

With  truncation of all but  the  s, p, d, and  f  functions  from  the  correlation  consistent 

basis  sets,  full basis  set values  for  total energies, atomization energies,  ionization potentials, 

electron  affinities  (using  s  and  p  diffuse  functions),  and  geometries  are  accessible  (within 

1.0 kcal/mol in energetics and 0.01 Å/0.1° in bond lengths/angles) with a large reduction in CPU 

computational overhead on the order of 70‐90%. The trends of truncation versus property hold 

for both  functionals  investigated here. When  the  correlation  consistent basis  sets of double‐ 

through quintuple‐ζ quality are employed in DFT computations, much computational overhead 

can be alleviated by truncating the basis sets of all but the s, p, d, and f functions without the 

introduction of significant error  in energetics or geometries compared with the full basis sets.

68  

 

 Figure 4.3  Comparisons  of  CPU  time  savings  (closed  circles),  ionization  potentials(triangles), electron affinities (upside‐down triangles), atomization energies (open squares), andtotal energies  (closed squares) between the  full and truncated cc‐pV5Z basis set using B3LYP.Truncation levels: ‘0’ is the full basis, ‘1’ is cc‐pV5Z(‐1h ; 1g), ‘2’ is cc‐pV5Z(‐1h1g ; 1g1f), etc. 

69  

Table 4.1  Total  energies  (Eh)  of  the  carbon  and  oxygen  atoms  computed with  full  and truncated basis sets; energy differences are listed in mEh.  

      BLYP B3LYP 

Atom  Basis Set  Truncation Energy Δ Energy  Δ

C (3P)  cc‐pVDZ  none  ‐37.837836 ‐‐‐ ‐37.851974  ‐‐‐    –1d  ‐37.836850 0.986 ‐37.850886  1.089  cc‐pVTZ  none  ‐37.845501 ‐‐‐ ‐37.858575  ‐‐‐    –1f  ‐37.845492 0.009 ‐37.858571  0.004    –1f 1d  ‐37.845093 0.408 ‐37.858129  0.445    –1f 2d  ‐37.844387 1.114 ‐37.857351  1.224  cc‐pVQZ  none  ‐37.847806 ‐‐‐ ‐37.860592  ‐‐‐    –1g  ‐37.847791 0.015 ‐37.860583  0.009    –1g 1f  ‐37.847791 0.015 ‐37.860583  0.009    –1g 2f  ‐37.847766 0.040 ‐37.860571  0.021    –1g 2f 1d  ‐37.847640 0.167 ‐37.860422  0.170    –1g 2f 2d  ‐37.847015 0.791 ‐37.859737  0.855    –1g 2f 3d  ‐37.846634 1.172 ‐37.859324  1.268  cc‐pV5Z  none  ‐37.849077 ‐‐‐ ‐37.861508  ‐‐‐    –1h  ‐37.849072 0.005 ‐37.861505  0.003    –1h 1g  ‐37.849068 0.010 ‐37.861503  0.005    –1h 2g  ‐37.849054 0.024 ‐37.861495  0.013    –1h 2g 1f  ‐37.849053 0.024 ‐37.861495  0.013    –1h 2g 2f  ‐37.849053 0.024 ‐37.861495  0.013    –1h 2g 3f  ‐37.849021 0.056 ‐37.861478  0.030    –1h 2g 3f 1d  ‐37.848969 0.108 ‐37.861417  0.091    –1h 2g 3f 2d  ‐37.848557 0.520 ‐37.860955  0.553    –1h 2g 3f 3d  ‐37.848042 1.036 ‐37.860392  1.116    –1h 2g 3f 4d  ‐37.847887 1.190 ‐37.860228  1.280

O (3P)  cc‐pVDZ  none  ‐75.054526 ‐‐‐ ‐75.068499  ‐‐‐    –1d  ‐75.053435 1.091 ‐75.067322  1.177  cc‐pVTZ  none  ‐75.080286 ‐‐‐ ‐75.091864  ‐‐‐    –1f  ‐75.079439 0.847 ‐75.091015  0.850    –1f 1d  ‐75.078980 1.306 ‐75.090510  1.354    –1f 2d  ‐75.078227 2.059 ‐75.089704  2.160  cc‐pVQZ  none  ‐75.087251 ‐‐‐ ‐75.098201  ‐‐‐    –1g  ‐75.087239 0.012 ‐75.098194  0.006

(continued on next page)

70  

Table 4.1 (continued)  

      BLYP B3LYP 

Atom  Basis Set  Truncation Energy Δ Energy  Δ

O (3P)  cc‐pVQZ  –1g 1f  ‐75.086825 0.426 ‐75.097774  0.427    –1g 2f  ‐75.086243 1.008 ‐75.097200  1.001    –1g 2f 1d  ‐75.086113 1.138 ‐75.097049  1.152    –1g 2f 2d  ‐75.085423 1.828 ‐75.096298  1.902    –1g 2f 3d  ‐75.085013 2.238 ‐75.095868  2.332  cc‐pV5Z  none  ‐75.090069 ‐‐‐ ‐75.100485  ‐‐‐    –1h  ‐75.090066 0.002 ‐75.100484  0.001    –1h 1g  ‐75.090063 0.005 ‐75.100482  0.003    –1h 2g  ‐75.090051 0.018 ‐75.100476  0.009    –1h 2g 1f  ‐75.089872 0.196 ‐75.100297  0.188    –1h 2g 2f  ‐75.089385 0.684 ‐75.099799  0.685    –1h 2g 3f  ‐75.089028 1.040 ‐75.099457  1.028    –1h 2g 3f 1d  ‐75.088990 1.079 ‐75.099408  1.077    –1h 2g 3f 2d  ‐75.088586 1.483 ‐75.098950  1.535    –1h 2g 3f 3d  ‐75.087988 2.081 ‐75.098310  2.175    –1h 2g 3f 4d  ‐75.087803 2.266 ‐75.098119  2.366

 

71  

Table 4.2  Ionization potentials  (eV) of  the  carbon and oxygen atoms  computed with  full and truncated basis sets; relative differences are listed below the full basis set values. 

    BLYP B3LYP 

Basis Set  Truncation C (3P) O (3P) C (3P) O (3P) 

cc‐pVDZ  none  11.36 13.84 11.52 13.31   –1d  0.01 ‐0.03 0.01 ‐0.03 

cc‐pVTZ  none  11.38 14.07 11.53 14.09   –1f  ‐‐‐ ‐0.02 ‐‐‐ ‐0.02   –1f 1d  ‐‐‐ ‐0.04 ‐‐‐ ‐0.04   –1f 2d  0.01 ‐0.06 0.01 ‐0.06 

cc‐pVQZ  none  11.39 14.12 11.54 14.12   –1g  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐   –1g 1f  ‐‐‐ ‐0.01 ‐‐‐ ‐0.01   –1g 2f  ‐‐‐ ‐0.03 ‐‐‐ ‐0.03   –1g 2f 1d  ‐‐‐ ‐0.03 ‐‐‐ ‐0.03   –1g 2f 2d  ‐‐‐ ‐0.05 ‐‐‐ ‐0.05   –1g 2f 3d  0.01 ‐0.06 0.01 ‐0.06 

cc‐pV5Z  none  11.40 14.15 11.54 14.14   –1h  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐   –1h 1g  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐   –1h 2g  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐   –1h 2g 1f  ‐‐‐ ‐0.01 ‐‐‐ ‐0.01   –1h 2g 2f  ‐‐‐ ‐0.02 ‐‐‐ ‐0.02   –1h 2g 3f  ‐‐‐ ‐0.03 ‐‐‐ ‐0.03   –1h 2g 3f 1d  ‐‐‐ ‐0.03 ‐‐‐ ‐0.03   –1h 2g 3f 2d  ‐‐‐ ‐0.04 ‐‐‐ ‐0.04   –1h 2g 3f 3d  0.01 ‐0.06 0.01 ‐0.06   –1h 2g 3f 4d  0.01 ‐0.06 0.01 ‐0.06 

 

72  

Table 4.3  Electron  affinities  (eV)  of  the  carbon  and  oxygen  atoms  computed  with  full, truncated, and augmented truncated basis sets (aug); relative differences are  listed below the full basis set values. 

      BLYP B3LYP 

Atom  Basis Set  Truncation EA EA(aug) EA  EA(aug)

C (3P)  cc‐pVDZ  none 0.12 1.34 0.33  1.37     –1d  0.03 0.02 0.03  0.03   cc‐pVTZ  none 0.67 1.34 0.82  1.37     –1f  ‐‐‐ 0.01 ‐‐‐ ‐‐‐     –1f 1d 0.01 0.01 0.01  0.01     –1f 2d 0.03 0.03 0.03  0.03   cc‐pVQZ  none 0.91 1.35 1.03  1.37     –1g  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1g 1f ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1g 2f ‐‐‐ 0.01 ‐‐‐ ‐‐‐     –1g 2f 1d 0.01 0.01 0.01  0.01     –1g 2f 2d 0.02 0.02 0.02  0.02     –1g 2f 3d 0.03 0.03 0.03  0.03   cc‐pV5Z  none 1.14 1.37 1.22  1.38     –1h  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1h 1g ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1h 2g ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1h 2g 1f ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1h 2g 2f ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1h 2g 3f ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1h 2g 3f 1d ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1h 2g 3f 2d 0.01 0.01 0.02  0.01     –1h 2g 3f 3d 0.03 0.03 0.03  0.03     –1h 2g 3f 4d 0.03 0.03 0.03  0.03 

O (3P)  cc‐pVDZ  none ‐0.58 1.80 1.85  1.67     –1d  ‐‐‐ 0.01 ‐‐‐ 0.01   cc‐pVTZ  none 0.57 1.81 0.62  1.68     –1f  ‐‐‐ 0.01 ‐‐‐ ‐‐‐     –1f 1d ‐‐‐ 0.01 ‐‐‐ ‐‐‐     –1f 2d ‐‐‐ 0.01 0.01  0.01   cc‐pVQZ  none 1.04 1.82 1.04  1.68 

(continued on next page)

73  

Table 4.3 (continued) 

      BLYP B3LYP 

Atom  Basis Set  Truncation EA EA(aug) EA  EA(aug)

O (3P)  cc‐pVQZ  –1g  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1g 1f ‐‐‐ 0.01 ‐‐‐ ‐‐‐     –1g 2f ‐‐‐ 0.01 ‐‐‐ 0.01     –1g 2f 1d ‐‐‐ 0.01 ‐‐‐ 0.01     –1g 2f 2d 0.01 0.01 0.01  0.01     –1g 2f 3d 0.01 0.01 0.01  0.01   cc‐pV5Z  none 1.47 1.84 1.41  1.69     –1h  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1h 1g ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1h 2g ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1h 2g 1f ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1h 2g 2f ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐     –1h 2g 3f 0.01 ‐‐‐ 0.01  ‐‐‐     –1h 2g 3f 1d 0.01 ‐‐‐ 0.01  ‐‐‐     –1h 2g 3f 2d 0.01 0.01 0.01  ‐‐‐     –1h 2g 3f 3d 0.01 0.01 0.01  0.01     –1h 2g 3f 4d 0.01 0.01 0.01  0.01 

  

74  

Table 4.4  Total energies (Eh) of the C2 and O2 molecules computed with full and truncated basis sets; energy differences are listed in mEh. 

      BLYP B3LYP 

Atom  Basis Set  Truncation Energy Δ Energy  Δ

C2 (1Σg)  cc‐pVDZ  none  ‐75.893728 ‐‐‐ ‐75.888710  ‐‐‐    –1d  ‐75.873740 19.988 ‐75.873958  14.752  cc‐pVTZ  none  ‐75.916662 ‐‐‐ ‐75.907631  ‐‐‐    –1f  ‐75.914735 1.926 ‐75.905205  2.426    –1f 1d  ‐75.910817 5.845 ‐75.903585  4.046    –1f 2d  ‐75.888437 28.224 ‐75.885075  22.556  cc‐pVQZ  none  ‐75.922052 ‐‐‐ ‐75.912333  ‐‐‐    –1g  ‐75.921801 0.251 ‐75.912097  0.236    –1g 1f  ‐75.921430 0.622 ‐75.911820  0.513    –1g 2f  ‐75.919783 2.269 ‐75.909817  2.516    –1g 2f 1d  ‐75.919094 2.958 ‐75.909747  2.586    –1g 2f 2d  ‐75.907697 14.355 ‐75.900794  11.539    –1g 2f 3d  ‐75.895122 26.930 ‐75.890878  21.455  cc‐pV5Z  none  ‐75.924393 ‐‐‐ ‐75.9140147  ‐‐‐    –1h  ‐75.924348 0.046 ‐75.913965  0.049    –1h 1g  ‐75.924276 0.117 ‐75.913917  0.098    –1h 2g  ‐75.924110 0.284 ‐75.913736  0.278    –1h 2g 1f  ‐75.924009 0.384 ‐75.913725  0.290    –1h 2g 2f  ‐75.923431 0.963 ‐75.912952  1.063    –1h 2g 3f  ‐75.922179 2.214 ‐75.911538  2.477    –1h 2g 3f 1d ‐75.921971 2.422 ‐75.911528  2.486    –1h 2g 3f 2d ‐75.917177 7.216 ‐75.908848  5.166    –1h 2g 3f 3d ‐75.902165 22.229 ‐75.896025  17.990    –1h 2g 3f 4d ‐75.897683 26.711 ‐75.892618  21.397

O2 (3Σg)  cc‐pVDZ  none  ‐150.328047 ‐‐‐ ‐150.334047  ‐‐‐    –1d  ‐150.280817 47.230 ‐150.282835  51.212  cc‐pVTZ  none  ‐150.377164 ‐‐‐ ‐150.380941  ‐‐‐    –1f  ‐150.373216 3.948 ‐150.376785  4.156    –1f 1d  ‐150.352941 24.223 ‐150.354860  26.081    –1f 2d  ‐150.328045 49.119 ‐150.328372  52.569  cc‐pVQZ  none  ‐150.391260 ‐‐‐ ‐150.394129  ‐‐‐    –1g  ‐150.390835 0.425 ‐150.393699  0.431

(continued on next page)

75  

Table 4.4 (continued) 

      BLYP B3LYP 

Atom  Basis Set  Truncation Energy Δ Energy  Δ

O2 (3Σg)  cc‐pVQZ  –1g 1f  ‐150.389332 1.929 ‐150.392094  2.036    –1g 2f  ‐150.386938 4.322 ‐150.389574  4.555    –1g 2f 1d  ‐150.382798 8.463 ‐150.384994  9.135    –1g 2f 2d  ‐150.351403 39.858 ‐150.351451  42.678    –1g 2f 3d  ‐150.340489 50.771 ‐150.339871  54.258  cc‐pV5Z  none  ‐150.396251 ‐‐‐ ‐150.398385  ‐‐‐    –1h  ‐150.396194 0.056 ‐150.398331  0.053    –1h 1g  ‐150.396074 0.177 ‐150.398203  0.181    –1h 2g  ‐150.395935 0.316 ‐150.398058  0.327    –1h 2g 1f  ‐150.395751 0.499 ‐150.397879  0.506    –1h 2g 2f  ‐150.393444 2.807 ‐150.395394  2.991    –1h 2g 3f  ‐150.392519 3.732 ‐150.394432  3.953    –1h 2g 3f 1d ‐150.391698 4.553 ‐150.393515  4.870    –1h 2g 3f 2d ‐150.373542 22.709 ‐150.373975  24.409    –1h 2g 3f 3d ‐150.351483 44.768 ‐150.350460  47.925    –1h 2g 3f 4d ‐150.347558 48.693 ‐150.346289  52.095

 

76  

Table 4.5  BLYP  vertical  ionization  potentials  (eV),  electron  affinities  (eV),  atomization energies (kcal/mol), and optimized bond lengths (Å) of the C2 and O2 molecules computed with full  and  truncated basis  sets; electron  affinities  include diffuse  functions  and  relative energy differences are listed below the full basis set values. 

Molecule  Basis Set  Truncation IP EA(aug) D0  ReC2 (

1Σg)  cc‐pVDZ  none  12.57 3.92 134.2  1.271    –1d  ‐0.02 ‐0.02 ‐11.3  0.005  cc‐pVTZ  none  12.66 3.95 139.0  1.256    –1f  0.01 0.01 ‐1.2  ‐0.001    –1f 1d  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐3.2  ‐0.002    –1f 2d  ‐0.04 ‐0.02 ‐16.2  0.014  cc‐pVQZ  none  12.67 3.96 139.5  1.255    –1g  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐0.1  ‐‐‐     –1g 1f  0.05 ‐‐‐ ‐0.4  ‐‐‐     –1g 2f  0.02 0.01 ‐1.4  0.001    –1g 2f 1d 0.31 ‐‐‐ ‐1.6  0.001    –1g 2f 2d ‐‐‐ ‐‐‐ ‐8.0  ‐‐‐     –1g 2f 3d ‐0.04 ‐0.02 ‐15.4  0.012  cc‐pV5Z  none  12.68 3.96 139.3  1.255    –1h  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐     –1h 1g ‐‐‐ ‐‐‐ ‐0.1  ‐‐‐     –1h 2g ‐‐‐ ‐‐‐ ‐0.2  ‐‐‐     –1h 2g 1f ‐‐‐ ‐‐‐ ‐0.2  ‐‐‐     –1h 2g 2f 0.01 0.01 ‐0.5  ‐0.001    –1h 2g 3f 0.01 0.01 ‐1.3  0.001    –1h 2g 3f 1d ‐‐‐ 0.01 ‐1.3  0.001    –1h 2g 3f 2d ‐0.01 ‐‐‐ ‐3.9  ‐0.001    –1h 2g 3f 3d ‐0.02 ‐0.01 ‐12.6  0.007    –1h 2g 3f 4d ‐0.04 ‐0.02 ‐15.2  0.013

O2 (3Σg)  cc‐pVDZ  none  12.35 ‐0.09 135.3  1.235    –1d  0.29 0.14 ‐27.9  0.060  cc‐pVTZ  none  12.52 ‐0.10 133.8  1.232    –1f  ‐0.01 ‐‐‐ ‐1.4  0.006    –1f 1d  0.17 0.09 ‐13.4  0.021    –1f 2d  0.28 0.15 ‐28.0  0.064  cc‐pVQZ  none  12.57 ‐0.09 133.9  1.230    –1g  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐0.2  ‐‐‐ 

(continued on next page)

77  

Table 4.5 (continued) 

Molecule  Basis Set  Truncation IP EA(aug) D0  ReO2 (

3Σg)  cc‐pVQZ  –1g 1f  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐0.7  ‐‐‐     –1g 2f  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐1.4  0.004    –1g 2f 1d 0.05 0.03 ‐3.8  0.004    –1g 2f 2d 0.18 0.12 ‐22.5  0.050    –1g 2f 3d 0.23 0.14 ‐28.8  0.070  cc‐pV5Z  none  12.59 ‐0.07 133.5  1.229    –1h  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐     –1h 1g ‐‐‐ ‐‐‐ ‐0.1  ‐‐‐     –1h 2g ‐‐‐ ‐‐‐ ‐0.2  ‐‐‐     –1h 2g 1f ‐‐‐ ‐‐‐ ‐0.1  ‐‐‐     –1h 2g 2f ‐‐‐ ‐‐‐ ‐0.9  0.002    –1h 2g 3f ‐‐‐ ‐‐‐ ‐1.0  0.004    –1h 2g 3f 1d 0.01 0.01 ‐1.5  0.004    –1h 2g 3f 2d 0.10 0.08 ‐12.2  0.017    –1h 2g 3f 3d 0.20 0.13 ‐25.2  0.056    –1h 2g 3f 4d 0.22 0.14 ‐27.5  0.063

 

78  

Table 4.6  B3LYP atomization energies  (kcal/mol) and optimized bond  lengths  (Å)  for CH4 and SiH4 (both 

1A1); relative differences are listed below the full basis set values. 

    CH4 SiH4 

Basis Set  Truncation ΣD0 Re ΣD0  Recc‐pVDZ  none  385.9 1.100 296.9  1.496  –1d ; 1p  ‐8.6 0.002 ‐14.6  0.002cc‐pVTZ  none  393.1 1.088 302.6  1.483  –1f ; 1d  ‐0.5 ‐‐‐ ‐1.0  0.002  –1f 1d ; 1d 1p  ‐0.8 ‐0.001 ‐1.9  ‐0.001  –1f 2d ; 1d 2p  ‐9.8 0.001 ‐21.4  0.016cc‐pVQZ  none  393.4 1.088 304.1  1.480  –1g ; 1f  ‐0.1 ‐‐‐ ‐0.2  ‐‐‐   –1g 1f ; 1f 1d  ‐0.2 ‐‐‐ ‐0.4  ‐‐‐   –1g 2f ; 1f 2d  ‐0.7 ‐‐‐ ‐1.0  ‐‐‐   –1g 2f 1d ; 1f 2d 1p ‐0.8 ‐‐‐ ‐1.3  ‐‐‐   –1g 2f 2d ; 1f 2d 2p ‐3.1 ‐0.002 ‐7.0  ‐0.008  –1g 2f 3d ; 1f 2d 3p ‐9.7 0.002 ‐22.6  0.012cc‐pV5Z  none  393.3 1.088 304.6  1.479  –1h ; 1g  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐   –1h 1g ; 1g 1f  ‐0.1 ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐   –1h 2g ; 1g 2f  ‐0.1 ‐‐‐ ‐0.1  ‐‐‐   –1h 2g 1f ; 1g 2f 1d ‐0.1 ‐‐‐ ‐0.1  ‐‐‐   –1h 2g 2f ; 1g 2f 2d ‐0.3 ‐‐‐ ‐0.3  ‐‐‐   –1h 2g 3f ; 1g 2f 3d ‐0.6 ‐‐‐ ‐0.8  0.001  –1h 2g 3f 1d ; 1g 2f 3d 1p ‐0.7 ‐‐‐ ‐0.8  0.001  –1h 2g 3f 2d ; 1g 2f 3d 2p ‐1.4 ‐0.001 ‐6.7  ‐0.007  –1h 2g 3f 3d ; 1g 2f 3d 3p ‐6.9 ‐0.001 ‐19.8  0.006  –1h 2g 3f 4d ; 1g 2f 3d 4p ‐9.6 0.003 ‐22.9  0.013

 

79  

Table 4.7  B3LYP optimized geometries (Å and degrees) for NH3 and PH3 (both 1A1); relative 

differences are listed below the full basis set values. 

    NH3 PH3 

Basis Set  Truncation Re AHNH Re  AHPH

cc‐pVDZ  none  1.025 104.33 1.435  93.09  –1d ; 1p  ‐0.005 9.01 0.012  1.49cc‐pVTZ  none  1.014 106.64 1.421  93.40  –1f ; 1d  0.001 ‐0.39 ‐‐‐ ‐0.09  –1f 1d ; 1d 1p  ‐0.005 2.93 ‐0.002  0.36  –1f 2d ; 1d 2p  ‐0.006 8.08 0.027  0.99cc‐pVQZ  none  1.013 106.75 1.418  93.45  –1g ; 1f  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐   –1g 1f ; 1f 1d  ‐‐‐ ‐0.05 ‐‐‐ ‐0.02  –1g 2f ; 1f 2d  ‐‐‐ ‐0.30 ‐‐‐ ‐0.05  –1g 2f 1d ; 1f 2d 1p ‐0.002 1.25 0.001  0.15  –1g 2f 2d ; 1f 2d 2p ‐0.010 6.20 ‐0.005  0.97  –1g 2f 3d ; 1f 2d 3p ‐0.005 8.22 0.027  1.07cc‐pV5Z  none  1.012 107.19 1.418  93.45  –1h ; 1g  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐   –1h 1g ; 1g 1f  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐   –1h 2g ; 1g 2f  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐   –1h 2g 1f ; 1g 2f 1d ‐‐‐ ‐0.02 ‐‐‐ ‐0.01  –1h 2g 2f ; 1g 2f 2d ‐‐‐ ‐0.40 ‐‐‐ ‐0.03  –1h 2g 3f ; 1g 2f 3d 0.001 ‐0.47 0.001  ‐0.03  –1h 2g 3f 1d ; 1g 2f 3d 1p ‐‐‐ 0.36 0.001  0.07  –1h 2g 3f 2d ; 1g 2f 3d 2p ‐0.006 3.88 ‐0.005  1.12  –1h 2g 3f 3d ; 1g 2f 3d 3p ‐0.009 7.66 0.018  1.32  –1h 2g 3f 4d ; 1g 2f 3d 4p ‐0.005 8.09 0.026  1.27

 

80  

Table 4.8  B3LYP optimized geometries (Å and degrees) for H2O and H2S (both 1A1); relative 

differences are listed below the full basis set values. 

    H2O H2S 

Basis Set  Truncation Re AHOH Re  AHSH

cc‐pVDZ  none  0.969 102.69 1.358  92.25  –1d ; 1p  0.021 4.28 0.022  1.98cc‐pVTZ  none  0.961 104.53 1.345  92.53  –1f ; 1d  0.001 ‐0.07 ‐‐‐ ‐0.06  –1f 1d ; 1d 1p  ‐0.001 2.67 ‐0.002  0.58  –1f 2d ; 1d 2p  0.013 5.22 0.038  1.45cc‐pVQZ  none  0.960 104.98 1.343  92.54  –1g ; 1f  ‐‐‐ ‐0.01 ‐‐‐ ‐‐‐   –1g 1f ; 1f 1d  ‐‐‐ 0.03 ‐‐‐ 0.02  –1g 2f ; 1f 2d  ‐‐‐ ‐0.08 ‐‐‐ ‐0.01  –1g 2f 1d ; 1f 2d 1p ‐0.001 0.39 ‐‐‐ 0.16  –1g 2f 2d ; 1f 2d 2p ‐0.001 4.46 ‐0.001  1.12  –1g 2f 3d ; 1f 2d 3p 0.016 4.79 0.038  1.41cc‐pV5Z  none  0.961 105.19 1.341  92.51  –1h ; 1g  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐   –1h 1g ; 1g 1f  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐   –1h 2g ; 1g 2f  ‐‐‐ ‐0.01 ‐‐‐ ‐0.01  –1h 2g 1f ; 1g 2f 1d ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐0.02  –1h 2g 2f ; 1g 2f 2d ‐‐‐ 0.02 ‐‐‐ ‐0.03  –1h 2g 3f ; 1g 2f 3d ‐‐‐ ‐0.06 0.001  ‐0.06  –1h 2g 3f 1d ; 1g 2f 3d 1p ‐‐‐ ‐0.01 0.001  ‐0.09  –1h 2g 3f 2d ; 1g 2f 3d 2p ‐‐‐ 2.86 ‐0.001  1.20  –1h 2g 3f 3d ; 1g 2f 3d 3p 0.007 4.94 0.029  1.60  –1h 2g 3f 4d ; 1g 2f 3d 4p 0.014 4.91 0.037  1.55

 

81  

Table 4.9  Percent  CPU  time  and  average  time  saved  computing  B3LYP  single‐point energies with truncated basis sets, relative to the full basis sets. 

Basis Set  Truncation  CH4 NH3 H2O SiH4 PH3  H2S  Average

cc‐pVDZ  none  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐  ‐‐‐  –1d ; 1p  7 12 4 9 9  6  8cc‐pVTZ  none  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐  ‐‐‐  –1f ; 1d  28 21 13 29 23  15  22  –1f 1d ; 1d 1p  34 11 15 35 30  19  24  –1f 2d ; 1d 2p  40 32 20 42 36  25  33cc‐pVQZ  none  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐  ‐‐‐  –1g ; 1f  55 59 74 49 69  78  64  –1g 1f ; 1f 1d  68 73 80 71 78  83  76  –1g 2f ; 1f 2d  79 80 84 80 84  86  82  –1g 2f 1d ; 1f 2d 1p  83 82 85 83 86  87  84  –1g 2f 2d ; 1f 2d 2p  84 83 85 86 88  88  86  –1g 2f 3d ; 1f 2d 3p  86 85 86 87 89  89  87cc‐pV5Z  none  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐  ‐‐‐  –1h ; 1g  59 60 60 54 56  56  58  –1h 1g ; 1g 1f  77 78 37 69 73  73  68  –1h 2g ; 1g 2f  89 89 90 82 85  85  87  –1h 2g 1f ; 1g 2f 1d  92 93 96 87 88  96  92  –1h 2g 2f ; 1g 2f 2d  95 96 97 90 95  97  95  –1h 2g 3f ; 1g 2f 3d  96 97 98 95 97  97  97  –1h 2g 3f 1d ; 1g 2f 3d 1p 97 98 98 96 97  98  97  –1h 2g 3f 2d ; 1g 2f 3d 2p 98 98 98 97 98  98  98  –1h 2g 3f 3d ; 1g 2f 3d 3p 98 98 98 97 98  98  98  –1h 2g 3f 4d ; 1g 2f 3d 4p 98 98 98 98 98  98  98

 

82  

CHAPTER 5 

SYSTEMATIC RECONTRACTION OF THE CORRELATION CONSISTENT BASIS SETS FOR DENSITY 

FUNCTIONAL THEORY CALCULATIONS† 

5.1 Introduction 

With correlated ab initio approaches, such as coupled cluster theory with single, double, 

and perturbative  triple excitations, CCSD(T),35,38 a high  level of accuracy  in properties such as 

energetics  can  be  achieved  (e.g.,  atomization  energies  within  1.0  kcal/mol  from  reliable 

experiment) when paired with a  large basis set. However, CCSD(T) becomes so costly  in terms 

of  computational  time, memory,  and  disk  space  that  this method  is  generally  restricted  to 

molecules  composed of no more  than 10‐15 non‐hydrogen atoms with a modest‐sized basis 

set. A practical alternative  is density  functional  theory  (DFT),44,45,52 which  includes correlation 

energy without the additional computational overhead of correlated ab initio methods. 

One  of  the  challenges  in  using  DFT  is  determining  the  best  and  most  appropriate 

functional for a problem of  interest. There are hundreds of density functionals available, each 

designed for different tasks or with respect to a test set of atoms and molecules. Because of the 

increasing  number  of  density  functionals  available  and  the  popularity  of  DFT,  a  quick  and 

efficient means to determine the intrinsic error of a density functional is needed. 

The  use  of  systematically  constructed  basis  sets  has  proven  to  be  a  valuable  tool  in 

                                                       † This entire chapter  is adapted  from B.P Prascher and A.K. Wilson, “The Behaviour of Density Functionals with Respect  to Basis Set. V. Recontraction of Correlation Consistent Basis Sets.” Mol. Phys. 2007, 105(19‐22), 2899, with permission from Taylor & Francis. 

83  

determining  the  successes  and  failures  of  ab  initio  methods.122,133,176  For  example,  the 

monotonic convergence  towards  the complete basis set  (CBS)  limit exhibited by a number of 

molecular properties computed with the correlation consistent basis sets in Hartree‐Fock (HF), 

DFT, and electron correlation methods, as the basis set size increases, allows for the systematic 

elucidation  of  the  intrinsic  error  of  ab  initio  methods.  Unlike  numerical  methods  for 

determining  the HF CBS  limit, which  tend  to be computationally expensive  for systems  larger 

than  two  atoms,  accurate  approximations  of  the  CBS  limit  by  extrapolating  a  series  of 

properties computed with the correlation consistent basis sets can be done at the HF level for 

molecules of many atoms. 

Recently,  a  set  of  polarization  consistent  basis  sets  (pc‐n, where  n  =  1‐4)  specifically 

optimized for DFT were developed.143‐145,147 Wang and Wilson showed that using the pc‐n basis 

sets  in  DFT  calculations  do  not  necessarily  result  in  an  improvement  in  the  accuracy  of 

properties computed using the correlation consistent basis sets.155,156 For example, Wang and 

Wilson showed that the performance of the correlation consistent basis sets is similar to that of 

the pc‐n basis sets within 0.10 kcal/mol  in computed energetics  for a test set of 17  first row, 

main group molecules.155 Yet, the correlation consistent basis sets have  fewer basis  functions 

than the comparable polarization consistent basis set beyond the double‐ζ level. 

The impact of employing segmented contraction versus general contraction schemes in 

DFT has been investigated by Jensen.147 A segmented contraction does not include all the basis 

functions of a given symmetry type in a basis set, whereas a general contraction does.19 Jensen 

concluded that core functions are typically not important for either valence orbital descriptions 

or for energetic properties computed with DFT that are largely impacted by the valence space 

84  

such  as  ionization  potentials  and  atomization  energies.  This  means  that  if  a  segmented 

contraction  scheme  is  used,  high  exponent  basis  functions  need  not  be  included  in  the 

contracted  valence  functions;  or,  anaglogously,  if  a  general  contraction  scheme  is  used,  the 

core  functions do not need  large  contraction  coefficients  in  the valence basis  functions.  In a 

subsequent paper,  Jensen discussed how  the  contraction of  a basis  set  (independent of  the 

type of contraction scheme used)  in DFT computations  tends  to  impact computed properties 

more than the choice of primitive functions.146 The overall conclusion of his papers was that so‐

called  core‐pruned  basis  sets  should  be  sufficient  for  valence  energetic  properties  in  DFT 

computations, and  that optimization of  the contraction coefficients  rather  than  the primitive 

basis  functions  leads  to  a  greater  impact  on  the  energetic  properties.  As  a  result  of  their 

construction,  the  contracted  valence  basis  functions  in  the  correlation  consistent  basis  sets 

have small weights on the core functions, making them a type of core‐pruned basis sets. 

Another  important effect  to examine when  studying atomization energies  is basis  set 

superposition  error  (BSSE).152,177‐179  In  the  linear  combination  of  atomic  orbitals  (LCAO) 

approximation,  the  interaction  between  two  subunits  is  described  by  the  overlap  of  their 

respective basis  sets.  In  the overlap  region,  there  is a better description of  the orbital  space 

than  within  the  individual  subunits.  This  leads  to  interaction  energies  that  are  too  high, 

compared with a more even description of the orbital space. To account for this effect, the ex 

post facto Boys‐Bernardi correction is typically employed:178  

AB AB A B (5.1)

where  AB  represents the dissociation energy of the system composed of subunits A and B 

(or atomization energy of a molecule). The terms  A  and  B  are total energies of the 

85  

respective subunits computed in the presence of the basis sets of both subunits. Applying (5.1) 

is a way of accounting for the over‐described regions of space by the overlapping basis sets; in 

effect, smoothing out the basis set description so that the entire molecule  is evenly described 

by  the  basis  set.  As  the  basis  set  increases  in  size  (i.e.  becomes more  complete)  the  BSSE 

decreases. For example,  the BSSE  for  the CO2 atomization energy  in BLYP  computations was 

7.11 kcal/mol at the cc‐pVDZ level, 2.25 kcal/mol at the cc‐pVTZ level, and 1.36 kcal/mol at the 

quadruple‐ζ level.152 It has also been reported that correcting for BSSE in computations with the 

cc‐pVnZ basis sets can lead to monotonic behavior in computed atomization energies.156 

Based on the observations of Jensen regarding basis set contractions in DFT, the success 

of  recontracting  the  correlation  consistent  basis  sets  for  the  recovery  of  scalar  relativistic 

effects (discussed in Chapter 3), and in continuing with the theme of Chapter 4 in determining 

the basis sets requirements for DFT, this chapter reports on reoptimization of the contractions 

of  the  correlation  consistent  basis  sets  specifically  for DFT  computations.  The  effect  on  the 

convergent  behavior  of  various  energetic  properties  including  atomization  energies,  vertical 

ionization potentials,  and  vertical electron  affinities  is examined  in  addition  to  its  impact on 

optimized geometries. Further,  the effects of  incorporating diffuse  functions  in  the basis sets 

and the removal of BSSE are examined. 

 

5.2 Computational Methodology 

As in Chapter 4, the Becke 1988 gradient‐corrected exchange functional (B)164 has been 

coupled with  the Lee‐Yang‐Parr correlation  functional  (LYP)165  in pure DFT computations, and 

the Becke three‐parameter exchange scheme (B3)166 has been coupled with the LYP functional 

86  

in hybrid DFT computations.  In  the  latter case,  the  third parameterization of  the Vosko‐Wilk‐

Nusair local correlation functional (VWN‐3)167 is used. 

The  correlation  consistent  basis  sets,  cc‐pVnZ,  were  employed  from  double‐  to 

quintuple‐ζ quality (n = D, T, Q, and 5). Recontraction of the s and p functions in these basis sets 

was  performed  in  a  similar  manner  to  that  described  in  Chapter  3:  1)  all  high  angular 

momentum  functions  were  removed  from  the  basis  set;  2)  the  s  and  p  functions  were 

uncontracted; 3) computations of atomic energies with BLYP and B3LYP were performed; and 

4) the atomic orbital (AO) coefficients from Kohn‐Sham (KS) orbital analyses were then taken as 

the new contraction coefficients. After  replacing  the high angular momentum  functions  (d,  f, 

etc.) from the original cc‐pVnZ basis sets, the new basis sets are denoted cc‐pVnZ[rc], where rc 

stands  for  recontracted. Diffuse  functions have  also been  added  to  these  recontracted basis 

sets  to  form  augmented  basis  sets;  the  diffuse  functions  are  unaltered  from  the  original 

aug‐cc‐pVnZ basis sets. 

Recontraction of  the correlation consistent basis sets was performed with  the Molpro 

software package180 using a variable grid  size  to achieve better  than mEh convergence  in  the 

total atomic energy. The Gaussian 03 software suite174 was then employed with the default grid 

(75,302)  to  perform  the  BLYP  and  B3LYP  computations with  the  recontracted  basis  sets. All 

computations were performed using  the spin‐unrestricted  formalism, and  the  impact of BSSE 

has been examined. Two extrapolation schemes  including  the Halkier et al.  two‐point  (3.6)133 

and Feller three‐point exponential approach (3.2)132 were employed in estimating KS limits. 

 

87  

5.3 Results and Discussion 

For oxygen and fluorine, there are two sets of contraction coefficients possible for the 

2p  manifold:  the  singly‐occupied  p  eigenstate  or  the  doubly‐occupied  p  eigenstate.  For 

example,  the oxygen p manifold has  the electronic configuration  , which  leads  to  two 

possibilities  for  contraction  coefficients  since    and    are  degenerate.  The  properties 

computed  in  this  investigation  used  contracted  coefficients  from  the  doubly‐occupied 

eigenstates since they produce lower atomic energies. 

Several  energetic  properties  were  computed  and  examined  using  the  recontracted 

correlation  consistent  basis  sets  including  vertical  ionization  potentials,  electron  affinities 

(vertical attachment energies). The effect of adding diffuse functions to the recontracted basis 

sets  has  been  examined  with  respect  to  electron  affinities  and  atomization  energies. 

Recontracted  basis  sets  that  include  the  diffuse  functions  of  the  original  aug‐cc‐pVnZ  basis 

sets95,99,100 were used. 

Molecules  from  the  test  set of Wang et al.152,154‐156 have been  included  in  this  study, 

specifically H2, N2,  F2, HF, CO, CO2, O3, H2O, and CH3OH.  In addition,  several molecules have 

been added to augment the set, including O2, Ne2, CH, NH, OH, CH2 (singlet and triplet states), 

NH3, CH4, (H2O)2, and (HF)2. 

 

5.3.1 Atoms 

Table 5.1 displays the changes in total energies of hydrogen and the first row atoms B‐

Ne  using  the  recontracted  basis  sets  compared with  the  original  basis  sets.  The  change  in 

energy  is  greatest  at  the  double‐  and  triple‐ζ  levels  and  tends  to  increase  as  the  atom  size 

88  

increases. The energy changes are  smaller  for B3LYP  than  for BLYP, with  the  largest changes 

occurring at the double‐ζ level for both methods. For example, the total energy for the carbon 

atom  is 3.160 mEh  lower with  the  recontracted basis sets as compared with  the  total energy 

arising  from  original  basis  set  using  BLYP,  but  is  only  2.015  mEh  lower  using  B3LYP.  The 

differences  in energy grow  to 7.285 and 4.626 mEh  for BLYP and B3LYP,  respectively,  for  the 

neon atom. 

Table 5.1 also helps to gauge the importance of specific density functional optimizations 

of  the  contraction.  The  B3LYP  recontraction  of  the  basis  sets,  denoted  cc‐pVnZ[B3LYP], was 

utilized  to  compute BLYP  energies,  and  the BLYP  recontraction, denoted  cc‐pVnZ[BLYP], was 

used  to  calculate  B3LYP  energies.  Overall,  when  the  same  functional  is  used  for  both  the 

recontraction  and  the  calculation  of  the  total  energy,  lower  energies  are  obtained.  The 

exceptions occur for the B3LYP/cc‐pVDZ[BLYP] calculations for oxygen and fluorine, where the 

total  energies  are  lower  than  those  obtained  using  the  B3LYP  recontraction  by  ‐0.030  and 

‐0.178 mEh,  respectively.  The  largest  differences  in  total  energies  for  the  B3LYP  and  BLYP 

recontraction  schemes are observed  for  the BLYP  calculations, with differences of 0.475 and 

0.707 mEh, for oxygen and fluorine, respectively. 

The ionization potentials and electron affinities of the first row atoms B‐Ne and H using 

the double‐ and triple‐ζ basis sets are given  in Table 5.2. Overall, comparing the cc‐pVnZ basis 

sets to the recontracted sets shows very little difference in ionization potentials for each atom. 

The  largest  differences  occur  at  the  double‐ζ  level.  For  oxygen  and  fluorine,  the  impact  of 

recontraction  increases the  ionization potential by 0.06 and 0.07 eV, respectively, using BLYP. 

These  increases  are  above  the  threshold  of  chemical  accuracy  (0.04  eV).  Using  B3LYP,  the 

89  

oxygen and  fluorine  ionization potentials are  increased by 0.04 and 0.05 eV,  respectively, by 

recontraction. The magnitude of changes between the original basis sets and the recontracted 

sets is smaller using B3LYP than using BLYP. 

Electron affinities listed in Table 5.2 are computed using the diffuse functions from the 

respective aug‐cc‐pVnZ basis sets. Electron affinities are typically not affected by recontraction 

as much as ionization potentials, and do not display differences as compared with the original 

basis  sets beyond 0.02 eV  (approximately 0.5 mEh).  In general, atomic electron affinities are 

affected  by  recontraction  only  at  the  double‐ζ  level. Note  that Ne, which  does  not  bind  an 

electron,  has  been  included  for  comparison with  the  other  first  row  atoms.  Both  BLYP  and 

B3LYP correctly predict a negative value for the Ne electron affinity. 

 

5.3.2 Molecules 

Table  5.3  lists  total  energies,  vertical  ionization  potentials,  and  electron  affinities 

(vertical attachment energies) for H2, B2, C2, N2, O2, F2, and Ne2 computed with fixed geometries 

from  experiment:  rHH  =  0.74144  Å,  rBB  =  1.590  Å,  rCC  =  1.2425  Å,    rNN  =  1.09768  Å,  and 

rOO = 1.20752 Å, rFF = 1.41193 Å, and rNeNe = 3.150 Å.170 In general, the largest change between 

the original and recontracted basis sets occurs at the double‐ζ  level. The changes  in the BLYP 

total energies due to recontraction are, for example 3.704, 5.088, 7.719, 10.268, 6.412, 9.457, 

and  14.569  mEh,  respectively,  for  H2,  B2,  C2,  N2,  O2,  F2,  and  Ne2.  Compared  with  atomic 

computations,  the  ionization  potentials  for  these  molecules  tend  to  be  less  sensitive  to 

recontraction of  the basis  set, and vary at most between  the original and  recontracted basis 

sets  in  Table  5.3  by  0.15  eV with  BLYP  and  0.11  eV with  B3LYP  (each  occurring  in  the Ne2 

90  

complex). Electron affinities  included  in Table 5.3 are also affected  the most at  the double‐ζ 

level, with the exception of H2 at the quintuple‐ζ level. The electron affinities of N2 and Ne2 are 

included for the sake of comparison despite the fact that these systems do not stably bind an 

electron. However, both BLYP and B3LYP are qualitatively correct in predicting a negative value 

for the electron affinity of these two systems. 

The double‐ and triple‐ζ optimized geometries of the molecule test set used are shown 

in Table 5.4. The  largest deviation  in bond  lengths and angles occurs at the double‐ζ  level  for 

each molecule  of  Table  5.4,  but  are  typically  less  than  0.01  Å  and  0.1°,  respectively.  Any 

observed changes at  the quadruple‐ and quintuple‐ζ  levels are not considered significant and 

are  not  included  in  Table  5.4.  The  bond  lengths  reported  for  (H2O)2  and  (HF)2  are  the 

intermolecular hydrogen bonds. The difference between the original and recontracted double‐ζ 

bond lengths are 0.024 Å and 0.016 Å for BLYP and B3LYP, respectively. The largest differences 

between  the original and  recontracted basis set bond  lengths and angles  in  the molecules of 

Table 5.4 are consistently at the double‐ζ level for both BLYP and B3LYP. Bond lengths tend to 

vary less than 0.01 Å at the double‐ζ level, except in a few cases: Ne2, (H2O)2, and (HF)2, which 

are all weakly‐bound systems. Angles tend to vary only on the order of a few tenths of a degree 

between the two families of basis sets. 

To  further  illustrate  how  geometries  are  affected  little  by  recontraction,  Figure  5.1 

shows a comparison between  the O2  Σ  potential energy curve computed with  the original 

and  recontracted  cc‐pVDZ  basis  set.  Note  that  the minima  reside  in  the  same  location  (a 

consequence  of  the  geometry  not  being  significantly  affected  by  recontraction,  even  at  the 

double‐ζ  level), but energies vary by almost 0.01 Eh. The energy difference between  the  two 

91  

curves increases as the inter‐nuclear distance increases. 

Atomization energies  (ΣD0) are  tabulated  in Table 5.5  for BLYP and B3LYP.  In general, 

atomization  energies  are  affected most  at  the  double‐ζ  level.  For  example,  the  atomization 

energy of O2  is  impacted by 1.55  kcal/mol using B3LYP  and 2.02  kcal/mol using BLYP  at  the 

double‐ζ level. For O3, the impact of recontraction on the computed atomization energy is 2.81 

kcal/mol using B3LYP and 3.59 kcal/mol using BLYP at the double‐ζ  level. Other molecules  like 

NH3, CH4, and CH3OH have atomization energies  that are affected by more  than 2.0 kcal/mol 

using both BLYP and B3LYP at the double‐ζ level, with CH4 affected most at 3.91 kcal/mol using 

BLYP. 

As shown in Table 5.5 and Table 5.6, not all atomization energies using the cc‐pVnZ basis 

sets converge monotonically as the basis set size is increased, a point which was investigated by 

Wang  et  al.125,154,156  Employing  the  recontracted  cc‐pVnZ  basis  sets  does  not  remedy  non‐

 Figure 5.1  The  BLYP  potential  energy  curve  of  O2  (

3Σg)  computed with  the  original  andrecontracted correlation consistent basis sets.  

92  

monotonic behavior for all of the molecules. However, for some species, as shown in Figure 5.2 

for  CO2  and  O3,  the  recontracted  basis  sets  can  change  the  behavior  observed  for  the 

atomization energies as the basis set size is increased. For example, the atomization energies of 

CO2 at the triple‐ and quadruple‐ζ levels using the original cc‐pVnZ basis sets change by almost 

0.5 kcal/mol, whereas the energies resulting from use of the equivalent recontracted basis sets 

only change by almost 0.05 kcal/mol. For O3 atomization energies computed with the cc‐pVnZ 

basis sets, the behavior is oscillatory. Using the cc‐pVnZ[rc] basis sets, the oscillatory behavior is 

not observed,  and  the behavior  resembles  that of CO2. Often,  as evidenced by  Figure 5.2,  a 

series of properties  calculated  at  the double‐  through quadruple‐ζ  levels  exhibits monotonic 

behavior respect to increasing basis set size. 

 

5.3.3 Kohn‐Sham Limits 

Table 5.6 lists extrapolated atomization energies for each molecule in Table 5.5 using 

 Figure 5.2  A comparison of the BLYP atomization energies computed with the original andrecontracted correlation consistent basis sets. 

93  

the  two‐  and  three‐point  approaches  described  earlier.  In  the  two‐point  scheme,  the  first 

extrapolation  is  performed  using  double‐  and  triple‐ζ  points,  (DT),  while  the  second 

extrapolation uses  the  triple‐ and quadruple‐ζ points,  (TQ).  In  the  three‐point scheme,  the 

first  extrapolation  uses  double‐  through  quadruple‐ζ  points,  (DTQ),  and  the  second  uses 

triple‐ through quintuple‐ζ points,  (TQ5). 

In general, KS limits should not be calculated for each extrapolation approach for all of 

the molecules  in  Table  5.6  because  of  the  non‐monotonic  convergence  of  the  atomization 

energies with  respect  to  increasing basis  set  size. Out of  the  20 molecules  represented,  the 

atomization  energies  of H2, N2, O2,  F2, CO, CO2, O3, CH4,  and  (H2O)2  cannot  be  extrapolated 

using  all  four  extrapolation  techniques  employed.  Typically,  if  non‐monotonic  behavior  is 

observed  in BLYP,  then  it  is  also observed  in B3LYP.  The obvious exceptions  to  this  trend  in 

Table  5.6  are  N2,  O2,  F2,  and  O3.  The  N2 molecule  is  unique  in  that  its  B3LYP  atomization 

energies can be extrapolated with all four extrapolation approaches, but those of BLYP cannot 

be extrapolated with all  four  schemes. The F2 molecule  is even more peculiar  since only  the 

BLYP  atomization  energies  employing  the  original  cc‐pVnZ  basis  sets  can  be  extrapolated. 

Recontraction affects the computed F2 atomization energy ies  such  that  the  extrapolations  of 

the BLYP  values  are  not  possible  beyond  (DT).  Further,  all B3LYP  computations  on  the  F2 

atomization energy cannot be extrapolated due to non‐monotonic behavior beyond the  (DT) 

scheme. 

The  largest  difference  between  the  original  and  recontracted  KS  limit  extrapolations 

occurs for the  (DT) scheme for most molecules studied. For O3, CH4, and NH3, the differences 

are  1.99,  1.57  and  1.26  kcal/mol  for  BLYP  and  1.54,  1.16,  and  1.02  kcal/mol  for  B3LYP, 

94  

respectively. This is expected since the largest impact on energetics due to recontraction occurs 

at the double‐ζ level. The largest molecule of this study, CH3OH, varies in  (DT) extrapolations 

of its computed atomization energy by 0.91 kcal/mol and 0.71 kcal/mol at the BLYP and B3LYP 

levels, respectively. In BLYP computations on Ne2, only the double‐ζ level atomization energy is 

affected by recontraction (cf. Table 5.5). Therefore, the Ne2 molecule experiences the smallest 

difference  between  the  cc‐pVnZ  and  cc‐pVnZ[rc]  basis  set  extrapolated  energies,  with 

differences ranging from 0.01 to 0.33 kcal/mol in magnitude. 

 

5.3.4 Basis Set Superposition Error 

As discussed, BSSE  can be  corrected using  the Boys‐Bernardi  counterpoise  correction. 

Table  5.7  and  Figure  5.3  demonstrate  how  counterpoise  corrections  can  be  important  in 

restoring monotonic behavior expected with  the correlation consistent basis  sets using BLYP. 

Recall from Table 5.6 that BLYP atomization energies of N2, F2, and O3 computed with cc‐pVnZ 

or cc‐pVnZ[rc] were not extrapolated due to non‐monotonic behavior except with the  (DT) 

scheme. Correcting each ζ‐level for BSSE  improves the behavior so that  it  is monotonic for N2 

with  both  the  original  and  recontracted  basis  sets  (cf.  Table  5.7).  For  F2,  employing  the 

counterpoise  correction  does  not  alleviate  the  non‐monotonic  behavior  in  the  recontracted 

basis set computations; it also does not affect any convergent behavior of the original basis set 

computations.  The  O3  computed  atomization  energies,  when  corrected  for  BSSE,  become 

monotonic only in the original basis set computations. Unfortunately, including a counterpoise 

correction  in  CO  computations  with  BLYP  does  not  result  in  monotonic  behavior.  Non‐

monotonic behavior, even after a counterpoise correction has been applied, is not surprising in 

95  

light of  the work of Wang et al.,152,156 who also  found  that  some  first  row molecules did not 

display monotonic behavior after accounting for BSSE (e.g. CO). 

Accounting for BSSE using the counterpoise correction lowers the atomization energy at 

the double‐ and triple‐ζ  levels for each of the five systems  in Figure 5.3. For F2, the difference 

between  the  BLYP/cc‐pVDZ[rc]  energy  and  the  cc‐pVDZ[rc]  energy  including  a  counterpoise 

correction  is almost 4.5 kcal/mol, while  in CO and O3 the difference  is almost 2.5 kcal/mol. At 

the  triple‐ζ  level,  F2  has  an  energy  difference  of  almost  2.0  kcal/mol  when  counterpoise‐

corrected; and at the quadruple‐ζ level, the difference is almost 1.0 kcal/mol. The N2 molecule 

displays  the  smallest  difference  between  the  cc‐pVnZ[rc]  atomization  energies  and  their 

respective counterpoise‐corrected values. 

 

5.3.5 Diffuse Functions 

The  impact of  including diffuse  functions  in BLYP and B3LYP  computations employing 

the cc‐pVnZ basis sets has been  investigated by Wang.156 Eight molecules  that do not display 

monotonic  behavior  with  either  the  original  or  recontracted  cc‐pVnZ  basis  sets  have  been 

reexamined after the addition of diffuse functions to the recontracted basis sets. The BLYP‐ and 

B3LYP‐computed  atomization  energies  of  H2,  N2,  O2,  F2,  CO,  CO2,  O3,  and  CH4  using  the 

aug‐cc‐pVnZ[rc] basis sets with and without a counterpoise correction for BSSE are included in 

Table 5.8 and are compared with aug‐cc‐pVnZ results. 

It  is  evident  that  the  inclusion  of  diffuse  functions  improves  the  convergence  of 

atomization energies as compared with the original cc‐pVnZ basis sets (cf. Table 5.6), which is in 

accord with  the conclusions of Wang.156 However,  including diffuse  functions  for each of  the 

96  

eight molecules of Table 5.8 does not completely alleviate non‐monotonic behavior as the basis 

set  size  increases. Specifically, O2, F2, and O3 with BLYP and B3LYP do not display monotonic 

behavior, nor does CH4 with BLYP when  the  aug‐cc‐pVnZ basis  sets  are utilized.  For each of 

these  systems with  the exception of F2,  the convergence problem  in both BLYP and B3LYP  is 

eliminated by using the aug‐cc‐pVnZ[rc] basis sets. Further employing a counterpoise correction 

to  the  F2 molecule alleviates non‐monotonic behavior.  It  is now  clear  that  simply employing 

diffuse  functions  does  not  correct  non‐monotonic  behavior  for  any  of  the  first  row  systems 

studied.  Rather,  recontraction,  in  addition,  to  diffuse  functions  and  a  correction  for  BSSE  is 

needed to achieve monotonic behavior with the correlation consistent basis sets.  

Figure 5.4 shows the atomization energies of H2, N2, F2, CO, CO2, and O3 computed with 

the augmented and recontracted basis sets  (a counterpoise correction  is added  to  the  latter) 

compared with the pc‐n basis sets. The pc‐n data is from Wang,156 which does not include O2 or 

CH4. Examining  the plots,  it  is evident  that  the  three different basis  set  families converge on 

similar KS limits. The molecule F2 stands out in that it is the system in which the pc‐n basis sets 

display  erratic  behavior,  while  the  correlation  consistent  basis  sets  result  in  monotonic 

convergence with respect to increasing basis set size. 

 

5.4 Conclusions 

Fine‐tuning  the  cc‐pVnZ  basis  sets  for  DFT  through  optimization  of  the  contraction 

coefficients  for BLYP and B3LYP has  lead  to a  revised  family of cc‐pVnZ basis  sets, which are 

referred  to  as  cc‐pVnZ[rc]  basis  sets.  For  atomic  energies,  the  most  significant  impact  of 

recontraction occurs at the double‐ζ  level and, overall,  is on the order of several mEh for each 

97  

first  row  atom  and  increases  as  the  atom  size  increases.  Atomic  ionization  potentials  and 

electron affinities are also affected most at  the double‐ζ  level with recontraction of  the basis 

sets.  Several  small  first  row  molecules  have  been  used  in  the  benchmarking  of  these 

recontracted basis sets and show  that  the double‐ and  triple‐ζ  level  ionization potentials and 

atomization  energies  are most  affected  (with  and  without  a  correction  for  BSSE).  Overall, 

optimized bond lengths are not affected by recontraction by more than 0.01 Å at any ζ‐level. 

When  non‐monotonic  behavior  is  observed  in  computed  atomization  energies, 

recontraction  alone  does  not  provide  a  means  to  restoring  monotonic  behavior  when 

employing the cc‐pVnZ basis sets. Previous studies have shown that both the contraction of the 

cc‐pVnZ basis  sets and BSSE effects can affect  the convergence of computed properties with 

increasing basis set size. When a counterpoise correction is applied to the original cc‐pVnZ basis 

sets,  for  example,  it  has  been  shown  to  give monotonic  behavior  in  some molecules where 

computational atomization energies converge non‐monotonically with increasing basis set size. 

Applying the Boys‐Bernardi counterpoise correction to the cc‐pVnZ[rc] basis sets can result  in 

monotonic  behavior  for  some  molecules  that  do  not  converge  monotonically  when  the 

standard correlation consistent basis sets are used.  

In  comparing  the  counterpoise  corrected  aug‐cc‐pVnZ[rc]  basis  sets  to  the  pc‐n  basis 

sets,  the  recontracted  sets exhibit monotonic behavior  for  some molecular properties where 

the pc‐n sets do not (i.e. the atomization energy of F2). In general, the recontracted basis sets 

perform as well as the pc‐n sets for the molecules  investigated, despite the fact that the pc‐n 

primitive basis functions are explicitly optimized for DFT, while only the contraction coefficients 

of the cc‐pVnZ[rc] set have been optimized for DFT. 

98  

Employing the Boys‐Bernardi counterpoise correction with these recontracted basis sets 

can  correct  non‐monotonic  behavior  in  energetic  properties  at  the  double‐,  triple‐,  and 

quadruple‐ζ  levels. When  a  counterpoise  correction  on  the  cc‐pVnZ[rc]  basis  sets  does  not 

alleviate  non‐monotonic  behavior,  the  addition  of  diffuse  functions  acts  to  correct  non‐

convergent behavior in most systems of this study. However, it is necessary to also include the 

Boys‐Bernardi  scheme  with  the  aug‐cc‐pVnZ[rc]  basis  sets  in  the  case  of  F2  to  achieve 

monotonic  behavior with  BLYP  and  B3LYP  atomization  energies.  Thus,  all  three  corrections: 

recontracting the basis sets, adding diffuse functions, and including the counterpoise correction 

can  alleviate  non‐monotonic  behavior  in  the  molecules  of  this  study.  Further,  it  is 

recommended that the cc‐pVnZ[rc] basis sets be used in BLYP and B3LYP computations due to 

their smaller size as compared with the pc‐n basis sets. 

99  

 

 

  Figure 5.3  A  comparison  of  BLYP  atomization  energies  computed  with  the  original  and recontracted  correlation  consistent basis  sets, and  the  recontracted basis  sets with basis  set superposition error (BSSE) removed. 

100  

 

Figure 5.4  A  comparison  of  BLYP  atomization  energies  computed  with  the  pc‐n, aug‐cc‐pVnZ, and aug‐cc‐pVnZ[rc] basis sets with basis set superposition error (BSSE) removed. 

101  

Table 5.1  A comparison of  the BLYP and B3LYP  total energies  (Eh) of  the  first  row atoms (including hydrogen) computed with the original and recontracted cc‐pVnZ basis sets; relative differences to the original basis sets are shown in mEh under [rc]. 

    BLYP B3LYP 

Atom  ζ  cc‐pVnZ  [rc] [B3LYP]b cc‐pVnZ [rc]  [BLYP]b

Ha  D  ‐0.496403  ‐0.405 0.026 ‐0.501258 ‐0.228  0.027(1S)  T  ‐0.497555  ‐0.002 ‐‐‐ ‐0.502156 ‐0.001  ‐‐‐  Q  ‐0.497781  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐0.502346 ‐‐‐  ‐‐‐  5  ‐0.497889  ‐0.001 ‐‐‐ ‐0.502428 ‐‐‐  ‐‐‐B  D  ‐24.647768  ‐2.438 0.104 ‐24.660873 ‐1.552  0.123(2P)  T  ‐24.651259  ‐1.063 0.062 ‐24.663759 ‐0.627  0.062  Q  ‐24.652475  ‐0.950 0.042 ‐24.664792 ‐0.590  0.043  5  ‐24.653437  ‐0.215 0.009 ‐24.665439 ‐0.130  0.008Ca  D  ‐37.837837  ‐3.160 0.139 ‐37.851975 ‐2.015  0.151(3P)  T  ‐37.845501  ‐1.060 0.060 ‐37.858575 ‐0.627  0.062  Q  ‐37.847806  ‐0.946 0.040 ‐37.860592 ‐0.594  0.041  5  ‐37.849077  ‐0.241 0.010 ‐37.861508 ‐0.148  0.010Na  D  ‐54.572571  ‐4.203 0.190 ‐54.589136 ‐2.686  0.189(4S)  T  ‐54.586935  ‐1.080 0.061 ‐54.601781 ‐0.642  0.062  Q  ‐54.590896  ‐0.953 0.039 ‐54.605328 ‐0.604  0.040  5  ‐54.592689  ‐0.267 0.011 ‐54.606704 ‐0.165  0.011Oa  D  ‐75.054526  ‐4.838 0.475 ‐75.068499 ‐3.034  ‐0.030(3P)  T  ‐75.080286  ‐1.097 0.071 ‐75.091864 ‐0.653  0.052  Q  ‐75.087251  ‐0.954 0.043 ‐75.098201 ‐0.607  0.034  5  ‐75.090069  ‐0.306 0.012 ‐75.100485 ‐0.191  0.013Fa  D  ‐99.713359  ‐5.718 0.707 ‐99.726602 ‐3.536  ‐0.178(2P)  T  ‐99.752932  ‐1.145 0.082 ‐99.762867 ‐0.685  0.044  Q  ‐99.763470  ‐0.981 0.046 ‐99.772527 ‐0.625  0.032  5  ‐99.767416  ‐0.324 0.013 ‐99.775818 ‐0.203  0.014

Ne  D  ‐128.894856  ‐7.285 0.322 ‐128.909463 ‐4.626  0.324(1S)  T  ‐128.951679  ‐1.226 0.065 ‐128.961856 ‐0.748  0.065  Q  ‐128.966632  ‐0.998 0.041 ‐128.975665 ‐0.636  0.041  5  ‐128.972023  ‐0.346 0.015 ‐128.980262 ‐0.217  0.015

a. The original cc‐pVnZ energies come from Wang, X., The Performance of Density Functionals with Respect to the Correlation Consistent Basis Sets. Ph.D. thesis, University of North Texas (2004). 

b. The recontracted set employed was optimized for the bracketed density functional, and the differences are relative to the [rc] values. 

102  

Table 5.2  A comparison of the BLYP and B3LYP ionization potentials and electron affinities (eV) of the first row atoms (including hydrogen) computed with the original and recontracted cc‐pVnZ basis sets; relative differences to the original basis sets are shown under [rc]. 

    BLYP B3LYP 

Atom  ζ  IP  IP[rc] EAa EA[rc]a IP IP[rc] EAa  EA[rc]a

H  D  13.51  0.01  0.82 0.01 13.64 0.01 0.89  0.01  T  13.54  ‐‐‐  0.84 ‐‐‐ 13.66 ‐‐‐ 0.91  ‐‐‐

B  D  8.64  ‐0.03 0.42 ‐‐‐ 8.76 ‐0.03 0.45  ‐‐‐  T  8.62  ‐‐‐  0.43 ‐‐‐ 8.74 ‐‐‐ 0.46  ‐‐‐

C  D  11.36  ‐0.01 1.34 ‐‐‐ 11.52 ‐0.01 1.37  ‐‐‐  T  11.38  ‐‐‐  1.37 ‐0.02 11.53 ‐‐‐ 1.37  ‐‐‐

N  D  14.37  0.02  0.29 0.02 14.57 0.01 0.17  0.02  T  14.46  ‐‐‐  0.34 ‐‐‐ 14.64 ‐‐‐ 0.21  ‐‐‐

O  D  13.84  0.06  1.80 0.02 13.92 0.04 1.68  0.01  T  14.07  ‐‐‐  1.81 ‐‐‐ 14.09 ‐‐‐ 1.68  ‐‐‐

F  D  17.30  0.07  3.69 0.02 17.44 0.05 3.56  0.02  T  17.60  ‐‐‐  3.67 ‐‐‐ 17.66 ‐‐‐ 3.53  ‐‐‐

Ne  D  21.13  0.13  ‐6.73 ‐‐‐ 21.32 0.09 ‐6.72  ‐‐‐  T  21.53  ‐‐‐  ‐5.67 ‐‐‐ 21.62 ‐‐‐ ‐5.65  ‐‐‐

a. Diffuse functions from the aug‐cc‐pVnZ basis sets have been included in these calculations. 

103  

Table 5.3  A  comparison of  the BLYP  and B3LYP  total energies  (Eh),  ionization potentials, and  electron  affinities  (eV)  of  the  first  row  dimers  (including  hydrogen)  computed with  the original and recontracted cc‐pVnZ basis sets; relative differences to the original basis sets are shown in mEh (total energies) and eV under [rc]. 

Method  Molecule  ζ  Energy [rc] IP IP[rc] EAa  EA[rc]a

BLYP  H2  D  ‐1.161740 ‐3.704 16.33 0.03 ‐1.26  ‐0.01    T  ‐1.169568 ‐0.051 16.38 ‐‐‐ ‐1.10  ‐‐‐    Q  ‐1.170136 ‐‐‐ 16.39 ‐‐‐ ‐0.97  ‐‐‐    5  ‐1.170293 0.003 16.39 ‐‐‐ ‐0.59  ‐0.26  B2  D  ‐49.400390 ‐5.088 9.67 ‐0.01 1.76  ‐‐‐    T  ‐49.409266 ‐2.010 9.65 ‐‐‐ 1.77  ‐‐‐    Q  ‐49.411852 ‐1.763 9.66 ‐‐‐ 1.77  ‐‐‐    5  ‐49.413586 ‐0.427 9.66 ‐‐‐ 1.77  ‐‐‐  C2  D  ‐75.901894 ‐7.719 12.80 0.03 3.56  ‐0.01    T  ‐75.923863 ‐2.051 12.86 ‐‐‐ 3.49  ‐‐‐    Q  ‐75.929160 ‐1.795 12.87 ‐‐‐ 3.48  ‐‐‐    5  ‐75.931444 ‐0.499 12.87 ‐‐‐ 3.47  ‐‐‐  N2  D  ‐109.517908 ‐10.268 15.11 0.07 ‐1.93  ‐0.04    T  ‐109.555976 ‐2.276 15.31 ‐‐‐ ‐2.57  ‐0.01    Q  ‐109.565159 ‐1.869 15.34 ‐‐‐ ‐2.71  ‐0.01    5  ‐109.568630 ‐0.547 15.35 ‐‐‐ ‐3.00  ‐0.01  O2  D  ‐150.328040 ‐6.412 12.27 0.07 0.36  ‐0.01    T  ‐150.377180 ‐2.477 12.43 ‐‐‐ 0.01  ‐‐‐    Q  ‐150.391251 ‐1.915 12.48 ‐‐‐ ‐0.04  ‐‐‐    5  ‐150.396247 ‐0.629 12.50 ‐‐‐ ‐0.05  ‐‐‐  F2  D  ‐199.508997 ‐9.457 14.99 0.09 1.38  ‐0.05    T  ‐199.586196 ‐2.487 15.23 ‐‐‐ 0.81  ‐‐‐    Q  ‐199.606002 ‐1.923 15.29 ‐‐‐ 0.72  ‐‐‐    5  ‐199.612895 ‐0.626 15.32 ‐‐‐ 0.72  ‐‐‐  Ne2  D  ‐257.789685 ‐14.569 17.67 0.15 ‐4.02  ‐0.17    T  ‐257.903443 ‐2.453 18.28 ‐‐‐ ‐4.14  0.01    Q  ‐257.933299 ‐1.994 18.44 ‐‐‐ ‐3.63  ‐‐‐    5  ‐257.943896 ‐0.694 18.52 ‐‐‐ ‐2.63  ‐‐‐

B3LYP  H2  D  ‐1.173323 ‐2.596 16.65 ‐‐‐ ‐1.58  0.02    T  ‐1.179997 ‐0.040 16.67 ‐‐‐ ‐1.38  ‐‐‐    Q  ‐1.180536 ‐‐‐ 16.67 ‐‐‐ ‐1.25  ‐‐‐    5  ‐1.180689 0.002 16.67 ‐‐‐ ‐0.87  ‐0.26

(continued on next page)

104  

Table 5.3 (continued) 

Method  Molecule  ζ  Energy [rc] IP IP[rc] EAa  EA[rc]a

B3LYP  B2  D  ‐49.415388 ‐3.190 9.81 ‐0.01 1.45  ‐‐‐    T  ‐49.423119 ‐1.174 9.79 ‐‐‐ 1.45  ‐‐‐    Q  ‐49.425421 ‐1.098 9.79 ‐‐‐ 1.45  ‐‐‐    5  ‐49.426633 ‐0.261 9.79 ‐‐‐ 1.45  ‐‐‐  C2  D  ‐75.888709 ‐5.275 12.49 0.03 4.40  ‐0.01    T  ‐75.907630 ‐1.238 12.51 ‐‐‐ 4.37  ‐‐‐    Q  ‐75.912336 ‐1.125 12.51 ‐‐‐ 4.36  ‐‐‐    5  ‐75.914014 ‐0.312 12.51 ‐‐‐ 4.36  ‐‐‐  N2  D  ‐109.533243 ‐6.899 15.64 0.06 ‐1.66  ‐0.02    T  ‐109.568318 ‐1.403 15.79 ‐‐‐ ‐1.75  ‐‐‐    Q  ‐109.576828 ‐1.195 15.81 ‐‐‐ ‐1.43  ‐‐‐    5  ‐109.579654 ‐0.342 15.82 ‐‐‐ ‐1.16  ‐‐‐  O2  D  ‐150.334040 ‐3.601 12.88 0.05 0.47  ‐‐‐    T  ‐150.380947 ‐1.506 12.97 ‐‐‐ 0.15  ‐‐‐    Q  ‐150.394121 ‐1.218 13.00 ‐‐‐ 0.10  ‐‐‐    5  ‐150.398385 ‐0.391 13.01 ‐‐‐ 0.08  ‐‐‐  F2  D  ‐199.513377 ‐5.715 15.72 0.06 1.46  ‐0.02    T  ‐199.586223 ‐1.513 15.87 ‐‐‐ 0.94  ‐‐‐    Q  ‐199.604711 ‐1.212 15.89 ‐‐‐ 0.85  ‐‐‐    5  ‐199.610627 ‐0.386 15.91 ‐‐‐ 0.83  ‐‐‐  Ne2  D  ‐257.818924 ‐9.252 18.80 0.11 ‐4.36  ‐0.12    T  ‐257.923824 ‐1.496 19.29 ‐‐‐ ‐4.28  ‐‐‐    Q  ‐257.951405 ‐1.270 19.41 ‐‐‐ ‐3.86  ‐‐‐    5  ‐257.960467 ‐0.435 19.46 ‐‐‐ ‐3.33  ‐‐‐

a. Diffuse functions from the aug‐cc‐pVnZ basis sets have been included in these calculations. 

105  

Table 5.4  The BLYP and B3LYP optimized geometries  (Å and degrees) of several  first row molecules computed with  the original and  recontracted basis sets; relative differences  to  the original basis set are shown under [rc]. 

    BLYP B3LYP 

Molecule    ζ cc‐pVnZ [rc] cc‐pVnZ [rc] 

H2a  Re  D 0.767 ‐0.008 0.762 ‐0.006     T 0.747 ‐‐‐ 0.743 ‐‐‐ 

N2a  Re  D 1.117 ‐0.003 1.104 ‐0.003     T 1.103 ‐‐‐ 1.091 ‐‐‐ O2  Re  D 1.235 0.001 1.209 ‐‐‐     T 1.232 ‐‐‐ 1.206 ‐‐‐ 

F2a  Re  D 1.444 0.009 1.410 0.006     T 1.433 ‐‐‐ 1.398 ‐‐‐ 

Ne2  Re  D 2.534 0.011 2.532 0.008     T 2.822 ‐0.002 2.802 ‐0.001 

CH  Re  D 1.154 ‐0.005 1.142 ‐0.004     T 1.134 ‐‐‐ 1.124 ‐‐‐ 

NH  Re  D 1.068 ‐0.004 1.055 ‐0.003     T 1.052 ‐‐‐ 1.041 ‐‐‐ 

OH  Re  D 0.996 ‐0.003 0.984 ‐0.002     T 0.985 ‐‐‐ 0.975 ‐‐‐ 

HFa  Re  D 0.938 ‐0.003 0.927 ‐0.002     T 0.933 ‐‐‐ 0.923 ‐‐‐ 

CH2 (1A1) Re  D 1.139 ‐0.006 1.127 ‐0.004     T 1.120 ‐‐‐ 1.110 ‐‐‐   A  D 99.19 0.55 100.27 0.36     T 100.83 ‐0.01 101.62 ‐0.01 

CH2 (3B1) Re  D 1.098 ‐0.004 1.091 ‐0.003     T 1.083 ‐‐‐ 1.077 ‐‐‐   A  D 134.87 ‐0.19 134.40 ‐0.09     T 135.38 0.03 134.91 0.02 

COa  Re  D 1.147 ‐0.003 1.135 ‐0.002     T 1.138 ‐‐‐ 1.126 ‐‐‐ 

CO2a  Re  D 1.182 ‐0.002 1.167 ‐0.002 

    T 1.174 ‐‐‐ 1.160 ‐‐‐ 

(continued on next page)  

106  

Table 5.4 (continued) 

    BLYP B3LYP 

Molecule    ζ cc‐pVnZ [rc] cc‐pVnZ [rc] 

O3a  Re  D 1.295 0.003 1.260 0.001     T 1.292 ‐‐‐ 1.256 ‐‐‐   A  D 117.90 ‐0.03 117.95 0.01     T 118.00 ‐‐‐ 118.14 ‐‐‐ 

H2Oa  Re  D 0.980 ‐0.003 0.969 ‐0.002 

    T 0.972 ‐‐‐ 0.961 ‐‐‐   A  D 101.77 0.47 102.74 0.32     T 103.75 0.05 104.50 0.06 

NH3  Re  D 1.035 ‐0.004 1.025 ‐0.003     T 1.023 ‐‐‐ 1.014 ‐‐‐   AHNH  D 103.36 0.66 104.74 ‐0.37     T 105.79 ‐0.01 106.46 ‐‐‐ 

CH4  Re  D 1.107 ‐0.004 1.100 ‐0.003     T 1.094 ‐‐‐ 1.088 ‐‐‐ 

(H2O)2  Re(O…H)  D 2.149 ‐0.016 2.148 0.010 

Ci    T 2.254 0.001 2.245 0.001 (HF)2  Re(F

…H)  D 1.960 0.024 1.996 0.016 C2h    T 2.138 ‐0.002 2.154 ‐0.002 

CH3OHa  Re(OH)  D 0.979 ‐0.003 0.968 ‐0.002 

Cs    T 0.971 ‐‐‐ 0.961 ‐‐‐   A(COH)  D 106.79 0.12 107.49 0.07     T 107.77 0.02 108.51 ‐0.03 

a. The original cc‐pVnZ energies come from Wang, X., The Performance of Density Functionals with Respect to the Correlation Consistent Basis Sets. Ph.D. thesis, University of North Texas (2004). 

 

107  

Table 5.5  The  BLYP  and  B3LYP  atomization  energies  (kcal/mol)  of  several  first  row molecules computed with  the original and  recontracted basis sets; relative differences  to  the original basis set are shown under [rc]. 

    BLYP B3LYP

Molecule  ζ  ΣD0 [rc] ΣD0 [rc] 

H2a  D  100.17 1.57 101.11 1.19   T  103.27 0.03 103.93 0.02   Q  103.35 ‐0.01 104.03 ‐‐‐   5  103.31 ‐0.01 104.02 ‐‐‐ 

N2a  D  231.22 0.97 219.32 0.91   T  236.49 0.08 225.45 0.08   Q  237.27 ‐0.03 226.38 ‐0.01   5  237.19 0.01 226.43 ‐‐‐ O2  D  135.90 ‐2.02 121.32 ‐1.55   T  134.27 0.17 121.43 0.12   Q  134.28 ‐‐‐ 121.75 ‐‐‐   5  133.86 ‐‐‐ 121.57 ‐‐‐ 

F2a  D  50.67 ‐1.05 36.32 ‐0.90   T  49.21 0.12 36.54 0.10   Q  48.41 ‐0.03 36.04 ‐0.03   5  47.78 ‐0.02 35.63 ‐0.02 

Ne2  D  0.18 ‐0.03 0.21 ‐0.02   T  0.02 ‐‐‐ 0.05 0.01   Q  ‐0.09 ‐‐‐ ‐0.05 ‐0.01   5  ‐0.14 0.01 ‐0.14 0.01 

CH  D  78.69 0.75 78.45 0.61   T  81.32 ‐‐‐ 81.01 0.01   Q  81.69 ‐0.05 81.38 ‐0.02   5  81.77 ‐0.01 81.48 ‐0.01 

NH  D  80.27 0.93 78.77 0.78   T  84.10 0.03 82.50 0.02   Q  84.82 ‐0.03 83.16 ‐0.02   5  85.09 ‐0.01 83.41 ‐0.01 

OH  D  97.92 1.03 96.58 0.83   T  103.02 0.04 101.46 0.03   Q  104.18 ‐0.01 102.49 ‐‐‐ 

(continued on next page)

108  

Table 5.5 (continued) 

    BLYP B3LYP

Molecule  Ζ  ΣD0 [rc] ΣD0 [rc] 

OH  5  104.66 ‐0.01 102.90 ‐0.01 HFa  D  126.08 0.89 124.58 0.71   T  133.07 0.06 131.30 0.03   Q  134.74 ‐0.01 132.78 ‐0.01   5  135.43 ‐0.01 133.37 ‐0.02 

CH2 (1A1)  D  164.23 1.81 164.93 1.43   T  169.31 0.02 169.77 0.03   Q  169.94 ‐0.08 170.40 ‐0.04   5  170.06 ‐0.01 170.56 ‐0.01 

CH2 (3B1)  D  174.81 1.68 176.85 1.29   T  179.36 0.01 181.15 0.03   Q  179.75 ‐0.08 181.55 ‐0.05   5  179.75 ‐0.01 181.60 ‐0.01 

COa  D  256.35 0.89 248.42 0.81   T  259.25 0.11 252.12 0.08   Q  259.76 ‐0.06 252.84 ‐0.03   5  259.26 0.01 252.56 ‐‐‐ 

CO2a  D  390.46 0.68 375.18 0.70 

  T  394.00 0.23 380.63 0.16   Q  394.46 ‐0.17 381.49 ‐0.10   5  393.52 ‐0.01 380.95 ‐‐‐ 

O3a  D  168.32 ‐3.59 133.76 ‐2.81   T  166.96 0.33 135.68 0.24   Q  167.28 ‐‐‐ 136.58 0.02   5  166.79 0.03 136.45 0.03 

H2Oa  D  207.84 1.98 206.14 1.60 

  T  216.81 0.07 214.85 0.05   Q  218.91 ‐0.01 216.78 ‐‐‐   5  219.81 0.01 217.57 0.01 

NH3  D  268.97 3.26 268.01 2.66   T  278.74 0.08 277.50 0.08   Q  280.45 ‐0.07 279.12 ‐0.04   5  281.14 ‐‐‐ 279.78 ‐0.01 

(continued on next page)

109  

Table 5.5 (continued) 

    BLYP B3LYP

Molecule  Ζ  ΣD0 [rc] ΣD0 [rc] 

CH4  D  382.05 3.91 385.76 2.98   T  389.98 0.05 393.10 0.07   Q  390.19 ‐0.13 393.41 ‐0.08   5  389.96 ‐0.02 393.34 ‐0.01 

(H2O)2  D  ‐18.39 ‐0.31 ‐20.23 ‐0.15   T  ‐22.08 0.04 ‐23.22 0.04   Q  ‐22.69 ‐0.04 ‐24.30 ‐‐‐   5  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ 

(HF)2  D  ‐2.45 ‐0.44 ‐4.11 ‐0.25   T  ‐7.13 0.02 ‐7.91 0.01   Q  ‐8.63 ‐0.03 ‐9.12 ‐0.02   5  ‐9.59 ‐‐‐ ‐9.84 ‐‐‐ 

CH3OHa  D  469.32 2.54 468.45 2.02 

  T  478.88 0.17 478.25 0.14   Q  480.34 ‐0.15 479.76 ‐0.10   5  480.40 0.01 480.00 ‐‐‐ 

a. The original cc‐pVnZ energies come from Wang, X., The Performance of Density Functionals with Respect to the Correlation Consistent Basis Sets. Ph.D. thesis, University of North Texas (2004). 

 

110  

Table 5.6  Two‐  and  three‐point  extrapolated  BLYP  and  B3LYP  Kohn‐Sham  limits  of atomization energies  (kcal/mol) computed with the original and recontracted basis sets. Non‐monotonic behavior is denoted by ‘‐‐‐’. 

    BLYP B3LYP  

Molecule  Extrapolation ΣD0 [rc] ΣD0 [rc] 

H2  P∞(DT) 104.62 103.95 105.11a 104.65   P∞(TQ) 103.38 103.36 104.11a 104.06   P∞(DTQ) 103.35 103.34 104.03 104.03   P∞(TQ5) ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ N2  P∞(DT) 238.71 238.41 228.04a 227.76   P∞(TQ) 237.59 237.52 227.05a 226.72   P∞(DTQ) 237.40 237.36 226.54a 226.52   P∞(TQ5) ‐‐‐ ‐‐‐ 226.43 226.44 O2  P∞(DT) 133.58 134.68 121.48 122.30   P∞(TQ) 134.28 134.21 121.89 121.84   P∞(DTQ) ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ 121.78   P∞(TQ5) ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ F2  P∞(DT) 48.61 49.21 36.64a 37.15   P∞(TQ) 48.07 47.98 35.82 35.74   P∞(DTQ) 47.37 ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐   P∞(TQ5) 45.42 ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ 

Ne2  P∞(DT) ‐0.05 ‐0.03 ‐0.01 0.00   P∞(TQ) ‐0.13 ‐0.13 ‐0.10 ‐0.10   P∞(DTQ) ‐0.28 ‐0.61 ‐0.32 ‐0.55   P∞(TQ5) ‐0.18 ‐0.17 ‐0.49 ‐0.28 

CH  P∞(DT) 82.43 82.11 82.09 81.85   P∞(TQ) 81.85 81.78 81.54 81.50   P∞(DTQ) 81.75 81.71 81.44 81.42   P∞(TQ5) 81.79 81.82 81.51 81.54 

NH  P∞(DT) 85.72 85.36 84.07 83.77   P∞(TQ) 85.13 85.07 83.44 83.41   P∞(DTQ) 84.99 84.99 83.31 83.31   P∞(TQ5) 85.25 85.30 83.55 83.58 

OH  P∞(DT) 105.17 104.79 103.51 103.2   P∞(TQ) 104.67 104.64 102.93 102.91   P∞(DTQ) 104.53 104.58 102.77 102.81 

(continued on next page)

111  

Table 5.6 (continued) 

    BLYP B3LYP  

Molecule  Extrapolation ΣD0 [rc] ΣD0 [rc] 

OH  P∞(TQ5) 104.99 105.02 103.15 103.17 HF  P∞(DT) 136.07 135.71 134.13a 133.87   P∞(TQ) 135.45 135.40 133.86a 133.37   P∞(DTQ) 135.25 135.29 133.20a 133.22   P∞(TQ5) 135.91 135.94 133.72 133.73 

CH2 (1A1)  P∞(DT) 171.45 170.71 171.81 171.25   P∞(TQ) 170.21 170.09 170.67 170.59   P∞(DTQ) 170.03 169.97 170.50 170.46   P∞(TQ5) 170.09 170.15 170.61 170.66 

CH2 (3B1)  P∞(DT) 181.27 180.59 182.96 182.46 

  P∞(TQ) 179.92 179.79 181.71 181.63   P∞(DTQ) 179.79 179.70 181.59 181.54   P∞(TQ5) 179.75 179.77 181.60 181.63 

CO  P∞(DT) 260.49 260.25 253.68a 253.44   P∞(TQ) 259.98 259.84 253.37a 253.07   P∞(DTQ) 259.87 259.76 253.02 252.97   P∞(TQ5) ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ 

CO2  P∞(DT) 395.52 395.53 382.93a 382.86   P∞(TQ) 394.65 394.32 382.11a 381.64   P∞(DTQ) 394.53 394.29 381.64 381.47   P∞(TQ5) ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ O3  P∞(DT) 166.38 168.37 136.48a 138.01   P∞(TQ) 167.46 167.28 137.24a 136.88   P∞(DTQ) ‐‐‐ ‐‐‐ 137.53 136.70   P∞(TQ5) ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ 

H2O  P∞(DT) 220.65 219.85 218.52a 217.92   P∞(TQ) 219.82 219.75 218.19a 217.57   P∞(DTQ) 219.57 219.71 217.33a 217.44   P∞(TQ5) 220.50 220.58 218.13 218.17 

NH3  P∞(DT) 282.86 281.60 281.50 280.48   P∞(TQ) 281.17 281.04 279.79 279.71   P∞(DTQ) 280.81 280.86 279.44 279.49   P∞(TQ5) 281.62 281.85 280.24 280.38 

(continued on next page)

112  

Table 5.6 (continued) 

    BLYP B3LYP  

Molecule  Extrapolation ΣD0 [rc] ΣD0 [rc] 

CH4  P∞(DT) 393.32 391.75 396.20 395.04   P∞(TQ) 390.28 390.07 393.54 393.40   P∞(DTQ) 390.20 390.06 393.43 393.34   P∞(TQ5) ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ 

(H2O)2  P∞(DT) ‐9.10 ‐8.88 ‐24.47 ‐24.36   P∞(TQ) ‐9.26 ‐9.31 ‐24.76 ‐24.77   P∞(DTQ) ‐9.33 ‐9.56 ‐24.92 ‐25.04   P∞(TQ5) ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ 

(HF)2  P∞(DT) ‐9.10 ‐8.88 ‐9.51 ‐9.39   P∞(TQ) ‐9.26 ‐9.31 ‐9.63 ‐9.66   P∞(DTQ) ‐9.33 ‐9.56 ‐9.68 ‐9.81   P∞(TQ5) ‐11.34 ‐11.00 ‐10.88 ‐10.72 

CH3OH  P∞(DT) 483.01 482.08 482.48a 481.73   P∞(TQ) 480.98 480.67 480.96a 480.20   P∞(DTQ) 480.62 480.40 480.13a 479.90   P∞(TQ5) 480.43 480.46 480.06 480.12 

a. The original cc‐pVnZ energies come from Wang, X., The Performance of Density Functionals with Respect to the Correlation Consistent Basis Sets. Ph.D. thesis, University of North Texas (2004). 

 

113  

Table 5.7  The  BLYP  and  B3LYP  atomization  energies  (kcal/mol)  and  their  extrapolated Kohn‐Sham limits of four molecules corrected for basis set superposition error (BSSE). 

  cc‐pVnZ cc‐pVnZ[rc] 

Molecule  ζ / P∞ ΣD0 − BSSE ΣD0 − BSSE 

N2a  D 229.69 230.65  T 236.11 235.97  Q 236.94 236.98  5 237.10 237.12  P∞(DT) 238.95 238.21  P∞(TQ) 237.27 237.72  P∞(DTQ) 236.75 237.22  P∞(TQ5) 237.28 237.15F2  D 45.07 44.98  T 47.53 47.63  Q 47.64 47.73  5 47.69 47.69  P∞(DT) 48.57 48.75  P∞(TQ) 47.71 47.80  P∞(DTQ) 47.64 47.73  P∞(TQ5) 47.74 ‐‐‐

COa  D 253.69 254.74  T 258.44 258.06  Q 259.22 259.49  5 259.14 259.37  P∞(DT) 260.44 259.46  P∞(TQ) 259.79 260.53  P∞(DTQ) 259.37 260.57  P∞(TQ5) ‐‐‐ ‐‐‐O3  D 163.57 162.37  T 165.45 166.96  Q 166.03 167.27  5 166.31 167.07  P∞(DT) 166.24 168.89  P∞(TQ) 166.46 167.50  P∞(DTQ) 166.29 167.29  P∞(TQ5) 166.56 ‐‐‐

a. The original cc‐pVnZ energies come from Wang, X., The Performance of Density Functionals with Respect to the Correlation Consistent Basis Sets. Ph.D. thesis, University of North Texas (2004).

114  

Table 5.8  A  comparison  of  BLYP  and  B3LYP  atomization  energies  (kcal/mol)  and  their extrapolated  Kohn‐Sham  values  using  the  aug‐cc‐pVnZ,  aug‐cc‐pVnZ[rc],  and  aug‐cc‐pVnZ[rc] basis sets corrected for basis set superposition error (BSSE). 

    BLYP B3LYP 

Molecule  ζ / P∞  ΣD0  [rc] [rc]‐BSSE ΣD0 [rc]  [rc]‐BSSE

H2a  D  99.86  101.44 101.43 100.90 102.08  102.08  T  103.08  103.10 103.09 103.82 103.83  103.83  Q  103.25  103.25 103.24 103.98 103.98  103.97  5  103.29  103.28 103.28 104.01 104.01  104.01  P∞(DT)  104.44  103.79 103.79 105.05 104.57  104.57  P∞(TQ)  103.37  103.35 103.35 104.10 104.08  104.08  P∞(DTQ)  103.26  103.26 103.26 103.99 103.99  103.99  P∞(TQ5)  103.30  103.29 103.29 104.02 104.02  104.02

N2a  D  230.53  231.68 231.28 219.36 220.41  219.95  T  236.25  236.21 236.09 225.42 225.42  225.28  Q  237.33  237.26 237.22 226.52 226.47  226.43  5  237.38  237.37 237.37 226.60 226.59  226.59  P∞(DT)  238.66  238.12 238.12 227.97 227.53  227.53  P∞(TQ)  238.12  238.02 238.04 227.32 227.24  227.27  P∞(DTQ)  237.58  237.57 237.57 226.76 226.75  226.75  P∞(TQ5)  237.38  237.39 237.39 226.61 226.61  226.61O2  D  133.13  131.88 131.08 120.29 119.34  118.45  T  133.12  133.23 133.05 120.82 120.91  120.70  Q  133.93  133.90 133.85 121.66 121.65  121.58  5  133.97  133.96 133.95 121.72 121.71  121.70  P∞(DT)  133.11  133.80 133.88 121.05 121.56  121.65  P∞(TQ)  134.52  134.39 134.44 122.27 122.19  122.23  P∞(DTQ)  ‐‐‐  134.58 134.40 ‐‐‐ 122.31  122.15  P∞(TQ5)  ‐‐‐  133.97 133.97 ‐‐‐ 121.72  121.72

F2a  D  46.70  46.14 45.55 33.94 33.43  32.79  T  47.68  47.76 47.60 35.59 35.66  35.47  Q  47.77  47.72 47.67 35.68 35.63  35.59  5  47.77  47.73 47.72 35.68 35.66  35.66  P∞(DT)  48.09  48.45 48.46 36.28 36.60  36.60  P∞(TQ)  47.84  47.69 47.72 35.75 35.61  35.67  P∞(DTQ)  47.78  ‐‐‐ 47.67 35.69 ‐‐‐  35.59

(continued on next page)

115  

Table 5.8 (continued) 

    BLYP B3LYP 

Molecule  ζ / P∞  ΣD0  [rc] [rc]‐BSSE ΣD0 [rc]  [rc]‐BSSE

F2a  P∞(TQ5)  ‐‐‐  ‐‐‐ 47.86 ‐‐‐ ‐‐‐  35.79

COa  D  254.29  254.73 254.22 247.20 247.65  247.09  T  258.66  258.06 257.91 251.36 251.37  251.20  Q  259.16  259.09 259.04 252.47 252.43  252.37  5  259.19  259.18 259.17 252.53 252.52  252.51  P∞(DT)  260.50  259.47 259.46 253.11 252.93  252.93  P∞(TQ)  259.52  259.84 259.87 253.28 253.20  253.23  P∞(DTQ)  259.22  259.54 259.54 252.87 252.85  252.85  P∞(TQ5)  259.19  259.19 259.19 252.53 252.53  252.53

CO2a  D  386.01  386.41 385.57 372.82 373.28  372.30

  T  392.31  391.75 391.43 379.21 379.25  378.85  Q  393.38  393.17 393.10 380.85 380.72  380.59  5  393.32  393.28 393.27 380.86 380.83  380.82  P∞(DT)  394.96  393.99 393.90 381.90 381.76  381.61  P∞(TQ)  394.16  394.21 394.32 382.05 381.79  381.87  P∞(DTQ)  393.60  393.69 393.77 381.42 381.20  381.23  P∞(TQ5)  ‐‐‐  393.29 393.28 380.86 380.84  380.86

O3a  D  165.88  163.72 162.76 134.41 132.79  131.66  T  165.82  166.01 165.76 135.39 135.54  135.24  Q  166.98  166.93 166.82 136.67 136.65  136.57  5  166.98  166.99 166.95 136.70 136.71  136.71  P∞(DT)  165.79  166.97 167.02 135.80 136.69  136.76  P∞(TQ)  167.83  167.60 167.60 137.60 137.46  137.54  P∞(DTQ)  ‐‐‐  167.55 167.41 ‐‐‐ 137.40  137.35  P∞(TQ5)  ‐‐‐  166.99 166.97 ‐‐‐ 136.72  136.73

CH4  D  382.41  384.75 384.22 386.06 387.97  387.40  T  389.85  389.23 389.11 392.67 392.68  392.56  Q  389.91  389.72 389.67 393.26 393.14  393.09  5  389.91  389.86 389.85 393.32 393.29  393.28  P∞(DT)  392.99  391.12 391.17 395.45 394.66  394.73  P∞(TQ)  392.99  390.07 390.07 393.69 393.48  393.49  P∞(DTQ)  389.95  389.78 389.74 393.32 393.19  393.16  P∞(TQ5)  ‐‐‐  389.93 389.94 393.32 393.36  393.37

a. The original cc‐pVnZ energies come from Wang, X., The Performance of Density Functionals with Respect to the Correlation Consistent Basis Sets. Ph.D. thesis, University of North Texas (2004).

116  

CHAPTER 6 

THE DEVELOPMENT OF S‐BLOCK CORRELATION CONSISTENT BASIS SETS† 

6.1 Introduction 

In correlated ab  initio methodology, achieving the exact solution to the non‐relativistic 

Schrödinger  equation  requires  two  criteria:  1)  a  complete  N‐electron  treatment  and  2)  a 

complete  (infinite)  basis  set.7,18  The  former  can  be  achieved  through  a  full  configuration 

interaction  (FCI)  treatment, which  is  rarely  applicable  to  any  but  the  smallest  of  electronic 

systems (i.e. less than ten electrons). Even in small systems where FCI can be applied, the use of 

modest‐sized basis  sets  is a  limiting  factor  in achieving  the exact  solution of  the Schrödinger 

equation since FCI scales factorially  in basis set size. Further, the use of an  infinite basis set  is 

computationally infeasible. In a practical sense, the N‐electron treatment and basis set must be 

chosen considering both the desired level of accuracy and the computational feasibility. 

As  already  discussed  in  Chapter  2,  the  use  of  an  infinite  basis  set  is  desirable  but 

infeasible,  and  the  best  method  of  approximating  the  exact  solution  to  the  Schrödinger 

equation would be to select as  large a basis set as possible. However, this quickly  limits both 

the system size and the N‐electron treatment that can be employed. The correlation consistent, 

polarized valance basis sets (cc‐pVnZ)81‐109 were specifically designed so that ab initio methods 

recover correlation energy more quickly  than other basis sets  (e.g. basis sets developed with 

Hartree‐Fock).  Further,  the  correlation  consistent  basis  sets  offer  a way  to  circumvent  the 

                                                       † Work reported in this chapter was performed in collaboration with Kirk A. Peterson, David E. Woon, and Thom H. Dunning, Jr. 

117  

infeasibility  of  infinite  basis  sets  by  systematically  approaching  the  complete  basis  set  (CBS) 

limit as the ζ‐level, or cardinal number, increases.  

Correlation  consistent  basis  sets  have  been  developed  for much  of  the main  group, 

including all‐electron basis sets for the first three rows and pseudopotential basis sets for the 

fourth and  fifth  rows.81‐109 Further, correlation consistent basis sets have been developed  for 

the  3d  and  4d  transition metals, while  development  of  basis  sets  for  the  heavier  transition 

metals  continues.  There  are  several  families  of  correlation  consistent  basis  sets  beyond  the 

standard valence  sets,  including  the  tight d basis  sets  for  inner valence correlation  in  second 

row, main group atoms [cc‐pV(n+d)Z];101 the augmented basis sets for  long range  interactions 

[aug‐cc‐pVnZ];95,99,100 the core‐valence basis sets for sub‐valence correlation energy [cc‐pCVnZ 

and  cc‐pwCVnZ];81,98,103  and  the Douglas‐Kroll  (DK)  basis  sets  for  accurate  recovery  of  scalar 

relativistic energy  [cc‐pVnZ‐DK].142  Finally,  there has been  recent development of  correlation 

consistent basis sets for resolution of the identity (RI) and explicitly correlated methods.104,181  

Correlation consistent basis sets for Li, Be, Na, and Mg93 have been available for some 

time via the extensible Basis Set Exchange.182,183 However, only unpublished basis sets through 

quadruple‐ζ quality have ever been available. Further, no tight d basis sets are available through 

the Basis  Set Exchange  for  the Na and Mg atoms. The goal of  this  chapter  is  to present  the 

correlation consistent basis sets  for Li, Be, Na, and Mg, while at  the same  time  revisiting  the 

construction of  their polarization  functions  (d,  f, g, and h) using  the robust Broyden‐Fletcher‐

Goldfarb‐Shanno (BFGS)184 numerical optimization technique. The preexisting Hartree‐Fock (HF) 

sp basis sets are  left  intact, and sp sets for the quintuple‐ζ  level are presented. The new basis 

sets  formed  from  the  BFGS‐optimized  polarization  functions  have  already  found  a  niche  in 

118  

benchmarking  the correlation consistent Composite Approach  (ccCA)73‐77 and studying  the ab 

initio potential energy surfaces of BeOH and MgOH.185,186 The first half of this chapter discusses 

the  details  of  building  the  different  families  of  correlation  consistent  basis  sets  for  s‐block 

atoms,  while  the  second  half  focuses  on  various  benchmark  calculations  of  atomic  and 

molecular properties utilizing  these new basis  sets.  In particular, double‐  through quintuple‐ζ 

basis  sets are presented  for  standard  valence,  tight d  valence  (for Na and Mg only), diffuse, 

core‐valence, and DK scalar relativistic computations. 

 

6.2 Computational Methodology 

The construction of correlation consistent basis sets follows that of previous work. First, 

a  set  of HF  atomic  orbitals  are  developed,  then  shells  of  correlation  consistent  polarization 

functions are developed. The development of  the HF basis sets  for Li, Be, Na, and Mg differs 

from that of the main group atoms in that there are no filled valence p orbitals. However, the 

inclusion of optimized p orbitals in the valence space is paramount to accurately describing the 

bonding environments of  these atoms  in molecules. The valence p  functions were optimized 

using the excited states of the atoms (  for Li, Na and   for Be, Mg) in multi‐configuration 

self‐consistent  field  (MCSCF)  calculations.  The  HF  basis  set  was  then  contracted  using  the 

general contraction scheme (see Chapter 3). The distinguishing characteristic of the Li, Be, Na, 

and Mg basis sets, compared with those of the main group atoms, is the contracted valence p 

function  is unoccupied  in the ground state. The number and type of primitive and contracted 

basis functions used for Li, Be, Na, and Mg are listed in Table 6.1. 

119  

The polarization functions (d, f, g, and h) are optimized for the atoms using singles and 

doubles configuration  interaction (CISD). A challenge  in developing polarization functions with 

CISD for Li and Na is the one electron valence space, since no correlation energy is recovered in 

valence CISD with only one electron. To  circumvent  the one electron valence,  the  Li and Na 

atom polarization functions were optimized  in Li2 and Na2 CISD calculations, analogous to the 

way the hydrogen basis sets were originally developed.94 The polarization functions of Be and 

Mg were optimized  correlating only  the  two  valence electrons. The polarization  functions of 

each  angular  quantum  number were  optimized  using  the  even‐tempered  expansion  scheme 

(3.1).  The  polarization  functions  are  grouped  together  in  shells,  where  each  function 

contributes a similar amount of correlation energy (cf. Figure 6.1). 

Diffuse functions have been developed to augment the new correlation consistent basis 

sets for Li, Be, Na, and Mg. Following the prescription established  in developing basis sets for 

main group atoms, a single diffuse function has been added for each angular momentum group 

in  the valence basis  set. For example, a  set of  ( 1s 1p 1d  ) diffuse  functions  is added  to  the 

Table 6.1  The composition of the correlation consistent basis sets for s‐block atoms. 

Atom  cc‐pVDZ  cc‐pVTZ  cc‐pVQZ  cc‐pV5Z 

Li (9s 4p 1d) [3s 2p 1d] 

(11s 5p 2d 1f) [4s 3p 2d 1f] 

(12s 6p 3d 2f 1g) [5s 4p 3d 2f 1g] 

(14s 8p 4d 3f 2g 1h) [6s 5p 4d 3f 2g 1h] 

Be (9s 4p 1d) [3s 2p 1d] 

(11s 5p 2d 1f) [4s 3p 2d 1f] 

(12s 6p 3d 2f 1g) [5s 4p 3d 2f 1g] 

(14s 8p 4d 3f 2g 1h) [6s 5p 4d 3f 2g 1h] 

Na (12s 8p 1d) [4s 3p 1d] 

(16s 10p 2d 1f) [5s 4p 2d 1f] 

(19s 12p 3d 2f 1g) [6s 5p 3d 2f 1g] 

(20s 14p 4d 3f 2g 1h) [7s 6p 4d 3f 2g 1h] 

Mg (12s 8p 1d) [4s 3p 1d] 

(15s 10p 2d 1f) [5s 4p 2d 1f] 

(16s 12p 3d 2f 1g) [6s 5p 3d 2f 1g] 

(20s 14p 4d 3f 2g 1h) [7s 6p 4d 3f 2g 1h] 

 

120  

double‐ζ basis, a set of  ( 1s 1p 1d 1f  )  functions  is added to the triple‐ζ basis, and so on. The 

diffuse functions are optimized in atomic anion calculations. 

All calculations were performed using the Molpro software package.180 Energy gradients 

were converged to 10‐4 Eh or better  in all geometry optimizations,  leading to a precision of at 

least  10‐7  Eh  in  total  energies.  The  reported  vibrational  frequencies  and  zero‐point  energies 

were  computed  using  the  harmonic  oscillator  approximation.  Thermochemical  values  were 

computed  using  enthalpies  of  formation  from  the  National  Institute  of  Standards  and 

Technology (NIST) database.170‐172  

 

6.3 Basis Set Construction 

 

6.3.1 Tight d Functions for Inner Valence Correlation 

To  construct  the  cc‐pV(n+d)Z basis  sets, a  single  tight  (high exponent) d  function was 

added  to  the  double‐,  triple‐,  quadruple‐,  and  quintuple‐ζ  cc‐pVnZ  basis  sets.  All  of  the  d 

functions  at  each  basis  set  level were  then  reoptimized  in  CISD  calculations  (using  the Na2 

molecule, so as to avoid the one electron valence as previously discussed, and the Mg atom). 

The  exponents  of  the  cc‐pVnZ  and  cc‐pV(n+d)Z  basis  sets  are  plotted  in  Figure  6.3  for 

comparison.  It  can be  seen  from  the  figure  that  there  is  little  change  in  the original valence 

functions upon optimization with a tight d function, and that the additional d function moves to 

describe more of the inner valence space with increasing basis set size. 

 

121  

6.3.2 Core‐Valence Functions for Sub‐Valence Correlation 

The  importance  of  valence  correlation  energy  cannot  be  over  emphasized  in  the 

accurate  calculation of  atomic  and molecular properties. Moreover,  the  importance of  core‐

valence  (CV)  correlation energy  (the energy of  interaction between  valence  and  sub‐valence 

electrons) is also to be emphasized, especially when accuracy below 1.0 kcal/mol in atomic and 

molecular properties (i.e thermochemistry) is required. For that reason, CV basis sets for Li, Be, 

Na, and Mg that monotonically approach the CBS limit are introduced. 

The CV basis sets are optimized in an analogous manner as those for main group atoms 

using  atomic  CISD  calculations  using  (3.7).  For  the  Li  and  Be  atoms,  all  of  the  electrons  are 

correlated, but the 1s orbitals of Na and Mg are constrained to be doubly‐occupied (frozen) in 

each  correlated  calculation.  Following  the  core‐valence  prescription  previously  discussed  in 

Chapter 3, shells of tight functions are added to the cc‐pVnZ basis sets of Li and Be as follows: 

 Figure 6.1  The  incremental CISD correlation energy  lowering of  the Mg atom due  to eachpolarization function. 

 

0.01

0.1

1

10

100

0 1 2 3 4 5

|ΔE c

orr| (m

illihartree)

Number of Functions

Mg

3d4f5g6h

122  

( 1s 1p 1d ) to cc‐pVDZ; ( 2s 2p 2d 1f ) to cc‐pVTZ; ( 3s 3p 3d 2f 1g ) to cc‐pVQZ; and ( 4s 4p 4d 3f 

2g  1h  )  to  cc‐pV5Z.  Similarly,  shells  of  tight  functions  are  added  to  the  double‐  through 

quadruple‐ζ basis sets of Na and Mg. To avoid near linear dependence in the s functions at the 

quintuple‐ζ level for Na and Mg, an additional four s‐type functions are uncontracted from the 

HF basis set and are taken to be the tight s functions for CV correlation. That is, the ( 20s 14p ) 

primitive set is recontracted to ( 10s 6p ). The usual ( 4p 4d 3f 2g 1h ) tight functions are then 

added. As a consequence, the cc‐pCV5Z and cc‐pwCV5Z basis sets do not contain a contracted 

s‐type function for the 3s orbital of Na and Mg in the HF basis set. 

Plots  comparing  the  exponents  of  the  cc‐pVnZ  and  cc‐pCVnZ  basis  sets  are  found  in 

Figure 6.2, while plots comparing the amount of valence correlation energy recovered by the 

  

Figure 6.2  Comparisons of the Na atom valence (cc‐pVnZ) exponents with the core‐valence(cc‐pCVnZ) and weighted core‐valence (cc‐pwCVnZ) exponents; the exponents are grouped byangular momentum. 

 

0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000

Primitive Exponents

Valence

Core‐Valence

s

h

g

d

p

f

0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000

Primitive Exponents

Valence

Weighted Core‐Valence

s

h

g

d

p

f

123  

cc‐pVnZ, cc‐pCVnZ, and cc‐pwCVnZ basis sets are found  in Figure 6.4. Figure 6.5 demonstrates 

the necessity of using basis sets designed for CV correlation. It  is shown in atomic calculations 

that if the valence‐only basis sets are used, a loss of more than 20 mEh (12.5 kcal/mol) in the CV 

energy of Li and Be results, while greater than 100 mEh (62.5 kcal/mol) is lost in Na and greater 

than 150 mEh (94.0 kcal/mol) is lost in Mg calculations. 

 

6.3.3 Recontracted Basis Sets for Scalar Relativistic Computations 

The  necessity  of  systematically  altering  a  basis  set  to  accommodate  a  relativistic 

Hamiltonian  has  been  thoroughly  discussed  by  de  Jong  et  al.  with  regard  to  the  DK 

Hamiltonian.142 The problem in using basis sets contracted with non‐relativistic methods is the 

improper  description  of  the  radial  contraction  that  occurs  in  core  s‐  and  p‐type  orbitals. 

 Figure 6.3  The spacing of the d exponents in the cc‐pVnZ basis sets compared with those inthe cc‐pV(n+d)Z basis sets. 

 

0.01 0.10 1.00 10.00

Basis S

et

Primitive Exponent

cc‐pVnZ

cc‐pV(n+d)ZDZ

5Z

QZ

TZ

124  

Specifically, atomic contractions optimized with non‐relativistic HF produce core s and p orbitals 

that are too diffuse. The use of these diffuse core orbitals results  in scalar relativistic energies 

that are too high. To that end, a family of DK‐contracted basis sets for Li, Be, Na, and Mg are 

introduced. To optimize  the  s‐ and p‐type  contractions  for use with  the DK Hamiltonian,  the 

steps outlined in section 5 of Chapter 3 have been employed. 

While the differences between the amount of scalar relativistic energy recovered with 

non‐relativistic and scalar relativistic basis sets is small for Li and Be (less than 10‐4 Eh; less than 

0.1 kcal/mol), the difference compounded over several atoms  in a molecule, say, will become 

significant  (i.e. greater  than 1.0 kcal/mol). Further, as Figure 6.6  shows,  the  scalar  relativistic 

energy  recovered by  the original contractions of  the correlation consistent basis sets actually 

decreases as the basis set increases in size for Li and Be. The DK‐contracted basis sets increase 

the amount of scalar relativistic energy recovered with  increasing basis set size. In the Na and 

Mg atoms, the use of the DK contractions  is necessary to achieve kcal/mol accuracy since the 

Figure 6.4  CCSD(T) valence correlation energies recovered by the cc‐pVnZ  (V/V), cc‐pCVnZ(V/CV), and cc‐pwCVnZ (V/wCV) basis sets. 

44.000

44.500

45.000

45.500

46.000

46.500

D T Q 5

|ΔE c

orr| (m

illihartrees)

Basis Set (cc‐pVnZ)

V/V

V/CV

V/wCV

BeBe

32.800

33.000

33.200

33.400

33.600

33.800

34.000

34.200

D T Q 5

|ΔE c

orr| (m

illihartrees)

Basis Set (cc‐pVnZ)

V/V

V/CV

V/wCV

Mg

125  

difference between the original and recontracted scalar relativistic energies are on the order of 

14 kcal/mol for Na and 22 kcal/mol for Mg. 

 

6.4 Benchmark Computations 

 

6.4.1 Ionization Potentials and Electron Affinities 

To demonstrate the ability of the correlation consistent basis sets to correctly describe 

the frontier orbital properties of the alkali and alkaline earth metal atoms, ionization potentials 

and electron affinities have been computed and are  listed  in Table 6.2. The  first and  second 

ionization potentials and electron affinities are computed in the typical manner. Due to the one 

electron  valence  of  Li  and  Na,  the  ionization  potentials  are  the  same  as  the  HF  computed 

ionization  potentials,  and  it  is  seen  that  there  is  very  little  difference  between  successive 

ζ‐levels. Further,  comparing  the  Li and Na aug‐cc‐pV5Z  ionization potentials with experiment 

shows errors of 0.050 eV and ‐0.188 eV, respectively. It is only when CV correlation is included 

do the ionization potentials of these two atoms compare well with experiment. At the cc‐pCVDZ 

level, for example, the difference between including CV correlation and not is enough to bring 

the Li ionization potential within 0.04 eV of experiment. Using the cc‐pwCVDZ basis set instead 

of the cc‐pCVDZ basis set makes a larger impact on the computed ionization potentials of Li, Be, 

Na,  and Mg.  For  example,  employing  the  cc‐pCVDZ  basis  set  in  computing  the  Li  ionization 

potential shows an error relative to experiment of 0.036 eV, but the cc‐pwCVDZ basis set shows 

and error of 0.027 eV. This observation is typical for the rest of the atomic ionization potentials 

of  Table  6.2:  the  cc‐pwCVnZ  basis  sets  give  results  closer  to  the  experimental  value when 

126  

compared with  the  cc‐pCVnZ  basis  sets.  Further,  it  has  been  remarked  previously  that  both 

basis sets will converge on the same CBS  limit for properties of  interest, and  it  is shown to be 

true for the Li, Be, Na, and Mg atoms. 

The electron affinities of Be and Mg are not reported since it is generally accepted that a 

bound  electron  should  not  be  stable  on  these  atoms.  The  use  of  diffuse  functions  in  the 

computation of anionic properties  is vital  to achieving  results  that compare with experiment. 

Figure 6.5  CCSD(T) core‐valence plus valence correlation energies recovered by the cc‐pVnZ(CV/V), cc‐pCVnZ  (CV/CV), and cc‐pwCVnZ  (CV/wCV);  the 1s orbitals of Na and Mg were keptfrozen in each calculation. 

0.000

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

50.000

D T Q 5

|ΔE c

orr| (m

illihartrees)

Basis Set (cc‐pVnZ)

CV/V

CV/CV

CV/wCV

Li

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

90.000

100.000

D T Q 5

|ΔE c

orr| (m

illihartrees)

Basis Set (cc‐pVnZ)

CV/V

CV/CV

CV/wCV

Be

0.000

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

D T Q 5

|ΔE c

orr| (m

illihartrees)

Basis Set (cc‐pVnZ)

CV/V

CV/CV

CV/wCV

Na

0.000

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

D T Q 5

|ΔE c

orr| (m

illihartrees)

Basis Set (cc‐pVnZ)

CV/V

CV/CV

CV/wCV

Mg

127  

This claim  is supported by the fact that, at the cc‐pVDZ  level, the Li and Na electron affinities 

are  in error by ‐0.204 eV and ‐0.142 eV, respectively. When the diffuse functions are  included 

(aug‐cc‐pVDZ), the errors  in the Li and Na electron affinities drop to  ‐0.026 eV and  ‐0.022 eV, 

respectively.  Further,  the  inclusion  of  core‐valence  correlation  does  not  have  a  significant 

impact on the electron affinities of Li or Na at the triple‐ζ  level or higher.  In fact, the electron 

affinities of the cc‐pV5Z, cc‐pCV5Z, and cc‐pwCV5Z basis sets are quite similar. 

 

 Figure 6.6  Comparisons  of  the  scalar  relativistic  corrections  to  the  atomic  Hartree‐Fockenergy using the original contractions (diamonds) and the Douglas‐Kroll contractions (squares)with increasing basis set size. 

0.650

0.655

0.660

0.665

0.670

0.675

0.680

D T Q 5

|ΔE r

el| (m

illihartree

s)

Basis Set (cc‐pVnZ)

Li2.400

2.420

2.440

2.460

2.480

2.500

2.520

2.540

D T Q 5

|ΔE r

el| (m

illihartree

s)

Basis Set (cc‐pVnZ)

Be

180.000

185.000

190.000

195.000

200.000

205.000

210.000

215.000

D T Q 5

|ΔE r

el| (m

illihartree

s)

Basis Set (cc‐pVnZ)

Na260.000

270.000

280.000

290.000

300.000

310.000

320.000

D T Q 5

|ΔE r

el| (m

illihartree

s)

Basis Set (cc‐pVnZ)

Mg

128  

6.4.2 Optimized Geometries and Vibrational Frequencies 

The  optimized  geometries  of  several  di‐  and  triatomics  and  their  corresponding 

harmonic vibrational  frequencies computed with  the cc‐pV(T+d)Z basis  set are  listed  in Table 

6.3  and  Table  6.4,  respectively.  The  target  accuracy  of  computed  structures  relative  to 

experiment  is 0.01 Å. The  impact of core‐valence correlation  is  readily  seen  in  the optimized 

geometries of the diatomics. For example, the bond length of Li2 (the smallest system of Table 

6.3) at the cc‐pV5Z  level deviates  from experiment by 0.027 Å, while the corresponding core‐

valence basis sets only deviate by 0.002 Å. A similar trend is observed in the bond lengths of LiF, 

Na2, NaF,  and MgF.  Interestingly,  it  is  the  standard  valence  basis  sets  that more  accurately 

predict  the  bond  length  of MgO  as  opposed  to  the  core‐valence  basis  sets.  The  difference 

between experiment and theory at the cc‐pV5Z level is 0.005 Å, but is 0.011 Å at the cc‐pCV5Z 

level (0.012 Å at the cc‐pwCV5Z level). Examining the bond lengths of the cc‐pwCVnZ basis sets 

more  closely  reveals  that  the  bond  length  has  a  very  low  error  at  the  double‐ζ  level,  but 

diverges from the experimental value as the basis set increases in size. 

Another basis set effect that is observed is the general improvement in the convergence 

of  the  bond  lengths with  the  cc‐pV(n+d)Z  basis  sets  relative  to  the  cc‐pVnZ  basis  sets.  The 

largest  tight d effects observed are  in  the bond  lengths of MgO and MgF. Using  the cc‐pVDZ 

basis  set,  the  bond  lengths  of MgO  and MgF  are  1.774  Å  and  1.773  Å,  respectively, which 

decrease to 1.753 Å and 1.756 Å, respectively, when the cc‐pV(D+d)Z basis set  is used. At the 

higher ζ‐levels, the changes in the bond length due to the tight d function are less than 0.01 Å. 

A similar effect of the tight d function is seen in the aug‐cc‐pVDZ/aug‐cc‐pV(D+d)Z bond lengths 

of MgO and MgF, and in the cc‐pVDZ/cc‐pV(D+d)Z bond lengths of MgF2. 

129  

6.4.3 Thermochemistry 

The computed enthalpies of formation for a set of twelve s‐block molecules are found in 

Table  6.5.  The  desired  accuracy  of  computed  enthalpies  of  formation  with  respect  to 

experiment is ±1.0 kcal/mol. It is readily seen that the Li2 enthalpies of formation are within 1.0 

kcal/mol  of  experiment  at  the  cc‐pVTZ  and  aug‐cc‐pVTZ  levels  and  higher,  while  the  Na2 

enthalpies are within 1.0 kcal/mol of experiment at all  ζ‐levels with each  family of basis sets. 

Using the cc‐pVnZ and aug‐cc‐pVnZ basis sets, only the NaF molecule reaches 1.0 kcal/mol of 

experiment at the quintuple‐ζ  level; the other molecules are still outside the desired accuracy 

range. The overall effect of adding the diffuse functions is to accelerate the convergence of the 

enthalpies of formation. For example, in LiF, NaF, MgF, BeF2, and MgF2, the cc‐pVDZ and aug‐cc‐

pVDZ enthalpies of formation differ by more than 10 kcal/mol, with the diffuse functions aiding 

convergence towards the experimental value. 

Adding  core‐valence  correlation  does  have  a  noticeable  impact  on  the  enthalpies  of 

formation  in  the  larger basis sets  (i.e. quadruple‐ and quintuple‐ζ  levels). For example, at  the 

cc‐pCV5Z  and  cc‐pwCV5Z  levels,  the  BeO  enthalpy  of  formation  differs  from  the  cc‐pV5Z 

enthalpy by 1.65 kcal/mol and 1.83 kcal/mol, respectively. Still other noticeable differences are 

between the BeF2 and MgF2 enthalpies of formation at the cc‐pCV5Z and cc‐pwCV5Z levels with 

respect to the cc‐pV5Z level. The BeF2 enthalpy of formation computed with the cc‐pCV5Z and 

cc‐pwCV5Z basis sets, for example, is different from the cc‐pV5Z enthalpy by 1.92 kcal/mol and 

2.12 kcal/mol, respectively. 

Using the largest basis sets to compute the enthalpies of formation of Li2, LiF, BeO, and 

BeF, gives  results  that more  closely agree with experiment  than  the other basis  set  families. 

130  

However,  the  enthalpies  of  formation  of  NaF  and MgF2  computed  with  the  cc‐pCVnZ  and 

cc‐pwCVnZ basis sets are slightly better (relative to experiment) than those computed with the 

aug‐cc‐pCVnZ and aug‐cc‐pwCVnZ basis sets. 

 

6.5 Conclusions 

The unpublished basis sets  for Li, Be, Na, and Mg have been reexamined using robust 

numerical optimization techniques, and new official correlation consistent basis sets for these 

four  atoms  are  presented.  Specifically,  new  cc‐pVnZ  and  aug‐cc‐pVnZ  basis  sets  of  double‐, 

triple‐, quadruple‐, and quintuple‐ζ quality have been developed and benchmarked. In addition, 

a  set  of  tight  d  basis  sets,  cc‐pV(n+d)Z,  have  been  developed  for Na  and Mg  in  correlated 

valence calculations. 

For subvalence correlation, new core‐valence and weighted core‐valence (cc‐pCVnZ and 

cc‐pwCVnZ) basis sets have been developed. Benchmark calculations of atomic CV correlation 

energies  demonstrate  the  necessity  of  including  core‐valence  functions  when  subvalence 

correlation  is  needed  (i.e.  for  high  accuracy  thermochemistry).  Benchmarks  of  molecular 

properties also demonstrate the necessity of CV correlation, especially in Li and Na, whose one 

electron valence is not a large enough valence space for correlated molecular calculations when 

0.01 Å and 1.0 kcal/mol accuracy is desired. 

Finally, the HF sp basis sets have been recontracted for scalar relativistic DK calculations, 

resulting in cc‐pVnZ‐DK basis sets that consistently recover more scalar relativistic energy than 

the original HF contractions at each basis set level. 

131  

Table 6.2  CCSD(T)  ionization potentials and electron affinities of  Li, Be, Na, and Mg;  the tight d correlation consistent basis sets for Na and Mg have been used. 

Li  Be Na Mg 

Basis  IP  EA  IP(1) IP(2) IP EA IP(1)  IP(2)

cc‐pVDZ  5.342  0.414 9.290 18.086 4.951 0.406 7.521  14.711cc‐pVTZ  5.342  0.480 9.285 18.124 4.952 0.437 7.527  14.721cc‐pVQZ  5.342  0.569 9.296 18.125 4.951 0.523 7.531  14.722cc‐pV5Z  5.342  0.580 9.298 18.125 4.951 0.522 7.533  14.722

aug‐cc‐pVDZ  5.342  0.592 9.287 18.091 4.952 0.526 7.522  14.711aug‐cc‐pVTZ  5.342  0.615 9.286 18.124 4.952 0.544 7.527  14.721aug‐cc‐pVQZ  5.342  0.617 9.296 18.125 4.951 0.545 7.531  14.722aug‐cc‐pV5Z  5.342  0.617 9.299 18.125 4.951 0.545 7.533  14.722cc‐pCVDZ  5.356  0.474 9.273 18.145 5.000 0.444 7.542  14.793cc‐pCVTZ  5.379  0.481 9.303 18.192 5.077 0.442 7.598  14.934cc‐pCVQZ  5.388  0.570 9.316 18.205 5.114 0.527 7.619  14.982cc‐pCV5Z  5.390  0.581 9.319 18.207 5.127 0.526 7.630  15.002cc‐pwCVDZ  5.365  0.476 9.278 18.154 5.092 0.443 7.567  14.869cc‐pwCVTZ  5.386  0.482 9.309 18.199 5.113 0.443 7.613  14.975cc‐pwCVQZ  5.390  0.570 9.318 18.207 5.127 0.527 7.627  15.001cc‐pwCV5Z  5.391  0.581 9.320 18.208 5.131 0.526 7.633  15.008

aug‐cc‐pwCVDZ  5.365  0.610 9.277 18.157 5.094 0.539 7.571  14.872aug‐cc‐pwCVTZ  5.386  0.615 9.310 18.199 5.114 0.543 7.613  14.976aug‐cc‐pwCVQZ  5.390  0.617 9.318 18.207 5.127 0.547 7.628  15.001aug‐cc‐pwCV5Z  5.391  0.617 9.320 18.208 5.131 0.548 7.633  15.008Experimenta  5.392  0.618 9.323 18.211 5.139 0.548 7.646  15.035

a. Martin, W. C.; Wiese, W. L. “Atomic Spectroscopy.” in Atomic, Molecular, & Optical Physics Handbook; Drake, G. W. F., Ed.; American Institute of Physics: Woodbury, NY, 1996; pp 135. 

132  

Table 6.3  CCSD(T) optimized geometries (Re, Å) of some s‐block molecules computed with various families of correlation consistent basis sets.  

Molecule  ζ  VnZ  V(n+d)Z  CVnZ wCVnZ aVnZ aV(n+d)Z aCVnZ  awCVnZ Expt.

Li2  D  2.731  ‐‐‐  2.699 2.701 2.727 ‐‐‐ 2.700  2.702 T  2.701  ‐‐‐  2.680 2.677 2.701 ‐‐‐ 2.680  2.677 Q  2.699  ‐‐‐  2.676 2.674 2.699 ‐‐‐ 2.676  2.674 5  2.699  ‐‐‐  2.674 2.674 2.699 ‐‐‐ 2.674  2.674  2.6729a

LiF  D  1.592  ‐‐‐  1.579 1.556 1.606 ‐‐‐ 1.596  1.587 T  1.588  ‐‐‐  1.572 1.557 1.591 ‐‐‐ 1.574  1.568 Q  1.578  ‐‐‐  1.564 1.561 1.582 ‐‐‐ 1.567  1.565 5  1.580  ‐‐‐  1.565 1.563 1.581 ‐‐‐ 1.565  1.564  1.56386a

BeO  D  1.369  ‐‐‐  1.365 1.357 1.370 ‐‐‐ 1.366  1.361 T  1.344  ‐‐‐  1.338 1.333 1.346 ‐‐‐ 1.341  1.336 Q  1.338  ‐‐‐  1.331 1.330 1.339 ‐‐‐ 1.333  1.331 5  1.337  ‐‐‐  1.331 1.330 1.337 ‐‐‐ 1.331  1.330  1.3309a

BeF  D  1.413  ‐‐‐  1.409 1.399 1.414 ‐‐‐ 1.407  1.397 T  1.371  ‐‐‐  1.365 1.359 1.374 ‐‐‐ 1.369  1.365 Q  1.367  ‐‐‐  1.361 1.359 1.369 ‐‐‐ 1.363  1.362 5  1.367  ‐‐‐  1.361 1.360 1.368 ‐‐‐ 1.362  1.361  1.3610a

Na2  D  3.207  3.205  3.163 3.113 3.204 3.203 3.148  3.095   T  3.178  3.180  3.095 3.088 3.178 3.179 3.083  3.081   Q  3.178  3.179  3.087 3.080 3.178 3.179 3.087  3.080   5  3.179  3.179  3.083 3.079 3.179 3.179 3.073  3.081  3.0788a

NaF  D  1.934  1.928  1.910 1.899 1.986 1.982 1.950  1.938   T  1.980  1.971  1.928 1.919 1.996 1.990 1.939  1.934   Q  1.989  1.982  1.928 1.923 1.994 1.990 1.931  1.928   5  1.989  1.987  1.928 1.926 1.991 1.989 1.928  1.927  1.92594a

MgO  D  1.774  1.753  1.768 1.753 1.786 1.770 1.774  1.764   T  1.759  1.752  1.743 1.736 1.766 1.760 1.748  1.743   Q  1.756  1.753  1.739 1.737 1.759 1.756 1.741  1.740   5  1.754  1.753  1.738 1.737 1.755 1.754 1.739  1.738  1.749a

MgF  D  1.773  1.756  1.771 1.762 1.785 1.775 1.776  1.771   T  1.768  1.760  1.754 1.746 1.777 1.770 1.761  1.755   Q  1.766  1.762  1.751 1.748 1.770 1.766 1.753  1.752   5  1.765  1.764  1.751 1.750 1.766 1.765 1.751  1.751  1.7500a

(continued on next page)  

133  

Table 6.3 (continued) 

Molecule  ζ  VnZ  V(n+d)Z  CVnZ wCVnZ aVnZ aV(n+d)Z aCVnZ  awCVnZ Expt.

BeH2  D  1.339  ‐‐‐  1.336 1.333 1.340 ‐‐‐ 1.336  1.336 (D∞h)  T  1.334  ‐‐‐  1.330 1.327 1.333 ‐‐‐ 1.330  1.328 

  Q  1.331  ‐‐‐  1.326 1.326 1.331 ‐‐‐ 1.327  1.326   5  1.331  ‐‐‐  1.326 1.326 1.331 ‐‐‐ 1.326  1.326  ‐‐‐

BeF2  D  1.417  ‐‐‐  1.412 1.406 1.417 ‐‐‐ 1.407  1.402 (D∞h)  T  1.382  ‐‐‐  1.377 1.372 1.384 ‐‐‐ 1.380  1.377 

  Q  1.378  ‐‐‐  1.373 1.372 1.380 ‐‐‐ 1.375  1.374   5  1.379  ‐‐‐  1.373 1.373 1.379 ‐‐‐ 1.374  1.373  ‐‐‐

MgH2  D  1.710  1.707  1.707 1.703 1.717 1.713 1.709  1.706 (D∞h)  T  1.712  1.710  1.700 1.698 1.713 1.712 1.701  1.698 

  Q  1.711  1.710  1.698 1.697 1.711 1.710 1.698  1.697   5  1.710  1.710  1.696 1.696 1.710 1.710 1.697  1.696  ‐‐‐

MgF2  D  1.760  1.744  1.756 1.748 1.769 1.760 1.761  1.756 (D∞h)  T  1.756  1.749  1.743 1.736 1.763 1.757 1.747  1.742 

  Q  1.754  1.751  1.739 1.737 1.757 1.754 1.741  1.739   5  1.753  1.752  1.738 1.737 1.754 1.753 1.739  1.738  ‐‐‐a. Constants of Diatomic Molecules; Number 69 ed.; Huber, K. P.; Hertzberg, G., Eds.; National Institute of 

Standards and Technology: Gaithersburg, MD, 2005.  

134  

Table 6.4  CCSD(T)  harmonic  vibrational  frequencies  (Å)  of  some  s‐block  molecules computed with various families of correlation consistent basis sets. 

Molecule  VnZ  V(n+d)Z  CVnZ wCVnZ aVnZ aV(n+d)Z aCVnZ  awCVnZ  Expt.

Li2  346.5  ‐‐‐  353.0 355.4 346.7 ‐‐‐ 353.4  354.2  351.43a

LiF  904.1  ‐‐‐  905.6 937.5 887.4 ‐‐‐ 894.1  908.6  910.34a

BeO  1458.4  ‐‐‐  1468.0 1477.6 1451.7 ‐‐‐ 1458.7  1466.1  1487.32a

BeF  1260.7  ‐‐‐  1270.2 1280.0 1242.4 ‐‐‐ 1248.1  1256.6  1247.36a

Na2  151.5  152.4  159.4 161.9 151.5 152.5 159.7  161.1  159.124a

NaF  548.7  554.9  543.6 554.9 532.3 536.4 524.9  530.8  536a

MgO  782.1  796.5  805.3 817.5 770.9 781.7 794.2  802.6  785.0a

MgF  722.9  723.2  726.0 731.5 698.5 702.1 702.0  710.2  711.69a

BeH2  710.3  ‐‐‐  717.9 719.7 707.9 ‐‐‐ 715.8  718.6  708.5b

(D∞h)  2030.0  ‐‐‐  2039.7 2047.4 2025.4 ‐‐‐ 2032.4  2041.6  ‐‐‐  2238.7  ‐‐‐  2249.1 2255.3 2232.3 ‐‐‐ 2243.1  2250.1  2172.2b

BeF2  335.4  ‐‐‐  344.2 345.9 336.8 ‐‐‐ 342.7  344.2  342.61c

(D∞h)  727.1  ‐‐‐  731.4 737.0 719.7 ‐‐‐ 722.8  726.4  769.09c

  1584.3  ‐‐‐  1591.4 1599.1 1566.2 ‐‐‐ 1568.9  1573.7  1555.05c

MgH2  439.2  434.8  457.0 446.2 439.0 434.0 447.8  442.1  450.4d

(D∞h)  1605.5  1603.4  1624.5 1620.5 1595.6 1594.7 1615.6  1615.2  ‐‐‐  1632.3  1629.0  1650.0 1644.2 1618.6 1618.3 1637.9  1630.9  1576.8d

MgF2  156.6  154.7  160.0 156.9 149.2 145.3 155.3  153.7  254e

(D∞h)  571.3  571.0  575.5 579.1 556.7 558.9 561.4  567.0  ‐‐‐  891.8  890.5  896.4 900.8 864.8 867.5 872.6  879.9  862e

a. Constants of Diatomic Molecules; Number 69 ed.; Huber, K. P.; Hertzberg, G., Eds.; National Institute of Standards and Technology: Gaithersburg, MD, 2005. 

b. Wang, X.; Andrews, L. Inorg. Chem. 2005, 44, 610. c. Yu, S.; Shayesteh, A.; Bernath, P. F.; Koput, J. J. Chem. Phys. 2005, 123, 134303. d. Wang, X.; Andrews, L. J.Phys. Chem. A 2004, 108, 11511. e. Snelson, A. J.Phys. Chem. 1966, 70, 3208. 

135  

Table 6.5  CCSD(T) standard state enthalpies of formation at 298.15 K (kcal/mol) for some s‐block molecules computed with various  families of correlation consistent basis  sets;  tight d functions have been used for the Na and Mg atoms. 

Molecule  ζ  VnZ  CVnZ wCVnZ aVnZ aCVnZ awCVnZ  Expt.a

Li2  D  53.40  52.55 52.51 53.22 52.46 52.42 

T  52.11  51.90 51.80 52.05 51.82 51.75 

Q  51.84  51.66 51.63 51.83 51.64 51.62 

5  51.80  51.61 51.59 51.79 51.60 51.58  51.60

LiF  D  ‐64.78  ‐65.79 ‐67.85 ‐72.64 ‐73.91 ‐74.52 

T  ‐74.17  ‐75.23 ‐76.79 ‐76.80 ‐77.86 ‐78.64 

Q  ‐78.38  ‐79.39 ‐79.79 ‐79.31 ‐80.32 ‐80.53 

5  ‐79.39  ‐80.48 ‐80.68 ‐79.78 ‐80.89 ‐80.99  ‐81.45

BeO  D  56.39  55.16 53.87 52.37 51.01 50.00 

T  41.63  40.00 38.62 39.40 38.25 37.14 

Q  36.75  35.11 34.74 35.63 34.07 33.78 

5  35.04  33.39 33.21 34.63 33.00 32.85  32.60

BeF  D  ‐20.27  ‐20.88 ‐21.62 ‐25.37 ‐26.52 ‐27.38 

T  ‐32.90  ‐34.22 ‐35.49 ‐34.22 ‐35.06 ‐35.99 

Q  ‐36.36  ‐37.48 ‐37.73 ‐36.95 ‐38.01 ‐38.17 

5  ‐37.24  ‐38.40 ‐38.52 ‐37.46 ‐38.60 ‐38.70  ‐40.60

Na2  D  34.76  33.98 33.83 34.68 33.68 33.48 

T  33.95  33.27 33.40 33.94 33.11 33.28 

Q  33.86  33.50 33.47 33.86 33.45 33.42 

5  33.81  33.27 33.45 33.81 33.11 33.41  33.96

NaF  D  ‐53.86  ‐53.65 ‐54.38 ‐64.77 ‐65.18 ‐65.33 

T  ‐63.61  ‐63.54 ‐64.01 ‐67.47 ‐67.86 ‐67.88 

Q  ‐67.45  ‐67.76 ‐68.00 ‐69.09 ‐69.42 ‐69.52 

5  ‐69.07  ‐69.34 ‐69.39 ‐69.65 ‐70.04 ‐69.98  ‐69.42

MgO  D  52.23  53.69 53.11 43.50 43.87 43.52 

T  40.80  40.95 40.39 37.29 36.95 36.65 

Q  36.17  36.29 36.19 34.86 34.68 34.68 

5  34.69  34.78 34.73 34.15 34.08 34.07  36.18

MgF  D  ‐37.45  ‐35.88 ‐35.67 ‐47.55 ‐47.23 ‐46.86 

T  ‐47.62  ‐46.64 ‐47.01 ‐50.70 ‐50.13 ‐50.32 

Q  ‐51.79  ‐50.76 ‐50.77 ‐52.87 ‐52.14 ‐52.04 

(continued on next page)

136  

Table 6.5 (continued) 

Molecule  ζ  VnZ  CVnZ wCVnZ aVnZ aCVnZ awCVnZ  Expt.a

MgF  5  ‐52.94  ‐51.96 ‐51.97 ‐53.38 ‐52.51 ‐52.49  ‐56.60

BeH2  D  57.11  56.67 56.36 55.11 54.31 54.32 

(D∞h)  T  50.67  49.84 49.24 49.99 49.39 48.85 

Q  48.69  47.85 47.76 48.55 47.72 47.64 

5  48.30  47.44 47.39 48.24 47.38 47.34  30.00

BeF2  D  ‐152.60  ‐153.85 ‐154.82 ‐162.55 ‐165.29 ‐166.16 

(D∞h)  T  ‐176.30  ‐178.60 ‐180.77 ‐178.99 ‐180.26 ‐181.79 

Q  ‐182.76  ‐184.57 ‐184.98 ‐183.94 ‐185.64 ‐185.90 

5  ‐184.41  ‐186.33 ‐186.53 ‐184.84 ‐186.72 ‐186.87  ‐190.25

MgH2  D  51.63  52.37 52.95 48.16 47.95 48.83 

(D∞h)  T  44.56  45.05 45.38 43.76 43.88 44.14 

Q  42.99  43.97 44.15 42.79 43.65 43.86 

5  42.62  43.76 43.81 42.51 43.57 43.60  ‐‐‐

MgF2  D  ‐145.67  ‐142.77 ‐142.49 ‐164.91 ‐164.41 ‐163.75 

(D∞h)  T  ‐165.38  ‐164.27 ‐164.98 ‐170.66 ‐170.34 ‐170.66 

Q  ‐173.16  ‐171.77 ‐171.84 ‐174.97 ‐174.08 ‐173.99 

5  ‐175.09  ‐173.91 ‐173.97 ‐175.87 ‐174.89 ‐174.93  ‐173.70a. Chase, M. W. J. Phys. Chem. Ref. Data 1998, 9, 1. 

137  

CHAPTER 7 

THE RESOLUTION OF THE IDENTITY APPROXIMATION APPLIED TO THE CORRELATION 

CONSISTENT COMPOSITE APPROACH† 

7.1 Introduction 

In  correlated  ab  initio  methods,  the  number  of  four‐index  two‐electron  Coulomb 

integrals  (2.11)  increases  dramatically  as  the  number  of  electrons  increases.7,19,22,55  The 

computation and storage of  these  integrals  is  the bottleneck  in applying correlated methods, 

and  so  it  is highly desirable  to have efficient ways of  computing and  storing  them. Typically, 

integral  screening  techniques187  are  employed  to  avoid  computing  very  small  (i.e  10‐14  Eh) 

integrals, which helps reduce the number of four‐index integrals stored. To deal efficiently with 

the other integrals, a novel approach is to employ a projective technique. 

The  resolution  of  the  identity  (RI)  is  a well‐known  projective  technique  from  vector 

algebra.188 Consider a ket vector |  expanded in a complete, orthonormal basis  : 

| |   (7.1)

By projecting |  onto an arbitrary basis vector in  , the component of |  along that vector is 

resolved: 

| |   (7.2)

Insertion of (7.2) into (7.1) yields the following result: 

                                                       † Work reported  in this chapter was performed  in collaboration with  Jeremy D. Lai, and has been submitted  for publication in the Journal of Chemical Physics. 

138  

| | | | | |  (7.3)

where the summation in parentheses apparently takes the form of an algebraic ‘1’: 

| |   (7.4)

The object in (7.4) has several names in the literature including identity operator, completeness 

relation, and unit dyadic, the  latter of which  is used throughout this chapter. The summation 

terms are projection operators  instead of  scalar products,  since  the ket  is written before  the 

bra. When  (7.4) operates on a ket vector, the result  is the same ket represented  in whatever 

basis  set  comprises  the  unit  dyadic,  provided  that  basis  is  complete.  This  is  why  this 

mathematical construct  is called  the  resolution of  the  identity, because  it resolves a vector  in 

one basis to another. For example, a unit dyadic in the basis   may be constructed as 

| |   (7.5)

then, since  | | , the vector |  may be resolved in the new basis using (7.1): 

| | | | | |  

| | |  

(7.6)

The components of |  in   are now defined in terms of its components in   and the overlap 

between the two basis sets  | . 

  More generally,  if the domain of the bra vector  in (7.4)  is different from the domain  in 

the ket, then the resulting operator is the Dirac delta function:7 

139  

| |   (7.7)

Instead  of  resolving  vectors  from  one  basis  to  another,  the  Dirac  delta  function  resolves  a 

function in one domain into another as follows: 

d   (7.8)

As  a  sidebar,  the  definition  of  the Dirac  delta  function  in  (7.7)  is  entirely  analogous  to  the 

definition  of  the  first‐order  reduced  density  function  in  (2.47).  The  Dirac  delta  function  is 

related to the following Fourier integral, where   is the momentum vector: 

d ,  (7.9)

which  is  why  RI  methods  are  sometimes  referred  to  as  pseudospectral  methods  in  the 

literature.189 Finally, it is readily seen from (7.9) that the inverse Fourier transform of the Dirac 

delta function, and, by extension the unit dyadic, is unity. 

Boys and Shavitt  first  introduced  the  idea of  reducing  the computational cost of  four‐

index  integrals  using  the  RI  technique,190 while  Löwdin  discussed  the  use  of  RI  in  terms  of 

describing  quantum  phenomena.191  Since  then,  the  RI  approximation  has  been  employed  in 

density  functional  theory  (DFT),161,192  Hartree‐Fock  self‐consistent  field  (HF‐SCF),160  second‐

order  Møller‐Plesset  perturbation  theory  (MP2),160,193  and  coupled  cluster  theory.194  For  a 

review of the RI approximation in computational chemistry, see Kendall and Früchtl.190 

Following the derivations of Vahtras et al. with regards to various RI approximations,160 

any  four‐index  integral  can be  approximated  as  a  linear  combination of  three‐ or  two‐index 

integrals  by  insertion  of  the  unit  dyadic.  Vahtras  et  al.  showed  that  describing  charge 

distributions with  the  RI  approximation  leads  to  three  different  formulas  for  approximating 

140  

four‐index Coulomb integrals:160 

| | 1 |   (7.10)

| | 1 1   (7.11)

| | 1   (7.12)

in which the basis sets denoted by  , , ,  are called auxiliary basis sets. The bracketed terms 

on the right‐hand side are three‐center overlap  integrals, the   terms are two‐center overlap 

integrals  (in matrix  form) between  two auxiliary basis  sets, and  the    terms are  two‐center, 

two‐electron Coulomb integrals (also in matrix form). Equations (7.10) and (7.11) are called the 

S  and  SVS  approximations,  respectively,  in  which  the  individual  charge  distributions  are 

projected onto an auxiliary basis set. Note that the auxiliary basis set for the bra vector  is not 

necessarily the same used for the ket vector in the S and SVS approximations, which is why the 

additional overlap integrals enter the equations. Equation (7.12) is called the V approximation, 

in which  the Coulomb operator  is projected onto an auxiliary basis  set. The V approximation 

more closely approximates the exact  four‐index  integral  in practice, and, consequently,  is the 

most common RI approximation  in use for approximating the four‐index  integrals  in SCF, DFT, 

and MP2 calculations. 

In more recent implementations of RI methods, a single auxiliary basis is used instead of 

multiple auxiliary basis sets as  indicated by the equations above. When a single auxiliary basis 

set is used in the V approximation, the number of four‐index integrals is reduced from   to 

approximately  , where   is the number of orbital basis functions and   is the number 

of  auxiliary  basis  functions.  So  long  as    does  not  exceed  ,  there  will  be  an  effective 

141  

reduction  in the number, and hence, the computational scaling of four‐index  integrals. This  is 

the primary motivation behind employing the RI approximation in correlated ab initio methods, 

where the number of four‐index integrals over excited determinants becomes very large. In DFT 

methods, the RI approximation takes on a slightly different role, namely, that of projecting the 

exchange‐correlation  functional, which may not have a  trivial  integral  form, onto an auxiliary 

basis set in which integrals over the exchange‐correlation functional become more tractable. In 

practice,  a  different  auxiliary  basis  set  is  used  for  each  computational method,  each  having 

been optimized specifically for that method’s ansatz. For example, a density‐fit or Coulomb‐fit 

auxiliary  basis  set might  be  used  for  all  or  some  of  the  HF‐SCF  integrals, while  a  different 

auxiliary basis  set  is used  for  correlated  integrals  that arise  in an MP2  calculation employing 

those HF orbitals. 

An additional means  to  reduce  the computational expense of ab  initio methods  is via 

composite  methods  (discussed  in  Chapter  2).  These  approaches  approximate  a  high‐level 

correlated  ab  initio/large  basis  set  calculation  with  a  series  of  lower‐level/small  basis  set 

calculations.  Examples  of  composite  methods  include  the  Gaussian‐n  methods  (Gn),60‐62 

Weizmann‐n  methods  (Wn),71,72  the  high‐accuracy  extrapolated  ab  initio  thermochemistry 

(HEAT)  method,70  complete  basis  set  (CBS‐n)  methods,63‐69  and  the  recently  developed 

correlation  consistent  Composite  Approach  (ccCA).73‐80  In  general,  each  composite  method 

listed  varies  in  the  target  accuracy  with  respect  to  reliable  experimental  data  and  in 

formulation.  The  ccCA  method  makes  use  of  the  well‐known  monotonic  behavior  of  the 

correlation  consistent  basis  sets,  cc‐pVnZ,94‐101  with  respect  to  increasing  basis  set  size  for 

energetic  properties  (e.g.,  thermochemical  properties,  atomization  energies),  and  considers 

142  

additional  effects  such  as  high‐order  correlation  effects,  core‐valence  effects,  and  scalar 

relativistic effects. Further, ccCA has been applied to over 700 main group molecules, resulting 

in  an  overall  mean  absolute  deviation  (MAD)  of  approximately  1  kcal/mol  from  reliable 

experiment.73‐80  The  use  of  composite methodology may  be  able  to  approximate  high‐level 

computational methods with a  lower computational expense, however,  further modifications 

to the handling of four‐index  integrals can be  introduced to further reduce the computational 

scaling. 

In  this Chapter,  the RI approximation  is applied  to  the ccCA method and  the  resulting 

formulism  (RI‐ccCA)  is  discussed.  The  accuracy  of  properties  computed  with  RI‐ccCA  is 

compared with those computed with the original formulation of ccCA. Further, relative timings 

and storage requirements are presented for RI‐ccCA and are compared with the original ccCA 

formulation. 

 

7.2 Computational Methodology 

The set of molecules examined is a subset of the G2/97 test set61 containing 102 closed 

shell  systems,  including  both  first  and  second  row, main  group  atoms. All  calculations were 

performed with the Molpro 2006.1 software package180 without employing symmetry and using 

the default  semi‐direct  algorithm.  Energy  gradients  and hessians were  converged  to  at  least 

0.1 mEh  in  the geometry optimizations and  frequency  calculations. Following  the  formulation 

for  the  ccCA method,73‐80  the  geometry  optimization  of  each molecule  is  performed  using 

Becke’s 3‐parameter exchange scheme coupled with the Lee‐Yang‐Parr correlation  functional, 

B3LYP,165,166 and the cc‐pVTZ basis set. Harmonic frequencies are then computed at the same 

143  

level of  theory  and  scaled by  0.9854  to  account  for  anharmonicity.73,74  In order  to  compare 

energetic  properties without  bias  from  a  change  in  the  geometry, we  have  used  the  same 

B3LYP/cc‐pVTZ  geometries  and  scaled  harmonic  frequencies  in  each  of  the  different  ccCA 

formulations discussed in the next section. 

From  the  B3LYP/cc‐pVTZ  geometry,  the  ccCA  reference  energy  (Eref),  higher‐order 

correlation  (ECC),  core‐valence  correlation  (ECV),  and  scalar  relativistic  (ESR)  corrections  are 

computed as follows: 

   MP2/aug‐cc‐pV∞Z 

∆     CCSD T /cc‐pVTZ     MP2/cc‐pVTZ  

∆     MP2 full /aug‐cc‐pCVTZ     MP2 fc /aug‐cc‐pVTZ  

∆     DK‐MP2/cc‐pVTZ‐DK     MP2/cc‐pVTZ  

    ∆ ∆ ∆  

(7.13)

The  reference  energy,  MP2/aug‐cc‐pV∞Z  (where  aug‐cc‐pV∞Z  denotes  the  CBS  limit),  is 

extrapolated  using  the mixed  Gaussian/exponential  formula  (3.3)  from  double‐,  triple‐,  and 

quadruple‐ζ  single‐point energies.  In  the core‐valence  step, MP2(full) correlates  the  standard 

atomic  valence  plus  the  (n‐1)s  and  (n‐1)p  orbitals  for main  group  atoms, while  the MP2(fc) 

denotes  using  a  frozen  core  of  (n‐1)s  and  (n‐1)p  electrons.  The  scalar  relativistic  correction 

employs  the  second‐order,  spin‐free  Douglas‐Kroll  (DK)  Hamiltonian135,136  and  the  DK‐

recontracted correlation consistent basis sets.142 Spin‐orbit (SO) effects (not included in the DK 

Hamiltonian) have been included a posteriori for the atoms.74 

Where  thermochemical  properties  have  been  computed,  atomic  enthalpies  of 

formation and   thermal corrections have been taken from CODATA,195 except for the Si atom, 

144  

which has been taken from Karton and Martin.196 

 

7.3 Results and Discussion 

 

7.3.1 RI‐ccCA Implementation 

An RI‐based ccCA approach has been constructed by substituting the conventional SCF 

and MP2  steps  in  ccCA with  their RI analogs. The general  formulation  is  listed below, and  is 

hereafter denoted RI‐ccCA: 

   RI‐MP2/aug‐cc‐pV∞Z‐RI 

Δ     CCSD T /cc‐pVTZ‐RI     RI‐MP2/cc‐pVTZ‐RI  

Δ     RI‐MP2 full /aug‐cc‐pCVTZ‐RI     RI‐MP2/aug‐cc‐pVTZ‐RI  

Δ     DK‐RI‐MP2/cc‐pVTZ‐DK‐RI     RI‐MP2/cc‐pVTZ‐RI  

‐     Δ Δ Δ  

(7.14)

Each  of  the  conventional MP2  steps  of  (7.13)  have  been  replaced  with  RI‐MP2.  Also,  the 

underlying  SCF  reference  calculations have been  replaced with RI‐SCF.  For  the CCSD(T)  step, 

two  different  routes  have  been  examined:  one  in which  conventional  CCSD(T)  is  used  and 

another  in which the density‐fit  (DF, which  is entirely analgous to the RI approximation)  local 

CCSD(T) method, denoted DF‐LCCSD(T), of Schütz and Werner197‐199 is used. In the latter part of 

this  section,  the difference between employing  the  conventional CCSD(T) method  in RI‐ccCA 

versus  the  DF‐LCCSD(T) method  in  RI‐ccCA  (denoted  RI‐ccCA+L  for  clarity)  is  analyzed  and 

discussed. 

 

145  

7.3.2 Auxiliary Basis Sets for RI‐ccCA 

To  determine  the  optimal  auxiliary  basis  sets  to  be  used  in  the  RI‐SCF  and  RI‐MP2 

calculations,  a  comparison  has  been  made  between  RI‐ccCA,  which  utilizes  conventional 

CCSD(T),  and  ccCA  employing  several  different  auxiliary  basis  sets. Utilimately,  the  auxiliary 

basis sets should be chosen so  that  the convergent nature of  the correlation consistent basis 

sets  remains  intact,  and  so  that  the  RI‐ccCA  energies  are  as  close  to  the  ccCA  energies  as 

possible. 

In the RI‐SCF steps, the use of completely unconctracted cc‐pVnZ basis sets one ζ‐level 

higher  than  the  orbital  basis  set,  denoted  cc‐pV(n+1)Z(unc),  and  the  basis  sets  of Weigend, 

denoted ‘JKFIT,’200 have been studied. (It is common practice when using RI methods to assume 

that an uncontracted basis set that  is  larger than the orbital basis set  is an adequate auxiliary 

basis set;  i.e.  if a cc‐pVTZ orbital basis set  is used, then the uncontracted cc‐pVQZ basis set  is 

assumed to be adequate as an auxiliary basis set.) The JKFIT basis sets are studied here because 

they have been reported to reproduce conventional SCF atomic energies within 120 μEh at any 

ζ‐level  through  quadruple‐ζ.200  Further,  the  use  of  the  cc‐pV(n+1)Z(unc)  and  the  cc‐pVnZ‐RI 

basis sets of Weigend et al.181 have been studied as potential auxiliary basis sets in the RI‐MP2 

steps of RI‐ccCA. The latter auxiliary sets were optimized specifically for use with the correlation 

consistent basis sets, which  is why they were selected, and have been reported to reproduce 

conventional MP2 correlation energies withing 101 μEh per atom  in molecules containing first 

and second row atoms.181 

The results of the test calculations described above  for H2P+, Cl‐, CH3

‐, NH2‐, OH‐, SiH3

‐, 

PH2‐, SH‐, CN‐, NH4

+, H3O+, C2H3

+, SiH5+, PH4

+, H3S+, and H2Cl

+ are listed in Table 7.1 according to 

146  

the auxiliary basis sets used. The relative energy differences of RI‐ccCA, as compared with ccCA, 

are shown  in the table, as well as the relative computational cost of RI‐ccCA  in terms of CPU 

time and disk space. Overall, a computational savings is observed in each RI implementation of 

Table 7.1, except  for  a  few  isolated  cases  (i.e. Cl‐, OH‐,  and  SH‐). A mean  absolute deviation 

(MAD) of 213 mEh  is observed  in the test set when the cc‐pV(n+1)Z(unc) auxiliary set  is used. 

Employing  the  JKFIT  auxiliary  basis  sets  in  the  RI‐SCF  reference  calculation  and  using  the 

cc‐pV(n+1)Z(unc) auxiliary sets in the RI‐MP2 step lowers the MAD of the energies dramatically 

(compared with the previous approach) to 0.296 mEh. Thus, the JKFIT sets have demonstrated 

much  better  accuracy  than  the  cc‐pV(n+1)Z(unc)  set  as  the  auxiliary  basis  set  in  RI‐SCF 

calculations. Comparing the different auxiliary basis sets used in the RI‐MP2 step shows the cc‐

pVnZ‐RI  basis  sets  of Weigend  et  al.  to  have  the  lower MAD  in  total  energies  (0.270 mEh), 

relative  to  ccCA.  In  light  of  these  test  calculations,  it  is  recommended  that  the  RI‐ccCA 

implementation use  the  JKFIT auxiliary basis sets  in  the RI‐SCF  reference calculations and  the 

cc‐pVnZ‐RI  basis  sets  in  the  RI‐MP2  and  RI‐LCCSD(T)  steps  of  (7.14).  This  recommended 

formulation is employed from here on in this investigation. 

 

7.3.3 Energetic Properties 

Total  energies  computed with  ccCA,  RI‐ccCA,  and  RI‐ccCA+L  listed  in  Table  7.2.  The 

largest difference  in  total energies between  ccCA and RI‐ccCA  is 2.214 mEh which occurs  for 

SiCl4, while the smallest difference between the two methods is 0.007 mEh, which occurs for H2. 

The average difference  in  total energies between  ccCA and RI‐ccCA  for  the entire  test  set  is 

0.433 mEh. The  total energy differences between RI‐ccCA+L and  ccCA are almost an order of 

147  

magnitude larger than those of RI‐ccCA and ccCA. The average total energy difference between 

RI‐ccCA+L  and  ccCA  is  4.193  mEh,  with  the  worst  difference  being  14.231  mEh  for  ClF3. 

Examining each additive component  (included  in  the supplemental material of  the submitted 

manuscript)201 of the RI‐ccCA reveals that the  largest differences relative to the ccCA method 

occur in the core‐valence and scalar relativistic steps. There is no total energy difference larger 

than  1.0  kcal/mol  between  the  original  ccCA  coupled  cluster  step  and  the  RI‐ccCA  coupled 

cluster step in any of the molecules studied. 

Enthalpies  of  formation  computed  at  298  K  are  listed  in  Table  7.3.  Overall,  good 

agreement  is  observed  between  ccCA  and  RI‐ccCA.  The  largest  deviation  of  the  RI‐ccCA 

enthalpies  of  formation  from  those  of  ccCA,  not  surprisingly,  comes  from  SiCl4  and  is 

1.39 kcal/mol. The MAD of RI‐ccCA enthalpies of formation from ccCA for the entire test set is 

0.27 kcal/mol. The minimum and maximum deviations  from experiment are  similar between 

RI‐ccCA and ccCA, and the MAD  is 1.00 and 1.03 kcal/mol, respectively, for each method. The 

average  difference  between  ccCA  and  RI‐ccCA+L  enthalpies  of  formation  is  an  order  of 

magnitude  larger  than  those of RI‐ccCA and ccCA at 2.63 kcal/mol, with  the  largest deviation 

being  8.93  kcal/mol  from  ClF3.  Compared  with  experiment,  RI‐ccCA+L  has  a  MAD  of 

2.30 kcal/mol, and deviates the worst by 9.20 kcal/mo in the enthalpy of formation of SiF4. 

 

7.3.4 Computational Cost 

The  CPU  time  and  disk  space  savings  of  RI‐ccCA  and RI‐ccCA+L,  relative  to  ccCA,  are 

provided in Table 7.4. The relative CPU times range from 10% more computational time (worst 

case: FH) to 94% less time (best case: C2H6), with an average CPU time savings of 72% compared 

148  

with ccCA. Employing RI‐ccCA+L affords a slightly better average CPU time savings of 76% and 

97% savings  in the best case, but  increases the computational cost to 129%  in the worst case 

(H2). Comparing RI‐ccCA  to RI‐ccCA+L, we observe an average CPU  time savings of 28% using 

RI‐ccCA+L,  and  in  the  best  case,  an  86%  CPU  time  reduction  is  observed  using  RI‐ccCA+L. 

Overall,  for  the  test  set we have employed,  the RI‐ccCA+L method affords  lower CPU  times. 

 

  Figure 7.1  CPU times of RI‐ccCA (top) and RI‐ccCA+L (bottom) versus ccCA; each data pointrepresents a molecule in the test set. 

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05

RI‐ccCA CPU

 Tim

e (s)

ccCA CPU Time (s)

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05

RI‐ccCA+L CPU

 Tim

e (s)

ccCA CPU Time (s)

149  

Further, dramatic reductions in the disk space requirements are observed, ranging from 84% to 

99% for RI‐ccCA, compared with ccCA, with an average disk space savings of 97%; and ranging 

from 77% to almost 100% for RI‐ccCA+L, with an average savings of 96%. Comparing RI‐ccCA to 

RI‐ccCA+L,  an  average  17%  less  disk  space  is  required  in  the  latter.  In  the  largest molecule 

examined,  benzene,  the  disk  space  saved  using  RI‐ccCA  and  RI‐ccCA+L  is  97%  and  98%, 

respectively.  Further,  for  the  series  CH3Cl,  CH3CH2Cl,  and  CH3CH2CH2Cl,  the  CPU  time  saved 

employing RI‐ccCA over ccCA  is 87%, 89%, and 93%, respectively, while using RI‐ccCA on each 

molecule  affords  a  98%  disk  space  savings  over  ccCA.  Using  RI‐ccCA+L  on  the  same  series 

produces CPU  time  savings of 84%, 90%, and 96%%,  respectively, with disk  space  savings of 

99% over ccCA. 

The  CPU  time  and  disk  space  savings  of  RI‐ccCA  and RI‐ccCA+L,  relative  to  ccCA,  are 

reflected in Figure 7.1 and Figure 7.2, respectively. Figure 7.1 clearly demonstrates that the use 

of the RI approximation does not always result in a computational time savings, as is seen in the 

left‐most  three points  in  the plots  (cf.  the Cl‐ atom and OH‐ and SH‐ diatomics of Table 7.1). 

Employing the RI‐ccCA+L method exacerbates this phenomenon, as  is seen  in the bottom plot 

of  Figure  7.1  in which  the  left‐most  three  points  are  above  the  line  indicating  a  CPU  time 

increase  relative  to  ccCA.  However,  as  Figure  7.1  shows,  there  is  clearly  more  of  a 

computational time savings using RI‐ccCA+L over RI‐ccCA since the calculations that require the 

most computational time are lower on the vertical axis of the bottom plot than in the top plot. 

As  Figure  7.2  demonstrates,  there  is  always  a  clear  disk  space  savings when  RI‐ccCA  or  RI‐

ccCA+L is used, compared with ccCA. 

150  

In general, it is observed that there is a correlation between molecular size and amount 

of computational  resources needed  for RI‐ccCA and RI‐ccCA+L, compared with ccCA, which  is 

demonstrated  in  Figure  7.3.  The  values  shown  are  averages  over  each  group  of molecules 

containing  a  certain number of  atoms. There  is  a  clear  increase  in both CPU  and disk  space 

savings  as molecular  size  increases.  The  ‘cross‐over’  point  at  which  the  RI‐ccCA+L method 

 

  

Figure 7.2  Disk space usage of RI‐ccCA (top) and RI‐ccCA+L (bottom) versus ccCA; each datapoint represents a molecule in the test set. 

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+06

1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06

RI‐ccCA Disk Usage

 (MB)

ccCA Disk Usage (MB)

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+06

1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06

RI‐ccCA

+L Disk Usage

 (MB)

ccCA Disk Usage (MB)

151  

becomes more  efficient  in  CPU  time  is  observed  to  be  between  three  and  four  atoms  in  a 

molecule, while the point is between four and five atoms in terms of disk space. 

Practical experience has shown that the computational bottlenecks in the original ccCA 

formulation are the MP2/aug‐cc‐pVQZ step  in the calculation of the reference energy and the 

MP2(full)/aug‐cc‐pCVTZ core‐valence step. Although the CCSD(T) step formally scales as  , 

versus the   scaling of MP2 (  is the number of basis functions), the drastic difference in 

the size of the basis sets used between the CCSD(T)/cc‐pVTZ and the MP2/aug‐cc‐pVQZ steps 

makes  the  MP2  step  more  computationally  demanding.  In  the  core‐valence  step,  the 

correlation  of  the  (n‐1)s  and  (n‐1)p  orbitals  precludes  this  step  as  more  computationally 

demanding than the CCSD(T) step. An analysis of each step  in RI‐ccCA with the corresponding 

 Figure 7.3  Correlation between molecular size and average CPU time and disk space savedusing RI‐ccCA and RI‐ccCA+L, relative to ccCA. 

50%

55%

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Savings Relative to ccCA

Number of Atoms

CPU (RI‐ccCA)

CPU (RI‐ccCA+L)

Disk (RI‐ccCA)

Disk (RI‐ccCA+L)

152  

step  in  the  original  ccCA  implementation  shows  that  every  molecule  of  this  study  has  a 

significant CPU time reduction in the MP2/aug‐cc‐pVQZ step – the average CPU reduction being 

91%. Further, 95 of the 102 molecules of this study have a significant CPU time reduction in the 

MP2(full)/aug‐cc‐pCVTZ step as well, with an average CPU  time  reduction of 77%. Thus, both 

bottlenecks  of  the  original  ccCA  implementation  are  greatly  reduced  when  the  RI 

approximation is invoked. 

 

7.4 Conclusions 

A  new  formulation  of  the  ccCA method  employing  the  RI  approximation  in  the MP2 

steps  has  been  developed  and  benchmarked  for  total  energies,  atomization  energies,  and 

enthalpies of formation for a test set containing 102 molecules containing first and second row, 

main group atoms. This new  formulation of ccCA, denoted RI‐ccCA, reproduces total energies 

within 0.433 mEh, on average, compared to the original  implementation of ccCA. Further, the 

average  error  in  enthalpies  of  formation  introduced  by  the  RI  approximation  in  ccCA  is 

0.27 kcal/mol.  There  are  dramatic  CPU  time  and  disk  space  reductions  afforded  by  using 

RI‐ccCA over ccCA, both of which correlate with molecular size. The average CPU time reduction 

by RI‐ccCA over ccCA for our test set  is 72%, while the average disk space reduction  is 97%. If 

the conventional CCSD(T)  step of ccCA  is  replaced with DF‐LCCSD(T),  then  the computational 

cost of RI‐ccCA may be  further  reduced when  larger molecules are  to be  investigated.  It has  

been  shown here  that employing RI‐ccCA+L  in molecules  composed of  four, or more,  atoms 

affords a greater computational savings in terms of CPU time and disk space than with RI‐ccCA: 

the average CPU time reduction  for RI‐ccCA+L being 76% with a disk space reduction of 96%, 

153  

relative to ccCA. However, employing RI‐ccCA+L results  in an average deviation from the ccCA 

total energies of 4.193 mEh and 2.63 kcal/mol in enthalpies of formation. 

In summary, the RI‐ccCA method  is recommended as a means to significantly reducing 

the computational cost of ccCA calculations, thus accessing much larger molecules in correlated 

ab  initio  computations.  The  original  ccCA method  is  limited  severely  by  bottlenecks  in  the 

MP2/aug‐cc‐pVQZ reference energy step and MP2(full)/aug‐cc‐pCVTZ core‐valence energy step; 

RI‐ccCA  has  demonstrated  that  these  bottlenecks  can  successfully  be  overcome without  the 

introduction of significant error. When even larger molecules (i.e. 14, or more, atoms) are to be 

studied,  RI‐ccCA+L  affords  greater  computational  cost  reduction,  but  at  a  significant  (i.e. 

>1.0 kcal/mol) cost in accuracy relative to ccCA. 

154  

Table 7.1  Differences between ccCA and RI‐ccCA total energies (mEh), relative CPU times, and relative disk space using different combinations of RI‐SCF and RI‐MP2 auxiliary basis sets.a 

RI‐SCF:  cc‐pV(n+1)Z (unc)  JKFIT JKFIT RI‐MP2:  cc‐pV(n+1)Z (unc)  cc‐pV(n+1)Z (unc) cc‐pVnZ‐RI

Molecule  ΔE  ΔCPUb  ΔDisk ΔE ΔCPU ΔDisk ΔE  ΔCPU  ΔDisk

H2P+  350.516  ‐41%  ‐97% 0.099 ‐48% ‐97% 0.497  ‐50%  ‐97%Cl‐  474.637  140%  ‐66% ‐0.875 132% ‐67% 0.068  137%  ‐67%CH3

‐  0.254  ‐65%  ‐98% 0.026 ‐69% ‐98% ‐0.228  ‐69%  ‐98%H2N

‐  0.264  ‐35%  ‐97% 0.106 ‐40% ‐97% ‐0.198  ‐46%  ‐97%HO‐  0.261  57%  ‐89% 0.152 33% ‐89% ‐0.286  35%  ‐89%H3Si

‐  327.021  ‐64%  ‐98% 0.208 ‐72% ‐98% 0.445  ‐71%  ‐98%H2P

‐  356.559  ‐42%  ‐97% ‐0.197 ‐48% ‐97% 0.254  ‐48%  ‐97%HS‐  404.713  22%  ‐89% ‐0.622 2% ‐89% ‐0.040  4%  ‐89%CN‐  0.315  ‐20%  ‐93% 0.485 ‐30% ‐93% 0.113  ‐29%  ‐93%H4N

+  0.147  ‐82%  ‐99% 0.278 ‐85% ‐99% 0.072  ‐84%  ‐99%H3O

+  0.075  ‐69%  ‐98% 0.328 ‐74% ‐98% 0.072  ‐73%  ‐98%C2H3

+  0.284  ‐78%  ‐98% 0.437 ‐82% ‐98% 0.126  ‐82%  ‐98%H5Si

+  319.564  ‐85%  ‐98% 0.269 ‐87% ‐98% 0.495  ‐87%  ‐98%H4P

+  341.686  ‐79%  ‐98% 0.158 ‐82% ‐98% 0.570  ‐83%  ‐98%H3S

+  389.406  ‐68%  ‐98% ‐0.066 ‐74% ‐98% 0.439  ‐73%  ‐98%ClH2

+  446.055  ‐42%  ‐97% ‐0.421 ‐53% ‐97% 0.422  ‐50%  ‐97%

MAD  213.235  ‐‐‐  ‐‐‐  0.296 ‐‐‐  ‐‐‐  0.270  ‐‐‐  ‐‐‐ Average  213.235  ‐34%  ‐94% 0.023 ‐42% ‐94% 0.176  ‐42%  ‐94%Worst  474.637  140%  ‐66% 0.875 132% ‐67% 0.570  137%  ‐67%Best  0.075  ‐85%  ‐99% 0.026 ‐87% ‐99% 0.040  ‐87%  ‐99%a. The designation unc denotes an uncontracted basis set, while n+1 indicates the use of the next highest ζ‐

level basis set as an auxiliary basis set; diffuse or core‐valence functions where employed as appropriate. b. A negative CPU time indicates a savings, while a positive CPU time indicates additional computational cost 

relative to the ccCA formulation.  

155  

Table 7.2  Total  energies  (Eh)  computed  with  ccCA,  RI‐ccCA,  and  RI‐ccCA+L;  differences (mEh) are relative to the ccCA energies. 

Molecule  ccCA RI‐ccCA Δ RI‐ccCA+L  Δ

H2  ‐1.175407 ‐1.175400 0.007 ‐1.175435 ‐0.029FH  ‐100.542079 ‐100.542018 0.062 ‐100.541326 0.753CO  ‐113.382281 ‐113.382141 0.140 ‐113.381165 1.116N2  ‐109.589789 ‐109.589645 0.144 ‐109.588652 1.136ClH  ‐462.098616 ‐462.098244 0.372 ‐462.097963 0.653F2  ‐199.691783 ‐199.691647 0.136 ‐199.690894 0.888CS  ‐437.190630 ‐437.190179 0.451 ‐437.189259 1.371SiO  ‐365.257919 ‐365.257305 0.614 ‐365.256470 1.449FCl  ‐561.342347 ‐561.341851 0.496 ‐561.338518 3.830P2  ‐684.080694 ‐684.079763 0.931 ‐684.078040 2.654Cl2  ‐922.948692 ‐922.947899 0.793 ‐922.946226 2.466CH2 (

1A1)  ‐39.143711 ‐39.143654 0.058 ‐39.143045 0.666H2O  ‐76.486631 ‐76.486570 0.061 ‐76.484975 1.655HCN  ‐93.465715 ‐93.465588 0.128 ‐93.464445 1.271SiH2 (

1A1)  ‐291.083557 ‐291.083118 0.440 ‐291.082906 0.651H2S  ‐400.355464 ‐400.355073 0.391 ‐400.354201 1.263CO2  ‐188.702734 ‐188.702538 0.196 ‐188.699995 2.739N2O  ‐184.770279 ‐184.770111 0.168 ‐184.768027 2.252O3  ‐225.572994 ‐225.572791 0.203 ‐225.568743 4.252HOCl  ‐537.306204 ‐537.305728 0.477 ‐537.301985 4.220F2O  ‐274.892314 ‐274.892085 0.229 ‐274.889664 2.650OCS (1Σ+)  ‐512.564911 ‐512.564404 0.508 ‐512.561960 2.951SO2  ‐549.702915 ‐549.701722 1.193 ‐549.698728 4.186ClNO  ‐591.458141 ‐591.457653 0.488 ‐591.452826 5.315CS2  ‐836.424684 ‐836.423843 0.841 ‐836.421280 3.405NH3  ‐56.588920 ‐56.588850 0.070 ‐56.586946 1.974C2H2  ‐77.353816 ‐77.353694 0.122 ‐77.352388 1.428CH2O  ‐114.565162 ‐114.565025 0.137 ‐114.563153 2.009PH3  ‐343.833344 ‐343.832821 0.522 ‐343.831837 1.507H2O2  ‐151.657387 ‐151.657257 0.130 ‐151.655386 2.001C2N2 (cyanogen)  ‐185.731564 ‐185.731322 0.241 ‐185.731833 ‐0.270CF2O  ‐313.267733 ‐313.267447 0.286 ‐313.262409 5.324BF3  ‐324.849794 ‐324.849496 0.298 ‐324.838528 11.266

(continued on next page)

156  

Table 7.2 (continued)  

Molecule  ccCA RI‐ccCA Δ RI‐ccCA+L  Δ

NF3  ‐354.385557 ‐354.385217 0.340 ‐354.379991 5.566AlF3  ‐542.788964 ‐542.787986 0.978 ‐542.779940 9.025PF3  ‐641.973120 ‐641.972078 1.042 ‐641.963711 9.408ClF3  ‐761.076734 ‐761.075790 0.944 ‐761.062503 14.231BCl3  ‐1409.452639 ‐1409.451398 1.242 ‐1409.444572 8.068AlCl3  ‐1627.434618 ‐1627.433047 1.571 ‐1627.427542 7.076CH4  ‐40.524638 ‐40.524577 0.061 ‐40.522940 1.698SiH4  ‐292.354689 ‐292.354178 0.511 ‐292.353490 1.199H2CCO  ‐152.671361 ‐152.671160 0.200 ‐152.667884 3.477HCOOH  ‐189.881673 ‐189.881471 0.202 ‐189.878317 3.356CH3Cl  ‐501.412376 ‐501.411928 0.448 ‐501.408947 3.429CH2F2  ‐239.182375 ‐239.182172 0.202 ‐239.177620 4.755CHF3  ‐338.531489 ‐338.531202 0.287 ‐338.523792 7.698CH2Cl2  ‐962.300361 ‐962.299511 0.851 ‐962.295417 4.945CF4  ‐437.876533 ‐437.876153 0.380 ‐437.865977 10.556SiF4  ‐690.014081 ‐690.012771 1.309 ‐690.000711 13.370CHCl3  ‐1423.185544 ‐1423.184278 1.266 ‐1423.179789 5.755CCl4  ‐1884.065161 ‐1884.063465 1.695 ‐1884.059607 5.554SiCl4  ‐2136.160888 ‐2136.158674 2.214 ‐2136.151404 9.484C2H4  ‐78.607303 ‐78.607174 0.130 ‐78.604732 2.572CH3OH  ‐115.787113 ‐115.786990 0.122 ‐115.784263 2.850H4N2  ‐111.925364 ‐111.925217 0.148 ‐111.922832 2.533CH3CN  ‐132.802880 ‐132.802697 0.183 ‐132.801448 1.432CH2CHF  ‐177.937846 ‐177.937642 0.203 ‐177.933273 4.573CH3SH  ‐439.673890 ‐439.673417 0.474 ‐439.669506 4.385C2H2O2 (glyoxal)  ‐227.947083 ‐227.946801 0.282 ‐227.943490 3.593CH2CHCl  ‐539.502427 ‐539.501902 0.525 ‐539.498001 4.426CF3CN  ‐430.787698 ‐430.787283 0.415 ‐430.777846 9.852C2F4  ‐475.907903 ‐475.907454 0.449 ‐475.896113 11.791C2Cl4  ‐1922.168969 ‐1922.167177 1.792 ‐1922.160485 8.484CH3NH2  ‐95.895784 ‐95.895655 0.130 ‐95.893119 2.665C3H4 (propyne)  ‐116.685968 ‐116.685792 0.176 ‐116.684600 1.368C3H4 (allene)  ‐116.683773 ‐116.683570 0.202 ‐116.680163 3.610C3H4 (cyclopropene)  ‐116.648595 ‐116.648407 0.188 ‐116.644572 4.023

(continued on next page)

157  

Table 7.2 (continued)  

Molecule  ccCA RI‐ccCA Δ RI‐ccCA+L  Δ

CH3CHO  ‐153.902179 ‐153.901977 0.201 ‐153.899086 3.093C2H4O (oxirane)  ‐153.860359 ‐153.860181 0.178 ‐153.857261 3.098CH2CHCN  ‐170.889667 ‐170.889421 0.247 ‐170.888004 1.664C2H4S (thiirane)  ‐477.769073 ‐477.768548 0.524 ‐477.763997 5.076CH3NO2  ‐245.153126 ‐245.152849 0.278 ‐245.150450 2.676CH3ONO  ‐245.148955 ‐245.148682 0.273 ‐245.144513 4.443CH3COF  ‐253.263187 ‐253.262916 0.271 ‐253.257901 5.286CH3COCl  ‐614.814794 ‐614.814212 0.582 ‐614.808962 5.832C2H6  ‐79.845000 ‐79.844877 0.123 ‐79.842448 2.553C2H5N (aziridine)  ‐133.969353 ‐133.969166 0.187 ‐133.966802 2.551CH3SiH3  ‐331.693833 ‐331.693237 0.596 ‐331.689192 4.641CH3COOH  ‐229.216864 ‐229.216597 0.267 ‐229.212217 4.646Si2H6  ‐583.527283 ‐583.526269 1.014 ‐583.523184 4.100CH3CH2Cl  ‐540.739582 ‐540.739070 0.513 ‐540.735142 4.440C3H6 (propene)  ‐117.935232 ‐117.935038 0.194 ‐117.932089 3.143C3H6 (cyclopropane)  ‐117.923244 ‐117.923064 0.180 ‐117.920378 2.866CH3CH2SH  ‐478.998514 ‐478.997979 0.535 ‐478.993309 5.205CH3SCH3  ‐478.996589 ‐478.996026 0.562 ‐478.989100 7.488C4H4O (furan)  ‐230.115063 ‐230.114735 0.328 ‐230.110649 4.414C4H4S (thiophene)  ‐554.015825 ‐554.015100 0.725 ‐554.008405 7.421C4H6 (trans‐butadiene)  ‐156.030557 ‐156.030298 0.258 ‐156.027003 3.554C4H6 (methylene cyclopropane)  ‐155.998952 ‐155.998703 0.249 ‐155.995909 3.043C4H6 (bicyclo[1.1.0]butane)  ‐155.987935 ‐155.987705 0.230 ‐155.986121 1.814C4H6 (cyclobutene)  ‐156.012210 ‐156.011959 0.252 ‐156.008233 3.978CH3COCH3  ‐193.237065 ‐193.236802 0.263 ‐193.232670 4.395C4H5N (pyrrole)  ‐210.238145 ‐210.237822 0.323 ‐210.233647 4.498CH3CH2CH3  ‐119.168795 ‐119.168616 0.179 ‐119.165132 3.663CH3CH2CH2Cl  ‐580.063634 ‐580.063067 0.567 ‐580.057960 5.673C4H8 (cyclobutane)  ‐157.249681 ‐157.249437 0.244 ‐157.246822 2.859C4H8 (isobutene)  ‐157.264516 ‐157.264266 0.250 ‐157.260594 3.922CH3CHOHCH3  ‐194.445233 ‐194.444984 0.249 ‐194.438735 6.499C6H6 (benzene)  ‐232.305096 ‐232.304724 0.372 ‐232.298473 6.622N(CH3)3  ‐174.526943 ‐174.526693 0.250 ‐174.521397 5.546CH3OCH2CH3  ‐194.424232 ‐194.423989 0.243 ‐194.418414 5.818

(continued on next page)

158  

Table 7.2 (continued)  

Molecule  ccCA RI‐ccCA Δ RI‐ccCA+L  Δ

C5H8 (spiropentane)  ‐195.318795 ‐195.318505 0.291 ‐195.314928 3.867C4H10 (trans‐butane)  ‐158.492755 ‐158.492504 0.251 ‐158.487871 4.884C4H10 (isobutane)  ‐158.495109 ‐158.494867 0.242 ‐158.490073 5.036

Average 0.433 4.193Best 0.007 ‐0.270

Worst 2.214 14.231

 

 

159  

Table 7.3  Enthalpies of formation (ΔHf°) at 298 K (kcal/mol) computed with ccCA, RI‐ccCA, and RI‐ccCA+L.  

Molecule  Expt. ccCA Δexpt RI‐ccCA ΔccCA  Δexpt RI‐ccCA+L ΔccCA Δexpt

H2  0.00 ‐1.09 ‐1.09 ‐1.08 0.00 ‐1.08 ‐1.11 ‐0.02 ‐1.11FH  ‐65.10 ‐66.68 ‐1.58 ‐66.64 0.04 ‐1.54 ‐66.21 0.47 ‐1.11CO  ‐26.40 ‐27.18 ‐0.78 ‐27.10 0.09 ‐0.70 ‐26.48 0.70 ‐0.08N2  0.00 ‐0.71 ‐0.71 ‐0.62 0.09 ‐0.62 0.01 0.71 0.01ClH  ‐22.10 ‐22.84 ‐0.74 ‐22.60 0.23 ‐0.50 ‐22.43 0.41 ‐0.33F2  0.00 0.08 0.08 0.16 0.09 0.16 0.64 0.56 0.64CS  66.90 66.81 ‐0.09 67.09 0.28 0.19 67.67 0.86 0.77SiO  ‐24.60 ‐23.59 1.01 ‐23.21 0.39 1.39 ‐22.68 0.91 1.92FCl  ‐13.20 ‐13.82 ‐0.62 ‐13.51 0.31 ‐0.31 ‐11.41 2.40 1.79P2  34.30 34.91 0.61 35.50 0.58 1.20 36.58 1.67 2.28Cl2  0.00 0.11 0.11 0.60 0.50 0.60 1.65 1.55 1.65CH2 (

1A1)  102.50 101.65 ‐0.85 101.69 0.04 ‐0.81 102.07 0.42 ‐0.43H2O  ‐57.80 ‐60.61 ‐2.81 ‐60.57 0.04 ‐2.77 ‐59.57 1.04 ‐1.77HCN  31.50 30.87 ‐0.63 30.95 0.08 ‐0.55 31.67 0.80 0.17SiH2 (

1A1)  65.20 63.22 ‐1.98 63.50 0.28 ‐1.70 63.63 0.41 ‐1.57H2S  ‐4.90 ‐6.14 ‐1.24 ‐5.89 0.25 ‐0.99 ‐5.34 0.79 ‐0.44CO2  ‐94.10 ‐94.43 ‐0.33 ‐94.30 0.12 ‐0.20 ‐92.71 1.72 1.39N2O  19.60 19.28 ‐0.32 19.38 0.11 ‐0.22 20.69 1.41 1.09O3  34.10 35.49 1.39 35.62 0.13 1.52 38.16 2.67 4.06HOCl  ‐17.80 ‐19.18 ‐1.38 ‐18.88 0.30 ‐1.08 ‐16.53 2.65 1.27F2O  5.90 6.19 0.29 6.33 0.14 0.43 7.85 1.66 1.95OCS (1Σ+)  ‐33.10 ‐34.33 ‐1.23 ‐34.01 0.32 ‐0.91 ‐32.48 1.85 0.62SO2  ‐70.90 ‐71.11 ‐0.21 ‐70.36 0.75 0.54 ‐68.48 2.63 2.42

(continued on next page)

160  

Table 7.3 (continued)  

Molecule  Expt. ccCA Δexpt RI‐ccCA ΔccCA  Δexpt RI‐ccCA+L ΔccCA Δexpt

ClNO  12.40 13.23 0.83 13.54 0.31 1.14 16.57 3.34 4.17CS2  28.00 27.42 ‐0.58 27.95 0.53 ‐0.05 29.55 2.14 1.55NH3  ‐11.00 ‐12.44 ‐1.44 ‐12.40 0.04 ‐1.40 ‐11.20 1.24 ‐0.20C2H2  54.20 54.78 0.58 54.86 0.08 0.66 55.68 0.90 1.48CH2O  ‐26.00 ‐27.07 ‐1.07 ‐26.99 0.09 ‐0.99 ‐25.81 1.26 0.19PH3  1.30 0.77 ‐0.53 1.09 0.33 ‐0.21 1.71 0.95 0.41H2O2  ‐32.50 ‐33.72 ‐1.22 ‐33.64 0.08 ‐1.14 ‐32.46 1.26 0.04C2N2 (cyanogen)  73.30 74.98 1.68 75.13 0.15 1.83 74.81 ‐0.17 1.51CF2O  ‐149.10 ‐145.47 3.63 ‐145.29 0.18 3.81 ‐142.13 3.34 6.97BF3  ‐271.40 ‐270.52 0.88 ‐270.33 0.19 1.07 ‐263.45 7.07 7.95NF3  ‐31.60 ‐31.87 ‐0.27 ‐31.66 0.21 ‐0.06 ‐28.38 3.49 3.22AlF3  ‐289.00 ‐290.15 ‐1.15 ‐289.54 0.61 ‐0.54 ‐284.49 5.66 4.51PF3  ‐229.10 ‐228.41 0.69 ‐227.76 0.65 1.34 ‐222.51 5.90 6.59ClF3  ‐38.00 ‐39.08 ‐1.08 ‐38.49 0.59 ‐0.49 ‐30.15 8.93 7.85BCl3  ‐96.30 ‐94.73 1.57 ‐93.95 0.78 2.35 ‐89.67 5.06 6.63AlCl3  ‐139.70 ‐141.26 ‐1.56 ‐140.27 0.99 ‐0.57 ‐136.82 4.44 2.88CH4  ‐17.90 ‐18.76 ‐0.86 ‐18.73 0.04 ‐0.83 ‐17.70 1.07 0.20SiH4  8.20 6.58 ‐1.62 6.90 0.32 ‐1.30 7.33 0.75 ‐0.87H2CCO  ‐11.40 ‐11.66 ‐0.26 ‐11.54 0.13 ‐0.14 ‐9.48 2.18 1.92HCOOH  ‐90.50 ‐91.52 ‐1.02 ‐91.39 0.13 ‐0.89 ‐89.41 2.11 1.09CH3Cl  ‐19.60 ‐20.40 ‐0.80 ‐20.12 0.28 ‐0.52 ‐18.25 2.15 1.35CH2F2  ‐107.70 ‐108.78 ‐1.08 ‐108.65 0.13 ‐0.95 ‐105.80 2.98 1.90CHF3  ‐166.60 ‐167.33 ‐0.73 ‐167.15 0.18 ‐0.55 ‐162.49 4.83 4.11

(continued on next page)

161  

Table 7.3 (continued)  

Molecule  Expt. ccCA Δexpt RI‐ccCA ΔccCA  Δexpt RI‐ccCA+L ΔccCA Δexpt

CH2Cl2  ‐22.80 ‐22.79 0.01 ‐22.25 0.53 0.55 ‐19.68 3.10 3.12CF4  ‐223.00 ‐223.70 ‐0.70 ‐223.46 0.24 ‐0.46 ‐217.08 6.62 5.92SiF4  ‐386.00 ‐385.19 0.81 ‐384.37 0.82 1.63 ‐376.80 8.39 9.20CHCl3  ‐24.70 ‐23.77 0.93 ‐22.97 0.79 1.73 ‐20.16 3.61 4.54CCl4  ‐22.90 ‐22.00 0.90 ‐20.94 1.06 1.96 ‐18.52 3.48 4.38SiCl4  ‐158.40 ‐157.13 1.27 ‐155.74 1.39 2.66 ‐151.18 5.95 7.22C2H4  12.50 11.92 ‐0.58 12.00 0.08 ‐0.50 13.54 1.61 1.04CH3OH  ‐48.20 ‐49.58 ‐1.38 ‐49.50 0.08 ‐1.30 ‐47.79 1.79 0.41H4N2  22.80 21.29 ‐1.51 21.38 0.09 ‐1.42 22.88 1.59 0.08CH3CN  17.70 17.60 ‐0.10 17.71 0.11 0.01 18.50 0.90 0.80CH2CHF  ‐33.20 ‐34.66 ‐1.46 ‐34.53 0.13 ‐1.33 ‐31.79 2.87 1.41CH3SH  ‐5.50 ‐6.60 ‐1.10 ‐6.30 0.30 ‐0.80 ‐3.85 2.75 1.65C2H2O2 (glyoxal)  ‐50.70 ‐51.99 ‐1.29 ‐51.81 0.18 ‐1.11 ‐49.73 2.25 0.97CH2CHCl  8.90 5.01 ‐3.89 5.34 0.33 ‐3.56 7.79 2.78 ‐1.11CF3CN  ‐118.40 ‐118.54 ‐0.14 ‐118.28 0.26 0.12 ‐112.36 6.18 6.04C2F4  ‐157.40 ‐161.16 ‐3.76 ‐160.88 0.28 ‐3.48 ‐153.76 7.40 3.64C2Cl4  ‐5.80 ‐4.94 0.86 ‐3.82 1.12 1.98 0.38 5.32 6.18CH3NH2  ‐5.50 ‐6.60 ‐1.10 ‐6.51 0.08 ‐1.01 ‐4.92 1.67 0.58C3H4 (propyne)  44.20 44.50 0.30 44.61 0.11 0.41 45.36 0.86 1.16C3H4 (allene)  45.50 45.43 ‐0.07 45.55 0.13 0.05 47.69 2.27 2.19C3H4 (cyclopropene)  66.20 67.81 1.61 67.93 0.12 1.73 70.33 2.52 4.13CH3CHO  ‐39.70 ‐40.34 ‐0.64 ‐40.21 0.13 ‐0.51 ‐38.40 1.94 1.30C2H4O (oxirane)  ‐12.60 ‐13.34 ‐0.74 ‐13.22 0.11 ‐0.62 ‐11.39 1.94 1.21

(continued on next page)

162  

Table 7.3 (continued)  

Molecule  Expt. ccCA Δexpt RI‐ccCA ΔccCA  Δexpt RI‐ccCA+L ΔccCA Δexpt

CH2CHCN  43.20 45.44 2.24 45.59 0.15 2.39 46.48 1.04 3.28C2H4S (thiirane)  19.60 17.65 ‐1.95 17.98 0.33 ‐1.62 20.83 3.19 1.23CH3NO2  ‐17.80 ‐18.93 ‐1.13 ‐18.76 0.17 ‐0.96 ‐17.25 1.68 0.55CH3ONO  ‐15.90 ‐16.61 ‐0.71 ‐16.44 0.17 ‐0.54 ‐13.82 2.79 2.08CH3COF  ‐105.70 ‐106.22 ‐0.52 ‐106.05 0.17 ‐0.35 ‐102.91 3.32 2.79CH3COCl  ‐58.00 ‐58.55 ‐0.55 ‐58.18 0.37 ‐0.18 ‐54.89 3.66 3.11C2H6  ‐20.60 ‐21.18 ‐0.58 ‐21.10 0.08 ‐0.50 ‐19.57 1.60 1.03C2H5N (aziridine)  30.20 29.59 ‐0.61 29.71 0.12 ‐0.49 31.19 1.60 0.99CH3SiH3  ‐7.00 ‐7.34 ‐0.34 ‐6.96 0.37 0.04 ‐4.42 2.91 2.58CH3COOH  ‐103.40 ‐104.51 ‐1.11 ‐104.34 0.17 ‐0.94 ‐101.59 2.92 1.81Si2H6  19.00 16.58 ‐2.42 17.22 0.64 ‐1.78 19.15 2.57 0.15CH3CH2Cl  ‐26.80 ‐27.48 ‐0.68 ‐27.15 0.32 ‐0.35 ‐24.69 2.79 2.11C3H6 (propene)  4.80 4.20 ‐0.60 4.32 0.12 ‐0.48 6.18 1.97 1.38C3H6 (cyclopropane)  12.70 12.38 ‐0.32 12.49 0.11 ‐0.21 14.18 1.80 1.48CH3CH2SH  ‐11.10 ‐12.04 ‐0.94 ‐11.70 0.34 ‐0.60 ‐8.77 3.27 2.33CH3SCH3  ‐9.00 ‐10.23 ‐1.23 ‐9.87 0.35 ‐0.87 ‐5.53 4.70 3.47C4H4O (furan)  ‐8.30 ‐7.90 0.40 ‐7.70 0.21 0.60 ‐5.13 2.77 3.17C4H4S (thiophene)  27.50 27.56 0.06 28.01 0.46 0.51 32.21 4.66 4.71C4H6 (trans‐butadiene)  26.30 26.72 0.42 26.88 0.16 0.58 28.95 2.23 2.65C4H6 (methylene cyclopropane)  47.90 46.29 ‐1.61 46.45 0.16 ‐1.45 48.20 1.91 0.30C4H6 (bicyclo[1.1.0]butane)  51.90 53.63 1.73 53.78 0.14 1.88 54.77 1.14 2.87C4H6 (cyclobutene)  37.40 38.53 1.13 38.69 0.16 1.29 41.03 2.50 3.63CH3COCH3  ‐51.90 ‐53.63 ‐1.73 ‐53.46 0.16 ‐1.56 ‐50.87 2.76 1.03

(continued on next page)

163  

Table 7.3 (continued)  

Molecule  Expt. ccCA Δexpt RI‐ccCA ΔccCA  Δexpt RI‐ccCA+L ΔccCA Δexpt

C4H5N (pyrrole)  25.90 26.06 0.16 26.26 0.20 0.36 28.88 2.82 2.98CH3CH2CH3  ‐25.00 ‐26.19 ‐1.19 ‐26.07 0.11 ‐1.07 ‐23.89 2.30 1.11CH3CH2CH2Cl  ‐31.50 ‐33.22 ‐1.72 ‐32.87 0.36 ‐1.37 ‐29.66 3.56 1.84C4H8 (cyclobutane)  6.80 5.98 ‐0.82 6.13 0.15 ‐0.67 7.77 1.79 0.97C4H8 (isobutene)  ‐4.00 ‐5.15 ‐1.15 ‐4.99 0.16 ‐0.99 ‐2.68 2.46 1.32CH3CHOHCH3  ‐65.20 ‐65.71 ‐0.51 ‐65.56 0.16 ‐0.36 ‐61.64 4.08 3.56C6H6 (benzene)  19.70 20.95 1.25 21.19 0.23 1.49 25.11 4.16 5.41N(CH3)3  ‐5.70 ‐7.18 ‐1.48 ‐7.02 0.16 ‐1.32 ‐3.70 3.48 2.00CH3OCH2CH3  ‐51.70 ‐53.97 ‐2.27 ‐53.82 0.15 ‐2.12 ‐50.32 3.65 1.38C5H8 (spiropentane)  44.30 44.20 ‐0.10 44.38 0.18 0.08 46.62 2.43 2.32C4H10 (trans‐butane)  ‐30.00 ‐31.88 ‐1.88 ‐31.72 0.16 ‐1.72 ‐28.82 3.06 1.18C4H10 (isobutane)  ‐32.10 ‐33.07 ‐0.97 ‐32.91 0.15 ‐0.81 ‐29.91 3.16 2.19

Average ‐0.50 0.27 ‐0.23 2.63 2.13Minimum ‐3.89 0.00 ‐3.56 ‐0.17 ‐1.77Maximum 3.63 1.39 3.81 8.93 9.20

MAD 1.03 0.27 1.00 2.63 2.30

164  

Table 7.4  CPU times and disk space usage of RI‐ccCA and RI‐ccCA+L relative to ccCA.  

  CPU Disk 

Molecule  RI‐ccCA RI‐ccCA+L RI‐ccCA RI‐ccCA+L 

H2  ‐32% 129% ‐87% ‐91% FH  10% 58% ‐84% ‐84% CO  ‐45% ‐24% ‐90% ‐83% N2  ‐42% ‐19% ‐90% ‐83% ClH  ‐2% 36% ‐85% ‐79% F2  ‐40% ‐17% ‐89% ‐80% CS  ‐46% ‐27% ‐91% ‐81% SiO  ‐46% ‐25% ‐91% ‐78% FCl  ‐47% ‐31% ‐89% ‐79% P2  ‐57% ‐42% ‐90% ‐79% Cl2  ‐56% ‐44% ‐88% ‐77% CH2 (

1A1)  ‐66% ‐55% ‐96% ‐96% H2O  ‐66% ‐55% ‐96% ‐96% HCN  ‐57% ‐44% ‐94% ‐89% SiH2 (

1A1)  ‐61% ‐50% ‐97% ‐95% H2S  ‐66% ‐56% ‐96% ‐95% CO2  ‐70% ‐59% ‐93% ‐87% N2O  ‐60% ‐65% ‐96% ‐93% O3  ‐62% ‐69% ‐97% ‐96% HOCl  ‐58% ‐64% ‐97% ‐97% F2O  ‐59% ‐76% ‐97% ‐97% OCS (1Σ+)  ‐62% ‐68% ‐96% ‐93% SO2  ‐71% ‐77% ‐97% ‐96% ClNO  ‐60% ‐71% ‐97% ‐96% CS2  ‐64% ‐70% ‐96% ‐92% NH3  ‐86% ‐83% ‐98% ‐99% C2H2  ‐75% ‐70% ‐96% ‐93% CH2O  ‐80% ‐77% ‐97% ‐96% PH3  ‐83% ‐79% ‐98% ‐98% H2O2  ‐84% ‐83% ‐98% ‐98% C2N2 (cyanogen)  ‐66% ‐79% ‐97% ‐96% CF2O  ‐65% ‐85% ‐97% ‐97% BF3  ‐64% ‐87% ‐97% ‐97% 

(continued on next page) 

165  

Table 7.4 (continued)  

  CPU Disk 

Molecule  RI‐ccCA RI‐ccCA+L RI‐ccCA RI‐ccCA+L 

NF3  ‐61% ‐87% ‐98% ‐98% AlF3  ‐64% ‐86% ‐97% ‐96% PF3  ‐66% ‐87% ‐97% ‐98% ClF3  ‐56% ‐87% ‐97% ‐97% BCl3  ‐68% ‐88% ‐96% ‐97% AlCl3  ‐66% ‐86% ‐96% ‐96% CH4  ‐88% ‐86% ‐99% ‐99% SiH4  ‐86% ‐83% ‐98% ‐98% H2CCO  ‐74% ‐82% ‐98% ‐98% HCOOH  ‐74% ‐83% ‐98% ‐98% CH3Cl  ‐77% ‐84% ‐98% ‐99% CH2F2  ‐72% ‐85% ‐98% ‐99% CHF3  ‐67% ‐89% ‐98% ‐99% CH2Cl2  ‐72% ‐85% ‐98% ‐99% CF4  ‐63% ‐92% ‐98% ‐98% SiF4  ‐63% ‐91% ‐97% ‐98% CHCl3  ‐69% ‐91% ‐97% ‐98% CCl4  ‐66% ‐92% ‐97% ‐98% SiCl4  ‐69% ‐93% ‐96% ‐98% C2H4  ‐89% ‐89% ‐98% ‐98% CH3OH  ‐91% ‐91% ‐98% ‐99% H4N2  ‐91% ‐92% ‐98% ‐99% CH3CN  ‐79% ‐87% ‐98% ‐99% CH2CHF  ‐74% ‐81% ‐98% ‐99% CH3SH  ‐80% ‐87% ‐98% ‐99% C2H2O2 (glyoxal)  ‐72% ‐88% ‐98% ‐99% CH2CHCl  ‐76% ‐83% ‐98% ‐99% CF3CN  ‐66% ‐95% ‐98% ‐99% C2F4  ‐63% ‐95% ‐97% ‐98% C2Cl4  ‐68% ‐93% ‐96% ‐97% CH3NH2  ‐85% ‐89% ‐99% ‐99% C3H4 (propyne)  ‐83% ‐91% ‐99% ‐99% C3H4 (allene)  ‐84% ‐92% ‐98% ‐99% 

(continued on next page) 

166  

Table 7.4 (continued)  

  CPU Disk 

Molecule  RI‐ccCA RI‐ccCA+L RI‐ccCA RI‐ccCA+L 

C3H4 (cyclopropene)  ‐84% ‐91% ‐98% ‐99% CH3CHO  ‐80% ‐89% ‐98% ‐99% C2H4O (oxirane)  ‐82% ‐91% ‐98% ‐99% CH2CHCN  ‐78% ‐91% ‐98% ‐99% C2H4S (thiirane)  ‐80% ‐89% ‐98% ‐99% CH3NO2  ‐72% ‐90% ‐98% ‐99% CH3ONO  ‐74% ‐91% ‐98% ‐99% CH3COF  ‐73% ‐88% ‐98% ‐99% CH3COCl  ‐75% ‐89% ‐98% ‐99% C2H6  ‐94% ‐96% ‐99% ‐99% C2H5N (aziridine)  ‐83% ‐92% ‐99% ‐99% CH3SiH3  ‐84% ‐90% ‐99% ‐99% CH3COOH  ‐75% ‐90% ‐98% ‐99% Si2H6  ‐87% ‐92% ‐98% ‐99% CH3CH2Cl  ‐81% ‐90% ‐98% ‐99% C3H6 (propene)  ‐85% ‐94% ‐99% ‐100% C3H6 (cyclopropane)  ‐85% ‐94% ‐99% ‐100% CH3CH2SH  ‐80% ‐90% ‐98% ‐100% CH3SCH3  ‐83% ‐92% ‐98% ‐100% C4H4O (furan)  ‐73% ‐83% ‐98% ‐98% C4H4S (thiophene)  ‐75% ‐86% ‐98% ‐99% C4H6 (trans‐butadiene)  ‐85% ‐92% ‐97% ‐99% C4H6 (methylene cyclopropane) ‐88% ‐93% ‐98% ‐99% C4H6 (bicyclo[1.1.0]butane) ‐87% ‐92% ‐98% ‐99% C4H6 (cyclobutene)  ‐86% ‐89% ‐98% ‐99% CH3COCH3  ‐79% ‐92% ‐99% ‐100% C4H5N (pyrrole)  ‐75% ‐87% ‐98% ‐99% CH3CH2CH3  ‐89% ‐93% ‐98% ‐99% CH3CH2CH2Cl  ‐91% ‐96% ‐98% ‐99% C4H8 (cyclobutane)  ‐88% ‐94% ‐98% ‐99% C4H8 (isobutene)  ‐90% ‐96% ‐98% ‐99% CH3CHOHCH3  ‐90% ‐96% ‐98% ‐99% C6H6 (benzene)  ‐88% ‐94% ‐97% ‐98% 

(continued on next page) 

167  

Table 7.4 (continued)  

  CPU Disk 

Molecule  RI‐ccCA RI‐ccCA+L RI‐ccCA RI‐ccCA+L 

C5H8 (spiropentane)  ‐88% ‐96% ‐98% ‐99% C4H10 (trans‐butane)  ‐89% ‐97% ‐98% ‐99% C4H10 (isobutane)  ‐90% ‐97% ‐98% ‐99% 

Average ‐72% ‐76% ‐97% ‐96% Best ‐94% ‐97% ‐99% ‐100% 

Worst 10% 129% ‐84% ‐77% 

168  

CHAPTER 8 

A SYSTEMATIC INVESTIGATION OF DIHALOGEN‐μ‐DICHALCOGENIDES† 

8.1 Introduction 

Mixed halogen‐chalcogen species, in particular the fluorine‐ and oxygen‐containing class 

of compounds, have drawn much attention in the literature over the past seven decades both 

for their applications and unique bonding. Molecules containing a  fluorine‐oxygen bond, such 

as  FOOF,  have many  applications,  such  as  a  near‐room‐temperature  fluorinating  agent  for 

various  actinides  and  xenon.202‐205  Sometimes  referred  to  as  oxyfluorides,  these  compounds 

have  also been  reported  to be of use  in  various  rocket  fuels.206 They  are  also  speculated  to 

participate in various reactions of atmospheric importance, such as the depletion of ozone by a 

photolysis mechanism that produces FO radicals.207,208 The sulfur analog of FOOF, FSSF, has also 

been  implicated  in  the  depletion  of  ozone.209 Other  halogenated  persulfides,  ClSSCl,  BrSSBr, 

ClSeSeCl,  and  BrSeSeBr,  are  used  extensively  as  plasma  etchants  in manufacturing  various 

microelectronic  devices.210‐213  Disulfide  and  diselenide  bonds  are  particularly  important  in 

biological  systems,  specifically  cystine‐rich  proteins  in  the  case  of  disulfides. Molecules with 

disulfide bridges are studied to gain  insight  into the relationship between the strength of the 

S‐S  bond  with  respect  to  varying  the  terminal  substituents.  An  understanding  of  this 

relationship can provide insight into the structure‐activity relationship of proteins, especially in 

                                                       †  This  entire  chapter  is  adapted  from  B.P.  Prascher  and  A.K. Wilson,  “A  Computational  Study  of Dihalogen‐μ‐dichalcogenides: XAAX (X = F, Cl, Br; A = S, Se),” J. Mo. Struct. THEOCHEM, 2007, 814(1‐3), 1, with permission from Elsevier. 

169  

proteins where a disulfide bond is involved in the chemistry of the active site or if the disulfide 

bond stabilizes the tertiary structure of the protein.214‐218  

While  the  applications  of  FOOF  and  a  few  of  its  sulfur  analogs  are  known  in  the 

literature, there has been disagreement between computational and experimental geometries. 

In the earliest microwave spectroscopy experiment reported by Jackson219 on FOOF, a short O‐

O  bond  length  resembling  that  of  O2  and  a  long  F‐O  bond  relative  to  FO  were  observed. 

Subsequent reports  in the  literature fail to reproduce Jackson’s geometry,  instead reporting a 

peroxide‐like  (longer) O‐O  bond  and  shorter  F‐O  bonds.  A  careful  electron  diffraction  study 

undertaken  by  Hedberg  and  coworkers220  verified  the  structure  Jackson  had  observed,  and 

noted  that  a  better  understanding  of  the  structure  of  FOOF  is  crucial  to  elucidating  the 

mechanism by which its fluorinating abilities arise. 

The structure of FOOF has F‐O bond  lengths of 1.575 Å,219,220  longer than that of FO at 

1.354 Å.221 FOOF also has an O‐O bond length of 1.216 Å,219,220 resembling the oxygen molecule, 

1.208 Å,222,223 and not a typical peroxide (1.44 – 1.46 Å).224 From microwave spectroscopy, it is 

known  that  FSSF  also  has  a  short  A‐A  bond  and  long  A‐X  bonds.225‐228  Another  structural 

anomaly  of  XSSX  species  is  the  increase  in  the  S‐S  bond  length  when  the  halogen  size  is 

increased,229 a trend which is observed in XOOX species also.222,230  

The structural anomalies of FOOF have been addressed  in much detail elsewhere207 as 

the result of overlap between an oxygen lone pair orbital and the adjacent unoccupied F‐O σ* 

orbital – a phenomenon  called anomeric delocalization  (see Figure 8.1). This phenomenon  is 

not unique  to  the FOOF molecule, but also exists  in molecules  such as  α‐fluoroethers231 and 

other molecules where  highly  electronegative  atoms  are  in  close  proximity  to  one  another. 

170  

From an experimental standpoint, anomeric effects can account  for  the  shortened O‐O bond 

and  lengthened  F‐O  bond,  while,  computationally,  anomeric  effects  can  present  significant 

challenges  to  predicting  structures  accurately,  even  for  some  of  the  most  sophisticated 

theoretical approaches.232  

Computational methods  such  as multi‐reference  configuration  interaction  (MRCI)  and 

coupled  cluster  (CC) with basis  sets of  varying  sizes have been employed  to  study  the  FOOF 

molecule.232 Additionally,  composite  approaches  such  as Gaussian‐1  and Gaussian‐2  (G1  and 

G2, respectively) have been used to study FOOF.233 Both density functional theory (DFT) and CC 

methods reproduce the experimental geometry with the least amount of error compared with 

the other methods listed above.232 Absolute errors of 0.006 – 0.06 Å in bond lengths and 0.2 – 

1.2°  in angles occur with various pure and hybrid density  functionals, while errors of 0.008 – 

0.048  Å  in  bond  lengths  and  0.1  –  1.3°  in  angles  occur with  coupled  cluster  computations 

employing various basis sets. 

Small  basis  sets  (i.e.  the  double‐ζ  level),  coupled with  electron  correlation methods, 

have  been  shown  to  fortuitously  yield  accurate  structures  of  FOOF  compared  with 

experiment.232,234,235  Structures with  deviations  from  experiment  less  than  0.01  Å  compared 

      

Figure 8.1  The orbital representation of anomeric delocalization in XAAX systems: the lonepair on a bridging A atom delocalizes into the adjacent σ*(AX) orbital. 

171  

have  been  computed  in  the  past  by  adding  non‐optimized  polarization235  and  diffuse 

functions236 to a double‐ζ basis set. An improvement in the accuracy of the O‐O bond length is 

typically  observed  with  a  loss  of  accuracy  in  the  O‐F  bond  length  using  this  approach. 

Computational studies with smaller, more rigid basis sets, such as that of Scuseria237 where the 

polarization  functions  of  the  oxygen  and  fluorine  basis  sets were  constrained  to  have  equal 

exponents,  tend  to  give  results  closer  to  experiment.  This  work,  and  others,232,235  do  not 

condone  the use of such nonstandard approaches  to predictive quantum chemistry since  the 

method cannot be readily applied to study other molecular systems. Instead, one would like to 

apply a standard and systematic approach to studying similar systems. 

In this chapter, the heavier analogs of the FOOF molecule with the structure XAAX (X = 

F, Cl, Br and A = S, Se) are investigated. When this investigation was published, no systematic ab 

initio or DFT study on the structure, frequencies, and anomeric effects had been performed on 

the  sulfur  and  selenium  XAAX  analogs  of  FOOF,  nor  had  CC  computations  on  the  relative 

stabilities of the XAAX conformation compared with other A2X2 isomers been reported. 

 

8.2 Computational Methodology 

Both hybrid DFT and CC methods have been utilized  for  this work. DFT  is particularly 

attractive because of its formal   scaling (where   is the number of basis functions). The 

DFT method employed  is Becke’s  three‐parameter exchange scheme  (B3)166 coupled with  the 

Lee‐Yang‐Parr  (LYP)  correlation  functional.165  The  third parameterization of Vosko, Wilk,  and 

Nusair  correlation  functional  (VWN‐3)  has  been  used.  The  coupled  cluster method  including 

singles, doubles, and non‐iterative, perturbative triples is also employed, CCSD(T).31,38 

172  

A  series  of  natural  orbital  (NO)  analyses  using  singles  and  doubles  configuration 

interaction (CISD) has been performed. The CISD NOs provide insight into the amount of multi‐

reference character of the system and the most  important orbitals  involved  in computing the 

dynamic  correlation  energy.  The  NOs  reported  here  also  demonstrate  how well  correlated 

methods,  specifically  truncated  ab  initio  methods,  describe  XAAX  systems  with  respect  to 

anomeric delocalization. 

The  correlation  consistent, polarized valence basis  sets,  cc‐pVnZ  (where n = D, T, and 

Q)94‐101 have been employed  in  this  study.  In  computations  involving  second  row atoms,  the 

tight  d  correlation  consistent  basis  sets,  cc‐pV(n+d)Z,101  were  employed.  Additionally,  the 

augmented  correlation  consistent  basis  sets,  aug‐cc‐pVnZ  and  aug‐cc‐pV(n+d)Z,95,99,100  were 

used for describing long‐range effects, specifically lone pair interactions. 

This  investigation  is  concerned  with  the  chemistry  of  disulfide  and  diselenide 

compounds,  following  the  results  of  experimental  work  regarding  the  stability  of  the 

conformations of X2A2 compounds.215,216,225,238‐241 Structures have been fully optimized at each 

level of  theory and basis  set, utilizing  symmetry where present. The B3LYP calculations were 

performed using the Gaussian 03 software suite,174 while the Molpro software package180 was 

used  for  CCSD(T)  and  CISD  computations. Harmonic  vibrational  frequencies were  computed 

analytically  with  B3LYP  and  numerically  with  CCSD(T)  at  the  aug‐cc‐pVTZ  level.  Computed 

anharmonic frequencies are included for comparison.242  

 

 

173  

8.3 Results and Discussion 

 

8.3.1 Stability of X2A2 Compounds 

Following  the  reported  stabilities of  several conformations of FOOF by Kraka et al.,232 

computations have been performed at the aug‐cc‐pVTZ  level to compare the stabilities of the 

linear, cis, trans, and X2AA conformations of the heavier analogs with their gauche forms. The 

computed  relative  stabilities  (in  kcal/mol)  are  tabulated  in  Table  8.1  for  both  B3LYP  and 

CCSD(T). It is found that all the conformations are significantly less stable than the gauche form. 

For F2S2, the B3LYP value shows FSSF to be more stable than F2SS, but CCSD(T) does not. This 

apparent contradiction to what is known experimentally regarding FSSF being more stable than 

F2SS215,216,225  has  been  investigated  further  through  a  series  of  computations  using  the 

augmented double‐  through quadruple‐ζ basis  sets with both methods. As  the basis  set  size 

increases, B3LYP predicts  that FSSF  is  the more stable compound. The CCSD(T) computations 

with  increasing basis set size show F2SS as  the more stable conformation  . However, when a 

thermal correction (for 298 K) is applied to the CCSD(T) electronic energy, FSSF is shown to be 

more stable than the F2SS conformation by 0.04 kcal/mol. 

Other  isomers  of  the  XAAX‐type  molecules  have  been  investigated  previously, 

specifically the XAXA and AXXA isomers of iodine oxides.243,244 We have briefly examined these 

two isomeric forms here using second‐order Møller‐Plesset perturbation theory (MP2) and the 

aug‐cc‐pVTZ basis set. MP2 has been used since CCSD(T) computations without symmetry can 

become  time  intensive, and MP2 will  recover a significant percent of  the CCSD(T) correlation 

energy. Further, test computations on the cis, trans, and linear forms have shown MP2 relative 

174  

stabilities  to be  comparable  to CCSD(T)  stability energies. For most XAAX  compounds of  this 

study,  the  corresponding  XAXA  compound  is  found  to  dissociate  into  two  XA  fragments  as 

doublet electronic states. Only in the case of FSFS does the molecule dissociate into FSF (   ) + 

S (   ). Similarly, the AXXA compounds display no bound minima as tetraatomic molecules, but 

dissociate into two XA fragments, each with a doublet electron configuration. 

 

8.3.2 XAAX Structures 

Optimized geometries are  listed  in Table 8.2, Table 8.3, and Table 8.4  for the  fluorine, 

chlorine, and bromine species, respectively. For the fluorine compounds, relative to experiment 

both B3LYP and CCSD(T) result in the least error at the aug‐cc‐pVQZ level as compared with the 

other basis  sets –  the errors being 0.013 Å and 0.011 Å,  respectively. The CCSD(T)  S‐F bond 

length  is  in good agreement with experiment, with a difference of only 0.01 Å at  the  triple‐ζ 

level. CCSD(T) only slightly outperforms B3LYP for the bond lengths and angles. B3LYP dihedral 

angles tend to converge to the experimental value while CCSD(T) dihedrals converge away from 

experiment. In FSeSeF, the optimized Se‐Se bond length converges away from the experimental 

value for both methods and their smallest errors relative to experiment are 0.023 Å for B3LYP 

and 0.014 Å for CCSD(T) at the cc‐pVDZ  level. Just as  in the case of FSSF, the Se‐F bonds with 

CCSD(T) are within chemical accuracy by the triple‐ζ basis set. The dihedral in FSeSeF is closest 

to  the  experimental  value  for  both methods when  the  smallest  basis  set  is  employed.  The 

differences between the computed angles and the experimental angle range from 5.06° – 5.33° 

for B3LYP and  from 4.19° – 4.55°  for CCSD(T), where an experimental value of 100° has been 

reported by Haas.245 In either the case of B3LYP or CCSD(T), adding diffuse functions does not 

175  

significantly  affect  the  bond  lengths,  but  does  affect  the  angles  and  dihedral  angles.  The 

inclusion of the tight d function in FSSF is important, especially at the double‐ and triple‐ζ levels 

where the bond length can be affected by up to 0.016 Å and 0.010 Å, respectively. 

For the chlorine species, ClSSCl, the optimized S‐S and S‐Cl bond lengths in ClSSCl move 

towards experiment as the basis set size  is  increased for both CCSD(T) and B3LYP. The results 

are within 0.01 Å with CCSD(T) at the cc‐pV(Q+d)Z  level. Angles are closer to experiment with 

CCSD(T) than with B3LYP at the largest basis set level. Dihedrals show a similar trend as that of 

the angles. The tight d basis set is again noted to improve upon the description of bond lengths 

and angles as compared with the standard correlation consistent basis sets for both B3LYP and 

CCSD(T), which suggests that core polarization can be important in DFT.126,246 For example, with 

B3LYP, the error in the bond lengths is lowered by 0.019 Å – 0.036 Å at the double‐ζ level when 

a  tight d  function  is added  to  the valence and augmented basis sets. For ClSeSeCl,  the B3LYP 

computations using the quadruple‐ζ basis sets (original and tight d) converge to similar values 

for  the  Se‐Cl  bond  length.  It  is  observed  that  the  addition  of  the  tight  d  function will  not 

significantly  affect bond  lengths  in DFT  computations  since  this method  is  typically not  very 

basis set dependent. CCSD(T) is more basis set dependent, and we observe that the addition of 

a tight d function also has little effect on the computed bond lengths of ClSeSeCl. 

Optimized bond lengths for S‐S and S‐Br in BrSSBr are within 0.01 Å of experiment when 

computed with the CCSD(T) method, however, the basis set level at which the errors are lowest 

varies.  Table  8.4  shows  that  for  cc‐pVQZ  and  aug‐cc‐pVQZ,  the  CCSD(T)  deviation  from 

experiment  in the S‐S bond  is 0.005 Å and 0.006 Å, respectively. The valence and augmented 

tight d sets deviate by 0.003 Å and 0.005 Å, respectively, at the triple‐ζ level. Computed B3LYP 

176  

S‐S bond lengths and bond angles converge away from the experimental values when the basis 

set  size  is  increased.  Additionally,  the  tight  d  function  helps  to  accelerate  this  convergence 

away  from  the experimental  values. The opposite  trend  is observed  in  the  S‐Br bond  length 

with B3LYP:  the  larger basis sets yield  the more accurate geometries.  In BrSeSeBr, as seen  in 

ClSeSeCl,  there  is no effect of adding diffuse  functions since  the valence and augmented sets 

converge  on  the  same  values  at  the  quadruple‐ζ  level.  The  B3LYP  computations  show  a 

deviation of 0.023 Å in the Se‐Se bond and 0.143 Å in the Se‐Br bond relative to experiment at 

the  quadruple‐ζ  level  of  both  families  of  basis  sets,  while  CCSD(T)  shows  deviations  of 

approximately 0.014 Å and 0.111 Å in the Se‐Se bond and Se‐Br bond, respectively. The addition 

of diffuse functions does not significantly affect these results, which is not surprising since the 

cc‐pVQZ basis set already contains functions that are rather diffuse. 

 

8.3.3 Vibrational Frequency Analyses 

Computed harmonic infrared (IR) vibrational frequencies at the aug‐cc‐pVTZ level for the 

six molecules  in  this  investigation  are presented  in  Table 8.5.  The  assignments of  computed 

normal  modes  concur  with  experimental  assignments.  There  is  an  artifact  in  the  S‐Br 

asymmetric  stretch  in  which  the  computed  frequencies  deviate  from  the  experimental 

frequencies of Frenzel et al.241 by 39.6 cm‐1 and 67.3 cm‐1 for B3LYP and CCSD(T), respectively. 

The magnitude  of  the  deviation  between  theory  and  experiment  in  this  particular  case  not 

consistent with computed results of the other normal modes for this compound and the results 

of  two other experimental determinations of  the  spectrum of BrSSBr have been  included  for 

comparison. An explanation of the discrepancy between  later experiments and that of Frenzel 

177  

et al.  is offered by Forneris et al.239 as due  to  liquid Br2 dissolved  in  the BrSSBr  sample  from 

which  the  spectrum was  taken.  The  dissolved  Br2  impurity  has  the  effect  of  dampening  the 

observed S‐Br asymmetric stretch frequency considerably.  

To  compare  our  computations  with  experimental  IR  spectra,  computations  of  the 

anharmonic  corrections  to  the  normal  modes  of  FSSF  have  been  performed  at  the 

CCSD(T)/cc‐pVDZ  level242  and  documented  in  Table  8.6.  The  largest  difference  between  the 

harmonic  and  anharmonic  frequencies  in  FSSF  occurs  in  the  S‐S  stretching mode  and  has  a 

magnitude of 11.5 cm‐1. The correction for anharmonicity to the zero‐point energy is computed 

to  be  0.017  kcal/mol.  From  these  anharmonic  computations  and  the  low  deviation  of  the 

computed  harmonic  frequencies  from  the  experimental  values,  it  is  postulated  that  the 

anharmonic  corrections  for  the  other  dihalo‐μ‐dichalcogenides  investigated  here  will  be 

negligible.  As  a  result,  the  computed  harmonic  frequencies,  as well  as  geometries, may  be 

compared to the experimental values without the introduction of significant error. 

 

8.3.4 Anomeric Effects 

The  two  lowest  unoccupied NOs  for  FSSF  are  displayed  in  Figure  8.2.  These  orbitals 

represent  F‐S  σ*  orbitals  with  equal  occupation  numbers  of  0.063.  This  indicates  that  the 

heaviest  contributors  to  the  dynamic  correlation  energy  are  excited  configurations  involving 

these σ* orbitals. This observation is in accord with the conclusion reported by Kraka et al. that 

the unique geometry of FOOF is a result of anomeric delocalization.232 These F‐S σ* orbitals are 

formally unoccupied  in the ground state, but symmetry allows for overlap between them and 

adjacent lone pairs. The result is a destabilization of the F‐S bond and a stabilization of the S‐S 

178  

bond, which accounts for the experimentally observed S2‐like bond  in FSSF and the elongated 

F‐S  bonds.  Further  analysis  of  the  truncated  CI  wavefunction  indicates  that  the  weighting 

coefficient of the HF reference state is 0.925, which indicates some multi‐reference character in 

the  system.  Previous  analyses  of  the  FOOF molecule  by  Kraka  et  al.232  and  Feller  et  al.234 

concluded  that  advanced  ab  initio  methods  that  include  excited  configurations  through 

quadruple excitations would be important in the quantitative description of the FOOF structure 

and  the  exact  wavefunction.  These  highly‐excited  configurations,  they  claimed,  would  be 

important because the anomeric delocalization in FOOF involves two lone pairs simultaneously 

delocalized. The wavefunction  that would describe  such delocalization  is a quadruply‐excited 

configuration. Considering the results obtained  in this  investigation do not  include quadruply‐

excited configurations,  there  is evidence  for anomeric effects  in FSSF, but  the  impact on  the 

overall  structure  is  diminished  compared  with  FOOF.  This  is  evidenced  by  the  computed 

geometries at the CCSD(T) level, where systematic improvements in the basis set lead to lower 

  Figure 8.2  The  lowest unoccupied CISD natural orbitals of FSSF: both contour plots are F‐Sσ* orbitals (14A, left; 13B, right). The perspective is down the z‐axis (iso‐contour value: 0.095).  

179  

deviations from experiment. 

Figure 8.3  shows plots of  the  lone pair orbitals  involved  in anomeric delocalization  in 

FSSF,  ClSSCl,  and  BrSSBr.  Analysis  of  the  overlap  between  the  lone  pair  orbitals  and  the 

corresponding  σ*  orbitals  demonstrates  that  as  the  halogen  increases  in  size,  the  lone  pair 

orbitals do not have the radial extent to significantly overlap with the σ* orbitals and anomeric 

delocalization  is diminished. This  is a plausible explanation  for the change  in the geometry of 

XSSX  to  an  S2‐type  bond  length  and  XS‐type  halogen‐sulfur  bond  length when  the  halogen 

increases in size. 

Inspection  of  the  computed  and  experimental  geometries  of  FSeSeF  indicates  that 

anomeric  effects  are  markedly  decreased  compared  with  those  of  FSSF.  The  Se‐Se  bond 

measures 2.25 Å, compared with 2.166 Å in the selenium dimer.170 Additionally, the Se‐F bond 

distance is 1.77 Å, while the SeF molecule has a bond length of 1.740 Å.170 Since the chalcogen 

bond length is not shortened, nor is the chalcogen‐halogen bond lengthened as considerably as 

in FOOF or FSSF, it is clear that anomeric effects do not play a significant role in determining the 

 Figure 8.3  The molecules FSSF  (left), ClSSCl  (center), and BrSSBr  (right), and  the  lone pairorbitals responsible for anomeric delocalization. The prespective is down the z‐axis (iso‐contourvalues: 0.06, 0.03, and 0.03, respectively).   

180  

structure of the selenium compounds in this investigation. 

The  unique  structure  of  these  compounds  is  due  to  the  presence  of  anomeric 

delocalization,  and  this delocalization  is directly  related  to  the  radial extent of  the  lone pair 

orbitals.  The  other  factor  in  determining  the  impact  of  anomeric  effects  in  these  species  is 

symmetry.  In  computations  performed  at  the  CCSD(T)/aug‐cc‐pV(T+d)Z  level  on  trans‐FSSF 

(C2h), the S‐S bond extends from 1.908 Å to 2.126 Å, and the S‐F bond recedes from 1.641 Å to 

1.626  Å.  The  lone  pairs  cannot  overlap with  the  F‐S  σ*  orbitals  in  this  conformation,  thus 

leaving the structure with a typical disulfide bond length and a S‐F bond length resembling that 

of diatomic SF. This is not new to the literature, as it has been reported by Samdal et al.229 for a 

variety of dihalo‐μ‐dichalcogenides computed at the HF/6‐31G* level. The present investigation 

reports  for  the  first  time  correlated  computations  demonstrating  that  anomeric  effects 

diminish as the dihedral angle changes. Kraka et al.232 also performed similar computations with 

B3LYP and reported that trans‐FOOF has a peroxide‐like structure with O‐F bond lengths similar 

to that of molecular FO. 

 

8.4 Conclusions 

For the sulfur systems in this investigation, geometries accurate to 0.011 Å are possible 

with CCSD(T) and 0.013 Å with B3LYP when the correlation consistent basis sets of quadruple‐ζ 

quality  are  employed.  The  largest  deviations,  relative  to  experimental  values  occur  for  the 

geometries  of  FSSF.  The  geometries  of  the  selenium  compounds  optimized  with  CCSD(T) 

deviate by no more than 0.111 Å in bond lengths, while B3LYP geometries deviate by as much 

as 0.143 Å in bond lengths relative to experiment when computed with the cc‐pVQZ basis set. 

181  

Bond angles deviate up to 5.07° in CCSD(T)/cc‐pVQZ computations with respect to experiment, 

however, overall CCSD(T) angles result in less deviation from experimental values as compared 

with B3LYP. 

The use of the cc‐pV(n+d)Z basis sets improves the computed geometries at the double‐ 

and triple‐ζ basis set levels for the CCSD(T) geometries, and, as expected, only slightly improves 

B3LYP‐optimized geometries. The inclusion of diffuse functions in the basis has little impact on 

the  geometry  of  the  species  investigated  here.  For  the  computed  harmonic  vibrational 

frequencies,  the maximum  deviation  from  experimental  values  is  almost  67  cm‐1,  which  is 

attributed  to damping  from Br2  impurities  in one of  the experimental  studies  referenced on 

BrSSBr.  Other  compounds  have  computed  frequencies  that  deviate  no more  than  25  cm‐1. 

Computed anharmonic effects of the FSSF molecule revealed that their impact on bond lengths 

and harmonic frequencies is negligible. 

Anomeric  effects  have  been  investigated  by  others  as  the  source  of  the  unique 

geometry of the FOOF molecule. The current  investigation shows that the  impact of anomeric 

delocalization  on  FSSF  is  decreased  as  compared with  the  impact  on  FOOF,  and  that  it  has 

almost no impact on the structure of FSeSeF. Upon increasing the halogen size to chlorine and 

bromine, the radial extent of the  lone pair orbitals  is not sufficient for significant overlap with 

the appropriate σ* orbitals, and thus anomeric effects on the geometric structure are almost 

nonexistent. When FSSF is rotated into the trans conformation, anomeric delocalization cannot 

occur  due  to  broken  symmetry.  The  natural  consequence  of  this  is  an  increase  in  S‐S  bond 

length and a decrease in the S‐F bond length. 

182  

Table 8.1  Stabilities  (kcal/mol) of  the different  isomers of X2A2 molecules  relative  to  the gauche isomer, XAAX, computed with B3LYP and CCSD(T). 

System  Method  Linear cis trans X2AA 

F2S2  B3LYP  103.1 63.5 29.3 1.9   CCSD(T)  107.4 65.5 27.3 ‐0.5a 

Cl2S2  B3LYP  86.4 21.3 17.0 13.1   CCSD(T)  94.6 18.7 14.1 13.4 

Br2S2  B3LYP  65.7 20.1 15.3 13.7   CCSD(T)  ‐‐‐b 17.0 12.1 14.5 

F2Se2  B3LYP  94.0 61.6 36.2 2.8   CCSD(T)  98.5 63.4 37.1 1.1 

Cl2Se2  B3LYP  61.0 17.7 14.0 12.2   CCSD(T)  ‐‐‐b 15.5 11.8 12.7 

Br2Se2  B3LYP  57.7 16.4 12.6 13.0   CCSD(T)  ‐‐‐b 13.9 10.1 14.0 

a. Including a thermal correction to 298 K in F2SS and FSSF shows FSSF to be the more stable isomer. b. Optimization leads to dissociation: X2A2   2X + A2. 

 

183  

Table 8.2  B3LYP and CCSD(T) optimized geometries (Å and degrees) of the fluorine species using various correlation consistent basis sets. 

B3LYP CCSD(T)

FSSF  ζ  VnZ  V(n+d)Z  aVnZ aV(n+d)Z VnZ V(n+d)Z aVnZ  aV(n+d)Z Expt.

Re(AA)  D  1.952  1.919  1.941 1.909 1.961 1.929 1.951  1.921 

T  1.924  1.907  1.920 1.903 1.929 1.913 1.924  1.908 

Q  1.913  1.902  1.912 1.901 1.909 1.900 1.908  1.899  1.888a

Re(AF)  D  1.688  1.673  1.699 1.683 1.690 1.677 1.699  1.686 

T  1.657  1.647  1.662 1.652 1.642 1.634 1.649  1.641 

Q  1.654  1.648  1.655 1.649 1.636 1.631 1.639  1.633  1.635a

α  D  107.40  108.58  107.35 108.54 106.04 107.13 106.44  107.53 

T  107.95  108.67  107.96 108.68 107.26 107.95 107.17  107.86 

Q  108.31  108.74  108.31 108.74 107.69 108.10 107.63  108.03  108.3a

δ  D  89.28  89.21  88.15 88.06 89.04 88.93 87.95  87.87 

T  88.22  88.17  87.80 87.78 87.89 87.86 87.48  87.46 

Q  87.97  87.93  87.82 87.80 87.58 87.55 87.44  87.41  87.9a

FSeSeF 

Re(AA)  D  2.227  ‐‐‐  2.218 ‐‐‐ 2.237 ‐‐‐ 2.228  ‐‐‐ 

T  2.213  ‐‐‐  2.211 ‐‐‐ 2.219 ‐‐‐ 2.215  ‐‐‐ 

Q  2.211  ‐‐‐  2.210 ‐‐‐ 2.207 ‐‐‐ 2.206  ‐‐‐  2.25b

Re(AF)  D  1.810  ‐‐‐  1.819 ‐‐‐ 1.808 ‐‐‐ 1.811  ‐‐‐ 

T  1.790  ‐‐‐  1.796 ‐‐‐ 1.770 ‐‐‐ 1.777  ‐‐‐ 

Q  1.790  ‐‐‐  1.792 ‐‐‐ 1.767 ‐‐‐ 1.770  ‐‐‐  1.77b

α  D  105.33  ‐‐‐  105.08 ‐‐‐ 104.19 ‐‐‐ 104.38  ‐‐‐ 

T  105.14  ‐‐‐  105.06 ‐‐‐ 104.55 ‐‐‐ 104.37  ‐‐‐ 

Q  105.07  ‐‐‐  105.06 ‐‐‐ 104.53 ‐‐‐ 104.46  ‐‐‐  100b

δ  D  90.14  ‐‐‐  88.47 ‐‐‐ 90.03 ‐‐‐ 88.63  ‐‐‐ 

T  88.80  ‐‐‐  88.17 ‐‐‐ 88.79 ‐‐‐ 88.33  ‐‐‐ 

Q  88.15  ‐‐‐  88.18 ‐‐‐ 88.37 ‐‐‐ 88.26  ‐‐‐  90b

a. Kuczkowski, R. L. J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 3617. b. Haas, A. J. Fluor. Chem. 1986, 32, 415. 

 

184  

Table 8.3  B3LYP and CCSD(T) optimized geometries (Å and degrees) of the chlorine species using various correlation consistent basis sets. 

B3LYP CCSD(T) 

ClSSCl  ζ  VnZ  V(n+d)Z  aVnZ aV(n+d)Z VnZ V(n+d)Z aVnZ  aV(n+d)Z Expt.

Re(AA)  D  1.987  1.961  1.983 1.956 2.011 1.985 2.005  1.980 

T  1.964  1.950  1.963 1.949 1.983 1.970 1.980  1.968 

Q  1.956  1.947  1.955 1.947 1.966 1.958 1.965  1.958  1.950a

Re(ACl)  D  2.132  2.112  2.133 2.113 2.116 2.098 2.129  2.111 

T  2.109  2.096  2.110 2.098 2.081 2.072 2.083  2.073 

Q  2.102  2.094  2.101 2.094 2.067 2.061 2.067  2.061  2.055a

Α  D  108.71  109.40  108.56 109.24 106.47 107.07 106.44  107.03 

T  109.00  109.38  109.04 109.41 106.96 107.31 106.81  107.17 

Q  109.16  109.42  109.20 109.42 107.08 107.31 107.05  107.27  107.66a

Δ  D  87.33  87.15  87.39 87.29 86.27 86.17 86.17  86.09 

T  87.14  87.10  87.16 87.10 85.76 85.73 85.47  85.45 

Q  87.02  87.00  87.10 87.00 85.46 85.48 85.38  85.37  85.24a

ClSeSeCl 

Re(AA)  D  2.261  2.264  2.257 2.261 2.282 2.285 2.277  2.279 

T  2.253  2.256  2.252 2.254 2.267 2.268 2.265  2.266 

Q  2.252  2.253  2.252 2.253 2.256 2.257 2.257  2.257  2.28b

Re(ACl)  D  2.246  2.238  2.248 2.240 2.235 2.227 2.246  2.238 

T  2.227  2.222  2.229 2.224 2.204 2.200 2.206  2.202 

Q  2.224  2.221  2.224 2.221 2.193 2.191 2.195  2.191  2.13b

α  D  107.14  107.08  107.05 106.96 104.82 104.75 104.87  104.84 

T  107.02  106.97  106.98 106.93 104.98 104.94 104.72  104.71 

Q  106.98  106.96  106.97 106.95 104.83 104.81 104.80  104.73  106b

δ  D  88.41  88.39  88.30 88.18 87.65 87.55 87.21  87.13 

T  87.88  87.89  87.89 87.88 86.91 86.87 86.62  86.58 

Q  87.78  87.83  87.88 87.74 86.62 86.59 86.33  86.49  83b

a. Marsden, C. J.; Brown, R. D.; Godfrey, P. D. J. Chem. Soc. Chem. Comm. 1979, 399. b. Forneris, R.; Hennies, C. E. J. Mol. Struct. 1970, 5, 449. 

 

185  

Table 8.4  B3LYP and CCSD(T) optimized geometries (Å and degrees) of the bromine species using various correlation consistent basis sets. 

B3LYP CCSD(T) 

BrSSBr  ζ  VnZ  V(n+d)Z  aVnZ aV(n+d)Z VnZ V(n+d)Z aVnZ  aV(n+d)Z Expt.

Re(AA)  D  1.992  1.961  1.988 1.957 2.017 1.987 2.014  1.984 

T  1.969  1.952  1.968 1.952 1.991 1.977 1.990  1.975 

Q  1.960  1.950  1.960 1.950 1.975 1.966 1.974  1.965  1.980a

Re(ABr)  D  2.293  2.288  2.294 2.290 2.282 2.276 2.291  2.286 

T  2.273  2.270  2.274 2.270 2.244 2.241 2.245  2.242 

Q  2.269  2.267  2.269 2.267 2.231 2.229 2.231  2.230  2.24a

α  D  109.35  110.01  109.18 109.90 106.83 107.44 106.69  107.33 

T  109.56  109.98  109.64 109.98 107.16 107.50 107.04  107.38 

Q  109.77  110.01  109.77 110.01 107.21 107.44 107.17  107.41  105a

δ  D  87.29  87.37  87.33 87.61 85.59 85.68 85.53  85.65 

T  86.99  87.06  86.98 87.06 85.06 85.11 84.62  84.70 

Q  86.99  87.01  86.99 87.01 84.70 84.76 84.51  84.55  83.5a

BrSeSeBr 

Re(AA)  D  2.267  ‐‐‐  2.263 ‐‐‐ 2.290 ‐‐‐ 2.286  ‐‐‐ 

T  2.259  ‐‐‐  2.258 ‐‐‐ 2.276 ‐‐‐ 2.275  ‐‐‐ 

Q  2.257  ‐‐‐  2.257 ‐‐‐ 2.266 ‐‐‐ 2.266  ‐‐‐  2.28b

Re(ABr)  D  2.401  ‐‐‐  2.405 ‐‐‐ 2.393 ‐‐‐ 2.404  ‐‐‐ 

T  2.386  ‐‐‐  2.387 ‐‐‐ 2.363 ‐‐‐ 2.364  ‐‐‐ 

Q  2.383  ‐‐‐  2.383 ‐‐‐ 2.351 ‐‐‐ 2.351  ‐‐‐  2.24b

α  D  107.85  ‐‐‐  107.76 ‐‐‐ 105.12 ‐‐‐ 105.03  ‐‐‐ 

T  107.72  ‐‐‐  107.73 ‐‐‐ 105.21 ‐‐‐ 104.94  ‐‐‐ 

Q  107.69  ‐‐‐  107.71 ‐‐‐ 104.92 ‐‐‐ 104.94  ‐‐‐  106b

δ  D  88.28  ‐‐‐  88.15 ‐‐‐ 86.86 ‐‐‐ 86.50  ‐‐‐ 

T  87.88  ‐‐‐  87.84 ‐‐‐ 86.10 ‐‐‐ 86.73  ‐‐‐ 

Q  87.80  ‐‐‐  87.68 ‐‐‐ 85.58 ‐‐‐ 85.56  ‐‐‐  83b

a. Hirota, E. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1958, 31, 130. b. Forneris, R.; Hennies, C. E. J. Mol. Struct. 1970, 5, 449. 

 

186  

Table 8.5  B3LYP and CCSD(T) harmonic vibrational  frequencies  (cm‐1) computed with  the aug‐cc‐pVTZ basis set. 

Molecule  Method  Torsion A‐A‐X Bend 

A‐A‐X Bend 

A‐X Asymm. Stretch 

A‐X Symm. Stretch 

A‐A Stretch 

FSSF  B3LYP  178 282 310 596 662  697  CCSD(T)  180 283 315 600 691  724  Expt.a  182 301 319 614 680  717

ClSSCl  B3LYP  96  201 231 422 435  538  CCSD(T)  89  199 236 458 466  531  Expt.b  102 205 238 434 446  540  Expt.c  102 206 240 436 449  540  Expt.d  105 208 242 (430) 448  540

BrSSBr  B3LYP  59  164 193 343 351  533  CCSD(T)  55  163 197 371 373  521  Expt.b  68  170 199 304 357  534  Expt.c  66  172 200 351 365  529  Expt.d  67  170 202 356 357  534

FSeSeF  B3LYP  125 170 189 320 569  593  CCSD(T)  143 181 201 328 607  628  Expt.  ‐‐‐  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐

ClSeSeCl  B3LYP  75  124 141 290 352  364  CCSD(T)  72  125 144 297 374  382  Expt.c  87  130 146 288 367  367  Expt.d  91  133 150 289 349  357

BrSeSeBr  B3LYP  47  98 113 255 258  290  CCSD(T)  43  97 116 273 275  292  Expt.c  50  107e 118e 265 265  292  Expt.d  63  105 119 265 265  290

a. Brown, R. D.; Pez, G. P. Spectroc. Acta 1970, 26A, 1375. b. Frenzel, C. A.; Blick, K. E. J. Chem. Phys. 1971, 55, 2715. c. Forneris, R.; Hennies, C. E. J. Mol. Struct. 1970, 5, 449. d. Frankiss, S. G. J. Mol. Struct. 1968, 2, 271. e. Hendra, P. J.; Park, P. J. D. J. Chem. Soc. A 1968, 908. 

 

187  

Table 8.6  A  comparison  of  CCSD(T)  harmonic  and  anharmonic  vibrational  frequencies (cm‐1) of FSSF computed with the cc‐pVDZ basis set. 

Mode  ωe  ν0  Difference Torsion  173.0  170.9  ‐2.1 

S‐S‐F Bend  260.7  258.0  ‐2.6 S‐S‐F Bend  293.7  292.4  ‐1.2 

S‐F Asymm. Stretch  583.7  576.3  ‐7.4 S‐F Symm. Stretch  692.8  686.4  ‐6.4 

S‐S Stretch  716.5  705.0  ‐11.5 

188  

CHAPTER 9 

A SYSTEMATIC INVESTIGATION OF GERMANIUM ARSENIDES† 

9.1 Introduction 

Compounds  containing  heavy  group  14  and  15  elements,  especially  compounds with 

multiple  bonds,  have  received  considerable  attention  over  the  past  three  decades  by  both 

experimentalists and theoreticians.247‐263 The surge  in  interest  in these compounds came after 

the synthesis of several non‐transient multiply‐bonded phosphorus and silicon systems in 1981, 

and these species have been the subject of several reviews.250,252,260‐263 Before that time, it was 

believed that multiple bonds between heavy main group elements would likely not exist due to 

the  so‐called  double‐bond  rule, which  stated  that  elements  such  as  silicon  and  phosphorus 

would exhibit weak π bonds formed by their p orbitals.259,264 Subsequent attempts to synthesize 

these  types  of  compounds  failed  since  the  molecules  would  oligomerize  in  solution.  The 

oligomerization was  found  to  be  reduced  by  incorporating  large,  bulky  substituents  on  the 

heavy main group atoms.250,260 Since that time, several compounds that have multiply‐bonded 

group 14 and 15 elements with  low coordination numbers (i.e. P2, Si2, SiC, PC, etc.) have been 

reported. However, compounds that are not found in earlier reviews are those with germanium 

multiply‐bonded to an arsenic atom – so called arsagermenes and arsagermynes  (germanium 

doubly‐ and  triply‐bonded  to arsenic,  respectively). While  it  is purported  that  these  types of 

systems  should  exist,  and  could  be  synthesized  via  similar mechanisms  as  analogous  silicon 

                                                       † This entire chapter is adapted from B.P. Prascher, A.M. Kavi, B. Mintz, S.M. Yockel, and A.K. Wilson, “Theoretical Investigation of the Germanium Arsenides,” Chem. Phys., 2008, 353(1‐3), 209, with permission from Elsevier. 

189  

phosphide systems, no such studies have been reported.  

Germanium  arsenides  are  important  in  various  research  fields.  Although  gallium 

arsenides are routinely encountered in solid state research, germanium arsenide materials such 

as GeAsS glasses and MGeAs2 (M = Zn, Cd) are of interest for their nonlinear optical properties 

and  electrical  properties.  Germanium  arsenide  materials  have  been  studied  both  by 

experimentalists  and  by  theoreticians  for  their  applications  in  solar  cells  and  as  ternary 

semiconductors.247,248  Another  example  of  an  exotic  germanium  arsenide  is  the  material 

(Ge38As8)8+ ∙ 8 I‐, which has been characterized by x‐ray and neutron diffraction, and is a known 

N‐type semiconductor.253 

The  only  previous  computational  investigation  of  the  germanium  arsenide molecules 

considered in the present study was performed by Lai et al.258 They utilized both correlated ab 

initio  methodology  and  density  functional  theory  (DFT)  with  the  6‐311++G(d,p)  and 

6‐311++G(3df,3pd) basis sets (triple‐ζ quality basis sets with diffuse and polarization functions) 

to describe the structures, bonding characteristics, and relative stabilities of L‐GeAs and GeAs‐L 

molecules. They  computed  that  the most  stable  L‐GeAs molecule of  their  test  set  should be 

H2N‐GeAs, while  the most  stable  GeAs‐L molecule  should  be  GeAs‐AlH2.  Further,  Lai  et  al. 

predicted with DFT that, for L = F, OH, and CH3, the GeAs‐L isomer should be more stable than 

L‐GeAs, while  their ab  initio predictions showed  the opposite  (i.e.  the L‐GeAs  isomer  is more 

stable  for  these  L  groups).  This  apparent  discrepancy  between DFT  and  correlated  ab  initio 

methodology has prompted this systematic re‐investigation of Lai’s molecules. 

One of the differences between the present investigation and that of Lai et al.258 is the 

use of  the  correlation  consistent basis  sets,  cc‐pVnZ.94‐101 The  systematic  construction of  the 

190  

correlation consistent basis sets  leads to monotonic convergence towards the complete basis 

set  (CBS)  limit of many energetic properties as  the basis set size  increases93 – a property not 

inherent to the basis sets used by Lai et al.265 

The present investigation reexamines the GeAs‐L and L‐GeAs molecules studied by Lai et 

al.258 (where L = H, Li, Na, BeH, MgH, BH2, AlH2, CH3, SiH3, NH2, PH2, OH, SH, F, and Cl; and has 

been extended to include Br) Reported are transition state energies, enthalpies of formation at 

298 K, and enthalpies of  isomerization at 298 K. Typically, the threshold for chemical accuracy 

of main group molecules is considered to be 1.0 kcal/mol. To achieve this threshold of chemical 

accuracy for third row, main group systems, it has been shown that scalar relativistic and spin‐

orbit effects must be included.62,266‐271 Since this is a predictive investigation into the properties 

of  third row, main group molecules yet  to be characterized by experiment, relativistic effects 

cannot be ignored. 

 

9.2 Computational Methodology 

Coupled  cluster with  single, double,  and non‐iterative, perturbative  triple  excitations, 

CCSD(T),  is  used.31,38  In  addition,  the  hybrid  three‐parameter  exchange  functional  of  Becke 

(B3)166  coupled  with  the  Lee‐Yang‐Parr  (LYP)165  correlation  functional,  B3LYP,  has  been 

employed. In all B3LYP computations, the third parameterization of the Vosko‐Wilk‐Nusair local 

correlation functional (VWN‐3) is invoked.167 

The correlation consistent basis  sets94‐101 of double‐  through quadruple‐ζ quality have 

been employed. For germanium arsenides  that contain an alkali or alkaline earth metal, new 

cc‐pVnZ basis sets discussed in Chapter 6 have been used; while for atoms in the second row of 

191  

the  periodic  table  (Na,  Mg,  and  Al‐Ar),  the  tight  d  correlation  consistent  basis  sets, 

cc‐pV(n+d)Z101 have been employed. To compute CBS  limits,  the exponential  (3.2) and mixed 

Gaussian/exponential (3.3) extrapolation schemes have been employed.85,95,132 

The  geometries  of  the  L‐GeAs  and  GeAs‐L  systems  were  fully  optimized  using  both 

B3LYP and CCSD(T) at each basis  set  level. Zero‐point energies were computed  from cc‐pVTZ 

harmonic  vibrational  frequencies using each method. Classical barriers were  computed  from 

transition  state  structures  with  exactly  one  imaginary  frequency  along  the  isomerization 

pathway. Enthalpies of  formation and enthalpies of  isomerization were determined using  the 

equations of Ockterski272  from atomic enthalpies of  formation at 100 kPa and 298 K.195,273 All 

B3LYP  computations were performed using  the Gaussian 03  software  suite,174 while CCSD(T) 

computations were performed using the Molpro software package.180  

Scalar  relativistic  corrections  for  both  the  CCSD(T)  and  B3YLP  energetics  were 

determined using both the Cowan‐Griffin (CG)274 and the second‐order, spin‐free Douglas‐Kroll 

(DK) Hamiltonians.135‐137 The DK approach is variational, while the CG (perturbative) approach is 

not.141,275 Relativistic  corrections were  computed using  the B3LYP/cc‐pVTZ  geometry  at each 

basis  set  level,  since  scalar  relativistic  effects  are  not  very  sensitive  to  changes  in  the 

geometry.276 Spin‐orbit (SO) coupling of the L‐GeAs and GeAs‐L molecules is neglected because 

they  are  closed  shell  molecules.  First‐order  SO  corrections  (see  Table  9.1)  are  included  a 

posteriori  in  the  atomic  energies  since  the  spin‐free  implementations  of  the  CG  and  DK 

Hamiltonians do not  include  it  intrinsically. These SO corrections were computed using multi‐

configuration  self‐consistent  field  (MCSCF)  wavefunctions  and  the  Breit‐Pauli  spin‐orbit 

Hamiltonian180,277 implemented in the Molpro software package. 

192  

9.3 Results and Discussion 

 

9.3.1 Optimized Structures 

The bonding characteristics of L‐GeAs and GeAs‐L systems have been discussed in some 

detail by Lai et al.258 The structures of L‐GeAs systems are  linear, or very close  to  linear, and 

exhibit a  triple bond between  the germanium and arsenic atoms not unlike a cyanide group. 

However,  the  GeAs‐L  systems  exhibit  a  strongly  bent  structure  as  opposed  to  the  linear 

structure of an  isocyanide molecule.  Instead, there  is a double bond between the germanium 

and arsenic atoms, with a lone pair on the arsenic atom, resembling an extremely bent imine‐

type structure. The decrease in bond order in migrating the L group from the germanium to the 

arsenic atom is reinforced by the increase in the Ge‐As bond length. For example (cf. Table 9.2 

and Table 9.3),  in  the optimized  structures of  the  L‐GeAs molecules of  this  study,  the Ge‐As 

bond  length  falls  in  the range of 2.134 – 2.187 Å  for CCSD(T) and 2.106 – 2.149 Å  for B3LYP. 

Further  evidence  to  support  a  triple  bond  between  germanium  and  arsenic  in  the  L‐GeAs 

molecules is that the bond lengths resemble that of the arsenic dimer, which has a formal triple 

bond and bond length of 2.103 Å.170 The Ge‐As bond length in the optimized structures of the 

GeAs‐L molecules  falls  in  the  range of 2.222  – 2.389 Å  for CCSD(T)  and 2.205 – 2.370 Å  for 

B3LYP,  resembling  that of  the GeAs diatomic at 2.283 Å.270 The Ge‐As‐L angle  remains  rather 

small, even when L groups  that are highly electropositive or highly electronegative are used, 

making  the  bonding  characteristics  of  germanium  arsenides  unique  among  main  group 

molecules. 

In  Table  9.2  and  Table  9.3  the  CCSD(T)‐  and  B3LYP‐optimized  geometries  for  the 

193  

different  L groups of  this  study are  listed. The  results of  Lai et al.258, which are  included  for 

comparison  in  the  tables,  were  computed  using  CCSD(T)/6‐311G++(3df,3pd)// 

B3LYP/6‐311G++(d,p). Overall, for the L‐GeAs molecules optimized with CCSD(T), the L‐Ge and 

Ge‐As bond  lengths differ up  to 0.057 Å and 0.049 Å,  respectively, when compared with  the 

results of Lai et al. The same bond lengths differ up to 0.024 Å and 0.006 Å, respectively, when 

optimized with B3LYP. The  largest differences between the bond  lengths of Lai et al. and this 

study are in the CCSD(T) geometries of Li‐GeAs, Na‐GeAs, HBe‐GeAs, and HMg‐GeAs. The small 

difference between  the B3LYP  results  and  those previously published  reaffirms  the  fact  that 

B3LYP bond lengths for these species are not very basis set dependent. The average difference 

between results reported here and those of Lai et al. are 0.017 Å and 0.007 Å for the L‐Ge bond 

length and 0.029 Å and 0.004 Å for the Ge‐As bond length, for CCSD(T) and B3LYP, respectively. 

In the GeAs‐L molecules, the variations between previously published bond lengths and 

those  of  this  study  are more  dramatic.  The CCSD(T)‐optimized As‐L  and Ge‐As  bond  lengths 

differ  the most  from previous work258 up  to 0.216 Å and 0.147 Å,  respectively. However,  the 

B3LYP As‐L and Ge‐As bond  lengths show  less dramatic differences with respective variations 

up to 0.108 Å and 0.162 Å. The largest differences between both the CCSD(T) and B3LYP bond 

lengths and those of Lai et al.258 arise in the GeAs‐AlH2 molecule. Also, the increased variation 

in bond lengths between the B3LYP results and those previously published indicate that B3LYP 

is more  sensitive  to  the  choice  of  basis  set  for GeAs‐L  systems,  compared with  the  L‐GeAs 

systems. 

Bond  angles  are  affected  more  than  bond  lengths  in  both  the  L‐GeAs  and  GeAs‐L 

systems,  however,  the  qualitative  structure  remains  the  same  as  previously  reported  –  the 

194  

L‐GeAs systems are  linear  in X‐Ge‐As (within 5.0°), where X  is the non‐hydrogen atom of the L 

group, and GeAs‐L  systems are  severely bent  in  the Ge‐As‐X angle.  In both  the CCSD(T)‐ and 

B3LYP‐optimized structures of the L‐GeAs molecules, the differences  in the bond angles are  in 

the range 0.0 – 5.0°, compared with Lai et al.,258 but the differences  in the bond angles of the 

GeAs‐L molecules are in the range of 0.0 – 26.4°. The largest differences between the computed 

bond angles and  those of  Lai et al. occur  in  the GeAs‐OH molecule with CCSD(T), and  in  the 

GeAs‐AlH2  molecule  with  both  CCSD(T)  and  B3LYP.  Upon  closer  examination,  the  B3LYP/ 

6‐311++G(d,p)  structures of  the HO‐GeAs and GeAs‐OH  isomers  that Lai et al.  reported were 

reproduced, and it was found that explicit optimization with CCSD(T)/cc‐pVnZ, as performed in 

this investigation, is responsible for the large variation in the bond angle. 

Comparing  the  CCSD(T)  to  the  B3LYP  optimized  geometries,  the  largest  differences 

between the two methods are:  in the Ge‐F bond  length (0.056 Å at the cc‐pVQZ  level);  in the 

As‐OH bond  length (0.186 Å at the cc‐pVTZ  level); and  in the Ge‐As bond  length of the L‐GeAs 

isomers,  the    largest differences between  the  two methods  are 0.054 Å  (L‐GeAs  isomers)  in 

HBe‐GeAs at  the cc‐pVTZ and cc‐pVQZ  levels and 0.083 Å  (GeAs‐L  isomers)  in GeAs‐Br at  the 

cc‐pVQZ level. Further, the X‐Ge‐As and Ge‐As‐X bond angles vary between the two methods up 

to  3.7°  and  38.1°,  respectively.  In  general,  CCSD(T)  and  B3LYP  agree  on  the  linearity  of  the 

L‐GeAs molecules, however, the ranges of the bond lengths and angles of the GeAs‐L molecules 

are significantly different between the two methods. The average differences in the geometries 

of CCSD(T) compared with B3LYP are 0.014 Å in the Ge‐L bond, 0.031 Å in the Ge‐As bond of the 

L‐GeAs  isomers, 0.034 Å  in  the As‐L bond, 0.023 Å  in  the Ge‐As bond of  the GeAs‐L  isomers, 

0.28° in the L‐Ge‐As angle, and 5.23° in the Ge‐As‐L angle. 

195  

9.3.2 Classical Barriers to Isomerization 

The barriers to  isomerization (migration) of the L group from the germanium terminus 

to the arsenic terminus have been computed and are  listed in Table 9.4. Each of the energies, 

including the CBS  limits, are computed at 0 K, with a zero‐point vibrational energy correction, 

but without tunneling effects, which are only expected to be important for hydrogen migration. 

Both  the  forward  (f) and  reverse  (r)  reactions are  represented  (cf. Figure 9.1). The minimum 

structures are  connected by a  single  transition  state  (the highest energy  structure along  the 

lowest  energy  pathway  connecting  L‐GeAs  and  GeAs‐L),  which  is  verified  by  exactly  one 

imaginary  (negative)  vibrational  frequency  along  the  isomerization  pathway.  These  reported 

double‐ through quadruple‐ζ classical barriers do not show monotonic behavior with respect to 

increasing basis set size, yet a CBS value  is still reported because the electronic energies  (the 

energy from which the barriers are computed) do converge monotonically. 

There are some notable trends  in the forward energy of activation (Eact)  listed  in Table 

9.4. First, in the alkali metal and alkaline earth metal hydrides, which require the least energy to 

migrate from the germanium atom to the arsenic atom, Li‐GeAs only requires 1.02 kcal/mol and 

decreases to 0.43 kcal/mol for Na‐GeAs with the CCSD(T)/quadruple‐ζ level of theory, while Eact 

 Figure 9.1  A schematic of the forward (f) and reverse (r) reaction coordinates of L migrationfrom the germanium atom to the arsenic atom. 

196  

for HBe‐GeAs  is 3.57  kcal/mol  and decreases  to 1.44  kcal/mol  in HMg‐GeAs. A  similar  trend 

holds  for  both  computational methods  at  the  quadruple‐ζ  level,  and  in  each  of  the  other  L 

groups  in the  forward reaction: the  larger the non‐hydrogen atom  in the L substituent within 

the periodic table group, the lower the Eact. For example, in the main group species, H3C‐GeAs 

has an Eact = 24.20 kcal/mol versus H3Si‐GeAs with an Eact = 6.00 kcal/mol. The halogens, which 

also  follow  the preceding  trend,  vary by  less  than 1.0  kcal/mol between one  another  in  the 

forward  Eact.  For  example,  the  L  =  F,  Cl,  and  Br  values  for  Eact  are  15.15,  14.96,  and 

14.68 kcal/mol, respectively for CCSD(T), and are 12.25, 11.93, and 11.23 kcal/mol, respectively 

for B3LYP. Further,  the  forward value of Eact  increases as  the  size of  the non‐hydrogen atom 

increases across the period, peaking at L = NH2 and PH2 in each period. 

The same trend of  increasing Eact values down a periodic group  is also observed  in the 

reverse migration of the L = Li, Na, BeH, and MgH molecules, but is reversed for substituents of 

the  main  group.  For  example,  for  GeAs‐BH2,  the  reverse  Eact  value  is  15.63  kcal/mol  and 

increases to 18.38 kcal/mol when AlH2 is substituted for BH2 at the CCSD(T)/quadruple‐ζ level of 

theory; the Eact  is 21.48 kcal/mol for GeAs‐CH3 and  increases to 22.61 kcal/mol for GeAs‐SiH3; 

etc. The halogens do not have as similar Eact values in the reverse migration, where for L = F, Cl, 

and  Br  the  energies  are  12.12,  18.39,  and  18.34  kcal/mol  at  the  CCSD(T)/quadruple‐ζ  level. 

Similar trends occur with B3LYP at the quadruple‐ζ basis set  level, except that the reverse Eact 

value is 19.32 kcal/mol for GeAs‐BH2 and decreases to 16.06 kcal/mol for AlH2. 

The computed CCSD(T) and B3LYP Eact values differ significantly (>1.0 kcal/mol) from one 

another  for  several  of  the molecules  studied  here.  The  variations  in  the  activation  energies 

between  CCSD(T)  and  B3LYP  are  tabulated  in  a  supplemental  table  accompanying  this 

197  

manuscript. Overall,  the mean  absolute  difference  is  2.42  kcal/mol  for  the  forward  Eact  and 

2.12 kcal/mol  for  the  reverse  Eact  at  the  quadruple‐ζ  basis  set  level  between  the  two 

computational methods. The absolute differences range from 0.07 kcal/mol in the forward Eact 

for L = Li to as  large as 9.31 kcal/mol  in the reverse Eact for L = OH. The  large variation  in the 

L = OH barrier is likely attributed to the large angle difference computed with our methodology 

(see previous section for discussion). These variations between CCSD(T) and B3LYP indicate the 

sensitivity of  the barrier heights  to  the choice of method  since  the  same basis  sets are used 

with each method. 

 

9.3.3 Thermochemistry and Relative Stabilities 

The enthalpies of formation reported here show how much energy  is required to form 

the molecule  from  the  gas  phase  atoms.  Table  9.5  and  Table  9.6  include  the  CCSD(T)‐  and 

B3LYP‐computed enthalpies of  formation at 298 K  for L‐GeAs and GeAs‐L,  respectively, while 

Table 9.7  lists the enthalpies of  isomerization at 298 K. Included  in the supplemental tables of 

this article are the atomization energies of the CCSD(T) and B3LYP‐optimized structures of this 

investigation. 

The computed SO corrections  in Table 9.1 agree with those referenced by Kedziora et 

al.255  It  is obvious  from Table 9.5 and Table 9.6  that  the  impact of  including scalar relativistic 

and SO effects is significant (>1.0 kcal/mol). Consider the CG and the DK relativistic corrections 

together for the entire test set. In all systems, except for L = Br, the relativistic contribution to 

the enthalpies of formation of the L‐GeAs systems can be as  large as 6.93 kcal/mol, while the 

contribution  is as  large as 5.48 kcal/mol  for  the GeAs‐L systems.  In  the bromine systems,  the 

198  

relativistic contributions are 9.20 kcal/mol for Br‐GeAs and 7.60 kcal/mol for GeAs‐Br, and are 

the highest  in the test set due to the presence of three third row, main group atoms. Overall, 

the CG and DK corrections are similar  for each molecule. The  largest difference between  the 

two relativistic corrections is approximately 3 kcal/mol for the L = SiH3 molecules at the cc‐pVDZ 

level. 

Table 9.7  lists the enthalpies of  isomerization at 298 K  in the migration of the L group 

from  the  germanium  terminus  to  the  arsenic  terminus.  The  advantage  of  computing  the 

enthalpies  of  isomerization  instead  of  simply  computing  the  difference  in  classical  barrier 

heights as an indication of relative stability is that the former takes into account thermal effects 

in  the  synthesis  of  the  respective  isomers.  It  is  observed,  from  the  non‐relativistic  CCSD(T) 

enthalpies  in Table 9.7 (cf. Figure 9.2), that the GeAs‐L  isomer  is more stable than the L‐GeAs 

isomer  for each  L  group except  L = NH2, OH,  and  F.  The  same  is  true of  the non‐relativistic 

B3LYP  isomerization enthalpies  for L = NH2 and F. Both L = CH3 and F have  little appreciable 

difference  in the non‐relativistic B3LYP energy difference between the two  isomers. For L = F, 

non‐relativistic CCSD(T) with  larger basis sets shows L‐GeAs to be the more stable  isomer, but 

including either the CG or DK corrections shows the GeAs‐L isomer to be more stable. The same 

is  true of  the B3LYP non‐relativistic versus  relativistic stabilities. The  relative stabilities of  the 

isomers computed here using non‐relativistic B3LYP are  in agreement with those of Lai et al., 

except  in the case of L = F. Further, the CCSD(T) results show GeAs‐CH3 to be the more stable 

isomer,  and  the GeAs‐OH  isomer  of  this  study  is  computed  to  be  almost  10  kcal/mol more 

stable than previously reported. 

The choice of basis set can significantly affect the computed enthalpy of formation and 

199  

enthalpy of  isomerization (cf. Table 9.5, Table 9.6, and Table 9.7). For example,  increasing the 

basis set from cc‐pVDZ to cc‐pVTZ  lowers the enthalpy of formation of the L‐GeAs systems an 

average  of  20.00  kcal/mol,  while  increasing  from  cc‐pVTZ  to  cc‐pVQZ  further  lowers  the 

enthalpy of formation an average of 7.19 kcal/mol.  

 

9.4 Conclusions 

This  investigation has  reported energy‐minimized  structures, classical barriers heights, 

enthalpies  of  formation,  and  enthalpies  of  isomerization  computed with  both  CCSD(T)  and 

B3LYP.  In  terms of optimized  geometries,  it  is observed  that both CCSD(T)  and B3LYP  agree 

qualitatively for all of the molecules under investigation, but do not always agree quantitatively 

(within  0.01  Å  for  bond  lengths,  and  1.0°  in  bond  angles).  The  most  notable  differences 

between the two computational methods stem from the GeAs‐L systems. Comparing structures 

computed here with those of Lai et al., it is observed that the largest differences in the L‐GeAs 

molecules occur when  L =  Li, Na, BeH, and MgH, while  the  largest differences  in  the GeAs‐L 

molecules occur when L = AlH2. 

In  the computation of classical barrier heights,  it  is observed  in  the  forward migration 

reaction that the heavier the L substituent within a column of the periodic table, the lower the 

energy of activation. Also, as the non‐hydrogen atom  in the L substituent  increases across the 

periodic  table,  the  forward  activation  energy  increases,  peaking  at  L  =  NH2  and  PH2,  then 

decreasing.  In  the  reverse  migration  reaction,  the  same  trends  hold  for  group  1  and  2 

substituents,  but  the  main  group  substituents  follow  an  opposite  trend  of  increasing  the 

activation  energy  upon  reverse  migration.  The  only  exception  to  these  periodic  trends 

200  

encountered is in the B3LYP/quadruple‐ζ reverse energies of activation of L = BH2 and AlH2. 

Predicted  enthalpies  of  formation  and  isomerization  agree  within  approximately 

3 kcal/mol  between  CCSD(T)  and  B3LYP  at  the  cc‐pVQZ  level,  and  the  present  investigation 

demonstrates  that  the  inclusion  of  relativistic  effects  is  vital  to  achieving  kcal/mol  chemical 

accuracy.  This  is  especially  true  for  the  newly  reported  enthalpies  of  formation  and 

isomerization of GeAsBr molecules, where the relativistic contributions are between 6.53 and 

9.44 kcal/mol. The enthalpies of  formation and  isomerization should be useful as a reference 

for  experiment. We predict  that  the H2N‐GeAs  and HO‐GeAs molecules  should be  the more 

stable respective isomer at 298 K, while the other substituents of this investigation (except for 

L = F) should be more stable  in the GeAs‐L form. The F‐GeAs and GeAs‐F  isomers have similar 

extrapolated energies when  relativistic CCSD(T) energies are considered. The  large computed 

barrier to isomerization (approximately 15 kcal/mol) indicates that both fluorine isomers should 

coexist at 298 K, but isomerization should be slow. 

201  

 

Figure 9.2  A side‐by‐side comparison of non‐relativistic and Douglas‐Kroll  (DK) relativistic CCSD(T) and B3LYP relative energies from mixed Gaussian/exponential extrapolations. 

CCSD(T)  DK‐CCSD(T)  B3LYP  DK‐B3LYP 

202  

Table 9.1  Non‐relativistic and spin‐orbit (SO) total energies (Eh) of some main group atoms computed at the MCSCF/cc‐pVTZ level of theory; SO corrections are given in kcal/mol. 

Atom  Term  E0  E0 + ESO  ESO B  2P1/2  ‐24.559329  ‐24.559373  ‐0.03 C  3P0  ‐37.704023  ‐37.704137  ‐0.07 O  3P2  ‐74.803078  ‐74.803435  ‐0.22 F  2P3/2  ‐99.399194  ‐99.399786  ‐0.37 Al  2P1/2  ‐241.893139  ‐241.893450  ‐0.19 Si  3P0  ‐288.862391  ‐288.862970  ‐0.36 S  3P2  ‐397.501584  ‐397.502416  ‐0.52 Cl  2P3/2  ‐459.478249  ‐459.479495  ‐0.78 Ge  3P0  ‐2075.366126  ‐2075.369752  ‐2.28 Br  2P3/2  ‐2572.438555  ‐2572.443599  ‐3.16 

203  

Table 9.2  A  comparison  of  the  CCSD(T)  optimized  geometries  (Å  and  degrees)  for  the L‐GeAs and GeAs‐L isomers; previously reported geometries are included for comparison. 

    L‐GeAs GeAs‐L 

L  ζ  Re(GeL)  Re(GeAs) A(LGeAs) Re(AsL) Re(GeAs)  A(GeAsL)

H  D  1.540  2.152 180.0 1.606 2.276  59.3  T  1.537  2.140 180.0 1.605 2.264  59.0  Q  1.535  2.134 180.0 1.603 2.258  59.1  Lai et al.  1.529  2.111 180.0 1.593 2.251  61.8Li  D  2.463  2.185 180.0 2.491 2.243  73.1  T  2.447  2.174 180.0 2.462 2.231  74.1  Q  2.449  2.168 180.0 2.458 2.225  74.5  Lai et al.  2.415  2.145 180.0 2.409 2.210  77.0

Na  D  2.789  2.187 180.0 2.831 2.240  74.8  T  2.775  2.177 180.0 2.816 2.228  75.1  Q  2.781  2.171 180.0 2.814 2.222  75.6  Lai et al.  2.732  2.148 179.9 2.754 2.210  76.8

BeH  D  2.181  2.172 180.0 2.142 2.264  78.1  T  2.159  2.177 180.0 2.134 2.253  78.8  Q  2.154  2.177 180.0 2.130 2.247  79.2  Lai et al.  2.156  2.128 180.0 2.109 2.239  82.6

MgH  D  2.574  2.177 180.0 2.577 2.252  78.0  T  2.572  2.165 180.0 2.566 2.242  78.8  Q  2.575  2.159 180.0 2.563 2.236  79.4  Lai et al.  2.561  2.135 180.0 2.539 2.225  83.1

BH2  D  2.040  2.171 180.0 2.013 2.266  101.6  T  2.031  2.159 180.0 2.007 2.255  100.8  Q  2.028  2.153 180.0 2.003 2.248  101.5  Lai et al.  2.014  2.132 180.0 1.998 2.237  105.3

AlH2  D  2.476  2.172 180.0 2.437 2.257  91.0  T  2.465  2.160 180.0 2.429 2.246  90.5  Q  2.462  2.155 180.0 2.421 2.240  91.1  Lai et al.  2.460  2.132 179.9 2.311 2.387  69.4

CH3  D  1.981  2.153 180.0 2.063 2.296  78.1  T  1.969  2.142 180.0 2.052 2.281  77.1  Q  1.964  2.136 180.0 2.047 2.275  77.3  Lai et al.  1.966  2.117 180.0 2.071 2.260  77.5

(continued on next page)

204  

Table 9.2 (continued) 

    L‐GeAs GeAs‐L 

L  ζ  Re(GeL)  Re(GeAs) A(LGeAs) Re(AsL) Re(GeAs)  A(GeAsL)

SiH3  D  2.399  2.161 180.0 2.382 2.287  75.2  T  2.390  2.149 180.0 2.372 2.289  74.4  Q  2.388  2.147 180.0 2.365 2.283  74.3  Lai et al.  2.394  2.121 179.9 2.350 2.298  72.9

NH2  D  1.861  2.156 175.0 1.956 2.322  85.6  T  1.834  2.147 174.7 1.870 2.306  112.7  Q  1.827  2.141 174.8 1.876 2.258  124.2  Lai et al.  1.832  2.124 175.1 1.887 2.304  108.9

PH2  D  2.350  2.160 173.9 2.301 2.366  63.2  T  2.332  2.149 173.6 2.282 2.356  63.0  Q  2.324  2.143 173.1 2.274 2.350  63.0  Lai et al.  2.339  2.123 172.1 2.293 2.360  62.9

OH  D  1.799  2.157 180.0 1.978 2.357  57.7  T  1.781  2.149 180.0 1.829 2.344  96.0  Q  1.781  2.143 180.0 1.828 2.338  94.8  Lai et al.  1.779  2.126 175.0 2.044 2.301  58.0

SH  D  2.226  2.159 180.0 2.394 2.324  66.4  T  2.212  2.149 180.0 2.349 2.324  64.3  Q  2.205  2.143 180.0 2.358 2.308  65.6  Lai et al.  2.223  2.125 175.6 2.379 2.310  65.1F  D  1.779  2.159 180.0 1.989 2.330  58.0  T  1.780  2.153 180.0 1.948 2.313  59.9  Q  1.785  2.147 180.0 1.943 2.307  60.2  Lai et al.  1.753  2.128 179.9 2.027 2.305  58.0Cl  D  2.158  2.155 180.0 2.376 2.335  65.7  T  2.136  2.149 180.0 2.353 2.320  64.7  Q  2.130  2.143 180.0 2.346 2.315  64.7  Lai et al.  2.150  2.126 180.0 2.400 2.310  65.2Br  D  2.305  2.160 180.0 2.517 2.327  67.2  T  2.288  2.150 180.0 2.499 2.323  66.5  Q  2.282  2.144 180.0 2.483 2.389  68.0  Lai et al.  ‐‐‐  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐

205  

Table 9.3  A comparison of the B3LYP optimized geometries (Å and degrees) for the L‐GeAs and GeAs‐L isomers; previously reported geometries are included for comparison. 

    L‐GeAs GeAs‐L 

L  ζ  Re(GeL)  Re(GeAs) A(LGeAs) Re(AsL) Re(GeAs)  A(GeAsL)

H  D  1.537  2.116 180.0 1.603 2.254  61.3  T  1.529  2.107 180.0 1.596 2.246  60.7  Q  1.528  2.106 180.0 1.596 2.245  60.4  Lai et al.  1.529  2.111 180.0 1.593 2.251  61.8Li  D  2.433  2.147 180.0 2.422 2.214  76.9  T  2.415  2.141 180.0 2.407 2.206  77.1  Q  2.413  2.140 180.0 2.403 2.205  77.2  Lai et al.  2.415  2.145 180.0 2.409 2.210  77.0

Na  D  2.745  2.149 180.0 2.755 2.214  77.0  T  2.732  2.143 180.0 2.753 2.206  76.8  Q  2.729  2.142 180.0 2.751 2.205  76.7  Lai et al.  2.732  2.148 179.9 2.754 2.210  76.8

BeH  D  2.158  2.130 180.0 2.111 2.242  82.3  T  2.157  2.123 180.0 2.107 2.235  82.5  Q  2.156  2.123 180.0 2.106 2.234  82.4  Lai et al.  2.156  2.128 180.0 2.109 2.239  82.6

MgH  D  2.561  2.137 180.0 2.540 2.229  83.0  T  2.560  2.130 180.0 2.533 2.221  83.2  Q  2.560  2.130 180.0 2.533 2.220  83.2  Lai et al.  2.561  2.135 180.0 2.539 2.225  83.1

BH2  D  2.017  2.135 179.8 1.998 2.239  105.7  T  2.013  2.128 180.0 1.994 2.232  105.6  Q  2.012  2.127 180.0 1.993 2.231  105.7  Lai et al.  2.014  2.132 180.0 1.998 2.237  105.3

AlH2  D  2.466  2.134 180.0 2.419 2.234  95.6  T  2.460  2.127 179.7 2.415 2.226  95.6  Q  2.457  2.126 179.4 2.412 2.225  95.8  Lai et al.  2.460  2.132 179.9 2.311 2.387  69.4

CH3  D  1.971  2.120 180.0 2.072 2.262  75.8  T  1.963  2.113 180.0 2.068 2.255  76.0  Q  1.961  2.112 180.0 2.066 2.253  76.0  Lai et al.  1.966  2.117 180.0 2.071 2.260  77.5

(continued on next page)

206  

Table 9.3 (continued) 

    L‐GeAs GeAs‐L 

L  ζ  Re(GeL)  Re(GeAs) A(LGeAs) Re(AsL) Re(GeAs)  A(GeAsL)

SiH3  D  2.391  2.124 180.0 2.340 2.309  72.3  T  2.387  2.118 180.0 2.333 2.301  72.2  Q  2.385  2.116 180.0 2.331 2.300  72.2  Lai et al.  2.394  2.121 179.9 2.350 2.298  72.9

NH2  D  1.843  2.126 177.8 1.899 2.301  110.1  T  1.822  2.120 178.5 1.877 2.294  111.4  Q  1.819  2.119 178.3 1.874 2.295  111.0  Lai et al.  1.832  2.124 175.1 1.887 2.304  108.9

PH2  D  2.341  2.127 173.4 2.283 2.370  62.6  T  2.330  2.120 172.7 2.270 2.363  62.4  Q  2.328  2.119 172.3 2.268 2.362  62.4  Lai et al.  2.339  2.123 172.1 2.293 2.360  62.9

OH  D  1.788  2.129 179.8 2.034 2.301  57.9  T  1.767  2.123 180.0 2.015 2.290  57.9  Q  1.765  2.122 180.0 2.012 2.289  58.0  Lai et al.  1.779  2.126 175.0 2.044 2.301  58.0

SH  D  2.222  2.129 180.0 2.366 2.316  65.0  T  2.211  2.122 180.0 2.350 2.309  64.7  Q  2.209  2.120 180.0 2.348 2.307  64.7  Lai et al.  2.223  2.125 175.6 2.379 2.310  65.1F  D  1.752  2.130 180.0 2.012 2.304  56.6  T  1.731  2.125 180.0 1.988 2.294  57.5  Q  1.729  2.123 180.0 1.984 2.292  57.5  Lai et al.  1.753  2.128 179.9 2.027 2.305  58.0Cl  D  2.159  2.130 180.0 2.388 2.314  65.1  T  2.141  2.123 180.0 2.370 2.305  64.8  Q  2.137  2.122 180.0 2.371 2.304  64.8  Lai et al.  2.150  2.126 180.0 2.400 2.310  65.2Br  D  2.304  2.131 180.0 2.529 2.316  66.9  T  2.291  2.125 180.0 2.513 2.307  66.7  Q  2.289  2.123 180.0 2.511 2.306  66.7  Lai et al.  ‐‐‐  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐

207  

Table 9.4  CCSD(T) and B3LYP classical reaction barriers  (kcal/mol)  for the  forward  (f) and reverse (r) reactions; previously reported reaction barriers are included for comparison. 

L  Method  Eact  cc‐pVDZ cc‐pVTZ cc‐pVQZ CBS(1)a CBS(2)a  Lai et al.

H  CCSD(T)  (f)  12.80 12.67 12.60 12.59 12.57  12.20    (r)  22.17 22.63 22.64 22.63 22.64  22.50  B3LYP  (f)  9.45 9.90 9.95 9.96 9.98  9.60    (r)  22.63 22.76 22.78 22.78 22.79  22.20Li  CCSD(T)  (f)  0.88 1.08 1.02 1.00 0.99  0.93    (r)  15.65 14.92 14.73 14.69 14.62  14.50  B3LYP  (f)  0.75 1.06 1.09 1.09 1.11  1.05    (r)  16.18 15.42 15.17 15.15 15.03  15.30

Na  CCSD(T)  (f)  0.32 0.49 0.43 0.41 0.39  0.40    (r)  13.99 13.08 12.81 12.75 12.65  12.70  B3LYP  (f)  0.30 0.56 0.60 0.60 0.62  0.51    (r)  14.55 13.42 13.28 13.27 13.20  13.40

BeH  CCSD(T)  (f)  3.42 3.79 3.57 3.50 3.43  3.26    (r)  20.62 21.06 21.04 21.03 21.03  20.80  B3LYP  (f)  3.63 3.74 3.80 3.81 3.84  3.68    (r)  22.65 22.37 22.33 22.33 22.31  22.40

MgH  CCSD(T)  (f)  1.58 1.64 1.44 1.38 1.32  1.37    (r)  16.85 17.05 17.09 17.10 17.12  16.90  B3LYP  (f)  1.47 1.44 1.52 1.53 1.57  1.47    (r)  18.11 17.61 17.52 17.52 17.48  17.50

BH2  CCSD(T)  (f)  11.44 6.39 6.75 6.97 6.99  6.61    (r)  11.37 15.06 15.63 15.73 15.96  15.80  B3LYP  (f)  9.19 9.17 9.20 9.21 9.23  7.08    (r)  19.69 19.36 19.32 19.32 19.30  17.40

AlH2  CCSD(T)  (f)  3.19 4.70 4.70 4.68 4.70  2.03    (r)  17.58 18.29 18.38 18.40 18.44  22.90  B3LYP  (f)  ‐0.10 1.28 1.67 1.73 1.91  1.87    (r)  16.06 16.06 16.06 16.06 16.06  23.20

CH3  CCSD(T)  (f)  23.96 23.78 24.20 24.34 24.44  21.00    (r)  21.27 21.08 21.48 21.62 21.72  19.70  B3LYP  (f)  18.34 18.79 18.86 18.87 18.90  18.10    (r)  19.37 18.95 18.93 18.93 18.93  18.40

(continued on next page)  

208  

Table 9.4 (continued) 

L  Method  Eact  cc‐pVDZ cc‐pVTZ cc‐pVQZ CBS(1)a CBS(2)a  Lai et al.

SiH3  CCSD(T)  (f)  9.78 9.54 6.00 4.91 3.90  8.16    (r)  20.55 22.21 22.61 22.70 22.83  21.80  B3LYP  (f)  7.68 7.95 8.05 8.07 8.11  7.35    (r)  22.35 22.54 22.57 22.58 22.59  21.40

NH2  CCSD(T)  (f)  28.12 28.00 27.88 27.84 27.81  21.60    (r)  17.71 17.52 16.28 15.82 15.55  11.90  B3LYP  (f)  21.17 22.21 22.18 22.17 22.17  17.80    (r)  14.74 15.06 15.00 14.99 14.96  11.00

PH2  CCSD(T)  (f)  14.27 18.47 20.43 20.99 21.57  11.60    (r)  18.97 26.94 30.12 31.02 31.97  26.40  B3LYP  (f)  11.53 12.55 12.55 12.54 12.54  9.19    (r)  26.88 28.61 28.63 28.62 28.63  23.90

OH  CCSD(T)  (f)  21.98 21.79 21.32 21.13 21.05  20.90    (r)  12.51 10.49 10.63 10.78 10.73  20.60  B3LYP  (f)  16.99 17.50 17.28 17.23 17.15  16.20    (r)  23.02 20.42 19.94 19.87 19.67  20.00

SH  CCSD(T)  (f)  19.17 16.01 16.22 16.39 16.36  15.40    (r)  26.48 28.85 25.81 24.72 24.00  28.50  B3LYP  (f)  14.91 14.79 15.94 16.08 16.63  11.10    (r)  30.98 30.68 31.70 31.82 32.31  26.40F  CCSD(T)  (f)  17.05 15.85 15.15 14.85 14.73  13.90    (r)  13.85 11.79 12.12 12.40 12.33  11.40  B3LYP  (f)  12.76 12.63 12.25 12.17 12.03  10.30    (r)  14.42 11.65 11.29 11.24 11.09  11.50Cl  CCSD(T)  (f)  12.99 14.92 14.96 14.91 14.98  15.40    (r)  17.11 18.15 18.39 18.45 18.53  17.10  B3LYP  (f)  10.70 11.65 11.93 11.97 12.09  10.40    (r)  17.81 18.28 18.12 18.09 18.02  16.50Br  CCSD(T)  (f)  15.14 15.08 14.68 14.56 14.45  ‐‐‐    (r)  18.44 19.85 18.34 17.83 17.43  ‐‐‐  B3LYP  (f)  10.64 11.25 11.23 11.23 11.22  ‐‐‐    (r)  19.13 19.51 19.49 19.49 19.48  ‐‐‐

a. “CBS(1)” and “CBS(2)” denote  the exponential and mixed Gaussian/exponential extrapolation  schemes, respectively. 

209  

Table 9.5  Non‐relativistic  (NR),  Cowan‐Griffin  (CG),  and  Douglas‐Kroll  (DK)  enthalpies  of formation at 298 K (kcal/mol) of the L‐GeAs  isomers computed with CCSD(T) and B3LYP; spin‐orbit effects have been included in the relativistic enthalpies. 

    CCSD(T) B3LYP 

L  ζ  NR  CG DK NR CG  DK

H  D  98.96  104.52 104.98 82.27 87.83  88.29  T  85.90  91.04 91.65 79.23 84.37  84.98  Q  80.81  86.35 86.53 78.92 84.46  84.64  CBS(1)a  77.57  83.84 83.34 78.89 ‐‐‐  84.60  CBS(2)a  77.85  83.62 83.55 78.75 ‐‐‐  84.45Li  D  90.22  94.90 95.68 75.29 79.97  80.76  T  75.70  80.46 80.93 71.92 76.68  77.15  Q  70.10  75.08 75.32 71.50 76.48  76.72  CBS(1)  66.58  71.87 71.87 71.44 76.47  76.66  CBS(2)  66.83  71.94 72.05 71.27 76.37  76.48

Na  D  85.38  90.00 90.41 71.54 76.17  76.58  T  70.24  75.07 75.24 68.37 73.20  73.37  Q  64.61  69.63 69.64 67.95 72.97  72.98  CBS(1)  61.28  66.50 66.36 67.89 72.95  72.92  CBS(2)  61.33  66.46 66.37 67.72 72.84  72.76

BeH  D  125.82  130.71 131.51 100.74 105.63  106.43  T  109.81  114.66 115.04 97.03 101.88  102.25  Q  103.87  108.88 109.17 96.56 101.57  101.86  CBS(1)  100.37  105.63 105.93 96.49 101.54  101.82  CBS(2)  100.41  105.52 105.76 96.29 101.40  101.64

MgH  D  110.57  115.55 116.37 94.47 99.46  100.28  T  93.55  98.66 99.10 91.09 96.20  96.63  Q  87.76  92.99 93.31 90.67 95.90  96.22  CBS(1)  84.77  90.13 90.39 90.61 95.87  96.16  CBS(2)  84.39  89.70 89.94 90.43 95.74  95.98

BH2  D  120.60  125.61 126.42 101.77 106.78  107.59  T  108.39  113.29 113.82 95.86 100.77  101.29  Q  101.38  106.57 106.80 95.35 100.54  100.77  CBS(1)  91.94  98.47 97.97 95.30 100.53  100.72  CBS(2)  97.27  102.63 102.68 95.07 100.43  100.49

(continued on next page)  

210  

Table 9.5 (continued) 

    CCSD(T) B3LYP 

L  ζ  NR  CG DK NR CG  DK

AlH2  D  122.04  127.45 125.80 100.21 105.63  103.98  T  100.30  105.80 105.37 94.91 100.41  99.98  Q  92.58  98.22 98.08 93.97 99.60  99.47  CBS(1)  88.33  94.12 94.04 93.77 99.45  99.40  CBS(2)  88.09  93.80 93.84 93.43 99.14  99.18

CH3  D  106.93  112.97 113.42 76.61 82.65  83.10  T  78.94  85.08 85.32 68.24 74.38  74.62  Q  70.14  76.48 76.52 67.62 73.97  74.00  CBS(1)  66.10  72.65 72.50 67.58 73.95  73.95  CBS(2)  65.03  71.50 71.41 67.29 73.76  73.67

SiH3  D  112.69  118.63 115.60 85.62 91.56  88.53  T  88.36  94.37 93.23 80.27 86.28  85.14  Q  82.62  88.83 88.31 79.61 85.81  85.29  CBS(1)  80.85  87.18 86.92 79.51 85.77  ‐‐‐  CBS(2)  79.32  85.63 85.47 79.24 85.55  ‐‐‐

NH2  D  117.13  123.32 123.71 81.53 87.72  88.11  T  85.61  91.87 92.09 70.94 77.19  77.42  Q  75.24  81.73 81.72 69.60 76.08  76.08  CBS(1)  70.15  76.90 76.65 69.40 75.95  75.89  CBS(2)  69.21  75.84 75.69 68.84 75.47  75.32

PH2  D  110.58  116.03 113.91 78.10 83.55  81.43  T  85.88  91.36 90.43 73.04 78.52  77.59  Q  76.62  82.42 81.84 72.66 78.46  77.88  CBS(1)  71.08  77.34 76.88 72.63 78.46  ‐‐‐  CBS(2)  71.23  77.22 76.84 72.46 78.45  ‐‐‐

OH  D  61.35  67.39 68.28 35.16 41.20  42.08  T  34.14  40.21 40.78 25.96 32.03  32.60  Q  25.31  31.88 31.97 24.77 31.33  31.42  CBS(1)  21.07  28.20 27.81 24.59 31.27  31.25  CBS(2)  20.18  27.04 26.85 24.09 30.95  30.76

SH  D  96.56  102.61 101.45 73.21 79.26  78.10  T  75.80  81.87 81.40 68.85 74.92  74.45  Q  67.66  74.13 73.69 68.47 74.94  74.50

(continued on next page)

211  

Table 9.5 (continued) 

    CCSD(T) B3LYP 

L  ζ  NR  CG DK NR CG  DK

SH  CBS(1)  62.40  69.52 68.87 68.43 ‐‐‐  ‐‐‐  CBS(2)  62.91  69.62 69.19 68.26 ‐‐‐  ‐‐‐F  D  44.00  50.11 50.81 20.19 26.30  27.00  T  25.05  31.06 31.65 14.14 20.15  20.74  Q  17.85  24.47 24.50 13.22 19.84  19.86  CBS(1)  13.44  20.99 20.23 13.05 19.82  19.72  CBS(2)  13.66  20.64 20.33 12.70 19.67  19.36Cl  D  75.74  81.94 81.93 54.96 61.16  61.15  T  56.48  62.65 62.77 50.85 57.01  57.14  Q  49.17  55.80 55.61 50.31 56.94  56.76  CBS(1)  44.69  52.02 51.34 50.23 56.94  56.72  CBS(2)  44.91  51.81 51.44 50.01 56.91  56.55Br  D  74.70  83.05 84.14 57.17 65.52  66.60  T  59.02  68.03 68.29 54.12 63.13  63.39  Q  52.40  61.46 61.67 53.79 62.85  63.06  CBS(1)  47.54  56.36 56.93 53.75 62.82  63.03  CBS(2)  48.53  57.63 57.81 53.60 62.70  62.89

a. “CBS(1)” and “CBS(2)” denote  the exponential and mixed Gaussian/exponential extrapolation  schemes, respectively. 

 

212  

Table 9.6  Non‐relativistic  (NR),  Cowan‐Griffin  (CG),  and  Douglas‐Kroll  (DK)  enthalpies  of formation at 298 K (kcal/mol) of the GeAs‐L  isomers computed with CCSD(T) and B3LYP; spin‐orbit effects have been included in the relativistic enthalpies. 

    CCSD(T) B3LYP 

L  ζ  NR  CG DK NR CG  DK

H  D  89.38  93.17 93.80 68.97 72.76  73.39  T  75.79  79.77 79.97 66.44 70.42  70.62  Q  70.63  74.71 74.82 66.17 70.24  70.35  CBS(1)  67.49  71.65 71.76 66.13 70.23  70.32  CBS(2)  67.63  71.77 71.82 66.01 70.14  70.20Li  D  76.09  80.17 81.07 59.57 63.65  64.55  T  62.50  66.98 67.22 57.27 61.76  61.99  Q  57.03  61.51 61.73 57.14 61.62  61.84  CBS(1)  53.33  57.63 58.13 57.13 61.61  61.83  CBS(2)  53.83  58.32 58.53 57.06 61.55  61.76

Na  D  72.33  76.49 76.87 56.99 61.15  61.53  T  58.27  62.84 62.79 55.20 59.78  59.72  Q  52.85  57.43 57.40 54.97 59.55  59.52  CBS(1)  49.45  53.88 54.07 54.93 59.51  59.50  CBS(2)  49.69  54.28 54.27 54.83 59.42  59.41

BeH  D  106.37 110.25 111.05 81.45 85.33  86.13  T  90.10  94.35 94.37 78.14 82.38  82.41  Q  83.96  88.07 88.32 77.76 81.87  82.12  CBS(1)  80.23  83.98 84.88 77.71 81.77  82.10  CBS(2)  80.38  84.41 84.80 77.55 81.58  81.97

MgH  D  96.50  100.63 101.49 77.54 81.67  82.53  T  77.37  81.96 82.09 74.63 79.23  79.35  Q  71.05  75.53 75.82 74.37 78.85  79.14  CBS(1)  67.95  72.15 72.82 74.35 78.79  79.12  CBS(2)  67.39  71.79 72.18 74.24 78.64  79.02

BH2  D  121.88 125.99 126.86 91.28 95.40  96.26  T  100.92 105.39 105.60 85.66 90.13  90.33  Q  93.71  98.19 98.38 85.23 89.71  89.90  CBS(1)  89.91  94.32 94.67 85.20 89.68  89.87  CBS(2)  89.51  94.00 94.18 85.00 89.49  89.67

(continued on next page)  

213  

Table 9.6 (continued) 

  CCSD(T) B3LYP 

L  ζ  NR  CG DK NR CG  DK 

AlH2  D 107.63 112.43 111.59 83.46 88.26  87.42  T  86.71  91.91 91.50 79.54 84.74  84.33  Q 78.90  84.10 83.88 79.00 84.20  83.98  CBS(1)  74.24  79.30 79.22 78.91 84.10  83.94  CBS(2)  74.35  79.55 79.44 78.69 83.89  83.79

CH3  D 109.98 113.90 114.77 75.37 79.29  80.16  T  78.22  82.64 82.76 68.02 72.43  72.55  Q 69.43  73.83 73.97 67.48 71.89  72.03  CBS(1)  66.06  70.37 70.65 67.44 71.84  71.99  CBS(2)  64.34  68.72 68.89 67.20 71.59  71.75

SiH3  D 102.74 107.28 103.96 70.60 75.15  71.83  T  76.67  81.84 80.14 65.35 70.52  68.82  Q 66.99  72.00 71.34 64.75 69.77  69.10  CBS(1)  61.27  65.81 66.20 64.67 69.62  ‐‐‐   CBS(2)  61.35  66.27 66.22 64.41 69.34  ‐‐‐ 

NH2  D 128.59 133.36 134.07 88.02 92.78  93.50  T  97.08  102.36 102.43 78.61 83.89  83.95  Q 89.87  95.17 95.22 77.31 82.60  82.65  CBS(1)  87.74  92.99 93.10 77.10 82.38  82.45  CBS(2)  85.72  91.02 91.07 76.57 81.87  81.92

PH2  D 106.24 110.67 107.83 62.31 66.74  63.90  T  77.80  82.89 81.11 56.53 61.63  59.84  Q 67.32  72.34 71.54 56.14 61.16  60.36  CBS(1)  61.21  65.88 66.20 56.11 61.11  ‐‐‐   CBS(2)  61.22  66.20 65.97 55.93 60.91  ‐‐‐ 

OH  D 71.33  75.80 76.28 28.60 33.08  33.55  T  45.60  50.53 50.45 22.56 27.49  27.41  Q 36.16  40.97 41.03 21.62 26.43  26.49  CBS(1)  30.69  35.14 35.62 21.45 26.18  26.33  CBS(2)  30.66  35.40 35.54 21.09 25.82  25.97

SH  D 89.89  94.27 92.81 56.66 61.04  59.59  T  63.48  68.51 67.33 52.48 57.51  56.32  Q 58.59  63.51 62.95 52.23 57.15  56.59

(continued on next page)

214  

Table 9.6 (continued) 

    CCSD(T) B3LYP 

L  ζ  NR  CG DK NR CG  DK

SH  CBS(1)  57.48  62.31 62.05 52.21 57.11  ‐‐‐   CBS(2)  55.80  60.65 60.46 52.09 56.95  ‐‐‐ F  D  47.67  52.12 52.30 18.30 22.74  22.92  T  29.65  34.44 34.22 14.94 19.73  19.52  Q  21.41  26.00 26.02 14.00 18.60  18.62  CBS(1)  14.46  18.32 19.20 13.64 17.93  18.30  CBS(2)  16.59  21.07 21.23 13.46 17.95  18.10Cl  D  72.63  77.02 76.87 47.62 52.01  51.86  T  54.04  58.98 58.45 43.99 48.93  48.40  Q  46.52  51.25 51.10 43.89 48.61  48.47  CBS(1)  41.43  45.45 46.22 43.89 48.58  ‐‐‐   CBS(2)  42.14  46.74 46.82 43.85 48.44  ‐‐‐ Br  D  72.40  78.93 79.97 48.45 54.99  56.02  T  55.24  63.17 62.82 45.62 53.55  53.20  Q  49.74  57.06 57.33 45.29 52.61  52.88  CBS(1)  47.14  53.19 54.74 45.24 50.81  52.84  CBS(2)  46.54  53.49 54.14 45.10 52.05  52.70

a. “CBS(1)” and “CBS(2)” denote  the exponential and mixed Gaussian/exponential extrapolation  schemes, respectively. 

215  

Table 9.7  CCSD(T) and B3LYP  enthalpies of isomerization (kcal/mol) from L‐GeAs to GeAs‐L at 298 K. Various basis set levels and CBS limits are represented as well as non‐relativistic (NR) and relativistic energies using the Cowan‐Griffin (CG) and Douglas‐Kroll (DK) approach. 

    CCSD(T) B3LYP    

L  ζ  NR  CG DK NR CG  DK 

H  D ‐9.58  ‐11.36 ‐11.18 ‐13.30 ‐15.07  ‐14.90  T  ‐10.11 ‐11.28 ‐11.69 ‐12.79 ‐13.95  ‐14.36  Q ‐10.18 ‐11.64 ‐11.72 ‐12.76 ‐14.22  ‐14.30  CBS(1)  ‐10.08 ‐12.19 ‐11.58 ‐12.76 ‐‐‐  ‐14.29  CBS(2)  ‐10.21 ‐11.85 ‐11.73 ‐12.74 ‐‐‐  ‐14.26Li  D ‐14.13 ‐14.73 ‐14.61 ‐15.72 ‐16.32  ‐16.21  T  ‐13.20 ‐13.48 ‐13.72 ‐14.64 ‐14.92  ‐15.16  Q ‐13.07 ‐13.56 ‐13.59 ‐14.36 ‐14.86  ‐14.88  CBS(1)  ‐13.24 ‐14.24 ‐13.73 ‐14.31 ‐14.85  ‐14.83  CBS(2)  ‐13.00 ‐13.62 ‐13.52 ‐14.20 ‐14.82  ‐14.72

Na  D ‐19.45 ‐20.46 ‐20.46 ‐19.29 ‐20.30  ‐20.30  T  ‐19.71 ‐20.31 ‐20.66 ‐18.89 ‐19.50  ‐19.85  Q ‐19.91 ‐20.81 ‐20.85 ‐18.80 ‐19.69  ‐19.73  CBS(1)  ‐20.14 ‐21.65 ‐21.05 ‐18.78 ‐19.77  ‐19.72  CBS(2)  ‐20.04 ‐21.11 ‐20.96 ‐18.74 ‐19.81  ‐19.67

BeH  D ‐13.05 ‐13.51 ‐13.54 ‐14.55 ‐15.02  ‐15.05  T  ‐11.98 ‐12.23 ‐12.46 ‐13.17 ‐13.42  ‐13.65  Q ‐11.76 ‐12.20 ‐12.23 ‐12.98 ‐13.42  ‐13.45  CBS(1)  ‐11.83 ‐12.62 ‐12.28 ‐12.96 ‐13.44  ‐13.42  CBS(2)  ‐11.64 ‐12.18 ‐12.11 ‐12.88 ‐13.42  ‐13.35

MgH  D ‐14.06 ‐14.92 ‐14.88 ‐16.93 ‐17.79  ‐17.75  T  ‐16.19 ‐16.69 ‐17.01 ‐16.46 ‐16.97  ‐17.28  Q ‐16.70 ‐17.46 ‐17.49 ‐16.29 ‐17.05  ‐17.08  CBS(1)  ‐16.82 ‐17.98 ‐17.57 ‐16.26 ‐17.09  ‐17.04  CBS(2)  ‐17.00 ‐17.91 ‐17.77 ‐16.20 ‐17.10  ‐16.96

BH2  D 1.27  0.39 0.44 ‐10.49 ‐11.38  ‐11.33  T  ‐7.46  ‐7.91 ‐8.22 ‐10.20 ‐10.64  ‐10.96  Q ‐7.67  ‐8.38 ‐8.42 ‐10.12 ‐10.83  ‐10.87  CBS(1)  ‐2.03  ‐4.15 ‐3.30 ‐10.11 ‐10.86  ‐10.85  CBS(2)  ‐7.76  ‐8.63 ‐8.50 ‐10.07 ‐10.94  ‐10.82

(continued on next page)  

216  

Table 9.7 (continued) 

    CCSD(T) B3LYP    

L  ζ  NR  CG DK NR CG  DK 

AlH2  D ‐14.41 ‐15.02 ‐14.21 ‐16.75 ‐17.37  ‐16.56  T  ‐13.60 ‐13.90 ‐13.87 ‐15.37 ‐15.67  ‐15.65  Q ‐13.69 ‐14.12 ‐14.20 ‐14.98 ‐15.41  ‐15.49  CBS(1)  ‐14.09 ‐14.82 ‐14.81 ‐14.86 ‐15.35  ‐15.46  CBS(2)  ‐13.75 ‐14.25 ‐14.40 ‐14.74 ‐15.25  ‐15.40

CH3  D 3.04  0.93 1.35 ‐1.24 ‐3.36  ‐2.94  T  ‐0.72  ‐2.44 ‐2.57 ‐0.22 ‐1.94  ‐2.07  Q ‐0.72  ‐2.66 ‐2.55 ‐0.14 ‐2.08  ‐1.97  CBS(1)  ‐0.05  ‐2.29 ‐1.85 ‐0.13 ‐2.11  ‐1.96  CBS(2)  ‐0.70  ‐2.77 ‐2.52 ‐0.09 ‐2.17  ‐1.92

SiH3  D ‐9.96  ‐11.35 ‐11.64 ‐15.02 ‐16.42  ‐16.70  T  ‐11.70 ‐12.53 ‐13.09 ‐14.93 ‐15.76  ‐16.32  Q ‐15.64 ‐16.82 ‐16.96 ‐14.86 ‐16.04  ‐16.19  CBS(1)  ‐19.58 ‐21.38 ‐20.72 ‐14.84 ‐16.14  ‐‐‐   CBS(2)  ‐17.97 ‐19.36 ‐19.25 ‐14.82 ‐16.22  ‐‐‐ 

NH2  D 11.46  10.04 10.36 6.49 5.07  5.38  T  11.47  10.49 10.33 7.67 6.70  6.54  Q 14.63  13.44 13.50 7.71 6.51  6.58  CBS(1)  17.59  16.09 16.44 7.70 6.43  6.56  CBS(2)  16.51  15.18 15.38 7.73 6.40  6.60

PH2  D ‐4.34  ‐5.36 ‐6.08 ‐15.79 ‐16.81  ‐17.53  T  ‐8.08  ‐8.47 ‐9.32 ‐16.51 ‐16.89  ‐17.74  Q ‐9.31  ‐10.08 ‐10.30 ‐16.53 ‐17.30  ‐17.52  CBS(1)  ‐9.87  ‐11.46 ‐10.69 ‐16.53 ‐17.35  ‐‐‐   CBS(2)  ‐10.02 ‐11.02 ‐10.87 ‐16.54 ‐17.54  ‐‐‐ 

OH  D 9.98  8.41 8.00 ‐6.56 ‐8.12  ‐8.53  T  11.46  10.33 9.67 ‐3.40 ‐4.54  ‐5.19  Q 10.85  9.09 9.06 ‐3.14 ‐4.90  ‐4.93  CBS(1)  9.62  6.95 7.80 ‐3.14 ‐5.09  ‐4.93  CBS(2)  10.48  8.35 8.69 ‐3.00 ‐5.13  ‐4.79

SH  D ‐6.67  ‐8.35 ‐8.64 ‐16.54 ‐18.22  ‐18.51  T  ‐12.32 ‐13.36 ‐14.07 ‐16.37 ‐17.42  ‐18.13  Q ‐9.06  ‐10.62 ‐10.73 ‐16.24 ‐17.79  ‐17.91

(continued on next page)

217  

Table 9.7 (continued) 

    CCSD(T) B3LYP    

L  ζ  NR  CG DK NR CG  DK 

  CBS(1)  ‐4.92  ‐7.21 ‐6.82 ‐16.22 ‐‐‐  ‐‐‐   CBS(2)  ‐7.11  ‐8.97 ‐8.73 ‐16.16 ‐‐‐  ‐‐‐ F  D 3.68  2.01 1.49 ‐1.89 ‐3.55  ‐4.08  T  4.60  3.38 2.57 0.80 ‐0.42  ‐1.23  Q 3.55  1.53 1.52 0.78 ‐1.23  ‐1.24  CBS(1)  1.02  ‐2.66 ‐1.03 0.59 ‐1.89  ‐1.42  CBS(2)  2.93  0.44 0.90 0.77 ‐1.73  ‐1.26Cl  D ‐3.11  ‐4.92 ‐5.06 ‐7.34 ‐9.15  ‐9.29  T  ‐2.45  ‐3.67 ‐4.32 ‐6.86 ‐8.09  ‐8.74  Q ‐2.65  ‐4.55 ‐4.51 ‐6.42 ‐8.33  ‐8.29  CBS(1)  ‐3.26  ‐6.57 ‐5.12 ‐6.34 ‐8.36  ‐‐‐   CBS(2)  ‐2.77  ‐5.07 ‐4.62 ‐6.16 ‐8.47  ‐‐‐ Br  D ‐2.30  ‐4.11 ‐4.17 ‐8.72 ‐10.53  ‐10.59  T  ‐3.78  ‐4.86 ‐5.47 ‐8.50 ‐9.58  ‐10.19  Q ‐2.66  ‐4.41 ‐4.34 ‐8.50 ‐10.25  ‐10.19  CBS(1)  ‐0.41  ‐3.17 ‐2.19 ‐8.50 ‐12.00  ‐10.19  CBS(2)  ‐1.99  ‐4.13 ‐3.67 ‐8.50 ‐10.65  ‐10.19

a. “CBS(1)” and “CBS(2)” denote  the exponential and mixed Gaussian/exponential extrapolation  schemes, respectively. 

218  

CHAPTER 10 

A SYSTEMATIC INVESTIGATION OF SILICON HYDRIDES AND HALIDES† 

10.1 Introduction 

Silicon‐containing  species  are  of  vital  importance  in  many  industries,  with  the  vast 

majority of applications  in the semiconductor  industry. Specifically, crystalline silicon provides 

the  foundation  for  both micro‐  and macro‐electronic  devices  from  computer  processors  to 

light‐emitting devices and solar cells.278 Halogenated silanes, such as SiF4 and SiCl4, are found in 

the  etching  of metal  surfaces  such  as  copper.279,280  Further,  plasmas  of  silicon  are  used  in 

chemical  vapor deposition  (CVD)  and  chemical etching of  crystalline  silicon  and  silicon oxide 

surfaces.281  In  the  CVD  process,  for  example,  electric  discharge  decomposes  silanes  into 

transient species that react readily with the surface. Many small reactive compounds produced 

in such plasmas have been characterized by experiment,282 yet other compounds believed to be 

produced  in  the  same plasmas have not, or cannot at present, be characterized due  to  their 

transient  nature  and  short  lifetimes.  This  affords  an  excellent  opportunity  for  theoretical 

computations to model these transient intermediates and predict their properties. 

Hydrides,  fluorides, and chlorides of  silicon have been  the  topic of both experimental 

and theoretical studies. The primary focus of many of these studies has been upon the accurate 

determination of thermodynamic properties,  including atomization energies and enthalpies of 

formation,  enabling  a  better  understanding  of  industrial  processes. Numerous  experimental 

                                                       † Work reported  in  this chapter was performed  in collaboration with Rebecca M. Lucente‐Schultz, and has been submitted for publication in Chemical Physics. 

219  

thermodynamic studies have been reviewed in a paper by Walsh.283 A review of the theoretical 

treatments of  silicon hydrides has been presented by Allen and Schaefer,282 while numerous 

fluorine and chlorine silicon species were  investigated by  Ignacio and Schlegel284,285 and Ho et 

al.286,287 Silicon hydrides, fluorides, and chlorides have been studied using methods that range 

from  Hartree‐Fock  (HF)60  and  density  functional  theory  (DFT)288  to  coupled  cluster  (CC) 

theory,289‐292  in combination with basis sets ranging from 3‐21G (27 basis functions per silicon 

atom) to aug‐cc‐pV6Z (227 basis functions per silicon atom).293 Further, Martin et al. and Begue 

et al. have investigated silane and difluorosilane, respectively, using ab initio anharmonic force 

fields.121,294 Despite  the different  theoretical approaches  that have been used  to study silicon 

hydrides and halides, no extensive CC study has been reported utilizing the augmented tight d 

correlation consistent basis sets  for many  (SiH4  is an exception)121,294 of the silicon‐containing 

molecules of this study (SiH, SiF, SiCl, SiH2, SiF2, SiCl2, SiHF, SiHCl, SiH3, SiF3, SiCl3, SiH2F, SiH2Cl, 

SiHF2,  SiHCl2,  SiF4,  SiCl4,  SiH3F,  SiH3Cl,  SiH2F2,  SiH2Cl2,  SiHF3,  SiHCl3), nor has  a  comparison of 

coupled  cluster with  single, double, and non‐iterative  triple excitations, CCSD(T),31,38 and  the 

recently development correlation consistent Composite Approach (ccCA)73‐80 been reported. 

The ccCA method has been shown to be successful  in computing  ionization potentials, 

electron affinities, and enthalpies of  formation  for  the Gaussian‐3 1999  (G3/99)  test set with 

small  mean  absolute  deviations  (MAD)  relative  to  experiment.74,75  Compared  with  the 

Gaussian‐n  (Gn) methods,  ccCA  performs well without  the  need  for  an  empirical  high‐level 

correction.  Further,  ccCA  is more  efficient  than  CCSD(T)  since  the  bottleneck  in  ccCA  is  a 

second‐order perturbation single point computation with a quadruple‐ζ basis set, which scales 

, while CCSD(T) scales as  , where    is the number of basis functions. Despite the 

220  

fact that ccCA does contain a CCSD(T) step, it is coupled with a small basis set, which does not 

make  it  more  computationally  demanding  than  the  bottleneck  perturbation  step.  The 

demonstrated  success and efficiency of  ccCA has motivated employing  it as a  computational 

method this investigation to further benchmark it against coupled cluster theory in the study of 

silicon‐containing  molecules  (the  bulk  of  which  were  not  included  in  previous  benchmark 

papers with ccCA).73‐80 

 

10.2 Computational Methodology 

The  standard  and  augmented  correlation  consistent,  polarized  valence  basis  sets 

(cc‐pVnZ and aug‐cc‐pVnZ, where n = D, T, Q, and 5)94‐101 have been used, as well as the tight d 

correlation  consistent  basis  sets,  cc‐pV(n+d)Z  and  aug‐cc‐pV(n+d)Z.101  The  mixed 

Gaussian/exponential  extrapolation  scheme  (3.3)  has  been  employed  herein  to  approximate 

the  complete  basis  set  (CBS)  limit.85,93,95  In  the  following  discussions,  the  term  ‘CBS(DTQ)’ 

denotes an extrapolation using the double‐, triple‐, and quadruple‐ζ points, ‘CBS(TQ5)’ denotes 

an extrapolation using the triple‐, quadruple‐, and quintuple‐ζ points, and ‘CBS(DTQ5)’ denotes 

an  extrapolation  using  each  ζ  point.  All  4‐point  extrapolations  have  been  fit  using  a  least‐

squares procedure with a residual less than 10‐5 hartree, while the 3‐point extrapolations utilize 

the analytical equation (3.5) for the CBS limit. 

The CCSD(T) method31,38 has been employed along side  the ccCA method.73‐80 Using a 

fixed geometry optimized with the Becke three‐parameter exchange scheme (B3) and the Lee‐

Yang‐Parr (LYP) correlation functional, B3LYP, the ccCA method uses perturbation and CCSD(T) 

theories  in  combination with  the  cc‐pVnZ basis  sets  to  account  for higher order  correlation, 

221  

core‐valence  (CV)  correlation,  and  scalar  relativistic  corrections  from  second‐order  Douglas‐

Kroll  (DK) theory135‐137 as additive corrections  (see Chapter 7  for a detailed discussion). These 

corrections are  then applied  to an extrapolated,  second‐order perturbation  theory  reference 

energy. The ccCA method also  includes atomic spin‐orbit (SO) coupling corrections. The target 

accuracy of ccCA is the DK‐CCSD(T)/aug‐cc‐pCV(∞+d)Z level of theory for energetic properties. 

In  computations  on  open‐shell molecules,  the  restricted  open‐shell  CCSD(T)  formulism was 

used, while the unrestricted formalism was used in the ccCA computations. 

All CCSD(T) computations were performed using the Molpro software package,180 while 

ccCA computations utilized the Gaussian 03 software package.174 Gradients were converged to 

at  least  10‐4  Eh,  while  harmonic  frequencies  were  computed  at  the  cc‐pVTZ  level. 

Thermochemical properties were computed using atomic enthalpies of  formation  taken  from 

the JANAF or CODATA tables,195,273 except the enthalpy of formation of the silicon atom, which 

was taken from Karton and Martin196 (see discussion in section 10.4). Atomic SO corrections (cf. 

Table 9.1) were applied to the computed thermodynamic properties. 

 

10.3 Optimized Structures 

 

10.3.1 SiH, SiF, and SiCl 

The CCSD(T)‐optimized structures of SiH, SiF, and SiCl are listed in Table 10.1. The JANAF 

tables report a bond length for SiH (Re = 1.5201 Å) from theoretical (HF) studies,170,273 and many 

subsequent experimental and  theoretical  investigations  reference  the  JANAF value. However, 

an  extensive  rovibrational  investigation  on  the  28SiH  radical  isotopomer  has  been  done  by 

222  

Betrencourt et al.,295 and this value (Re = 1.51966 Å) has been included in Table 10.1. Similarly, 

bond  lengths  from high resolution spectroscopic studies of SiF  (Re = 1.60099 Å) and SiCl  (Re = 

2.05706 Å) have been used  for  comparison  instead of  the  JANAF  values.296,297  In  comparison 

with experiment, the SiH CCSD(T) bond lengths fall within 0.01 Å when using a triple‐ζ or higher 

level basis set. The tight d function affects the double‐ζ bond length by shorting the bond from 

1.540 Å to 1.533 Å with the standard basis sets and 1.543 Å to 1.535 Å in the augmented basis 

sets, making the tight d basis sets closer to the experimental value of 1.51996 Å. 

The tight d basis sets converge faster in the bond length than the standard basis sets (cf. 

Figure 10.1). For example, the cc‐pV(T+d)Z basis set gives a bond length of SiF (1.611 Å) similar 

to  that arising  from  the  cc‐pVQZ basis  set  (1.611 Å), while  the  cc‐pV(Q+d)Z basis  set gives a 

bond  length  (1.608  Å)  similar  to  that  of  the  cc‐pV5Z  basis  set  (1.607  Å).  Similar  effects  are 

observed  in  the CCSD(T)‐computed bond  lengths of  SiCl. Overall, using  the  tight d basis  sets 

result in bond lengths at the (n+1) standard basis set level. 

 

10.3.2 SiH2, SiF2, SiCl2, SiHF, and SiHCl 

Table 10.2  lists  the optimized geometries of  the  triatomic species. The desired 0.01 Å 

accuracy  is achieved at the quadruple‐ζ  level with the standard and augmented basis sets  for 

SiH2,  but  is  achieved  at  the  triple‐ζ  level with  the  tight  d  basis  sets.  Further,  the  SiF2  bond 

lengths agree with experiment at the quadruple‐ζ level with all the basis set families employed. 

Optimized bond angles of SiH2 agree with experiment within 0.5° at all basis set  levels, while 

that of SiF2 agrees within 0.5° at the triple‐ζ level and higher. Compared with the experimental 

geometry reported in JANAF for SiCl2 (Re = 2.03 Å, A = 105° ± 3), the optimized geometries have 

223  

discrepancies  of  >0.04  Å  and  >3.5°  at  the  quintuple‐ζ  level.  The  underlying  assumption  in 

JANAF, however, is that the bond lengths and bond angle of SiCl2 are the same as for Si‐Cl and 

Cl‐Si‐Cl in SiH2Cl2. Fujitake and Hirota have reported the microwave spectrum of SiCl2,298 which 

gives a structure (in Table 10.2 for comparison) much closer to the CCSD(T)‐optimized structure. 

In SiHF and SiHCl, the Si‐H bond length is already within 0.01 Å at the triple‐ζ level, using 

the standard and augmented basis sets, and  is within this same accuracy at the double‐ζ  level 

using  the  tight d basis  sets.  Indeed,  the Si‐F bond  length converges  toward  the experimental 

value with each family of basis set, however, 0.01 Å is not achieved until the quadruple‐ζ level. 

The exception  is for the cc‐pV(n+d)Z bond  lengths, where the triple‐ζ  level Si‐F bond  length  is 

1.611 Å, compared with experiment (1.603 Å). The Si‐Cl bond of SiHCl,  in constrast to the Si‐F 

bond of SiHF does not  reach 0.01 Å of experiment until  the quintuple‐ζ  level of  the standard 

and augmented basis sets and quadruple‐ζ level in the tight d basis sets.  

 

10.3.3 SiH3, SiF3, SiCl3, SiH2F, SiH2Cl, SiHF2, and SiHCl2 

Qualitative bond angles from electron paramagnetic resonance (EPR) studies of the SiH3 

and SiF3 radicals have been reported,299,300 but no geometric parameters are well known for the 

other  tri‐substituted  silicon  radicals  in  this  investigation. Microwave  studies  have  reported 

structures for SiH3 and SiF3,301,302 though they used a fixed F‐Si‐F bond angle  in computing the 

Si‐F bond length (reported in Table 10.3). One qualitative aspect that theory corroborates is the 

pyramidal structure of the SiH3 radical, as compared with that of the isoelectronic CH3 radical, 

which is planar. 

Although  very  little  structural  information  is  available  for  these  molecules  from 

224  

experiment,  trends  in  the  computed  structures  from  the mono‐,  di‐,  and  tetra‐substituted 

molecules  lead  to  the  following observations. One obvious  trend  is  the decrease  in  the  Si‐H 

bond length in the procession from SiH to SiH4. For example, the bond length in SiH is 1.522 Å at 

the  largest basis set  level and decreases  to 1.517 Å  in SiH2,  then  to 1.479 Å  in SiH3 and SiH4. 

Comparing  the  optimized  structure  of  the  SiH3  radical  to  that  of  gaseous  silyl  acetylene 

(HCC‐SiH3)  [Rz(SiH) = 1.4794 Å] determined by Brookman et al.,303 quantitative agreement  for 

the Si‐H bond length is observed. The Si‐F bonds show a decrease from 1.607 Å in SiF to 1.596 Å 

in SiF2, then to 1.576 Å in SiF3, and finally to 1.563 Å in SiF4. Note the significant change in bond 

length  from  SiF3  to  SiF4,  as  compared with  SiH3  to  SiH4.  A  similar  trend  is  observed  in  the 

procession from SiCl2 to SiCl4 (the SiCl bond length is actually shorter than in SiCl2). 

The Si‐H bond  lengths are approximately 1.480 Å  in the SiH2F, SiHF2, SiH2Cl, and SiHCl2 

molecules. However, both the Si‐F and Si‐Cl bonds contract in going from SiH2X to SiHX2. This is 

shown  in Table 10.3: the Si‐F bond  length  is 1.600 Å at the  largest basis set  level of SiH2F and 

contracts to 1.587 Å in SiHF2. Similarly, the Si‐Cl bond length is 2.054 Å in SiH2Cl and contracts 

to 2.045 Å  in  SiHCl2.  Finally,  the H‐Si‐X and H‐Si‐H bond angles  remain  relatively  constant  in 

each of the mixed hydride/halogen species, but the X‐Si‐X bond angles of SiHF2 and SiHCl2 are 

markedly different. The F‐Si‐F angle,  for example,  is 107.15° at  the  largest basis set  level and 

expands to 109.99° for Cl‐Si‐Cl. 

 

10.3.4 SiH4, SiF4, SiCl4, SiH3F, SiH3Cl, SiH2F2, SiH2Cl2, SiHF3, and SiHCl3 

All of  the optimized  geometries of  the  tetra‐substituted  silicon  species  examined  are 

listed  in Table 10.4, and only basis sets  through quadruple‐ζ have been used  to optimize  the 

225  

geometries. Considering the tetrahedral species, CCSD(T)‐optimized bond  lengths of SiH4, SiF4, 

and SiCl4 are within 0.005, 0.008, and 0.005 Å of experiment, respectively, at the quadruple‐ζ 

level.  The  tight  d  effect  is  again  pronounced  by  accelerating  the  convergence  of  the  bond 

lengths of each tetrahedral species. 

The Si‐H bonds of SiHF3 and SiH3F agree with experiment at the quadruple‐ζ level for all 

basis sets, including the tight d sets, while those of SiHCl3 and SiH3Cl agree with experiment by 

the triple‐ζ level. The Si‐F bond length of SiHF3 is within 0.01 Å of experiment at the quadruple‐ζ 

level using the tight d basis sets, but differs from experiment by 0.011 Å and 0.012 Å with the 

standard and augmented basis sets, respectively, at the quadruple‐ζ  level. In contrast, the Si‐F 

bond length of SiH3F is well within 0.01 Å of experiment at triple‐ζ level for all basis set families 

except the aug‐cc‐pVnZ sets. The Si‐Cl bond of SiHCl3, although approaching the experimental 

value  (Re  =  2.020  Å)  as  the  basis  increases  in  size,  differs  from  experiment  by  0.009  Å  and 

0.010 Å  at  the  cc‐pV(Q+d)Z  and  aug‐cc‐pV(Q+d)Z  levels,  respectively,  but  differs  from 

experiment  by  0.013  Å  and  0.014  Å  at  the  cc‐pVQZ  and  aug‐cc‐pVQZ  levels,  respectively.  A 

similar observation is made for the Si‐Cl bond in SiH3Cl with differences, relative to experiment 

(Re = 2.0506 Å), of 0.010 Å, 0.006 Å, 0.011 Å, and 0.007 Å at the cc‐pVQZ, cc‐pV(Q+d)Z, aug‐cc‐

pVQZ, and aug‐cc‐pV(Q+d)Z basis set  levels, respectively. This shows  that  the  inclusion of  the 

tight d function is vital to achieving 0.01 Å accuracy, relative to experiment. The bond angles of 

SiHF3, SiH3F, SiHCl3, and SiH3Cl are within 0.5° of experiment at the double‐ζ level of each basis 

set family. 

 

226  

10.4 Thermochemistry 

The enthalpy of formation of the silicon atom reported by JANAF and CODATA has been 

heavily  criticized due  to  its  large error bars  (106.60 ± 1.91 kcal/mol).195,273 Ochterski et al.304 

computed the enthalpy of formation of the silicon atom with lower error bars by using reliable 

experimental  enthalpies  of  formation  of  SiH4  and  Si2H6  following  the method  of  Grev  and 

Schaefer.290 Their recommended 0 K enthalpy of  formation  for silicon  is 108.1 ± 0.5 kcal/mol. 

Karton and Martin196 have recently reinvestigated the enthalpy of formation of the silicon atom 

using  the Weizmann‐4  (W4)  composite  approach. Karton  and Martin’s  reinvestigation of  the 

silicon enthalpy of formation did not rely on semi‐empirical corrections;305 their reported value 

of the 0 K enthalpy of formation for silicon is 107.15 ± 0.20 kcal/mol, which is the value used in 

this investigation. 

Several atomization energies of Table 10.5 were calculated  from the 0 K enthalpies of 

formation taken from JANAF or CODATA. The experimental atomization energies (Σ ) for each 

molecule have been calculated using the following equation:272,306 

Σ Δ ,° Δ ,

° molecule  (10.1)

In  the  formula,    is  the  number  of  atoms  of  a  particular  type;  the  values  for Δ ,°   and 

Δ ,° molecule   are  the  experimental  0  K  enthalpies  of  formation  for  the  th  atom  and 

molecule, respectively. Enthalpies that do not appear in JANAF or CODATA are taken from other 

sources listed in Table 10.5. 

There are  six molecules  for which neither an experimental atomization energy nor an 

enthalpy  of  formation  could  be  found:  SiHF,  SiHCl,  SiH2F,  SiH2Cl,  SiHF2,  and  SiHCl2.  The 

227  

enthalpies of  formation of  these molecules have been calculated  from DK‐CCSD(T)/CBS(DTQ) 

total energies (including atomic SO corrections) using the aug‐cc‐pCVnZ‐DK basis sets81,142 and 

experimental  infrared  (IR)  frequencies, where available, using statistical thermodynamics. The 

thermal contributions of translational, rotational, and vibrational energy have been calculated 

from the following equations from McQuarrie and Simon:306 

  (10.2)

Θ2

Θ /

1 / , where Θ  (10.3)

It  is assumed that there  is no appreciable degeneracy  in the electronic wavefunction, and the 

thermal  correction  to  the  electronic  energy  is,  therefore,  negligible.  The  translational  and 

rotational thermal contributions,   and  , respectively, are taken as  3/2  each. The 

vibrational frequencies of the molecules ( ) are taken directly from experimental infrared (IR) 

frequencies. The  first  term  in  the summation of  (10.3)  is  the zero‐point energy  (ZPE) and  the 

second  term  is  the  thermal  correction  to  the  vibrational  energy  (Boltzmann  correction);  the 

number  3 6  (   is  the  number  of  atoms)  is  the  number  of  vibrational  degrees  of 

freedom. The atomization energies computed  in this manner are considerd  in this study to be 

the best estimate of the true value in the absence of a reliable experimental value. 

 

10.4.2 Atomization Energies and Enthalpies of Formation 

Computed  atomization  energies  at  0  K  are  listed  in  Table  10.5  and  enthalpies  of 

formation at 298.15 K are listed in Table 10.6. Experimental data are presented for comparison 

with  the  atomization  energy  and  the  enthalpy  of  formation  for  each  molecule.  If  the 

228  

atomization energy was not  found to be directly available  from experiment,  it was calculated 

from the experimental enthalpy of formation from equation (10.1). Conversely, if the enthalpy 

of  formation was not  found to be available  from experiment, then  it was calculated  from the 

experimental atomization energy using equation (10.1). 

The  IR  spectra  for  SiHF  and  SiHCl  from  JANAF  were  used  to  derive  the  respective 

experimental atomization energies, but no spectral data for the SiH2F, SiH2Cl, SiHF2, and SiHCl2 

molecules  could  be  found,  so  harmonic  frequencies  from  CCSD(T)/aug‐cc‐pV(T+d)Z 

computations were employed. The atomization energies and enthalpies of formation for these 

six molecules  are  listed  in  Table  10.5  and  Table  10.6,  respectively.  It  should  be  noted  that 

Ignacio and Schlegel have  reported enthalpies of  formation  for SiHF  (‐41 ± 5 kcal/mol), SiH2F 

(‐49 ± 5 kcal/mol), and SiHF2 (‐144 ± 5 kcal/mol) using a linear interpolation scheme reported in 

the JANAF tables.273,284 The DK‐CCSD(T)/CBS(DTQ) enthalpies reported here are within the error 

bars of these three fluorine species. 

The  impact  of  employing  atomization  energies  from  sources  other  than  the  JANAF 

tables  can  be  quite  significant.  For  example,  in  SiCl,  when  the  JANAF‐derived  atomization 

energy  (88.84 kcal/mol)  is  compared  to  the  CCSD(T)/CBS(DTQ5)  value,  the  difference  is 

12.02 kcal/mol  for  the  aug‐cc‐pV(n+d)Z  basis  sets.  Using  a  very  recent  value  reported  by 

Hildenbrand  et al.307  (98.68  kcal/mol),  there  is much better  agreement between  theory  and 

experiment, with  the  error  reduced  to  2.18  kcal/mol. Other  similar  cases  of  JANAF‐derived 

atomization energies differing significantly  from theory exist as well  (e.g. SiF2, SiF3, and SiCl3), 

and using the experimental data reported by various other sources (listed in Table 10.5) shows 

much better agreement between theory and experiment. These  large sources of error can be 

229  

attributed  to  the averaging of different experimental enthalpies of  formation  reported  in  the 

JANAF tables.273  

For each of the silicon fluorides represented, it is seen in Figure 10.2 that employing the 

tight  d  function  also  accelerates  the  convergence  of  the  enthalpy  of  formation,  although 

employing  the  diffuse  functions more  rapidly  accelerates  the  convergence,  especially  at  the 

double‐ζ  level, relative to the cc‐pVnZ results. More generally, the diffuse functions accelerate 

convergence of the enthalpies of formation of all molecules of this investigation. However, the 

cc‐pV(n+d)Z basis  sets produce enthalpies of  formation  comparable  to  the aug‐cc‐pVnZ basis 

sets  in many  of  the  silicon molecules  at  the  computational  cost  of  a  single  d  function  (five 

angular functions) versus a shell of multiple diffuse functions. 

The data in Table 10.5 and Table 10.6 demonstrates that large basis sets are needed to 

converge  the  CCSD(T)  energies  to  the  kcal/mol  accuracy  regime,  particularly  for  the  larger 

silicon molecules. The difference between the cc‐pVDZ and cc‐pVTZ energies  is 64.97 kcal/mol 

for SiF4, which decreases  to 19.06 kcal/mol between cc‐pVTZ and  cc‐pVQZ, and  then  to 6.85 

kcal/mol between the cc‐pVQZ and cc‐pV5Z energies. Further, basis set effects are seen in SiF in 

which  the molecule  is predicted  to be enthalpically unstable at  the double‐ζ  level  (cf. Figure 

10.2), with the exception of the aug‐cc‐pV(n+d)Z basis sets, but  instability  is not observed  for 

basis sets of at least triple‐ζ quality. 

Comparing  the  CBS  limits  of  Table  10.5  and  Table  10.6,  it  becomes  evident  that 

extrapolating different data points can lead to significantly different limits. Differences greater 

than 1.0 kcal/mol between the extrapolated CBS limits of Table 10.5 and experiment are found, 

for  example, with  SiF2,  SiCl2,  SiCl3,  SiH2F,  SiHF2,  SiHCl2,  SiH4,  SiF4,  SiCl4,  SiHF3,  SiH2F2,  SiH3F, 

230  

SiHCl3,  and  SiH2Cl2.  Large  differences  between  the  extrapolated  CBS  limits,  like  for  SiF4, 

complicate  the comparison with experiment, but examining  the CBS(DTQ5) extrapolation can 

be  illuminating.  For  example,  the  difference  between  the  SiF4  cc‐pV(n+d)Z  CBS(DTQ)  and 

CBS(TQ5)  atomization  energies  is  3.21  kcal/mol,  while  the  CBS(DTQ5)  is  almost  half‐way 

between  the  CBS(DTQ)  and  CBS(TQ5)  atomization  energies.  It  is  commonly  assumed  that  a 

CBS(TQ5)  extrapolation  is  close  to  the  actual  CBS  limit  for  the  system  since  the  difference 

between  the  quintuple‐ζ  point  and  the  actual CBS  limit  is  usually  small. However,  using  the 

double‐ζ  point  can  provide  an  anchor  point  that  changes  the  curvature  of  the  CBS  fitting 

function,  as  is  shown  in  Table  10.5  for  the  SiF4  atomization  energy,  causing  significant 

differences between the CBS limits. In CBS(DTQ5) extrapolations, like that of SiF4, the quintuple‐

ζ  point  is  not  as  close  to  the  basis  set  limit  as  predicted  by  the  CBS(TQ5)  extrapolation. 

Comparing  the SiF4  cc‐pV(n+d)Z CBS(DTQ5)  limit with experiment  shows a difference of 2.97 

kcal/mol, while the CBS(DTQ) and CBS(TQ5)  limits show differences of 4.51 and 1.30 kcal/mol, 

respectively. Note that the CBS(TQ5) extrapolation, in this case, is closer to experiment than the 

other extrapolations. 

The MAD  of  the  enthalpies  of  formation  from  experiment,  excluding  those  of  SiHF, 

SiHCl,  SiH2F,  SiHF2,  SiH2Cl,  and  SiHCl2  since  there  are  no  direct  experimental  enthalpies  to 

compare with, are, at the CCSD(T)/CBS(TQ5) level vs. the CCSD(T)/CBS(DTQ5) level: 2.25 vs. 2.07 

kcal/mol (cc‐pVnZ); 1.98 vs. 2.17 kcal/mol (cc‐pV(n+d)Z); 2.35 vs. 2.24 kcal/mol (aug‐cc‐pVnZ); 

and  2.13  vs.  2.34  kcal/mol  (aug‐cc‐pV(n+d)Z).  These  MADs  indicate  that  the  CBS(TQ5) 

extrapolation slightly outperforms the CBS(DTQ5) extrapolation in the tight d basis sets, but not 

in the standard and augmented basis sets. The largest errors between CCSD(T)/CBS(DTQ5) and 

231  

experimental enthalpies of formation are in SiCl3 and SiCl4. 

It  should be noted  that a direct comparison of ccCA  results  to CCSD(T)  should not be 

made  since  ccCA  contains additive  corrections  for both CV and  scalar  relativistic effects. The 

CCSD(T)/CBS(DTQ) extrapolations reported here were done as a reference point for comparison 

with  ccCA,  since  ccCA uses a CBS(DTQ)  reference energy. The CCSD(T)/CBS(DTQ) enthalpy of 

formation MAD  is 2.03 kcal/mol [cc‐pVnZ], 2.53 kcal/mol [cc‐pV(n+d)Z], 2.25 kcal/mol [aug‐cc‐

pVnZ], and 2.68 kcal/mol [aug‐cc‐pV(n+d)Z]. The ccCA MAD from experiment  is 2.62 kcal/mol. 

Further,  the  average  deviation  from  experiment  for  ccCA  is  1.98  ±  2.99  kcal/mol, while  the 

CCSD(T)/CBS(DTQ) average deviation  is  ‐2.05 ± 2.37 kcal/mol using  the aug‐cc‐pV(n+d)Z basis 

sets. 

In  every molecule  of  this  study,  CCSD(T)/CBS(DTQ)  extrapolations  of  the  enthalpy  of 

formation are too low relative to experiment, and ccCA tends to be too high, but slightly closer 

to experiment. This observation stems from the CCSD(T)/CBS(DTQ) atomization energies being 

too high, while those of ccCA are too  low. Assuming that all basis set error has been removed 

by the extrapolated CCSD(T) energies, then the enthalpies of formation are too low due to the 

lack of higher‐order correlation, CV correlation, and DK scalar relativistic effects. Computations 

were  performed  explicitly  including  CV  and  DK  scalar  relativistic  effects  in  the  CCSD(T) 

enthalpies of  formation  for a  subset of  silicon molecules. Overall,  including CV and DK  scalar 

relativistic components  in the CCSD(T) treatment does not appreciably improve the enthalpies 

since these corrections tend to increase computed atomization energies. 

Removing  the  CV  and  DK  scalar  relativistic  corrections  from  ccCA  approximates  the 

CCSD(T)/aug‐cc‐pV(∞+d)Z  level of theory. When these two corrections are removed, the MAD 

232  

of the ccCA enthalpies of formation reduces to 1.95 kcal/mol, compared to the CCSD(T) MAD of 

2.68 kcal/mol. This is because the additive corrections tend to overcorrect the ccCA atomization 

energies  and  the  remaining difference between  ccCA  and CCSD(T)  is  fortuitously  due  to  the 

additive correction approximation. Although the MAD from experiment is lowered when the CV 

and DK scalar relativistic corrections are removed, they are necessary for accurately describing 

the enthalpies of formation of SiH, SiF, SiH2, SiCl2, SiH4, and SiHF3. For example, removing these 

corrections  from  the  SiH4  enthalpy  of  formation  raises  the  difference  between  ccCA  and 

experiment from 0.88 kcal/mol to 2.81 kcal/mol; and that of SiHF3 from 0.85 kcal/mol to 1.88 

kcal/mol.  

Further,  comparison  of  CCSD(T)/aug‐cc‐pV(n+d)Z  and  ccCA  to  experiment  shows  that 

neither method  is within  the experimental error bars  for  the enthalpies of  formation of  SiF, 

SiH2, SiCl2, SiF3, SiCl3, SiH4, SiF4, SiCl4, and SiHCl3 (cf. Table 10.6, excluding the SiHF, SiHCl, SiH2F, 

SiHF2,  SiH2Cl,  and  SiHCl2  molecules  due  to  the  bias  introduced  from  their  experimental 

enthalpies of formation being derived from CCSD(T) energies). For the SiH and SiCl molecules, 

ccCA is within the experimental error bars, but the CCSD(T) extrapolations are not; for the SiF2 

and SiH3 molecules, CCSD(T)  is within the experimental errors bars, but ccCA  is not. The  latter 

two enthalpies of formation computed by ccCA differ from experiment by 1.57 kcal/mol for SiF2 

and differ by 1.88 kcal/mol for SiH3. 

Comparing  this  investigation with other high accuracy  studies, Martin et al. examined 

the atomization energy and enthalpy of formation of SiH4 (experiment: Σ  = 303.19 kcal/mol; 

Δ ,°  = 10.5 ± 0.5 kcal/mol) using CCSD(T) and an ab initio quartic force field. Their study of SiH4 

was motivated by the purported problems with the experimental values.121 They included inner 

233  

valence,  scalar  relativistic,  and  SO  corrections  leading  to  303.80 kcal/mol  for  the  computed 

atomization energy and 9.90 kcal/mol for the enthalpy of formation at 0 K. The aug‐cc‐pV(n+d)Z 

CCSD(T)/CBS(DTQ)  computations  of  this  study  include  inner  valence  effects  and  atomic  SO 

corrections, giving an atomization energy of 305.68 kcal/mol and a 0 K enthalpy of formation of 

8.01 kcal/mol (see supplemental material). The ccCA values for the atomization energy and 0 K 

enthalpy  of  formation  are,  respectively,  304.05  and  9.62  kcal/mol.  Thus,  ccCA more  closely 

predicts  the  atomization  energy  and  enthalpy  of  formation  of  SiH4  computed  with  an 

anharmonic force field and the values from experiment than CCSD(T) at a comparable basis set 

size. 

 

10.4.3 Dissociation Reaction Enthalpies 

Table 10.7, Table 10.8, and Table 10.9 repsectively show reaction enthalpies at 298 K for 

the hydrogen‐, fluorine‐, and chlorine‐based silicon molecules of this study.  In addition to the 

JANAF  enthalpies  of  formation  of  hydrogen,  fluorine,  and  chlorine  (recall  that  silicon  comes 

from Karton and Martin)196, the computed enthalpies of formation for HF [CCSD(T)/CBS(DTQ): 

‐66.89  kcal/mol;  CCSD(T)/CBS(TQ5):  ‐66.35  kcal/mol;  CCSD(T)/CBS(DTQ5):  ‐65.82  kcal/mol; 

ccCA:  ‐65.99  kcal/mol]  and  HCl  [CCSD(T)/CBS(DTQ):  ‐24.66  kcal/mol;  CCSD(T)/CBS(TQ5): 

‐24.57 kcal/mol; CCSD(T)/CBS(DTQ5):  ‐22.88 kcal/mol; ccCA:  ‐22.14 kcal/mol] have been used 

along  with  the  JANAF  values  of  ‐65.14  kcal/mol  and  ‐22.06  kcal/mol  for  HF  and  HCl, 

respectively. 

The  enthalpies  of  Table  10.7  show  CCSD(T)  to  perform  slightly  better  than  ccCA  in 

silicon‐hydrogen reactions. The average difference of the CCSD(T)/CBS(DTQ) reaction enthalpies 

234  

relative to experiment is 0.46 ± 1.31 kcal/mol, while that of ccCA is ‐0.67 ± 1.76 kcal/mol. In the 

silicon‐fluorine and ‐chlorine reactions, the reactions  involving SiHF, SiHCl, SiH2F, SiHF2, SiH2Cl, 

and SiHCl2 enthalpies have been excluded as  in the previous section so as to compare theory 

directly  with  experimental  enthalpies.  In  the  fluorine  reactions  of  Table  10.8,  the 

CCSD(T)/CBS(DTQ) and ccCA results compare with average differences relative to experiment of 

0.37  ±  2.45  kcal/mol  and  ‐2.05  ±  2.31  kcal/mol,  respectively.  In  Table  10.9,  the 

CCSD(T)/CBS(DTQ) and ccCA results compare with average differences relative to experiment of 

0.21  ±  2.97  kcal/mol  and  ‐2.31  ±  3.61  kcal/mol,  respectively.  Since  the  SiCl3  enthalpy  of 

formation had the  largest difference relative to experiment using both CCSD(T) and ccCA, the 

recomputed  MADs  excluding  reactions  involving  SiCl3  are  also  listed  in  Table  10.9  for 

comparison. There  is a drastic decrease, as expected,  in the MADs as a result of excluding the 

SiCl3  reactions,  and  comparing  the  average  differences  relative  to  experiment  of 

CCSD(T)/CBS(DTQ) with  those of  ccCA gives 0.23 ± 1.85 kcal/mol  (MAD = 1.40 kcal/mol) and 

‐2.18 ± 1.91 kcal/mol  (MAD = 2.23 kcal/mol),  respectively. Removing  the SiCl3 outlier  reveals 

that  ccCA,  on  average, more  accurately  predicts  reaction  enthalpies  in  the  silicon‐chlorine 

reactions of Table 9 than CCSD(T)/CBS(TQ5).

 

10.5 Conclusions 

This  investigation has presented CCSD(T)‐optimized geometries  for 24  silicon hydrides 

and  halides,  employing  the  cc‐pVnZ  and  aug‐cc‐pVnZ  basis  sets  and  their  tight  d  analogs 

cc‐pV(n+d)Z and aug‐cc‐pV(n+d)Z. Overall, agreement within 0.01 Å in bond lengths and within 

0.5°  in  bond  angles  of  experiment  is  achieved  for  the  geometries  reported  as  the  basis  set 

235  

reaches  completeness.  The  effect  of  employing  the  tight  d  function  is  acceleration  of  the 

convergence of the bond  lengths (there  is  little  impact on bond angles) to the complete basis 

set  limit. The CCSD(T)/aug‐cc‐pV(n+d)Z optimized geometries, especially for the tri‐substituted 

radicals, where there is a general lack of directly observed experimental equilibrium structures, 

are  the  best  estimate  of  the  true  equilibrium  structure  compared with  previous  theoretical 

studies. 

Large  basis  set  DK‐CCSD(T)  computations with  explicit  inclusion  of  CV  and  DK  scalar 

relativistic  effects  have  been  performed  to  provide  predictive  values  for  the  atomization 

energies  and  enthalpies  of  formation  for  SiHF,  SiHCl,  SiH2F,  SiHF2,  SiH2Cl,  and  SiHCl2  in  the 

absence  of  direct  experimental  values.  The  recommended  values  for  the  enthalpies  of 

formation  (Δ ,° )  from  this  investigation  are:  SiHF,  ‐39.16  kcal/mol;  SiHCl,  12.19 kcal/mol; 

SiH2F,  ‐45.37  kcal/mol;  SiH2Cl,  5.06  kcal/mol;  SiHF2,  ‐143.40  kcal/mol;  and  SiHCl2, 

‐35.11 kcal/mol with an uncertainty of ± 1.21 kcal/mol in each, based on comparisons between 

DK‐CCSD(T)  and  experimental  enthalpies  of  formation  for  a  subset  of  the  molecules 

investigated. 

The convergence of computed atomization energies and enthalpies of formation is also 

accelerated  by  inclusion  of  the  tight  d  function.  Employing  diffuse  functions  causes  the 

energetic  properties  to more  rapidly  converge,  but  at  the  computational  cost  of  a  shell  of 

diffuse functions versus one d function (five angular functions). Large basis sets are needed to 

converge  CCSD(T)  energetic  properties,  and,  in  general,  the  CBS(TQ5)  extrapolation  gives 

slightly  better  accuracy  than  CBS(DTQ5)  compared  with  experiment  for  the  cc‐pVnZ  and 

aug‐cc‐pVnZ  basis  sets. However,  using  the  cc‐pV(n+d)Z  and  aug‐cc‐pV(n+d)Z  basis  sets,  the 

236  

CBS(DTQ5) extrapolation performs slightly better than the CBS(TQ5) extrapolation. Comparing 

ccCA  to CCSD(T)  shows  that  ccCA  gives,  on  average,  atomization  energies  and  enthalpies  of 

formation that are closer to experiment than CCSD(T)/CBS(DTQ) and DK‐CCSD(T). 

237  

 

 

 

Figure 10.1  Plots comparing the CCSD(T) optimized geometries of SiH, SiF, and SiCl using four different families of correlation consistent basis sets. 

1.515

1.520

1.525

1.530

1.535

1.540

1.545

D T Q 5

cc‐pVnZ

cc‐pV(n+d)Z

aug‐cc‐pVnZ

aug‐cc‐pV(n+d)Z

Experiment

Basis Set (n)

Bond

Length (an

gstrom

)

SiH

1.595

1.605

1.615

1.625

1.635

1.645

1.655

1.665

1.675

D T Q 5

cc‐pVnZ

cc‐pV(n+d)Z

aug‐cc‐pVnZ

aug‐cc‐pV(n+d)Z

Experiment

Basis Set (n)

Bond

Length (an

gstrom

)

SiF

2.050

2.060

2.070

2.080

2.090

2.100

2.110

2.120

2.130

2.140

D T Q 5

cc‐pVnZ

cc‐pV(n+d)Z

aug‐cc‐pVnZ

aug‐cc‐pV(n+d)Z

Experiment

Basis Set (n)

Bond

Length (an

gstrom

)

SiCl

238  

 

  Figure 10.2  Plots  comparing  the  CCSD(T)  enthalpies  of  formation  at  298  K  of  the  silicon fluorides using four families of correlation consistent basis sets.  

‐20.00

‐15.00

‐10.00

‐5.00

0.00

5.00

10.00

15.00

D T Q 5

cc‐pVnZ

cc‐pV(n+d)Z

aug‐cc‐pVnZ

aug‐cc‐pV(n+d)Z

Basis Set (n)

Enthalpy

of Formation (298K, kcal/mol)

SiF‐160.00

‐150.00

‐140.00

‐130.00

‐120.00

‐110.00

‐100.00

D T Q 5

cc‐pVnZ

cc‐pV(n+d)Z

aug‐cc‐pVnZ

aug‐cc‐pV(n+d)Z

Basis Set (n)

Enthalpy

of Formation (298K, kcal/mol)

SiF2

‐250.00

‐240.00

‐230.00

‐220.00

‐210.00

‐200.00

‐190.00

‐180.00

‐170.00

‐160.00

D T Q 5

cc‐pVnZ

cc‐pV(n+d)Z

aug‐cc‐pVnZ

aug‐cc‐pV(n+d)Z

Basis Set (n)

Enthalpy

of Formation (298K, kcal/mol)

SiF3‐400.00

‐380.00

‐360.00

‐340.00

‐320.00

‐300.00

‐280.00

D T Q 5

cc‐pVnZ

cc‐pV(n+d)Z

aug‐cc‐pVnZ

aug‐cc‐pV(n+d)Z

Basis Set (n)

Enthalpy

of Formation (298K, kcal/mol)

SiF4

239  

Table 10.1  CCSD(T) optimized geometries (Å) of SiH, SiF, and SiCl. 

  SiH (2Π) SiF (2Π) SiCl (2Π)

Basis Set  Re Re Recc‐pVDZ  1.540 1.670 2.113cc‐pVTZ  1.528 1.620 2.084cc‐pVQZ  1.524 1.611 2.073cc‐pV5Z  1.522 1.607 2.066cc‐pV(D+d)Z  1.533 1.651 2.093cc‐pV(T+d)Z  1.525 1.611 2.076cc‐pV(Q+d)Z  1.522 1.608 2.068cc‐pV(5+d)Z  1.522 1.606 2.066aug‐cc‐pVDZ  1.543a 1.672a 2.131aug‐cc‐pVTZ  1.529a 1.625a 2.088aug‐cc‐pVQZ  1.526a 1.613a 2.074aug‐cc‐pV5Z  1.522a 1.610a 2.067aug‐cc‐pV(D+d)Z 1.535 1.654 2.112aug‐cc‐pV(T+d)Z 1.525 1.615 2.079aug‐cc‐pV(Q+d)Z 1.523 1.609 2.069aug‐cc‐pV(5+d)Z 1.522 1.607 2.066Experiment  1.51966b 1.60099c 2.05706d 

a. Feller, D.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 6413. b. Betrencourt, M.; Boudjaadar, D.; Chollet, P.; Guelachvili, G.; Morillon‐Chapey, M. J. Chem. Phys. 1986, 84, 

4121. c. Tanaka, T.; Tamura, M.; Tanaka, K. J. Mol. Struct. 1997, 413‐414, 153. d. Calculated from the rotational constant of the 28Si35Cl isotopomer, see Mélen, F.; Dubois, I.; Bredohl, H. J. 

Mol. Spectros. 1990, 139, 361.  

 

240  

Table 10.2  CCSD(T) optimized geometries (Å and degrees) of SiH2, SiF2, SiCl2, SiHF, and SiHCl. 

  SiH2 (1A1) SiF2 (

1A1) SiCl2 (1A1) 

Basis Set  Re  A Re A Re  A

cc‐pVDZ  1.533  92.31 1.656 100.09 2.114  101.67cc‐pVTZ  1.522  92.37 1.608 100.70 2.089  101.66cc‐pVQZ  1.518  92.34 1.600 100.69 2.078  101.41cc‐pV5Z  1.517  92.30 1.596 100.75 2.073  101.34cc‐pV(D+d)Z  1.526  92.33 1.637 100.68 2.095  101.99cc‐pV(T+d)Z  1.519  92.38 1.599 101.06 2.082  101.82cc‐pV(Q+d)Z  1.517  92.35 1.597 100.86 2.074  101.49cc‐pV(5+d)Z  1.516  92.30 1.596 100.77 2.072  101.34aug‐cc‐pVDZ  1.536a  92.1a 1.656a 99.3a 2.131  101.10aug‐cc‐pVTZ  1.523a  92.2a 1.612a 100.2a 2.092  101.23aug‐cc‐pVQZ  1.518a  92.3a 1.602a 100.5a 2.080  101.24aug‐cc‐pV5Z  1.517a  92.3a 1.599a 100.5a 2.074  101.27aug‐cc‐pV(D+d)Z  1.529  92.08 1.638 99.90 2.113  101.40aug‐cc‐pV(T+d)Z  1.519  92.25 1.603 100.56 2.085  101.41aug‐cc‐pV(Q+d)Z  1.517  92.29 1.598 100.70 2.075  101.33aug‐cc‐pV(5+d)Z  1.517  92.29 1.596 100.71 2.073  101.28Experiment  1.5141b  92.0b 1.591c 100.98c 2.0653c  101.32c

  SiHF (1A´) SiHCl (1A´) 

  Re(SiH)  Re(SiF) A Re(SiH) Re(SiCl)  A

cc‐pVDZ  1.542  1.667 96.75 1.534 2.118  95.31cc‐pVTZ  1.533  1.620 96.94 1.524 2.092  95.39cc‐pVQZ  1.529  1.612 96.87 1.519 2.082  95.27cc‐pV5Z  1.527  1.609 96.86 1.518 2.077  95.26cc‐pV(D+d)Z  1.535  1.648 97.09 1.526 2.099  95.56cc‐pV(T+d)Z  1.530  1.611 97.14 1.520 2.085  95.50cc‐pV(Q+d)Z  1.527  1.609 96.95 1.518 2.078  95.34cc‐pV(5+d)Z  1.527  1.608 96.87 1.518 2.076  95.27aug‐cc‐pVDZ  1.545  1.672 95.97 1.536 2.138  94.60aug‐cc‐pVTZ  1.533  1.626 96.52 1.524 2.097  95.04aug‐cc‐pVQZ  1.529  1.614 96.70 1.520 2.084  95.14aug‐cc‐pV5Z  1.528  1.609 96.81 1.518 2.077  95.21

(continued on next page)  

241  

Table 10.2 (continued) 

  SiHF (1A´) SiHCl (1A´) 

  Re(SiH)  Re(SiF) A Re(SiH) Re(SiCl)  A

aug‐cc‐pV(D+d)Z  1.537  1.654 96.33 1.528 2.119  94.85aug‐cc‐pV(T+d)Z  1.530  1.616 96.72 1.521 2.089  95.16aug‐cc‐pV(Q+d)Z  1.528  1.611 96.80 1.518 2.079  95.21aug‐cc‐pV(5+d)Z  1.527  1.609 96.82 1.518 2.077  95.22Experiment  1.529d  1.603d 96.9d 1.515d 2.0700d  95.0d

a. Feller, D.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 6413. b. Kalemos, A.; Dunning, T. H.; Mavridis, A. Mol. Phys. 2004, 102, 2597. c. Fujitake, M.; Hirota, E. Spectrochim. Acta A 1994, 50A, 1345. d. Hostutler, D. A.; Clouthier, D. J.; Judge, R. H. J. Chem. Phys. 2001, 114, 10728; Hostutler, D. A.; Ndiege, N.; 

Clouthier, D. J.; Pauls, S. W. J. Chem. Phys. 2001, 115, 5485.  

242  

Table 10.3  CCSD(T) optimized geometries  (Å and degrees) of SiH3, SiF3, SiCl3, SiH2F, SiH2Cl, SiHF2, and SiHCl2. 

  SiH3 (2A1)  SiF3 (

2A1) SiCl3 (2A1)  

Basis  Re  A(HSiH)  Re A(FSiF) Re A(ClSiCl)   

cc‐pVDZ  1.493  111.19  1.636 107.99 2.081 109.49   cc‐pVTZ  1.484  111.21  1.588 108.00 2.056 109.54   cc‐pVQZ  1.481  111.28  1.580 107.98 2.045 109.47   cc‐pV5Z  1.479  111.25  1.576 107.99 2.039 109.44   cc‐pV(D+d)Z  1.487  111.08  1.616 108.17 2.062 109.66   cc‐pV(T+d)Z  1.481  111.16  1.580 108.11 2.049 109.63   cc‐pV(Q+d)Z  1.479  111.24  1.577 108.03 2.041 109.52   cc‐pV(5+d)Z  1.479  111.25  1.575 108.00 2.039 109.45   aug‐cc‐pVDZ  1.495a  111.25  1.631 107.70 2.092 109.48   aug‐cc‐pVTZ  1.484a  111.28  1.590 107.96 2.058 109.41   aug‐cc‐pVQZ  1.482a  111.29  1.581 107.95 2.045 109.40   aug‐cc‐pV5Z  1.481a  111.26  1.576 107.98 2.040 109.41   aug‐cc‐pV(D+d)Z  1.489  111.14  1.613 107.85 2.074 109.65   aug‐cc‐pV(T+d)Z  1.481  111.24  1.582 108.06 2.050 109.50   aug‐cc‐pV(Q+d)Z  1.480  111.25  1.578 108.00 2.041 109.45   aug‐cc‐pV(5+d)Z  1.480  111.25  1.576 107.99 2.039 109.43   Experiment  ‐‐‐  ‐‐‐  (1.565)b (109.94)b ‐‐‐ ‐‐‐   

  SiH2F (2A´) SiHF2 (

2A´) 

  Re(SiH)  Re(SiF)  A(HSiF) A(HSiH) Re(SiH) Re(SiF)  A(HSiF) A(FSiF)

cc‐pVDZ  1.494  1.659  108.07 111.36 1.496 1.647  107.95 107.28cc‐pVTZ  1.486  1.612  108.17 111.31 1.488 1.599  108.04 107.24cc‐pVQZ  1.483  1.604  108.13 111.44 1.485 1.591  108.05 107.13cc‐pV5Z  1.481  1.601  108.12 111.41 1.483 1.587  108.04 107.16cc‐pV(D+d)Z  1.488  1.640  108.26 111.03 1.489 1.627  107.93 107.67cc‐pV(T+d)Z  1.483  1.603  108.27 111.16 1.484 1.590  108.04 107.46cc‐pV(Q+d)Z  1.481  1.601  108.17 111.37 1.483 1.588  108.04 107.23cc‐pV(5+d)Z  1.481  1.600  108.12 111.41 1.483 1.587  108.04 107.18aug‐cc‐pVDZ  1.496  1.661  107.52 112.05 1.499 1.646  107.92 106.46aug‐cc‐pVTZ  1.486  1.617  108.05 111.58 1.488 1.603  108.10 106.96aug‐cc‐pVQZ  1.483  1.606  108.06 111.54 1.485 1.593  108.05 107.05aug‐cc‐pV5Z  1.482  1.601  108.10 111.46 1.484 1.588  108.05 107.13

(continued on next page) 

243  

Table 10.3 (continued) 

  SiH2F (2A´) SiHF2 (

2A´) 

  Re(SiH)  Re(SiF)  A(HSiF) A(HSiH) Re(SiH) Re(SiF)  A(HSiF) A(FSiF)

aug‐cc‐pV(D+d)Z  1.490  1.643  107.75 111.71 1.492 1.627  107.95 106.82aug‐cc‐pV(T+d)Z  1.483  1.607  108.16 111.43 1.485 1.594  108.09 107.19aug‐cc‐pV(Q+d)Z  1.482  1.602  108.10 111.45 1.484 1.589  108.04 107.16aug‐cc‐pV(5+d)Z  1.481  1.600  108.11 111.45 1.483 1.587  108.04 107.15Experiment  ‐‐‐  ‐‐‐  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐  ‐‐‐

  SiH2Cl (2A´) SiHCl2 (

2A´) 

  Re(SiH)  Re(SiCl)  A(HSiCl) A(HSiH) Re(SiH) Re(SiCl)  A(HSiCl) A(ClSiCl)

cc‐pVDZ  1.493  2.094  108.73 111.18 1.493 2.086  108.03 110.47cc‐pVTZ  1.484  2.069  108.75 111.21 1.485 2.061  108.18 110.32cc‐pVQZ  1.481  2.059  108.69 111.35 1.481 2.051  108.23 110.10cc‐pV5Z  1.480  2.054  108.69 111.34 1.480 2.045  108.24 110.05cc‐pV(D+d)Z  1.487  2.075  108.95 110.88 1.487 2.067  108.08 110.81cc‐pV(T+d)Z  1.481  2.062  108.84 111.09 1.481 2.054  108.20 110.48cc‐pV(Q+d)Z  1.479  2.055  108.75 111.28 1.479 2.047  108.25 110.18cc‐pV(5+d)Z  1.479  2.053  108.70 111.33 1.480 2.045  108.26 110.03aug‐cc‐pVDZ  1.495  2.110  108.21 111.67 1.496 2.099  107.96 110.07aug‐cc‐pVTZ  1.484  2.073  108.62 111.40 1.485 2.064  108.21 109.98aug‐cc‐pVQZ  1.481  2.060  108.63 111.43 1.481 2.051  108.24 109.94aug‐cc‐pV5Z  1.480  2.055  108.67 111.38 1.480 2.046  108.27 109.95aug‐cc‐pV(D+d)Z  1.489  2.091  108.44 111.38 1.489 2.081  108.03 110.39aug‐cc‐pV(T+d)Z  1.481  2.065  108.72 111.29 1.481 2.056  108.23 110.15aug‐cc‐pV(Q+d)Z  1.480  2.056  108.69 111.35 1.480 2.047  108.26 110.03aug‐cc‐pV(5+d)Z  1.480  2.054  108.68 111.36 1.480 2.045  108.28 109.99Experiment  ‐‐‐  ‐‐‐  ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐  ‐‐‐  ‐‐‐

a. Feller, D.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 6413. b. Tanimoto, M.; Saito, S. J. Chem. Phys. 1999, 111, 9242; Milligan, D. E.; Jacox, M. E.; Guillory, W. A. J. Chem. 

Phys. 1968, 49, 5330.  

244  

Table 10.4  CCSD(T) optimized geometries  (Å and degrees) of SiH4, SiF4, SiCl4, SiHF3, SiH3F, SiHCl3, SiH3Cl, SiH2F2, and SiH2Cl2. 

  SiH4  SiF4  SiCl4  

Basis Set  Re  Re  Re  

cc‐pVDZ  1.491  1.613  2.057  cc‐pVTZ  1.483  1.570  2.036  cc‐pVQZ  1.480  1.563  2.025  cc‐pV(D+d)Z  1.485  1.593  2.040  cc‐pV(T+d)Z  1.480  1.562  2.029  cc‐pV(Q+d)Z  1.479  1.560  2.021  aug‐cc‐pVDZ  1.493a  1.607a  2.066  aug‐cc‐pVTZ  1.483a  1.571a  2.037  aug‐cc‐pVQZ  1.480a  1.564a  2.026  aug‐cc‐pV(D+d)Z  1.487  1.590  2.050  aug‐cc‐pV(T+d)Z  1.480  1.564  2.030  aug‐cc‐pV(Q+d)Z  1.479  1.560  2.022  Experiment  1.4741b  1.5524c  2.0173d  

  SiHF3  SiH3F  

  Re(SiH)  Re(SiF)  A(HSiF) Re(SiH) Re(SiF) A(HSiF)   

cc‐pVDZ  1.463  1.626  110.71 1.485 1.654 108.26   cc‐pVTZ  1.457  1.581  110.66 1.478 1.608 108.40   cc‐pVQZ  1.456  1.573  110.70 1.476 1.601 108.34   cc‐pV(D+d)Z  1.456  1.605  110.49 1.479 1.634 108.47   cc‐pV(T+d)Z  1.454  1.572  110.55 1.475 1.599 108.50   cc‐pV(Q+d)Z  1.454  1.570  110.64 1.474 1.597 108.38   aug‐cc‐pVDZ  1.467  1.622  111.10 1.488 1.657 107.74   aug‐cc‐pVTZ  1.458  1.583  110.77 1.478 1.613 108.22   aug‐cc‐pVQZ  1.456  1.574  110.74 1.476 1.603 108.26   aug‐cc‐pV(D+d)Z  1.460  1.604  110.90 1.481 1.638 107.98   aug‐cc‐pV(T+d)Z  1.455  1.575  110.66 1.476 1.604 108.33   aug‐cc‐pV(Q+d)Z  1.455  1.571  110.69 1.475 1.599 108.31   Experiment  1.4468e  1.5624e  110.64e 1.4761f 1.5945f 108.269f   

(continued on next page)     

245  

Table 10.4 (continued) 

  SiHCl3  SiH3Cl  

  Re(SiH)  Re(SiCl)  A(HSiCl) Re(SiH) Re(SiCl) A(HSiCl)   

cc‐pVDZ  1.474  2.065  109.37 1.486 2.092 108.53   cc‐pVTZ  1.466  2.043  109.39 1.478 2.069 108.51   cc‐pVQZ  1.462  2.033  109.48 1.475 2.060 108.43   cc‐pV(D+d)Z  1.467  2.047  109.19 1.480 2.072 108.77   cc‐pV(T+d)Z  1.462  2.036  109.31 1.475 2.061 108.61   cc‐pV(Q+d)Z  1.461  2.029  109.44 1.474 2.056 108.49   aug‐cc‐pVDZ  1.475  2.076  109.53 1.487 2.108 107.93   aug‐cc‐pVTZ  1.466  2.045  109.56 1.478 2.072 108.34   aug‐cc‐pVQZ  1.463  2.034  109.56 1.475 2.061 108.37   aug‐cc‐pV(D+d)Z  1.469  2.059  109.35 1.481 2.090 108.18   aug‐cc‐pV(T+d)Z  1.462  2.038  109.48 1.475 2.065 108.43   aug‐cc‐pV(Q+d)Z  1.462  2.030  109.51 1.474 2.057 108.43   Experiment  1.464f 2.020f  109.5f 1.4749f 2.0506f 108.295f   

  SiH2F2 SiH2Cl2 

  Re(SiH)  Re(SiF)  A(HSiH) A(FSiF) Re(SiH) Re(SiCl)  A(HSiH) A(ClSiCl)

cc‐pVDZ  1.476  1.639  114.98 107.90 1.480 2.077  112.81 110.28cc‐pVTZ  1.470  1.593  114.26 107.91 1.472 2.054  112.62 110.12cc‐pVQZ  1.468  1.586  114.31 107.79 1.469 2.045  112.72 109.91cc‐pV(D+d)Z  1.470  1.619  114.46 108.27 1.473 2.058  112.28 110.62cc‐pV(T+d)Z  1.467  1.585  114.04 108.09 1.469 2.047  112.41 110.27cc‐pV(Q+d)Z  1.467  1.583  114.22 107.88 1.468 2.041  112.59 109.98aug‐cc‐pVDZ  1.479  1.638  115.63 107.10 1.481 2.090  113.80 109.80aug‐cc‐pVTZ  1.470  1.597  114.49 107.60 1.472 2.057  112.95 109.75aug‐cc‐pVQZ  1.468  1.587  114.44 107.71 1.469 2.046  112.85 109.75aug‐cc‐pV(D+d)Z  1.470  1.624  114.93 107.92 1.475 2.072  113.25 110.13aug‐cc‐pV(T+d)Z  1.467  1.585  114.10 107.97 1.469 2.050  112.74 109.91aug‐cc‐pV(Q+d)Z  1.467  1.583  114.24 107.87 1.468 2.042  112.71 109.84Experiment  1.4652f  1.5760f  114.2f 107.7f 1.4671f 2.0316f  112.45f 109.67f

a. Feller, D.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 6413. b. Allen, W. D.; Schaefer, H. F. Chem. Phys. 1986, 108, 243. c. Breidung, J.; Demaison, J.; Margulès, L.; Thiel, W. Chem. Phys. Lett. 1999, 313, 713. d. Chase, M. W. J. Phys. Chem. Ref. Data 1998, 9, 1. e. Hoy, A. R.; Bertram, M.; Mills, I. M. J. Mol. Spectrosc. 1973, 46, 429. f. Donald, K. J.; Böhm, M. C.; Lindner, H. J. J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 2005, 713, 215. 

 

246  

Table 10.5  CCSD(T) and ccCA atomization energies (kcal/mol) and extrapolated energies; atomic spin‐orbit corrections have been applied to the CCSD(T) results. 

Basis  SiH  SiF  SiCl SiH2 SiF2 SiCl2 SiHF  SiHCl SiH3 SiF3 SiCl3 SiH2F

cc‐pVDZ  63.08  115.42  84.18 132.75 248.05 173.51 184.33  151.41 196.63 331.07 225.46 236.41cc‐pVTZ  68.07  131.76  93.85 141.76 279.56 191.75 204.23  164.90 208.38 378.90 252.04 259.94cc‐pVQZ  69.63  137.26  97.83 144.60 289.74 199.37 210.77  170.14 212.41 393.76 263.29 267.76cc‐pV5Z  70.18  139.12  99.74 145.60 293.28 203.05 213.04  172.47 213.69 398.92 268.79 270.35CBS(DTQ)  70.57  140.56  100.22 146.31 295.85 203.94 214.69  173.28 214.83 402.67 270.03 272.45CBS(TQ5)  70.50  140.24  100.88 146.20 295.40 205.26 214.41  173.86 214.45 402.01 272.09 271.90CBS(DTQ5)  70.52  140.33  100.50 146.22 295.50 204.51 214.47  173.51 214.59 402.15 270.93 272.08cc‐pV(D+d)Z  63.96  117.89  85.95 134.53 253.55 177.13 187.83  154.10 199.10 340.39 231.82 240.98cc‐pV(T+d)Z  68.46  133.14  94.79 142.55 282.52 193.63 206.04  166.23 209.47 383.80 255.20 262.22cc‐pV(Q+d)Z  69.85  137.99  98.44 145.04 291.26 200.59 211.73  170.96 213.00 396.23 265.31 268.96cc‐pV(5+d)Z  70.23  139.33  99.85 145.69 293.64 203.26 213.27  172.62 213.78 399.48 269.09 270.61CBS(DTQ)  70.69  140.90  100.63 146.54 296.50 204.76 215.15  173.80 215.11 403.67 271.36 273.01CBS(TQ5)  70.45  140.13  100.69 146.08 295.07 204.86 214.19  173.60 214.26 401.43 271.37 271.59CBS(DTQ5)  70.55  140.45  100.62 146.28 295.67 204.73 214.60  173.65 214.64 402.39 271.25 272.22aug‐cc‐pVDZ  64.26  124.94  87.27 134.63 264.67 179.37 193.81  155.27 198.61 353.76 232.84 246.42aug‐cc‐pVTZ  68.66  134.48  94.99 142.65 283.84 193.88 206.98  166.41 209.41 384.43 254.91 262.89aug‐cc‐pVQZ  69.84  138.32  98.49 144.94 291.45 200.62 211.86  170.93 212.78 395.97 265.03 268.86aug‐cc‐pV5Z  70.29  139.65  100.04 145.77 294.10 203.61 213.56  172.83 213.87 400.01 269.56 270.89CBS(DTQ)  70.55  140.63  100.59 146.31 296.00 204.67 214.79  173.64 214.80 402.89 271.10 272.44CBS(TQ5)  70.55  140.45  100.97 146.27 295.69 205.39 214.59  173.97 214.52 402.43 272.27 272.10CBS(DTQ5)  70.53  140.49  100.74 146.26 295.76 204.96 214.63  173.75 214.62 402.52 271.57 272.20

(continued on next page)  

247  

Table 10.5 (continued) 

Basis  SiH  SiF  SiCl SiH2 SiF2 SiCl2 SiHF  SiHCl SiH3 SiF3 SiCl3 SiH2F

aug‐cc‐pV(D+d)Z  65.12  127.35  88.93 136.37 270.01 182.74 197.19  157.82 201.02 362.97 238.82 250.84aug‐cc‐pV(T+d)Z  69.04  135.88  95.91 143.42 286.83 195.72 208.79  167.72 210.48 389.43 258.09 265.17aug‐cc‐pV(Q+d)Z  70.05  139.02  99.07 145.36 292.91 201.77 212.79  171.72 213.35 398.36 266.94 270.02aug‐cc‐pV(5+d)Z  70.32  139.79  100.17 145.84 294.39 203.84 213.74  172.98 213.94 400.46 269.93 271.08CBS(DTQ)  70.66  140.90  100.97 146.53 296.56 205.39 215.18  174.11 215.07 403.72 272.25 272.92CBS(TQ5)  70.48  140.25  100.83 146.12 295.27 205.08 214.31  173.74 214.30 401.72 271.71 271.72CBS(DTQ5)  70.56  140.54  100.86 146.30 295.85 205.17 214.70  173.88 214.65 402.61 271.89 272.26ccCA  70.20  139.82  99.53 146.21 294.74 202.93 214.20  172.73 213.06 398.04 266.17 269.93Experiment  69.18a  136.52b  98.68c 144.82d 296.29b 204.66a (215.44)  (174.26) 214.35d 400.16b 277.02e (272.43)

  SiH2Cl  SiHF2  SiHCl2 SiH4 SiF4 SiCl4 SiHF3  SiH2F2 SiH3F SiHCl3 SiH2Cl2 SiH3Cl

cc‐pVDZ  204.71  283.42  215.06 281.57 472.96 320.54 425.25  373.95 324.33 310.92 300.28 289.86cc‐pVTZ  221.50  318.89  236.82 297.02 537.93 356.10 477.17  413.11 351.48 341.62 325.96 310.45cc‐pVQZ  228.02  330.28  245.75 302.24 556.99 371.28 492.97  425.54 360.42 354.39 336.27 318.26cc‐pV5Z  230.67  334.16  249.81 303.94 563.84 378.79 498.55  429.83 363.42 360.38 340.77 321.32CBS(DTQ)  231.93  337.10  251.10 305.37 568.40 380.37 502.44  432.98 365.77 362.05 342.46 322.94CBS(TQ5)  232.26  336.49  252.25 304.95 567.95 383.29 501.90  432.40 365.21 363.96 343.46 323.15CBS(DTQ5)  232.02  336.65  251.57 305.10 567.93 381.66 501.97  432.53 365.38 362.86 342.84 322.95cc‐pV(D+d)Z  208.41  290.28  220.07 285.13 487.11 330.34 436.49  382.43 330.25 319.02 306.71 294.77cc‐pV(T+d)Z  223.27  322.44  239.28 298.56 544.95 360.77 482.76  417.29 354.29 345.50 329.02 312.73cc‐pV(Q+d)Z  229.07  332.11  247.28 303.07 560.44 374.21 495.79  427.69 361.90 356.77 338.11 319.57cc‐pV(5+d)Z  230.84  334.57  250.05 304.07 564.58 379.20 499.14  430.26 363.70 360.72 341.04 321.52

(continued on next page)   

248  

Table 10.5 (continued) 

  SiH2Cl  SiHF2  SiHCl2 SiH4 SiF4 SiCl4 SiHF3  SiH2F2 SiH3F SiHCl3 SiH2Cl2 SiH3Cl

CBS(DTQ)  232.55  337.91  252.07 305.77 569.73 382.26 503.59  433.91 366.46 363.53 343.55 323.67CBS(TQ5)  231.90  336.04  251.71 304.67 566.52 382.19 501.15  431.80 364.77 363.09 342.80 322.69CBS(DTQ5)  232.16  336.85  251.80 305.17 568.19 382.08 502.20  432.72 365.52 363.19 343.08 323.10aug‐cc‐pVDZ  208.86  300.18  221.00 283.81 500.10 329.00 447.12  389.92 334.03 318.33 306.40 294.31aug‐cc‐pVTZ  223.20  323.26  239.11 298.26 544.32 359.79 482.58  417.41 354.48 344.69 328.46 312.38aug‐cc‐pVQZ  228.85  331.97  247.03 302.66 559.60 373.51 495.10  427.14 361.48 356.15 337.58 319.12aug‐cc‐pV5Z  231.05  334.99  250.39 304.13 565.11 379.75 499.55  430.59 363.90 361.14 341.34 321.71CBS(DTQ)  232.23  337.19  251.77 305.30 568.76 381.73 502.60  432.97 365.67 363.02 343.04 323.17CBS(TQ5)  232.37  336.80  252.40 305.01 568.41 383.50 502.22  432.66 365.36 364.13 343.60 323.26CBS(DTQ5)  232.24  336.89  252.00 305.10 568.40 382.46 502.26  432.70 365.43 363.44 343.21 323.13aug‐cc‐pV(D+d)Z  212.38  306.87  225.73 287.27 513.98 338.19 458.08  358.83 339.72 325.94 312.46 298.96aug‐cc‐pV(T+d)Z  224.95  326.87  241.57 299.77 551.43 364.53 488.24  408.66 357.28 348.58 331.51 314.62aug‐cc‐pV(Q+d)Z  229.85  333.74  248.48 303.46 562.97 376.29 497.83  424.41 362.91 358.41 339.32 320.38aug‐cc‐pV(5+d)Z  231.23  335.31  250.66 304.24 565.73 380.26 500.06  428.92 364.14 361.57 341.66 321.92CBS(DTQ)  232.79  337.86  252.62 305.68 569.88 383.34 503.58  433.85 366.28 364.31 344.01 323.83CBS(TQ5)  232.05  336.25  251.97 304.71 567.39 382.64 501.40  431.62 364.88 363.46 343.06 322.85CBS(DTQ5)  232.36  336.98  252.22 305.15 568.49 382.87 502.37  432.54 365.52 363.77 343.45 323.27ccCA  229.45  333.76  247.95 304.05 563.61 375.92 498.69  430.07 363.65 358.64 339.66 320.86Experiment  (232.17)  (337.50)  (249.69) 303.19a 565.70a 379.39a 499.49a  434.32a 368.28a 361.94a 342.41a 322.38a

a. Chase, M. W. J. Phys. Chem. Ref. Data 1998, 9, 1; CODATA Key Values for Thermodynamics; Cox, J. D.; Wagman, D. D.; Medvedev, V. A., Eds.; Hemisphere Publishing Corp.: New York, NY, 1989. 

b. Fisher, E. R.; Kickel, B. L.; Armentrout, P. B. J. Phys. Chem. 1993, 97, 10204. c. Hildenbrand, D. L.; Lau, K. H.; Sanjurjo, A. J. Phys. Chem. 2003, 107, 5448. d. Berkowitz, J.; Greene, J. P.; Cho, H.; Ruscic, B. J. Chem. Phys. 1987, 86, 1235. e. Irikura, K. K.; Johnson III, R. D.; Hudgens, J. W. J. Phys. Chem. 1992, 96, 4306. 

 

249  

Table 10.6  CCSD(T)  and  ccCA  enthalpies  of  formation  at  298  K  (kcal/mol)  and  extrapolated  energies;  atomic  spin‐orbit corrections have been applied to the CCSD(T) results. 

Basis  SiH  SiF  SiCl SiH2 SiF2 SiCl2 SiHF  SiHCl SiH3 SiF3 SiCl3 SiH2F

cc‐pVDZ  95.40  9.88  51.29 76.68 ‐104.86 ‐9.76 ‐8.08  35.04 63.50 ‐169.98 ‐33.41 ‐9.44cc‐pVTZ  90.42  ‐6.46  41.62 67.66 ‐136.34 ‐28.00 ‐27.97  21.55 51.75 ‐217.76 ‐59.98 ‐32.95cc‐pVQZ  88.85  ‐11.95  37.64 64.82 ‐146.50 ‐35.61 ‐34.50  16.31 47.72 ‐232.60 ‐71.22 ‐40.76cc‐pV5Z  88.31  ‐13.81  35.74 63.82 ‐150.03 ‐39.29 ‐36.77  13.98 46.45 ‐237.75 ‐76.72 ‐43.35CBS(DTQ)  87.91  ‐15.24  35.26 63.12 ‐152.60 ‐40.18 ‐38.41  13.17 45.31 ‐241.50 ‐77.96 ‐45.45CBS(TQ5)  87.98  ‐14.92  34.59 63.22 ‐152.15 ‐41.50 ‐38.13  12.58 45.69 ‐240.84 ‐80.02 ‐44.90CBS(DTQ5)  87.97  ‐15.01  34.97 63.21 ‐152.25 ‐40.75 ‐38.19  12.94 45.55 ‐240.98 ‐78.86 ‐45.08cc‐pV(D+d)Z  94.53  7.40  49.52 74.89 ‐110.36 ‐13.38 ‐11.59  32.34 61.04 ‐179.30 ‐39.77 ‐14.00cc‐pV(T+d)Z  90.03  ‐7.83  40.68 66.87 ‐139.29 ‐29.87 ‐29.78  20.21 50.66 ‐222.66 ‐63.14 ‐35.23cc‐pV(Q+d)Z  88.63  ‐12.68  37.03 64.38 ‐148.02 ‐36.82 ‐35.46  15.48 47.14 ‐235.07 ‐73.24 ‐41.97cc‐pV(5+d)Z  88.26  ‐14.01  35.62 63.73 ‐150.39 ‐39.50 ‐36.99  13.83 46.35 ‐238.31 ‐77.03 ‐43.61CBS(DTQ)  87.79  ‐15.58  34.84 62.89 ‐153.25 ‐40.99 ‐38.87  12.65 45.03 ‐242.50 ‐79.29 ‐46.01CBS(TQ5)  88.04  ‐14.81  34.78 63.35 ‐151.82 ‐41.10 ‐37.91  12.85 45.88 ‐240.26 ‐79.30 ‐44.59CBS(DTQ5)  87.93  ‐15.13  34.85 63.15 ‐152.42 ‐40.97 ‐38.32  12.80 45.50 ‐241.22 ‐79.18 ‐45.22aug‐cc‐pVDZ  94.22  0.35  48.20 74.79 ‐121.47 ‐15.62 ‐17.57  31.17 61.53 ‐192.67 ‐40.78 ‐19.44aug‐cc‐pVTZ  89.82  ‐9.18  40.48 66.77 ‐140.62 ‐30.12 ‐30.72  20.03 50.72 ‐223.29 ‐62.85 ‐35.91aug‐cc‐pVQZ  88.64  ‐13.01  36.98 64.49 ‐148.21 ‐36.86 ‐35.59  15.52 47.35 ‐234.81 ‐72.96 ‐41.86aug‐cc‐pV5Z  88.20  ‐14.33  35.43 63.65 ‐150.85 ‐39.84 ‐37.29  13.62 46.27 ‐238.84 ‐77.49 ‐43.89CBS(DTQ)  87.94  ‐15.31  34.88 63.12 ‐152.75 ‐40.90 ‐38.51  12.81 45.33 ‐241.72 ‐79.03 ‐45.44CBS(TQ5)  87.93  ‐15.13  34.50 63.16 ‐152.45 ‐41.63 ‐38.31  12.48 45.62 ‐241.26 ‐80.20 ‐45.10CBS(DTQ5)  87.95  ‐15.17  34.73 63.17 ‐152.51 ‐41.19 ‐38.36  12.70 45.52 ‐241.35 ‐79.50 ‐45.20

(continued on next page)  

250  

Table 10.6 (continued) 

Basis  SiH  SiF  SiCl SiH2 SiF2 SiCl2 SiHF  SiHCl SiH3 SiF3 SiCl3 SiH2F

aug‐cc‐pV(D+d)Z  93.37  ‐2.06  46.54 73.05 ‐126.81 ‐18.98 ‐20.95  28.63 59.11 ‐201.88 ‐46.76 ‐23.87aug‐cc‐pV(T+d)Z  89.44  ‐10.58  39.56 66.01 ‐143.60 ‐31.97 ‐32.53  18.72 49.65 ‐228.29 ‐66.03 ‐38.18aug‐cc‐pV(Q+d)Z  88.43  ‐13.70  36.40 64.06 ‐149.67 ‐38.00 ‐36.52  14.73 46.79 ‐237.20 ‐74.88 ‐43.02aug‐cc‐pV(5+d)Z  88.16  ‐14.47  35.30 63.59 ‐151.14 ‐40.08 ‐37.47  13.47 46.19 ‐239.29 ‐77.86 ‐44.08CBS(DTQ)  87.83  ‐15.58  34.50 62.90 ‐153.31 ‐41.62 ‐38.91  12.34 45.07 ‐242.54 ‐80.18 ‐45.92CBS(TQ5)  88.00  ‐14.93  34.65 63.30 ‐152.03 ‐41.32 ‐38.04  12.71 45.84 ‐240.55 ‐79.64 ‐44.72CBS(DTQ5)  87.93  ‐15.22  34.61 63.13 ‐152.60 ‐41.41 ‐38.42  12.57 45.49 ‐241.44 ‐79.82 ‐45.26ccCA  88.88  ‐13.90  36.56 63.80 ‐150.83 ‐38.55 ‐37.33  14.32 47.67 ‐236.16 ‐73.45 ‐42.33Experiment  90.02a  ‐11.20b  36.80c 64.61d ‐152.40b ‐40.30a (‐39.16)  (12.19) 45.79d ‐238.40b ‐84.40e (‐45.37)

  SiH2Cl  SiHF2  SiHCl2 SiH4 SiF4 SiCl4 SiHF3  SiH2F2 SiH3F SiHCl3 SiH2Cl2 SiH3Cl

cc‐pVDZ  32.47  ‐89.44  ‐0.55 29.27 ‐293.82 ‐100.97 ‐213.34  ‐129.19 ‐46.61 ‐68.19 ‐35.07 ‐2.00cc‐pVTZ  15.68  ‐124.87  ‐22.30 13.82 ‐358.74 ‐136.52 ‐265.21  ‐168.32 ‐73.74 ‐98.88 ‐60.75 ‐22.58cc‐pVQZ  9.16  ‐136.24  ‐31.23 8.60 ‐377.76 ‐151.69 ‐280.99  ‐180.73 ‐82.67 ‐111.65 ‐71.06 ‐30.39cc‐pV5Z  6.51  ‐140.12  ‐35.30 6.90 ‐384.60 ‐159.20 ‐286.56  ‐185.01 ‐85.66 ‐117.63 ‐75.56 ‐33.44CBS(DTQ)  5.25  ‐143.06  ‐36.58 5.47 ‐389.16 ‐160.78 ‐290.45  ‐188.17 ‐88.02 ‐119.30 ‐77.24 ‐35.06CBS(TQ5)  4.93  ‐142.44  ‐37.73 5.89 ‐388.71 ‐163.70 ‐289.91  ‐187.58 ‐87.46 ‐121.21 ‐78.25 ‐35.27CBS(DTQ5)  5.17  ‐142.61  ‐37.05 5.74 ‐388.68 ‐162.06 ‐289.98  ‐187.72 ‐87.63 ‐120.11 ‐77.63 ‐35.08cc‐pV(D+d)Z  28.77  ‐96.29  ‐5.56 25.71 ‐307.98 ‐110.76 ‐224.58  ‐137.67 ‐52.53 ‐76.29 ‐41.51 ‐6.90cc‐pV(T+d)Z  13.91  ‐128.42  ‐24.77 12.28 ‐365.75 ‐141.19 ‐270.80  ‐172.50 ‐76.55 ‐102.76 ‐63.81 ‐24.86cc‐pV(Q+d)Z  8.11  ‐138.07  ‐32.76 7.77 ‐381.22 ‐154.62 ‐283.81  ‐182.88 ‐84.15 ‐114.03 ‐72.89 ‐31.69cc‐pV(5+d)Z  6.34  ‐140.53  ‐35.53 6.77 ‐385.34 ‐159.61 ‐287.15  ‐185.44 ‐85.95 ‐117.98 ‐75.83 ‐33.65

(continued on next page)   

251  

Table 10.6 (continued) 

  SiH2Cl  SiHF2  SiHCl2 SiH4 SiF4 SiCl4 SiHF3  SiH2F2 SiH3F SiHCl3 SiH2Cl2 SiH3Cl

CBS(DTQ)  4.64  ‐143.86  ‐37.55 5.07 ‐390.49 ‐162.67 ‐291.60  ‐189.10 ‐88.71 ‐120.78 ‐78.34 ‐35.79CBS(TQ5)  5.29  ‐142.00  ‐37.19 6.17 ‐387.28 ‐162.60 ‐289.16  ‐186.98 ‐87.02 ‐120.34 ‐77.59 ‐34.82CBS(DTQ5)  5.03  ‐142.81  ‐37.28 5.68 ‐388.95 ‐162.48 ‐290.21  ‐187.91 ‐87.77 ‐120.44 ‐77.86 ‐35.23aug‐cc‐pVDZ  28.32  ‐106.19  ‐6.49 27.03 ‐320.97 ‐109.42 ‐235.21  ‐145.16 ‐56.31 ‐75.59 ‐41.20 ‐6.44aug‐cc‐pVTZ  13.98  ‐129.24  ‐24.60 12.58 ‐365.13 ‐140.21 ‐270.62  ‐172.62 ‐76.74 ‐101.95 ‐63.25 ‐24.51aug‐cc‐pVQZ  8.34  ‐137.94  ‐32.51 8.18 ‐380.38 ‐153.91 ‐283.12  ‐182.33 ‐83.73 ‐113.40 ‐72.36 ‐31.25aug‐cc‐pV5Z  6.13  ‐140.95  ‐35.87 6.71 ‐385.87 ‐160.16 ‐287.56  ‐185.78 ‐86.15 ‐118.39 ‐76.13 ‐33.83CBS(DTQ)  4.96  ‐143.15  ‐37.25 5.54 ‐389.52 ‐162.13 ‐290.61  ‐188.16 ‐87.92 ‐120.27 ‐77.83 ‐35.29CBS(TQ5)  4.81  ‐142.75  ‐37.88 5.83 ‐389.17 ‐163.90 ‐290.23  ‐187.84 ‐87.60 ‐121.38 ‐78.39 ‐35.38CBS(DTQ5)  4.95  ‐142.85  ‐37.48 5.74 ‐389.16 ‐162.86 ‐290.27  ‐187.88 ‐87.68 ‐120.70 ‐78.00 ‐35.26aug‐cc‐pV(D+d)Z  24.80  ‐112.89  ‐11.22 23.57 ‐334.85 ‐118.62 ‐246.17  ‐114.07 ‐62.00 ‐83.20 ‐47.25 ‐11.09aug‐cc‐pV(T+d)Z  12.23  ‐132.84  ‐27.06 11.07 ‐372.24 ‐144.95 ‐276.28  ‐163.86 ‐79.54 ‐105.84 ‐66.31 ‐26.75aug‐cc‐pV(Q+d)Z  7.34  ‐139.71  ‐33.96 7.38 ‐383.74 ‐156.70 ‐285.85  ‐179.60 ‐85.16 ‐115.67 ‐74.11 ‐32.50aug‐cc‐pV(5+d)Z  5.96  ‐141.27  ‐36.14 6.60 ‐386.49 ‐160.67 ‐288.07  ‐184.11 ‐86.39 ‐118.82 ‐76.45 ‐34.05CBS(DTQ)  4.40  ‐143.82  ‐38.10 5.17 ‐390.64 ‐163.75 ‐291.59  ‐189.04 ‐88.53 ‐121.56 ‐78.79 ‐35.96CBS(TQ5)  5.13  ‐142.21  ‐37.45 6.13 ‐388.15 ‐163.05 ‐289.41  ‐186.81 ‐87.13 ‐120.71 ‐77.85 ‐34.97CBS(DTQ5)  4.82  ‐142.93  ‐37.70 5.70 ‐389.25 ‐163.27 ‐290.38  ‐187.73 ‐87.76 ‐121.03 ‐78.24 ‐35.40ccCA  8.34  ‐139.09  ‐32.81 7.32 ‐383.82 ‐154.87 ‐286.15  ‐184.73 ‐85.37 ‐115.27 ‐73.83 ‐32.38Experiment  (5.06)  (‐143.40)  (‐35.11) 8.20a ‐385.98a ‐158.40a ‐287.00a  ‐189.00a ‐90.00a ‐118.60a ‐76.60a ‐33.90a

a. Chase, M. W. J. Phys. Chem. Ref. Data 1998, 9, 1; CODATA Key Values for Thermodynamics; Cox, J. D.; Wagman, D. D.; Medvedev, V. A., Eds.; Hemisphere Publishing Corp.: New York, NY, 1989. 

b. Fisher, E. R.; Kickel, B. L.; Armentrout, P. B. J. Phys. Chem. 1993, 97, 10204. c. Hildenbrand, D. L.; Lau, K. H.; Sanjurjo, A. J. Phys. Chem. 2003, 107, 5448. d. Berkowitz, J.; Greene, J. P.; Cho, H.; Ruscic, B. J. Chem. Phys. 1987, 86, 1235. e. Irikura, K. K.; Johnson III, R. D.; Hudgens, J. W. J. Phys. Chem. 1992, 96, 4306. 

252  

Table 10.7  CCSD(T) and ccCA enthalpies of dissociation at 298.15 K (kcal/mol) of the silicon hydrides, computed with the aug‐cc‐pV(n+d)Z basis sets; the mean absolute deviation (MAD) is relative to the experimental values. 

  CCSD(T)  

Reaction  CBS(DTQ) CBS(TQ5) CBS(DTQ5) ccCA  Expt.

SiH → Si + H  69.18  68.98  69.08  68.13  66.98 

SiH2 →  SiH + H  75.55  75.32  75.42  75.70  76.04 

→  Si + H2  42.96  42.61  42.78  42.25  41.77 

SiH3 →  SiH2 + H  68.45  68.08  68.26  66.75  69.44 

→  SiH + H2  42.24  41.72  41.97  40.88  44.23 

→  Si + H2 + H  111.41  110.70  111.04  109.00  111.21 

→  Si + (3/2)H2  60.53  59.86  60.19  58.22  60.59 

SiH4 →  SiH3 + H  90.53  90.32  90.42  90.97  88.21 

→  SiH2 + H2  57.21  56.72  56.96  56.15  56.41 

→  SiH + H2 + H  132.76  132.04  132.38  131.85  132.45 

→  SiH + (3/2)H2  81.88  81.20  81.53  81.06  81.82 

→  Si + 2H2  100.18  99.34  99.75  98.40  98.18 

MAD  1.05 1.11 1.04 1.43  ‐‐‐ 

253  

Table 10.8  CCSD(T) and ccCA enthalpies of dissociation at 298.15 K (kcal/mol) of the silicon fluorides, computed with the aug‐cc‐pV(n+d)Z basis sets; the mean absolute deviation (MAD) is relative to the experimental values. 

  CCSD(T)  

Reaction  CBS(DTQ) CBS(TQ5) CBS(DTQ5) ccCA  Expt.

SiF → Si + F  139.37  138.61  139.02  137.70  135.00 

SiHF →  SiH + F  144.15  143.35  143.77  143.62  144.47a

→  SiF + H  73.95  73.72  73.83  74.05  73.66a

→  Si + HF  78.40  77.94  78.99  77.72  79.59a

SiF2 →  SiF + F  155.15  154.40  154.79  154.34  158.62 

→  Si + F2  258.38  256.98  257.74  257.21  258.78 SiH2F →  SiH2 + F  126.23  125.33  125.80  123.55  124.59a

→  SiHF + H  57.64  57.30  57.46  55.62  55.61a

→  SiH + HF  66.86  66.26  67.37  65.22  65.79a

→  SiF + H2  29.82  29.34  29.57  28.43  28.02a

→  Si + H2 + F  169.20  167.94  168.59  166.13  168.25a

SiHF2 →  SiHF + F  122.33  121.48  121.92  119.17  120.58a

→  SiH + F2  230.34  228.80  229.63  227.97  230.22a

→  SiF + HF  61.35  60.81  61.89  59.19  59.94a

→  Si + H + F2  299.51  297.78  298.70  296.09  299.63a

SiF3 →  SiF2 + F  106.65  105.83  106.26  102.75  103.42 

→  SiF + F2  225.66  224.20  224.98  222.26  227.20 

→  Si + (3/2)F2  346.96  344.79  345.97  342.55  344.78 

SiH3F →  SiH3 + F  151.02  150.28  150.67  150.46  153.21 

→  SiH2 + HF  84.54  83.97  85.07  83.18  89.47 

→  SiH2F + H  93.23  93.03  93.12  93.66  93.61a

→  SiHF + H2  49.10  48.65  48.87  48.04  47.98a

→  SiH + H2 + F  193.25  191.99  192.64  191.66  197.44 

→  SiF + (3/2)H2  72.17  71.53  71.84  71.47  78.80 

→  Si + HF + H2  127.50  126.59  127.85  125.76  131.24 SiH2F2 →  SiH2F + F  160.53  159.35  159.88  159.81  160.72a

→  SiH2 + F2  250.63  248.65  249.62  248.53  253.61 

→  SiHF2 + H  95.84  95.17  95.42  96.26  95.76a

→  SiF2 + H2  35.21  34.29  34.66  33.90  36.60 

→  Si + 2HF  161.64  160.20  162.47  159.12  165.10 

→  Si + H2 + F2  293.59  291.27  292.40  291.11  295.38 

(continued on next page)

254  

Table 10.8 (continued) 

  CCSD(T)  

Reaction  CBS(DTQ) CBS(TQ5) CBS(DTQ5) ccCA  Expt.

SiHF3 →  SiHF2 + F  165.18  164.51  164.86  164.48  165.60a

→  SiHF + F2  251.37  249.97  250.72  248.82  251.34a

→  SiF2 + HF  71.39  70.92  71.96  69.34  69.46 

→  SiF3 + H  99.66  99.49  99.56  100.61  99.22 

→  SiH + (3/2)F2  379.41  377.09  378.31  375.03  377.02 

→  Si + HF + F2  329.77  327.90  329.71  326.54  328.24 

SiF4 →  SiF3 + F  165.51  164.91  165.22  165.07  165.00 

→  SiF2 + F2  236.02  234.71  235.41  233.00  233.58 

→  SiF + (3/2)F2  373.10  371.09  372.17  369.92  374.78 

→  Si + 2F2  494.40  491.69  493.16  490.20  492.36 

MAD  1.93 1.84 1.83 2.32  ‐‐‐a. Enthalpies derived from the calculated enthalpies of formation in Table 10.6. 

 

255  

Table 10.9  CCSD(T) and ccCA enthalpies of dissociation at 298.15 K (kcal/mol) of the silicon chlorides, computed with the aug‐cc‐pV(n+d)Z basis sets; the mean absolute deviation (MAD) is relative to the experimental values. 

  CCSD(T)  

Reaction  CBS(DTQ) CBS(TQ5) CBS(DTQ5) ccCA  Expt.

SiCl → Si + Cl  99.37  99.14  99.27  97.32  97.07 

SiHCl →  SiH + Cl  102.98  102.71  102.85  102.05  104.78a 

→  SiCl + H  72.79  72.56  72.66  72.86  72.50a 

→  Si + HCl  69.38  69.00  70.93  69.92  71.56a SiCl2 →  SiCl + Cl  103.62  103.38  103.51  102.60  104.59 

→  Si + Cl2  145.10  144.38  144.79  144.93  146.68 SiH2Cl →  SiH2 + Cl  85.99  85.59  85.80  82.96  85.83a 

→  SiHCl + H  58.56  58.19  58.37  56.61  56.54a 

→  SiH + HCl  58.76  58.22  60.23  58.40  58.69a 

→  SiCl + H2  29.58  29.07  29.32  28.22  27.80a 

→  Si + H2 + Cl  128.95  128.20  128.58  125.54  129.49a 

SiHCl2 →  SiHCl + Cl  77.93  77.57  77.76  74.62  77.70a 

→  SiH + Cl2  123.03  122.14  122.63  121.69  127.50a 

→  SiCl + HCl  47.94  47.44  49.43  47.22  47.57a 

→  Si + H + Cl2  192.20  191.12  191.70  189.81  196.91a 

SiCl3 →  SiCl2 + Cl  66.05  65.74  65.90  62.39  71.59 

→  SiCl + Cl2  111.78  110.98  111.42  110.00  121.20 

→  Si + (3/2)Cl2  182.21  181.05  181.70  179.83  190.78 

SiH3Cl →  SiH3 + Cl  108.52  108.23  108.38  107.54  107.18 

→  SiH2 + HCl  74.19  73.62  75.64  74.04  76.45 

→  SiH2Cl + H  90.98  90.72  90.84  91.34  91.26a 

→  SiHCl + H2  47.77  47.23  47.49  46.70  46.56a 

→  SiH + H2 + Cl  150.75  149.94  150.35  148.75  151.42 

→  SiCl + (3/2)H2  69.68  68.94  69.30  68.94  70.70 

→  Si + HCl + H2  117.16  116.23  118.43  116.62  118.22 SiH2Cl2 →  SiH2Cl + Cl  110.69  110.40  110.55  109.66  112.57a 

→  SiH2 + Cl2  138.79  137.85  138.36  137.64  141.21 

→  SiHCl2 + H  91.31  91.02  91.16  91.65  91.41a 

→  SiCl2 + H2  36.65  36.08  36.36  35.28  36.30 

→  Si + 2HCl  135.86  134.91  138.86  135.93  138.86 

→  Si + H2 + Cl2  181.75  180.46  181.15  180.22  182.98 

(continued on next page)

256  

Table 10.9 (continued) 

  CCSD(T)  

Reaction  CBS(DTQ) CBS(TQ5) CBS(DTQ5) ccCA  Expt.

SiHCl3 →  SiHCl2 + Cl  110.95  110.68  110.82  109.95  112.73a 

→  SiHCl + Cl2  130.99  130.11  130.59  129.59  135.44a 

→  SiCl2 + HCl  55.28  54.73  56.74  54.57  56.24 

→  SiCl3 + H  92.00  91.68  91.83  92.44  84.82 

→  SiH + (3/2)Cl2  209.38  208.48  208.95  204.14  208.62 

→  Si + HCl + Cl2  200.38  199.11  201.53  199.51  202.92 

SiCl4 →  SiCl3 + Cl  111.06  110.82  110.95  108.92  101.49 

→  SiCl2 + Cl2  119.23  118.42  118.86  116.32  118.10 

→  SiCl + (3/2)Cl2  193.90  192.74  193.38  191.43  195.20 

→  Si + 2Cl2  264.33  262.80  263.65  261.25  264.78 

MAD  2.03 2.12 1.96 3.14  ‐‐‐MADb  1.40 1.40 1.30 2.23  ‐‐‐

a. Enthalpies derived from the calculated enthalpies of formation in Table 10.6. b. Calculated excluding reactions involving SiCl3 (see discussion in text).

257  

CHAPTER 11 

CONCLUDING REMARKS 

This  dissertation  has  covered  several  aspects  of  both  predictive  and  comparative 

computational quantum chemistry employing the correlation consistent basis sets. As shown in 

this work, the systematic contruction of the correlation consistent basis sets may be employed 

not  only  in  ab  initio  calculations,  but  also  in  density  functional  theory  (DFT)  calculations  to 

evaluate  the  complete  basis  set  (CBS)  limit,  and  hence,  the  intrinsic  accuracy  of  a  given 

computational method. 

In DFT computations, the correlation consistent basis sets in their original form are not 

optimal, efficient, nor entirely adequate for elucidating Kohn‐Sham (KS) limits. This dissertation 

has discussed both the basis set requirements and the effects of recontracting (fine‐tuning) the 

correlation  consistent  basis  sets  for DFT.  Specifically,  it  has  been  shown  that  truncating  the 

correlation consistent basis sets of all but s, p, d, and f functions does not result  in deviations 

greater than a kcal/mol in computed atomic and molecular properties (relative to the full basis 

set), making the correlation consistent basis sets more efficient  in DFT computations. Further, 

recontraction of  the Hartree‐Fock  (HF) minimal basis  set  for a  specific density  functional  (e.g 

BLYP  and B3LYP)  along with  the  inclusion of diffuse  functions  and  a  correction  for basis  set 

superposition error  (BSSE) has been  shown  to give  smooth, monotonic convergence  towards 

the KS limit for main group atoms and molecules. 

Regarding  the  development  of  correlation  consistent  basis  sets  for  ab  initio 

258  

methodologies,  new  basis  sets  for  the  s‐block  atoms  lithium,  beryllium,  sodium,  and 

magnesium  have  been  reported  and  discussed.  In  particular,  the  standard  valence,  core‐

valence, augmented, and Douglas‐Kroll  (DK) scalar relativistic correlation consistent basis sets 

were benchmarked and discussed, and  shown  to give kcal/mol accuracy  in many atomic and 

molecular properties while exhibiting smooth, monotonic convergence towards the CBS limit. 

Next,  the  resolution  of  the  identity  (RI)  approximation  was  applied  to  the  recently 

developed  correlation  consistent  Composite Approach  (ccCA),  a  composite  ab  initio method 

that  exploits  the  convergent  behavior  of  the  correlation  consistent  basis  sets.  The  newly 

formulated RI‐ccCA method has been benchmarked against the original ccCA formulation, and 

shown to give accuracy better 1.5 kcal/mol in molecular atomization energies. More novel than 

the application of the RI approximation to ccCA is the dramatic difference in the computational 

cost of RI‐ccCA  compared with  ccCA, namely,  the  reduction  in  computing  time by almost an 

order of magnitude and the reduction in disk space by almost two orders of magnitude. 

Finally,  three  separate  benchmark  studies  of  heavy  FOOF‐like molecules,  germanium 

arsenides,  and  silicon  hydrides/halides  utilizing  the  correlation  consistent  basis  sets  were 

presented.  Computed  geometries,  spectroscopic  properties,  and  thermochemical  properties 

were  discussed with  respect  to  experimental  observations.  The  convergent  behavior  of  the 

correlation consistent basis sets was exploited in the latter two chapters to compute CBS limits 

of  bond  lengths,  atomization  energies,  and  enthalpies  of  formation,  thus  presenting  highly 

reliable predictions of experimental observations yet to be made. 

259  

REFERENCES 

(1)  Schrödinger, E. Ann. Phys. 1926, 385, 437.  (2)  Schrödinger, E. Ann. Phys. 1926, 384, 489.  (3)  Schrödinger, E. Ann. Phys. 1926, 384, 361.  (4)  Schrödinger, E. Phys. Rev. 1926, 28, 1049.  (5)  Born, M.; Oppenheimer, J. R. Ann. Phys. 1927, 389, 457.  (6)  Levine, I. N. Quantum Chemistry, 5 ed.; Prentice Hall, 2000.  (7)  Szabo,  A.;  Ostlund,  N.  S.  Modern  Quantum  Chemistry:  Introduction  to  Advanced 

Electronic Structure Theory; McGraw‐Hill, Inc.: New York, NY, 1989.  (8)  Heisenberg, W. Z. Phys. 1927, 43, 172.  (9)  Pauli, W. Z. Phys. 1925, 31, 765.  (10)  Pauli, W. "Exclusion principle and quantum mechanics."  (Nobel Prize Lecture) Geneva, 

Switzerland, 1945.  (11)  Slater, J. C. Phys. Rev. 1929, 34, 1293.  (12)  Hartree, D. R. Proc. Camb. Phil. Soc. 1928, 24, 89.  (13)  Hartree, D. R. Proc. Camb. Phil. Soc. 1928, 24, 111.  (14)  Hartree, D. R. Proc. Camb. Phil. Soc. 1928, 24, 426.  (15)  Lay, D.  C.  Linear  Algebra  and  its  Applications,  2  ed.;  Addison Wesley  Longman,  Inc.: 

Reading, MA, 2000.  (16)  Hund, F. Z. Phys. 1925, 33, 345.  (17)  Hund, F. Z. Phys. 1925, 34, 296.  (18)  Hehre, W. J.; Radom, L.; Schleyer, P. v. R.; Pople, J. A. Ab Initio Molecular Orbital Theory; 

John Wiley & Sons, Inc.: New York, NY, 1986.  

260  

(19)  Jensen, F. Introduction to Computational Chemistry; John Wiley & Sons Ltd.: Chichester, West Sussex, 1999. 

 (20)  Hartree, D. R.; Hartree, W.; Swirles, B. Phil. Trans. Roy. Soc. (London) 1939, A238, 229.  (21)  Fock, V. Z. Phys. A 1930, 61, 126.  (22)  Helgaker, T.; Jørgensen, P.; Olsen, J. Molecular Electronic‐Structure Theory; John Wiley & 

Sons Ltd.: Chichester, West Sussex, 2000.  (23)  Hylleraas, E. A. Z. Phys. 1928, 48, 469.  (24)  Hylleraas, E. A. Z. Phys. 1929, 54, 347.  (25)  Hylleraas, E. A. Z. Phys. 1930, 65, 209.  (26)  Slater, J. C. Phys. Rev. 1930, 36, 57.  (27)  Koopmans, T. A. Physica 1933, 1, 104.  (28)  Roothaan, C. C. J. Rev. Mod. Phys. 1951, 23, 69.  (29)  Nooijen, M.; Shamasundar, K. R.; Mukherjee, D. Mol. Phys. 2005, 103, 2277.  (30)  Crawford,  T.  D.;  Schaefer  III,  H.  F.  "An  Introduction  to  Coupled  Cluster  Theory  for 

Computational  Chemists."  In  Reviews  in  Computational  Chemistry;  Boyd,  D.  B., Lipkowitz, K. B., Eds.; Wiley‐VCH: New York, NY, 2000; Vol. 14; pp 33. 

 (31)  Bartlett, R. J. Journal of Physical Chemistry 1989, 93, 1697.  (32)  Paldus,  J.  "Coupled  Cluster  Theory."  In Methods  in  Computational Molecular  Physics; 

Wilson, S., Diercksen, H. F., Eds.; Plenum Press: New York, NY, 1992.  (33)  Paldus,  J.;  Li,  X.  "A  Critical  Assessment  of  Coupled  Cluster  Method  in  Quantum 

Chemistry." In Advances in Chemical Physics; Prigogine, I., Rice, S., Eds.; John Wiley and Sons, Inc., 1999; Vol. 110; pp 1. 

 (34)  Bartlett, R. J. Ann. Rev. Phys. Chem. 1981, 32, 359.  (35)  Bartlett,  R.  J.  "Coupled‐Cluster  Theory:  An  Overview  of  Recent  Developments."  In 

Modern  Electronic  Structure  Theory,  Part  II;  Yarkony,  D.  R.,  Ed.;  World  Scientific: Singapore, 1995. 

 

261  

(36)  Bartlett, R. J.; Stanton, J. F. "Applications of Post‐Hartree‐Fock Methods: A Tutorial." In Reviews in Computational Chemistry; Lipkowitz, K. B., Boyd, D. B., Eds.; VCH Publishers, Inc.: New York, NY, 1994; Vol. 5. 

 (37)  Lee, T. J.; Rendell, A. P.; Taylor, P. R. J. Phys. Chem. 1990, 94, 5463.  (38)  Raghavachari, K.; Trucks, G. W.; Pople,  J. A.; Head‐Gordon, M. Chem. Phys. Lett. 1989, 

157, 479.  (39)  Kvasnička, V.; Laurinc, V.; Biskupič, S. Mol. Phys. 1980, 39, 143   (40)  Møller, C.; Plesset, M. S. Phys. Rev. 1934, 46, 618.  (41)  Dirac, P. A. M. Proc. Camb. Phil. Soc. 1930, 26, 376.  (42)  Fermi, E. Z. Phys. 1928, 48, 73.  (43)  Thomas, L. H. Proc. Camb. Phil. Soc. 1927, 23, 542.  (44)  Hohenberg, P.; Kohn, W. Phys. Rev. 1964, 136, B864.  (45)  Parr,  R.  G.;  Yang,  W.  Density‐Functional  Theory  of  Atoms  and  Molecules;  Oxford 

University Press, Inc.: New York, NY, 1989.  (46)  Koch, W.;  Holthausen, M.  C.  A  Chemist's  Guide  to  Density  Functional  Theory,  2  ed.; 

Wiley‐VCH Verlag GmbH: Weinheim, Germany, 2002.  (47)  A  Primer  in  Density  Functional  Theory;  Fiolhais,  C.;  Nogueira,  F.; Marques, M.,  Eds.; 

Springer‐Verlag: Berlin, 2003.  (48)  Density Functional Theory: A Bridge Between Chemistry and Physics; Geerlings, P.; De 

Proft, F.; Langenaeker, W., Eds.; VUB University Press: Brussels, 1999.  (49)  Many‐Electron  Densities  and  Reduced  Density  Matrices;  Cioslowski,  J.,  Ed.;  Kluwer 

Academic/Plenum Publishers: New York, NY, 2000.  (50)  Löwdin, P.‐O. Phys. Rev. 1955, 97, 1474.  (51)  Hohenberg, P.; Kohn, W. Physical Review 1964, 136, B864.  (52)  Kohn, W.; Sham, L. J. Phys. Rev. 1965, 140, A1133.  (53)  Jackson,  J. D. Classical Electrodynamics, 3 ed.;  John Wiley & Sons,  Inc.: New York, NY, 

1998. 

262  

 (54)  Griffiths, D. J. Introduction to Electrodynamics, 3 ed.; Prentice Hall: Upper Saddle River, 

NJ, 1999.  (55)  Cook, D. B. Handbook of Computational Quantum Chemistry; Dover Publications,  Inc.: 

Mineola, NY, 2005.  (56)  Boys, S. F. Proc. Roy. Soc. (London) 1950, A200, 542.  (57)  Taketa, H.; Huzinaga, S.; O‐Ohata, K. J. Phys. Soc. Jpn. 1966, 21, 2313.  (58)  Boys, S. F. Proc. Roy. Soc. (London) 1950, A201, 125.  (59)  Schwartz, C. Phys. Rev. 1962, 126, 1015.  (60)  Curtiss, L. A.; Pople, J. A. Chem. Phys. Lett. 1988, 144, 38.  (61)  Curtiss, L. A.; Raghavachari, K.; Trucks, G. W.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1991, 94, 7221.  (62)  Curtiss, L. A.; Redfern, P. C.; Rassolov, V. A.; Kedziora, G. S.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 

2001, 114, 9287.  (63)  Montgomery Jr., J. A.; Frisch, M. J.; Ochterski, J. W.; Petersson, G. A. J. Chem. Phys. 1999, 

110, 2822.  (64)  Montgomery Jr., J. A.; Frisch, M. J.; Ochterski, J. W.; Petersson, G. A. J. Chem. Phys. 2000, 

112, 6532.  (65)  Montgomery Jr., J. A.; Ochterski, J. W.; Petersson, G. A. J. Chem. Phys. 1994, 101, 5900.  (66)  Ochterski, J. W.; Petersson, G. A.; Montgomery Jr., J. A. J. Chem. Phys. 1996, 104, 2598.  (67)  Petersson, G. A.; Al‐Laham, M. A. J. Chem. Phys. 1991, 94, 6081.  (68)  Petersson, G. A.; Bennett, A.; Tensfeldt, T. G.; Al‐Laham, M. A.; Shirley, W. A.; Mantzaris, 

J. J. Chem. Phys. 1988, 89, 2193.  (69)  Petersson, G. A.; Tensfeldt, T. G.; Montgomery Jr., J. A. J. Chem. Phys. 1991, 94, 6091.  (70)  Harding, M. E.; Vazquez,  J.; Ruscic, B.; Wilson, A. K.; Gauss,  J.;  Stanton,  J.  F.  J. Chem. 

Phys. 2008, 128, 114111.  (71)  Boese, A. D.; Oren, M.; Atasoylu, O.; Martin, J. M. L.; Kállay, M.; Gauss, J. J. Chem. Phys. 

2004, 120, 4129. 

263  

 (72)  Martin, J. M. L.; De Oliveira, G. J. Chem. Phys. 1999, 111, 1843.  (73)  DeYonker, N. J.; Cundari, T. R.; Wilson, A. K. J. Chem. Phys. 2006, 124, 114104.  (74)  DeYonker, N. J.; Grimes, T.; Yockel, S. M.; Dinescu, A.; Mintz, B. J.; Cundari, T. R.; Wilson, 

A. K. J. Chem. Phys. 2006, 125, 104111.  (75)  DeYonker, N. J.; Ho, D. S.; Wilson, A. K.; Cundari, T. R. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 10776.  (76)  DeYonker, N. J.; Mintz, B. J.; Cundari, T. R.; Wilson, A. K. J. Chem. Theor. Comput. 2008, 

4, 328.  (77)  DeYonker, N. J.; Peterson, K. A.; Steyl, G.; Wilson, A. K.; Cundari, T. R. J. Phys. Chem. A 

2007, 111, 11269.  (78)  Grimes, T. V.; Cundari, T. R.; DeYonker, N.  J.; Wilson, A. K.  J. Chem. Phys. 2007, 127, 

154117.  (79)  Williams, T. G.; Wilson, A. K. J. Sulf. Chem. 2008, 29, 353.  (80)  Ho, D. S.; DeYonker, N. J.; Wilson, A. K.; Cundari, T. R. J. Phys. Chem. A 2007, 110, 9767.  (81)  Peterson, K. A.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 2002, 117, 10548.  (82)  Woon, D. E.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1993, 99, 1914.  (83)  Peterson, K. A.; Kendall, R. A.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1993, 99, 1930.  (84)  Peterson, K. A.; Kendall, R. A.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1993, 99, 9790.  (85)  Peterson, K. A.; Woon, D. E.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1994, 100, 7410.  (86)  Woon, D. E.; Peterson, K. A.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1998, 109, 2233.  (87)  Woon, D. E.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1994, 101, 8877.  (88)  Peterson, K. A.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1995, 102, 2032.  (89)  Peterson, K. A.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1997, 106, 4119.  (90)  Wilson, A. K.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1997, 106, 8718.  (91)  van Mourik, T.; Wilson, A. K.; Dunning Jr., T. H. Mol. Phys. 1999, 96, 529. 

264  

 (92)  Peterson, K. A.; Figgen, D.; Dolg, M.; Stoll, H. J. Chem. Phys. 2007, 126, 124101.  (93)  Peterson, K. A. Ann. Rep. Comp. Chem. 2007, 3, 195.  (94)  Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1989, 90, 1007.  (95)  Woon, D. E.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1992, 98, 1358.  (96)  Woon, D. E.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1994, 100, 2975.  (97)  Wilson, A. K.; Woon, D. E.; Peterson, K. A.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1999, 110, 

7667.  (98)  Woon, D. E.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 1995, 103, 4572.  (99)  Wilson, A. K.; van Mourik, T.; Dunning Jr., T. H. J. Mol. Struct.  (THEOCHEM) 1996, 388, 

339.  (100)  van Mourik, T.; Dunning Jr., T. H. Int. J. Quant. Chem. 1999, 76, 205.  (101)  Dunning Jr., T. H.; Peterson, K. A.; Wilson, A. K. J. Chem. Phys. 2001, 114, 9244.  (102)  Prascher,  B.  P.;  Wilson,  A.  K.;  Dunning  Jr.,  T.  H.;  Woon,  D.  E.;  Peterson,  K.  A.  (in 

preparation).  (103)  Yockel, S. M. The evaluation, development, and application of the correlation consistent 

basis sets. Ph.D. Thesis, University of North Texas, USA, 2006.  (104)  Peterson, K. A.; Adler, T. B.; Werner, H.‐J. J. Chem. Phys. 2008, 128, 084102.  (105)  Balabanov, N. B.; Peterson, K. A. J. Chem. Phys. 2005, 123, 064107.  (106)  Peterson, K. A.; Puzzarini, C. Theoret. Chem. Acc. 2005, 114, 283.  (107)  Peterson, K. A. J. Chem. Phys. 2003, 119, 11099.  (108)  Peterson, K. A.; Figgen, D.; Goll, E.; Stoll, H.; Dolg, M. J. Chem. Phys. 2003, 119, 11113.  (109)  Balabanov, N. B.; Peterson, K. A. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 7465.  (110)  Jankowski, K.; Becherer, R.; Scharf, P.; Schiffer, H.; Ahlrichs, R. J. Chem. Phys. 1985, 82, 

1413.  

265  

(111)  Ahlrichs, R.; Scharf, P.; Jankowski, K. Chem. Phys. 1985, 98, 381.  (112)  Becherer, R.; Ahlrichs, R. Chem. Phys. 1985, 99, 389.  (113)  Almlöf, J.; Taylor, P. R. J. Chem. Phys. 1987, 86, 4070.  (114)  Almlöf, J.; Taylor, P. R. J. Chem. Phys. 1990, 92, 551.  (115)  van Duijneveldt, F. B. IBM Research Report 1971, RJ 945.  (116)  Raffenetti, R. C. J. Chem. Phys. 1973, 58, 4452.  (117)  Almlöf, J.; Taylor, P. R. J. Chem. Phys. 1987, 86, 4070.  (118)  Ruedenberg,  K.;  Raffenetti,  R.  C.;  Bardo,  R.  D.  “Energy,  Structure,  and  Reactivity.”; 

Proceedings  from  the  1972  Boulder  Seminar  Research  Conference  on  Theoretical Chemistry, Boulder, Colorado. 

 (119)  Bauschlicher, C. W.; Partridge, H. Chem. Phys. Lett. 1995, 240, 533.  (120)  Martin, J. M. L. J. Chem. Phys. 1998, 108, 2791.  (121)  Martin, J. M. L.; Baldridge, K. K.; Lee, T. J. Mol. Phys. 1999, 97, 945.  (122)  Martin, J. M. L.; Uzan, O. Chem. Phys. Lett. 1998, 282, 16.  (123)  Woon, D. E.; Dunning, T. H. J. Chem. Phys. 1992, 98, 1358.  (124)  Dunning, T. H.; Peterson, K. A.; Wilson, A. K. J. Chem. Phys. 2001, 114, 9244.  (125)  Wang, N. X.; Wilson, A. K. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 6720.  (126)  Wang, N. X.; Wilson, A. K. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 7187.  (127)  Wilson, A. K.; Dunning Jr., T. H. J. Chem. Phys. 2003, 119, 11712.  (128)  Wilson, A. K.; Dunning Jr., T. H. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 3129.  (129)  Heckert, M.;  Kállay, M.;  Tew, D.  P.;  Klopper, W.; Gauss,  J.  J.  Chem.  Phys.  2006,  125, 

044108.  (130)  Bakowies, D. J. Chem. Phys. 2007, 127, 084105.  (131)  Varandas, A. J. C. J. Chem. Phys. 2000, 113, 8880. 

266  

 (132)  Feller, D. J. Chem. Phys. 1992, 96, 6104.  (133)  Halkier, A.; Helgaker,  T.;  Jorgensen, P.; Klopper, W.; Koch, H.; Olsen,  J.; Wilson, A. K. 

Chem. Phys. Lett. 1998, 286, 243.  (134)  Taylor,  P.  R.  Lecture Notes  on Quantum  Chemistry;  Roos,  B. O.,  Ed.;  Springer‐Verlag: 

Berlin, Germany, 1992; pp 406.  (135)  Douglas, M.; Kroll, N. M. Ann. Phys. 1974, 82, 89.  (136)  Hess, B. A. Phys. Rev. A 1986, 33, 3742.  (137)  Relativistic Effects  in Heavy‐Element Chemistry and Physics; Hess, B. A., Ed.; John Wiley 

and Sons, Ltd.: Chichester, West Sussex, England, 2003.  (138)  Dirac, P. A. M. Proc. Roy. Soc. (London) 1928, 117, 610.  (139)  Dirac, P. A. M. Proc. Roy. Soc. (London) 1930, 126, 360.  (140)  Balasubramanian,  K.  Relativistic  Effects  in  Chemistry;  John Wiley  and  Sons,  Inc.: New 

York, NY, 1997.  (141)  Dyall, K. G.; Fægri, K. Introduction to Relativistic Quantum Chemistry; Oxford University 

Press: New York, NY, 2007.  (142)  de Jong, W. A.; Harrison, R. J.; Dixon, D. A. J. Chem. Phys. 2001, 114, 48.  (143)  Jensen, F. J. Chem. Phys. 2001, 115, 9113.  (144)  Jensen, F. J. Chem. Phys. 2002, 116, 7372.  (145)  Jensen, F. J. Chem. Phys. 2003, 118, 2459.  (146)  Jensen, F. Chem. Phys. Lett. 2005, 402, 510.  (147)  Jensen, F. J. Chem. Phys. 2005, 122, 74111.  (148)  Prascher, B. P.; Wilson, A. K. Mol. Phys. 2007, 105, 2899.  (149)  Prascher, B. P.; Wilson, B. R.; Wilson, A. K. J. Chem. Phys. 2007, 127, 124110.  (150)  Sodt, A.; Subotnik, J. E.; Head‐Gordon, M. J. Chem. Phys. 2006, 125, 194109.  

267  

(151)  Steele, R.  P.;  Shao,  Y.; DiStasio, R. A.; Head‐Gordon, M.  J.  Phys.  Chem. A.  2006,  110, 13915. 

 (152)  Wang, N. X.; Venkatesh, K.; Wilson, A. K. J. Phys. Chem. A. 2006, 110, 779.  (153)  Wang, N. X.; Wilson, A. K. (unpublished results).  (154)  Wang, N. X.; Wilson, A. K. J. Chem. Phys. 2004, 121, 7632.  (155)  Wang, N. X.; Wilson, A. K. Mol. Phys. 2005, 103, 345.  (156)  Wang,  X.  The  performance  of  density  functionals  with  respect  to  the  correlation 

consistent basis sets. Ph.D. Disstertation, University of North Texas, 2005.  (157)  Sekusak, S.; Frenking, G. J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 2001, 541, 17.  (158)  Raymond, K. S.; Wheeler, R. A. J. Comput. Chem. 1999, 20, 207.  (159)  Skylaris, C.‐K.; Gagliardi, L.; Handy, N. C.; Ioannou, A. G.; Spencer, S.; Willetts, A. J. Mol. 

Struct. (THEOCHEM) 2000, 501‐502, 229.  (160)  Vahtras, O.; Almlöf, J. E.; Feyereisen, M. W. Chem. Phys. Lett. 1993, 213, 514.  (161)  Van Alsenoy, C. J. Comp. Chem. 1988, 9, 620.  (162)  Mintz, B. J.; Lennox, K. P.; Wilson, A. K. J. Chem. Phys. 2004, 121, 5629.  (163)  Mintz, B. J.; Wilson, A. K. J. Chem. Phys. 2005, 122, 134106.  (164)  Becke, A. D. Phys. Rev. A. 1988, 38, 3098.  (165)  Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1987, 37, 785.  (166)  Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.  (167)  Vosko, S. H.; Wilk, L.; Nusair, M. Can. J. Phys. 1980, 58, 1200.  (168)  Bauschlicher, C. W.; Taylor, P. R. Theor. Chim. Acta 1988, 74, 63.  (169)  Dunlap,  B.  I.  "Symmetry  and  degeneracy  in  Xa  and  density  functional  theory."  In  Ab 

Initio Methods  in Quantum Chemistry, Part  II; Lawley, K. P., Ed.;  John Wiley and Sons: Chicester, 1987. 

 

268  

(170)  Constants  of  Diatomic Molecules;  Number  69  ed.;  Huber,  K.  P.;  Hertzberg,  G.,  Eds.; National Institute of Standards and Technology: Gaithersburg, MD, 2005. 

 (171)  Lias,  S. G.  "Ionization  Energy  Evaluation."  In NIST Chemistry WebBook, NIST  Standard 

Reference Database Number 69; Linstrom, P. J., Mallard, W. G., Eds.; National  Institute of Standards and Technology: Gaithersburg, MD, 2005. 

 (172)  Lias, S. G.; Bartmess, J. E.; Liebman, J. F.; Holmes, J. L.; Levin, R. D.; Mallard, W. G. "Ion 

Energetics  Data."  In  NIST  Chemistry  WebBook,  NIST  Standard  Reference  Database Number  69;  Linstrom,  P.  J., Mallard, W. G.,  Eds.; National  Institute  of  Standards  and Technology: Gaithersburg, MD, 2005. 

 (173)  Yamanaka, S.; Nakata, K.; Ukai, T.; Takada, T.; Yamaguchi, K. Int. J. Quant. Chem. 2006, 

106, 3312.  (174)  Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; 

Montgomery, J., J. A.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; Millam, J. M.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Barone, V.; Mennucci, B.; Cossi, M.; Scalmani, G.; Rega, N.; Petersson, G. A.; Nakatsuji,  H.;  Hada, M.;  Ehara, M.;  Toyota,  K.;  Fukuda,  R.;  Hasegawa,  J.;  Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Klene, M.; Li, X.; Knox, J. E.; Hratchian, H. P.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A.  J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski,  J. W.; Ayala, P.  Y.; Morokuma, K.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Zakrzewski, V. G.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Ortiz,  J.  V.;  Cui, Q.;  Baboul,  A. G.;  Clifford,  S.;  Cioslowski,  J.;  Stefanov,  B.  B.;  Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al‐Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.;  Gonzalez,  C.;  Pople,  J.  A.  Gaussian  03;  version  B.05,  C.02,  and  D.01; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2004. 

 (175)  Krack, M.; Köster, A. M. J. Chem. Phys. 1998, 108, 3226.  (176)  Martin, J. M. L. J. Chem. Phys. 1998, 108, 2791.  (177)  van Duijneveldt, F. B.; van Duijneveldt‐van de Rijdt, J. G. C. M.; van Lenthe, J. H. Chem. 

Rev. 1994, 94, 1873.  (178)  Boys, S. F.; Bernardi, F. Mol. Phys. 1970, 19, 553.  (179)  van Mourik, T.; Wilson, A. K.; Peterson, K. A.; Woon, D. E.; Dunning Jr., T. H. Adv. Quant. 

Chem. 1999, 31, 105.  (180)  Amos, R. D.; Bernhardsson, A.; Berning, A.; Celani, P.; Cooper, D. L.; Deegan, M.  J. O.; 

Dobbyn, A.  J.;  Eckert,  F.; Hampel, C.; Hetzer, G.; Knowles, P.  J.; Korona,  T.;  Lindh, R.; 

269  

Lloyd,  A. W.; McNicholas,  S.  J.; Manby,  F.  R.; Meyer, W.; Mura, M.  E.;  Nicklass,  A.; Palmieri,  P.;  Pitzer,  R.;  Rauhut,  G.;  Schütz, M.;  Schumann,  U.;  Stoll,  H.;  Stone,  A.  J.; Tarroni, R.; Thorsteinsson, T.; Werner, H.‐J. MOLPRO, a package of ab  initio programs designed by H.‐J. Werner and P. J. Knowles; version version 2002.6. 

 (181)  Weigend, F.; Köhn, A.; Hättig, C. J. Chem. Phys. 2002, 116, 3175.  (182)  Feller, D. J. Comp. Chem. 1996, 17, 1571.  (183)  Schuchardt, K. L.; Didier, B. T.; Elsethagen, T.; Sun, L.; Gurumoorthi, V.; Chase, J.; Li, J.; 

Windus, T. L. J. Chem. Inform. Mod. 2007, 47, 1045.  (184)  Press, W. H.;  Flannery,  B.  P.;  Teukolsky,  S. A.; Vetterling, W.  T. Numerical  Recipes  in 

FORTRAN 77: The Art of Scientific Computing., 2 ed.; Cambridge University Press, 1992.  (185)  Koput, J.; Peterson, K. A. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 3981.  (186)  Koput,  J.; Carter,  S.; Peterson, K. A.;  Theodorakopoulos, G.  J. Chem. Phys. 2002,  117, 

1529.  (187)  Ruud,  K.;  Jonsson,  D.;  Norman,  P.;  Agren,  H.;  Saue,  T.;  Jensen,  H.  J.  A.;  Dahle,  P.; 

Helgaker, T. J. Chem. Phys. 1998, 108, 7973.  (188)  Schwartz, C. Ann. Phys. 1967, 42, 367.  (189)  Martinez,  T.  J.;  Carter,  E.  A.  "Pseudospectral  Methods  Applied  to  the  Electron 

Correlation Problem." In Modern Electronic Structure Theory; Yarkony, D. R., Ed.; World Scientific: River Edge, New Jersey, 1995; Vol. 2. 

 (190)  Kendall, R. A.; Früchtl, H. A. Theor. Chem. Acc. 1997, 97, 158.  (191)  Löwdin, P.‐O. Rev. Mod. Phys. 1967, 39, 259.  (192)  Baerends, E. J.; Ellis, D. E.; Ros, R. Chem. Phys. 1973, 2, 41.  (193)  Feyereisen, M. W.; Fitzgerald, G.; Komornicki, A. Chem. Phys. Lett. 1993, 208, 359.  (194)  Rendell, A. P.; Lee, T. J. J. Chem. Phys. 1994, 101, 400.  (195)  CODATA Key Values  for Thermodynamics; Cox,  J. D.; Wagman, D. D.; Medvedev, V. A., 

Eds.; Hemisphere Publishing Corp.: New York, NY, 1989.  (196)  Karton, A.; Martin, J. M. L. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 5936.  

270  

(197)  Schütz, M. J. Chem. Phys. 2000, 113, 9986.  (198)  Schütz, M.; Werner, H.‐J. Chem. Phys. Lett. 2000, 318, 370.  (199)  Schütz, M.; Werner, H.‐J. J. Chem. Phys. 2001, 114, 661.  (200)  Weigend, F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 1057.  (201)  Prascher, B. P.; Lai, J. D.; Wilson, A. K. J. Chem. Phys., (submitted).  (202)  Asprey, L. B.; Kinkead, S. A.; Eller, P. G. Nuc. Tech. 1986, 73, 69.  (203)  Erilov, P. E.; Titov, V. V.; Serik, V. F.; Sokolov, V. B. Atomic Energy 2002, 92, 57.  (204)  Morrow, S. I.; Young, A. R. Inorg. Chem. 1965, 4, 759.  (205)  Streng, A. G. Chem. Rev. 1963, 63, 607.  (206)  Dickinson, L. A.; Amster, A. B.; Capener, E. L. J. Spacecr. Rocket. 1968, 5, 1329.  (207)  Bridgeman, A. J.; Rothery, J. J. Chem. Soc. Dalt. Trans. 1999, 4077.  (208)  Francisco, J. S.; Maricq, M. M. Acc. Chem. Res. 1996, 29, 391.  (209)  Grabowski, J. J.; Zhang, L. J. Amer. Chem. Soc. 1989, 111, 1193.  (210)  Kadomura,  S.  (Sony  Corp.  Japan)  Plasma  etching  in  manufacture  of  semiconductor 

device. In Sony Corp., Japanese Kokai Tokkyo Koho, Japan; JP‐08069995: Japan, 1996.  (211)  Nagayama, T.  (Sony Corp.  Japan) Plasma etching of organic antirelfective  flim.  In Sony 

Corp., Japanese Kokai Tokkyo Koho, Japan; JP‐10312993: Japan, 1998.  (212)  Nagayama,  T.  (Sony  Corp.  Japan)  Plasma  etching  of  organic  antireflective  flim  in 

manufacture  of  semiconductor  device.  In  Sony  Corp.,  Japanese  Kokai  Tokkyo  Koho, Japan; JP‐10312992: Japan, 1998. 

 (213)  Yokoyama, S.  (Sharp Corp.,  Japan) Manufacture of dielectric  thin  film device.  In Sharp 

Corp., Japanese Kokai Tokkyo Koho, Japan; JP‐11354505: Japan, 1999.  (214)  Bachrach,  S. M.; Demoin, D. W.;  Luk, M.; Miller  Jr.,  J. V.  J. Phys. Chem. A 2004,  108, 

4040.  (215)  Cao, X.; Qian, X.; Qiao, C.; Wang, D. Chemical Physics Letters 1999, 299, 322.  

271  

(216)  Cao, X.; Qiao, C.; Wang, D. Chem. Phys. Lett. 1998, 290, 405.  (217)  Kurney, G. W.; Turnbull, K. Chem. Rev. 1982, 82, 333.  (218)  Meyer, M. J. Mol. Struct. 1992, 273, 99.  (219)  Jackson, R. H. J. Chem. Soc. 1962, 4585.  (220)  Hedberg, L.; Hedberg, K.; Eller, P. G.; Ryan, R. R. Inorg. Chem. 1988, 27, 232.  (221)  Hammer, P. D.; Sinha, A.; Burkholder,  J. B.; Howard, C.  J.  J. Mol. Spectrosc. 1988, 129, 

199.  (222)  Freedman, P. A.; Jones, W. J. J. Chem. Soc. Farad. Trans. 2 1975, 71, 286.  (223)  Gouedard, G.; Lehmann, J. C. J. Phys. B 1976, 9, 2113.  (224)  Christen, D.; Mack, H.‐G.; Oberhammer, H. Tetrahedron 1988, 44, 7363.  (225)  Kuczkowski, R. L. Journal of the American Chemical Society 1963, 85, 3047.  (226)  Kuczkowski, R. L. J. Amer. Chem. Soc. 1964, 86, 3617.  (227)  Kuczkowski, R. L.; Wilson, E. B. J. Amer. Chem. Soc. 1963, 85, 2028.  (228)  Marsden, C. J.; Oberhammer, H.; Lösking, O.; Willner, H. J. Mol. Struct. 1989, 193, 233.  (229)  Samdal, S.; Mastryukov, V. S.; Boggs, J. E. J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 1994, 309, 21.  (230)  Birk, M.; Friedl, R. R.; Cohen, E. A.; Pickett, H. M. J. Chem. Phys. 1989, 91, 6588.  (231)  Borden, W. T. Chem. Comm. 1998, 1919.  (232)  Kraka, E.; He, Y.; Cremer, D. J. Phys. Chem. 2001, 105, 3269.  (233)  Jursic, B. S. J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 1999, 459, 23.  (234)  Feller, D.; Dixon, D. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 9641.  (235)  Lucchese, R. R.; Schaefer  III, H. F.; Rodwell, W. R.; Radom, L.  J. Chem. Phys. 1978, 68, 

2507.  (236)  Mack, H.‐G.; Oberhammer, H. Chem. Phys. Lett. 1988, 145, 121.  

272  

(237)  Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 1991, 94, 442.  (238)  Colton, R. J.; Rabalais, J. W. J. Elec. Spectrosc. Rel. Phenom. 1974, 3, 345.  (239)  Forneris, R.; Hennies, C. E. J. Mol. Struct. 1970, 5, 449.  (240)  Frankiss, S. G. J. Mol. Struct. 1968, 2, 271.  (241)  Frenzel, C. A.; Blick, K. E. J. Chem. Phys. 1971, 55, 2715.  (242)  DeYonker, N., (personal communication).  (243)  Marshall, P.; Misra, A. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 9056.  (244)  Papayannis, D. K.; Melissas, V. S.; Kosmas, A. M. Chem. Phys. Lett. 2001, 349, 299.  (245)  Haas, A. J. Flourin. Chem. 1986, 32, 415.  (246)  Denis, P. A. J. Chem. Theor. Comput. 2005, 1, 900.  (247)  Aitken, B. G.; Youngman, R. E.; Ponader, C. W. J. Noncrystal. Sol. 2001, 284, 34.  (248)  Asokamani, R.; Rita, R. Phys. Stat. Sol. 2001, 226, 375.  (249)  Bachelet, G. B.; Christensen, N. E. Phys. Rev. B 1985, 31, 879.  (250)  Barrau, J.; Escudié, J.; Satgé, J. Chem. Rev. 1990, 90, 283.  (251)  Basch, H. Inorg. Chim. Acta 1996, 252, 265.  (252)  Brook, A. G.; Baines, K. M. Adv. Organomet. Chem. 1986, 25, 1.  (253)  Chu, T. L.; Chu, S. S.; Ray, L. J. Appl. Phys. 1982, 53, 7102.  (254)  Curtiss, L. A.; Redfern, P. C.; Rassolov, V. A.; Kedziora, G. S.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 

2001, 114, 9287.  (255)  Kedziora, G. S.; Pople, J. A.; Rassolov, V. A.; Ratner, M. A.; Redfern, P. C.; Curtiss, L. A. J. 

Chem. Phys. 1999, 110, 7123.  (256)  Kedziora, G. S.; Pople,  J. A.; Ratner, M. A.; Redfern, P. C.; Curtiss, L. A.  J. Chem. Phys. 

2001, 115, 718.  (257)  Koizumi, H.; Dávalos, J. Z.; Baer, T. Chem. Phys. 2006, 324, 385. 

273  

 (258)  Lai, C.‐H.; Su, M.‐D.; Chu, S.‐Y. Polyhedron 2002, 21, 579.  (259)  Pitzer, K. S. J. Am. Chem. Soc. 1948, 70, 2140.  (260)  Power, P. P. Chem. Rev. 1999, 99, 3463.  (261)  Raabe, G.; Michl, J. Chem. Rev. 1985, 85, 419.  (262)  West, R. Science 1984, 225, 1109.  (263)  Wiberg, J. J. Organomet. Chem. 1984, 273, 141.  (264)  Mulliken, R. S. J. Am. Chem. Soc. 1950, 72, 4493.  (265)  Del Bene, J. E.; Aue, D. H.; Shavitt, I. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1631.  (266)  Bachelet, G. B.; Christensen, N. E. Phys. Rev. B 1985, 31, 879.  (267)  Kedziora, G. S.; Pople, J. A.; Rassolov, V. A.; Ratner, M. A.; Redfern, P. C.; Curtiss, L. A. J. 

Chem. Phys. 1999, 110, 7123.  (268)  Kedziora, G. S.; Pople,  J. A.; Ratner, M. A.; Redfern, P. C.; Curtiss, L. A.  J. Chem. Phys. 

2001, 115, 718.  (269)  Koizumi, H.; Dávalos, J. Z.; Baer, T. Chem. Phys. 2006, 324, 385.  (270)  Kalcher, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2002, 4, 3311.  (271)  Yockel, S. M.; Mintz, B. J.; Wilson, A. K. J. Chem. Phys. 2004, 121, 60.  (272)  Ochterski, J. W. Thermochemistry in Gaussian; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT., 2000.  (273)  Chase, M. W. J. Phys. Chem. Ref. Data 1998, 9, 1.  (274)  Cowan, R. D.; Griffin, D. C. J. Opt. Soc. Amer. 1976, 66, 1010.  (275)  Barysz, M.; Flocke, N.; Karwowski, J. Acta Physica Polonica A 2001, 99, 631.  (276)  de Jong, W. A.; Harrison, R. J.; Dixon, D. A. J. Chem. Phys. 2001, 114, 48.  (277)  Berning, A.; Schweizer, M.; Werner, H.‐J.; Knowles, P. J.; Palmieri, P. Mol. Phys. 2000, 98, 

1823.  

274  

(278)  Rohatgi, A.  “Fundamental Research and Development  for  Improved Crystalline  Silicon Solar Cells,” National Renewable Energy Laboratory, U.S. Department of Energy, 2007. 

 (279)  Pelletier, J. J. Phys. D Appl. Phys. 1987, 20, 858.  (280)  Park, S. C.; Stansfield, R. A.; Clary, D. C. J. Phys. D Appl. Phys. 1987, 20, 880.  (281)  Jasinski, J. M.; Meyerson, B. S.; Scott, B. A. Ann. Rev. Phys. Chem. 1987, 38, 109.  (282)  Allen, W. D.; Schaefer, H. F. Chem. Phys. 1986, 108, 243.  (283)  Walsh, R. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1983, 79, 2233.  (284)  Ignacio, E. W.; Schlegel, H. B. J. Chem. Phys. 1990, 92, 5404.  (285)  Ignacio, E. W.; Schlegel, H. B. J. Phys. Chem. 1992, 96, 5830.  (286)  Ho, P.; Coltrin, M. E.; Binkley, J. S.; Melius, C. F. J. Phys. Chem. 1985, 89, 4647.  (287)  Ho, P.; Melius, C. F. J. Phys. Chem. 1990, 94, 5120.  (288)  Gutsev, G. L. J. Phys. Chem. 1994, 98, 1570.  (289)  Bauschlicher, C. W.; Partridge, H. Chem. Phys. Lett. 1997, 276, 47.  (290)  Grev, R. S.; Schaefer, H. F. J. Chem. Phys. 1992, 97, 8389.  (291)  Ricca, A.; Bauschlicher, C. W. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 876.  (292)  Ricca, A.; Bauschlicher, C. W. Chem. Phys. Lett. 1998, 287, 239.  (293)  Feller, D.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 6413.  (294)  Begue, D.; Carbonniere, P.; Barone, V.; Pouchan, C. Chem. Phys. Lett. 2005, 415, 25.  (295)  Betrencourt, M.;  Boudjaadar,  D.;  Chollet,  P.;  Guelachvili,  G.; Morillon‐Chapey, M.  J. 

Chem. Phys. 1986, 84, 4121.  (296)  Mélen, F.; Dubois, I.; Bredohl, H. J. Mol. Spectrosc. 1990, 139, 361.  (297)  Tanaka, T.; Tamura, M.; Tanaka, K. J. Mol. Struct. 1997, 413‐414, 153.  (298)  Fujitake, M.; Hirota, E. Spectrochim. Acta A 1994, 50A, 1345.  

275  

(299)  Adrian, F. J.; Cochran, E. L.; Bowers, V. A. Advan. Chem. Ser. 1962, 36, 50.  (300)  Merritt, M. V.; Fessensen, R. W. J. Chem. Phys. 1972, 56, 2353.  (301)  Yamada, C.; Hirota, E. Phys. Rev. Lett. 1986, 56, 923.  (302)  Tanimoto, M.; Saito, S. J. Chem. Phys. 1999, 111, 9242.  (303)  Brookman, C. A.; Cradock, S.; Rankin, D. W. H.; Robertson, N.; Vefghi, P. J. Mol. Struct. 

1990, 216, 191.  (304)  Ochterski, J. W.; Petersson, G. A.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 11299.  (305)  Karton, A.; Rabinovich, E.; Martin, J. M. L.; Ruscic, B. J. Chem. Phys. 2006, 125, 144108.  (306)  McQuarrie, D.  A.;  Simon,  J. D. Molecular  Thermodynamics; University  Science  Books: 

Sausalito, CA, 1999.  (307)  Hildenbrand, D. L.; Lau, K. H.; Sanjurjo, A. J. Phys. Chem. 2003, 107, 5448.