reducing the computational cost of ab initio …/67531/metadc9061/m2/...reducing the computational...

225
REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY UNIVERSITY OF NORTH TEXAS August 2008 APPROVED: Angela K. Wilson, Major Professor and Departmental Coordinator of Graduate Studies Martin Schwartz, Committee Member Thomas R. Cundari, Committee Member Wes T. Borden, Committee Member Michael G. Richmond, Chair of the Department of Chemistry Sandra L. Terrell, Dean of the Robert B. Toulouse School of Graduate Studies

Upload: others

Post on 16-Mar-2020

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

 

  

 

REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS 

Benjamin Mintz, B.S. 

 

 

  

Dissertation Prepared for the Degree of 

DOCTOR OF PHILOSOPHY 

           

UNIVERSITY OF NORTH TEXAS  

August 2008 

      APPROVED:  Angela K. Wilson, Major Professor and 

Departmental Coordinator of Graduate Studies 

Martin Schwartz, Committee Member Thomas R. Cundari, Committee Member Wes T. Borden, Committee Member Michael G. Richmond, Chair of the Department of 

Chemistry Sandra L. Terrell, Dean of the Robert B. Toulouse 

School of Graduate Studies 

    

 

 

Page 2: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

Mintz, Benjamin. Reducing the Computational Cost of Ab Initio Methods. Doctor of 

Philosophy (Chemistry), August 2008, 210 pp., 42 tables, 13 illustrations, 293 references. 

In  recent  years,  advances  in  computer  technology  combined  with  new  ab  initio 

computational methods have allowed for dramatic improvement in the prediction of energetic 

properties.  Unfortunately,  even  with  these  advances,  the  extensive  computational  cost,  in 

terms  of  computer  time, memory,  and  disk  space  of  the  sophisticated methods  required  to 

achieve chemical accuracy – defined as 1 kcal/mol from reliable experimental data effectively – 

limits  the  size  of molecules  [i.e.  less  than  10‐15  non‐hydrogen  atoms]  that  can  be  studied. 

Several schemes were explored  to help  reduce  the computational cost while still maintaining 

chemical  accuracy.  Specifically,  a  study  was  performed  to  assess  the  accuracy  of  ccCA  to 

compute atomization energies,  ionization potentials, electron affinities, proton affinities, and 

enthalpies  of  formation  for  third‐row  (Ga‐Kr)  containing molecules.  Next,  truncation  of  the 

correlation consistent basis sets for the hydrogen atom was examined as a possible means to 

reduce  the  computational  cost  of  ab  initio  methods.  It  was  determined  that  energetic 

properties  could  be  extrapolated  to  the  complete  basis  set  (CBS)  limit  utilizing  a  series  of 

truncated  hydrogen  basis  sets  that  was  within  1  kcal/mol  of  the  extrapolation  of  the  full 

correlation consistent basis sets. Basis set truncation for the hydrogen atom was then applied 

to  ccCA  in  the  development  of  two  reduced  basis  set  composite methods,  ccCA(aug)  and 

ccCA(TB).  The  effects  that  the  ccCA(aug)  and  ccCA(TB)  methods  had  upon  enthalpies  of 

formation and the overall percent disk space saved as compared to ccCA was examined for the 

hydrogen  containing molecules  of  the G2/97  test  suite.  Additionally,  the Weizmann‐n  (Wn) 

methods were utilized to compute the several properties for the alkali metal hydroxides as well 

Page 3: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

as  the ground and excited  states of  the alkali monoxides anion and  radicals. Finally, a multi‐

reference variation to the correlation consistent Composite Approach [MR‐ccCA] was presented 

and utilized in the computation of the potential energy surfaces for the N2 and C2 molecules. 

Page 4: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

ii 

 

                 

Copyright 2008 

by 

Benjamin Mintz

Page 5: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

iii 

 

ACKNOWLEDGMENTS 

I gratefully acknowledge  the many people  that have been  instrumental  throughout  the 

process  of  earning  this  doctoral  degree  at  the University  of North  Texas  (UNT).  Foremost,  I 

extend my greatest gratitude  to my advisor Professor Angela K. Wilson,  for whom  I have  the 

utmost  respect  and  admiration.  Her  passion  for  theoretical  chemistry  influenced me  as  an 

undergraduate student and continues to inspire me even today. Furthermore, she is a kind and 

compassionate advisor who will always be a friend and colleague.  

I  thank my  committee,  the Wilson  Group  graduate  students  and  postdoctoral  fellow 

Nathan  J.  DeYonker  for  their  time  and  comments  on  this  dissertation.  I  also  thank  Duane 

Gustavus  and  David  Hrovat  who  worked  diligently  supporting  the  great  computational 

resources  at UNT.  Support  for  the work  presented  in  this  dissertation was  provided  by  the 

National  Science  Foundation,  U.S.  Department  of  Education,  National  Center  for 

Supercomputing  Applications,  UNT’s  Faculty  Research  Grant  Program,  Academic  Computing 

Services, and Center for Scientific Computing and Modeling (CASCaM). I thank the collaborators 

who contributed  to a  small portion of  the computational work  in  this dissertation: Nathan  J. 

DeYonker (Ch. 3);  Kristin P. Lennox, Sage Driskell and Amy Shah (Ch. 4); and Levi Howard (Ch.7). 

Finally,  I would  like to thank my  family and  friends  for their constant support throughout the 

long  and  arduous  doctoral  process,  especially my mother  (Pamela  K. Mintz),  sister  (Stacy  K. 

Mintz), and my spectacularly wonderful wife Christina Mintz. 

Page 6: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

iv 

 

TABLE OF CONTENTS 

ACKNOWLEDGMENTS ..................................................................................................................... iii 

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

LIST OF ILLUSTRATIONS.................................................................................................................. xii 

CHAPTERS 

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

2. GENERAL METHODOLOGY .................................................................................................. 5 

2.1.  Methods ............................................................................................................... 5 2.2.  Basis Sets ........................................................................................................... 10 2.3.  Correlation Consistent Basis Sets ...................................................................... 16 

3. PERFORMANCE  OF  THE  CORRELATION  CONSISTENT  COMPOSITE  APPROACH (ccCA) FOR THIRD‐ROW (Ga‐Kr) MOLECULES ................................................................... 18 

3.1.  Introduction ....................................................................................................... 18 3.2.  Methodology ..................................................................................................... 20 3.3.  Results and Discussion ....................................................................................... 25 

3.3.1.  The G3/05 Test Suite .................................................................... 25 3.3.2.  Geometries ................................................................................... 26 3.3.3.  Atomization Energies ................................................................... 29 3.3.4.  Enthalpies of Formation ............................................................... 33 3.3.5.  Ionization Energies ....................................................................... 35 3.3.6.  Electron and Proton Affinities ...................................................... 37 3.3.7.  Overall Performance of ccCA ....................................................... 38 

3.4.  Conclusions ........................................................................................................ 40 

4. TRUNCATION  OF  THE  CORRELATION  CONSISTENT  BASIS  SETS  FOR  THE HYDROGEN ATOM: A VIABLE MEANS TO REDUCE COMPUTATIONAL COST .................... 42 

4.1.  Introduction ....................................................................................................... 42 4.2.  Methodology ..................................................................................................... 45 

4.2.1.  4‐Point Extrapolation Scheme ..................................................... 45 4.2.2.  2‐ and 3‐Point Extrapolation Schemes ......................................... 48 

4.3.  Results and Discussion – 4‐Point Extrapolation Scheme ................................... 50 

Page 7: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

4.3.1.  Geometries ................................................................................... 50 4.3.2.  Atomization Energies ................................................................... 56 4.3.3.  Complete Basis Set (CBS) Limits ................................................... 60 4.3.4.  Ionization Energies ....................................................................... 71 4.3.5.  CBS Limits for Ionization Energies ................................................ 73 4.3.6.  Percent CPU Time Savings ............................................................ 78 

4.4.  Results and Discussion – 2‐ and 3‐Point Extrapolation Schemes ...................... 82 4.4.1.  Hydrogen Correction: Three‐Point CBS Extrapolations ............... 82 4.4.2.  Hydrogen Correction: Two‐Point CBS Extrapolations .................. 88 4.4.3.  Impact of Method Choice on the Hydrogen Correction .............. 94 4.4.4.  Application to the G3/99 Test Suite ............................................. 96 4.4.5.  Percent CPU Time and Disk Space Saved ................................... 110 

4.5.  Conclusions ...................................................................................................... 117 

5. BASIS  SET  TRUNCATION:    APPLICATION  TO  THE  CORRELATION  CONSISTENT COMPOSITE APPROACH .................................................................................................. 119 

5.1.  Introduction ..................................................................................................... 119 5.2.  Development of ccCA(aug) .............................................................................. 120 5.3.  Development of ccCA(TB) ................................................................................ 121 5.4.  Enthalpies of Formation .................................................................................. 129 5.5.  % Disk Space Saved .......................................................................................... 134 5.6.  Conclusions ...................................................................................................... 136 

6. STRUCTURES AND THERMOCHEMISTRY OF THE ALKALI METAL OXIDE RADICALS, ANIONS, AND HYDROXIDES: ASSESSING THE VARIANT WnC METHODS ....................... 138 

6.1.  Introduction ..................................................................................................... 138 6.2.  Methodology ................................................................................................... 145 

6.2.1.  W1 and W2 Methods ................................................................. 145 6.2.2.  W1C and W2C Methods ............................................................. 147 6.2.3.  Multi‐Reference W2C Methods ................................................. 148 6.2.4.  Geometries and Energies ........................................................... 149 

6.3.  Results and Discussion ..................................................................................... 150 6.3.1.  Extent of Multi‐Reference Character ......................................... 150 6.3.2.  Geometries ................................................................................. 153 6.3.3.  Enthalpies of Formation ............................................................. 157 6.3.4.  Predicted Ground States for MO– and MO•. .............................. 163 6.3.5.  State Splitting ............................................................................. 164 6.3.6.  Electron Affinities ....................................................................... 167 6.3.7.  Gas‐Phase Acidities .................................................................... 169 6.3.8.  Bond Dissociation Energies ........................................................ 171 

6.4.  Conclusions ...................................................................................................... 174 

Page 8: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

vi 

 

7. DEVELOPMENT OF A MULTI‐REFERENCE CORRELATION CONSISTENT COMPOSITE APPROACH [MR‐ccCA] .................................................................................................... 176 

7.1.  Introduction ..................................................................................................... 176 7.2.  Methodology ................................................................................................... 178 7.3.  Potential Energy Surfaces (PES) for Diatomic Molecules ................................ 181 

7.3.1.  N2 Potential Energy Surface ....................................................... 182 7.3.2.  C2 Potential Energy Surface ........................................................ 185 

7.4.  Conclusions ...................................................................................................... 187 

8. SUMMARY ....................................................................................................................... 189 

REFERENCES ................................................................................................................................ 195 

 

 

Page 9: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

vii 

 

LIST OF TABLES 

Table 3.1.  Formal scaling of various ab initio methods. ............................................................. 19 

Table 3.2.  Geometries determined with B3LYP/cc‐pVTZ computations.  All bond lengths (re)  are  in  angstroms,  and  bond  angles  (a)  are  in  degrees.    Experimental values are also presented where available. .............................................................. 26 

Table 3.3.  The error in the ccCA‐P and ccCA‐S4 atomization energies (kcal/mol) relative to experiment. The ccCA  results  include both  first‐ and  second‐order  spin‐orbit coupling (SOC). The errors as compared with experiment for G3 and G4 atomization energies are also listed for comparison. ............................................... 31 

Table 3.4.  The error as compared with the experimental enthalpies of  formation  [∆fH (298K)] computed using the ccCA‐P and ccCA‐S4 methods, which include the first‐ and second‐order spin‐orbit coupling (SOC).   The errors compare with experiment determined using G3 and G4 are also  listed.   All values are  in kcal/mol. .................................................................................................................... 34 

Table 3.5.  The  error  as  compared  with  the  experimental  ionization  energies.  The calculations  include  both  the  first‐  and  second‐order  SOC.    Results determined with G3  and  CCSD(T)  are  also  presented  for  comparison.   All values are in kcal/mol. ............................................................................................... 36 

Table 3.6.  The  errors  as  compared  with  experiment  for  the  electron  and  proton affinities.  The  computations  include  both  first‐  and  second‐order  SOC.  Results determined with G3 and CCSD(T) are also presented for comparison.  All values are in kcal/mol. .......................................................................................... 38 

Table 3.7.  Mean  absolute  deviation  and mean  signed  error  for  all  of  the  computed properties.  All values are in kcal/mol. ...................................................................... 40 

Table 4.1.  Correlation  consistent  basis  sets  for  hydrogen  and  the  first  row  (B‐Ne) atoms. The primitive functions are shown in parenthesis, and the contracted functions  are  shown  in  brackets.    Also  shown  is  the  total  number  of contracted basis functions (N). .................................................................................. 44 

Table 4.2.  Bond  lengths and angles calculated with  full cc‐pVnZ basis sets. The errors resulting  from  the  use  of  truncated  basis  sets  also  are  shown.  These  are reported relative to the bond  lengths and angles obtained using the full cc‐pVnZ  basis  sets,  and  are  reported  in  Å  and  degrees,  respectively.    “…” indicates  there  was  no  change  relative  to  the  full  basis  set  when  the truncated basis sets were utilized. ............................................................................ 52 

Page 10: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

viii 

 

Table 4.3.  Bond  lengths  and  angles of  the neutral molecules  computed with  the  full correlation consistent basis  sets.   The errors  resulting  from  the use of  the truncated basis sets are also shown.  These are reported relative to the bond lengths and angles obtained using the full correlation consistent basis sets, and are  in angstroms and degrees, respectively. “…” means that no change was observed relative to the full basis set. ............................................................... 53 

Table 4.4.  Bond  lengths and angles of  the cations computed with  the  full correlation consistent  basis  sets.    The  errors  resulting  from  the  use  of  the  truncated basis sets are also shown.   These are reported relative to the bond  lengths and angles obtained using the full correlation consistent basis sets, and are in  angstroms  and  degrees,  respectively.    “…” means  that  no  change was observed relative to the full basis set. ....................................................................... 55 

Table 4.5.  The  lowering  of  the  calculated  atomization  energy  per  hydrogen  atom resulting from the truncation of the correlation consistent basis sets.  Energy reductions are reported in kcal/mol.......................................................................... 57 

Table 4.6.  Atomization  energies  calculated  with  full  cc‐pVnZ  basis  sets.  The  errors resulting from the use of the truncated basis sets are also shown.  These are reported relative to the energies obtained using the full cc‐pVnZ basis sets, and are in kcal/mol. ................................................................................................... 59 

Table 4.7.  CBS limits determined using atomization energies obtained from a series of four calculations, and the error obtained upon utilizing the truncated basis set series  [cc(full) – cc(f,–x,–y,–z)]. See text  for description of the notation. The CBS limits are reported in kcal/mol. ................................................................... 62 

Table 4.8.  Ionization energies computed using the full correlation consistent basis sets, and the errors arising from the use of the truncated basis sets.   The errors resulting  from  the use of  the  truncated basis  sets are  reported  relative  to the  ionization energies obtained using  the  full  correlation  consistent basis sets.  “…” represents no change with respect to the full basis set.  Ionization energies are given in eV. ............................................................................................ 72 

Table 4.9.  CBS  limits for the  ionization energies reported  in eV for the full correlation consistent basis set series, and the error, as compared to cc(full), resulting from utilizing the truncated basis set series. Both the Feller exponential and the  mixed  exponential/Gaussian  extrapolations  are  shown.    The  mean absolute deviation (MAD) is also provided. .............................................................. 74 

Table 4.10. Percent CPU time saved for the reduced basis set as compared with the full basis set computation. ............................................................................................... 80 

Page 11: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

ix 

 

Table 4.11. Percent  CPU  time  saved  for  the  reduced  basis  set  computations  as compared  to  the  full basis  set  computation. The CPU  savings  includes  the time  saved  for  the  overall  computations,  including  Hartree‐Fock  and CCSD(T). ..................................................................................................................... 81 

Table 4.12. Atomization  energies  for methane  through  decane  determined with MP2 combined with the full cc‐pVnZ basis sets.  The error upon truncation of the hydrogen basis set is also shown.  All values are in kcal/mol. .................................. 83 

Table 4.13. CBS limits for the atomization energies of methane through decane utilizing the  three‐point  extrapolation  formula  Eqn.  4.2,  and  the  error  relative  to these  limits for the truncated basis set series. The mean MAD between the cc(full)  and  truncated  basis  set  series  is  also  shown.    All  values  are  in kcal/mol. .................................................................................................................... 84 

Table 4.14. Absolute  deviation  per  hydrogen  between  the  atomization  energy (kcal/mol) CBS  limits  determined with  the  cc(full)  and  truncated  basis  set series for the hydrocarbon series methane through decane. ................................... 85 

Table 4.15. Atomization  energy  CBS  limits  (kcal/mol)  determined  from MP2  energies found  by  using  the  full  cc‐pVnZ  [where  n  = D,  T,  and Q]  basis  set  series [cc(full)] for the molecules methane though decane.  The error as compared to  the cc(full)  limit  is  shown  for  truncated basis  set  series  limits when  the hydrogen corrections is included. The MAD is also provided. .................................. 87 

Table 4.16. CBS  limits  for  the  atomization  energies  found  utilizing  both  a  cc‐pVDZ‐cc‐pVTZ  and  a  cc‐pVTZ‐cc‐pVQZ  two‐point  extrapolation  utilizing  Eqn.  4.4.  The error as compared  to  the  full basis sets when  the  truncated hydrogen basis sets are used to extrapolate to the CBS limit is also provided.  The error is  shown  both  with  and  without  the  empirical  hydrogen  correction.    All values are in kcal/mol. ............................................................................................... 92 

Table 4.17. The deviation per hydrogen of the CBS limit for atomization energies for the truncated  basis  sets  as  compared  to  the  CBS  limit  for  the  full  basis  sets computed with four different levels of theory.  The hydrogen corrections for each level of theory are also shown.  All values are in kcal/mol. .............................. 95 

Table 4.18. Mean absolute deviation between the  full and  truncated basis sets  for the two and three point extrapolations for the atomization energies of the G3‐99 test suite.  The correction per hydrogen for each basis set extrapolation is also shown. All values are kcal/mol. .......................................................................... 98 

Table 4.19. Atomization  energy  CBS  limits  (kcal/mol)  determined  from MP2  energies found  by  using  the  full  cc‐pVnZ  [where  n  =  D,  T,  and Q]  basis  set  series 

Page 12: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

[cc(full)].    The  error  compared  to  the  cc(full)  associated with  utilizing  the truncated  basis  set  series  extrapolations  both  with  and  without  the hydrogen  corrections  is  also  shown.    The  f  indicates  that  the  full  cc‐pVDZ basis  set  is  used  for  the  hydrogen  atom,  and  the  ‐1  or  ‐2  indicates  the number of basis functions removed from the cc‐pVTZ and cc‐pVQZ basis sets for hydrogen.   [i.e. cc(f,‐1,‐1)  indicates that the full cc‐pVDZ, cc‐pVTZ (‐1d ), and cc‐pVQZ (‐1f ) basis sets for the hydrogen atom were used] ............................. 99 

Table 4.20. CBS limits for the atomization energies found utilizing Eqn. 4.4 using the full cc‐pVDZ and cc‐VTZ.  The error as compared to the full basis sets when the truncated hydrogen basis sets are used to extrapolate to the CBS limit is also provided.    The  error  is  shown  with  and  without  the  empirical  hydrogen correction.  All values are in kcal/mol. .................................................................... 103 

Table 4.21. CBS limits for the atomization energies found utilizing Eqn. 4.4 using the full cc‐pVTZ and cc‐pVQZ basis sets.  The error as compared to the full basis sets when the truncated hydrogen basis sets are used to extrapolate to the CBS limit  is also provided.   The truncated extrapolations are  labeled A‐F for the cc(TZ,QZ‐1f), cc(TZ,QZ‐1f2d), cc(TZ,QZ‐1f2d1d), cc(TZ‐1d,QZ‐1f), cc(TZ‐1d,QZ‐1f2d),  and  cc(TZ‐1d,QZ‐1f2d1d),  respectively.  The  error  is  shown with  and without the empirical hydrogen correction.  All values are in kcal/mol. ................ 106 

Table 4.22. Percent CPU time saved for the hydrogen containing molecules of the G3/99 test suite computed with MP2 combined with the full and truncated cc‐pVnZ basis sets. ................................................................................................................. 111 

Table 4.23. Percent hard disk space saved for the hydrogen containing molecules of the G3/99 test suite computed with MP2 combined with the full and truncated cc‐pVnZ basis sets. ................................................................................................... 114 

Table 5.1.  Correction  per  hydrogen  and  the  origin  correction  for  each  of  the calculations  utilizing  the  correlation  consistent  basis  sets  if  ccCA(TB).    All values are mEh. ........................................................................................................ 126 

Table 5.2.  Differences  between  total  energies  computed with  the  full  and with  the truncated  basis  sets.  The  energy  differences  are  shown  both  with  and without the hydrogen and origin corrections.  All values are in mEh. ..................... 128 

Table 5.3.  Enthalpies of  formation  (kcal/mol) computed with  ccCA, and  the errors as compared  to  ccCA  arising  due  to  the  use  of  ccCA(aug)  and  ccCA(TB)  are presented.  Experimental values are also provided. ............................................... 130 

Page 13: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

xi 

 

Table 5.4.  Average percent disk space saved for each step in ccCA(aug) and ccCA(TB) as compared  to  ccCA(full).   The overall average percent disk  space  saved  for ccCA(aug) and ccCA(TB) is also reported. ................................................................ 135 

Table 6.1.  Orbitals included in the correlation space defined as relaxed valence (rv) for non‐metals and relaxed inner valence (riv) for alkali metals.a ................................ 144 

Table 6.2.  T1 Diagnostic and Percent SCF Contribution to the Total Atomization Energy (kJ/mol) for various geometries. ............................................................................. 152 

Table 6.3.  Optimized Geometries (Å) for Alkali Metal Monoxide Anions (MO–), Radicals (MO•) and Hydroxides (MOH). ................................................................................ 155 

Table 6.4.  Enthalpies of Formation  (298 K, kJ/mol)  for Alkali Metal Monoxide Anions (MO–), Radicals (MO•) and Hydroxides (MOH). ....................................................... 160 

Table 6.5.  Splitting of States (0 K, kJ/mol) for Alkali Metal Monoxide Anions (MO–) and Radicals (MO•). ........................................................................................................ 166 

Table 6.6.  Electron Affinities (0 K, kJ/mol) for the Metal Monoxide Radicals (MO•). .............. 168 

Table 6.7.  Gas‐Phase Acidities (0 K, kJ/mol) for Alkali Metal Hydroxides (MOH). ................... 170 

Table 6.8.  Bond dissociation energies (0K, kJ/mol) for the alkali metal hydroxides. .............. 173 

Page 14: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

xii 

 

LIST OF ILLUSTRATIONS 

Figure 2.1.  The radial wavefunction for the 1s atomic orbital. ................................................... 12 

Figure 2.2.  Plot of STO, GTO, and contracted GTO. ..................................................................... 15 

Figure 2.3.  Systematic construction of the correlation consistent basis sets. ............................ 17 

Figure 4.1.  Complete basis  set  limit extrapolations of atomization energy  for H2 using both the full and truncated cc‐pVnZ basis sets.  The curves show the CBS fits, and the horizontal lines represent the atomization energy arising from each of the subsequent basis truncations as shown in the text boxes.  Energies are reported in kcal/mol. ................................................................................................. 68 

Figure 4.2.  Complete basis set  limit extrapolation  for  the atomization energies  (AE) of (a) CH4; (b) NH3; (c) H2O; (d) HF; (e) HCN using both the full and truncated cc‐pVnZ basis sets.  The curve shows the CBS extrapolation utilizing the formula proposed by Feller  (Eqn. 4.1). The horizontal  lines represent  the AE arising from using each of the basis sets that were discussed in Section 4.2.  AE are reported in kcal/mol. ................................................................................................. 69 

Figure 4.3.  Plots of the error between the CBS  limits determined with the full and the (a)  cc(f,–1,–1),  (b)  cc(f,–1,–2),  and  (c)  cc(f,–1,–3)  basis  set  series  as  the number  of  hydrogen  atoms  increase  in  the  hydrocarbon  series methane through decane. ......................................................................................................... 86 

Figure 4.4.  Plots of the error between the CBS  limits determined with the full and the (a) cc(DZ,TZ–1d), (b) cc(TZ,QZ–1f), (c) cc(TZ,QZ–1f2d), (d) cc(TZ,QZ–1f2d1d), (e)  cc(TZ–1d,QZ–1f),  (f)  cc(TZ–1d,QZ–1f2d),  (g)  and  cc(TZ–1d,QZ–1f2d1d) basis  set  series  as  the  number  of  hydrogen  atoms  increase  in  the hydrocarbon series methane through decane. ......................................................... 89 

Figure 5.1.  Linear plot of the difference between the total energy (mEh) computed with the  full and  truncated basis  sets versus  the number of hydrogen atoms  in the  linear  alkane  series  methane  through  hexane.    a)  MP2/CBS  limit computed  with  Eqn.  5.1,  b)  MP2/CBS  limit  compute  with  Eqn.  5.2,  c) MP2/cc‐pVTZ, d) CCSD(T)/cc‐pVTZ, e) MP2/aug'‐cc‐pVTZ,  f) MP2(FC1)/aug'‐cc‐pCVTZ, g) MP2/cc‐pVTZ‐DK ................................................................................. 124 

Figure 7.1.  Two molecular orbitals of the methylene molecule. One configuration shows a  pair  of  electrons  occupying  the  px  orbital  of  the  carbon  atom,  and  the other configuration shows a pair of electrons occupying the py orbital of the carbon atom. This analysis was explained by Schmidt and Gordon.275 .................. 177 

Page 15: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

xiii 

 

Figure 7.2.  The potential energy surface for the N2 molecule computed with ccCA. Also, the  individual computations required to compute the ccCA total energy are provided. .................................................................................................................. 183 

Figure 7.3.  The potential energy surface for the N2 molecule computed with MR‐ccCA. Also,  the  individual  computations  required  to  compute  the MR‐ccCA  total energy are provided. ............................................................................................... 184 

Figure 7.4.  Potential energy  surface  for  the ground  state N2 molecule  computed with the ccCA and MR‐ccCA methods. ............................................................................ 185 

Figure 7.5.  The potential energy surface for the ground X1Σg+ state for the C2 molecule 

computed with  the MR‐ccCA and ccCA methods. Also displayed  is  the PES for the excited B1Πg state of C2 computed with the MR‐ccCA method. ................. 187 

Page 16: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

CHAPTER 1  

 

INTRODUCTION 

 

In  computational  chemistry,  the  approximate  solution  to  the  Schrödinger  equation1‐6 

allows for the prediction of chemical properties including geometries, energetic properties (i.e. 

atomization  energies,  ionization  energies,  proton  affinities,  and  electron  affinities),  and 

vibrational frequencies. In recent years, advances in computer technology combined with new 

ab  initio  methods  have  allowed  for  dramatic  improvement  in  the  prediction  of  energetic 

properties, enabling “chemical accuracy” – defined as ± 1‐2 kcal/mol from reliable experiment – 

to be achieved. This has greatly enhanced the predictive powers of computational chemistry in 

areas  ranging  from  the  interpretation  of  experiment,  understanding  of  species  that  can  be 

difficult to study experimentally [e.g. reactive excited states], and chemical reactivity, to name 

just a  few.7‐10 Unfortunately, even with  these advances,  the extensive computational cost,  in 

terms  of  computer  time, memory,  and  disk  space  of  the  sophisticated methods  required  to 

achieve  chemical  accuracy  effectively  limits  the  size  of molecules  [i.e.  less  than  10‐15  non‐

hydrogen atoms] that can be studied.   

To date, there have been many developments that have resulted  in  less computationally 

expensive methods while  still  allowing  a  high  level  of  accuracy  to  be  achieved, which  allow 

larger  molecules  to  be  studied.  Some  examples  include  localized  treatment  of  electron 

correlation,11‐35 parallel code  implementation to divide the computational cost across multiple 

Page 17: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

CPUs,36‐52 and hybrid/composite methods  including ONIOM,53‐58 Gaussian‐n (Gn) methods,59‐77 

Weizmann‐n  (Wn)  methods,78‐83  the  high  accuracy  extrapolated  ab  initio  thermochemistry 

(HEAT)  method,84‐86  complete‐basis‐set  (CBS‐n)  methods,87‐94  and  the  newly  developed 

correlation consistent composite approach (ccCA).95‐101 The first part of this dissertation focuses 

upon  the  use  of  composite  methods  –  approaches  which  combine  a  series  of  less 

computationally  expensive  calculations  to  replicate  results  that  would  typically  only  be 

achieved  with  much  more  sophisticated  and  computationally  costly  calculations.  The 

development  and  application  of  composite methods  has  proven  to  be  useful  because  they 

provide  a means  for  larger molecules  [i.e.  comprised  of  ~15‐30  non‐hydrogen  atoms]  to  be 

routinely  studied.69,70,72,73,96,97  Specifically,  the  correlation  consistent  composite  approach 

(ccCA) developed by DeYonker, Wilson, and Cundari is discussed in Chapter 3. The ccCA method 

was previously benchmarked for a wide variety of molecular systems that  include first‐ (B‐Ne) 

and second‐row (Al‐Ar) main group atoms,95,96 s‐block atoms,97,101 transition metal complexes,99 

and  transition  states.100 Recently,  the basis  sets  required  for ccCA  to compute properties  for 

molecules  containing  third‐row  (Ga‐Kr)  atoms  was  developed,102  and  Chapter  3  provides  a 

detailed  study  of  the  performance  that  ccCA  achieves  in  the  computation  of  molecular 

properties for the third‐row (Ga‐Kr) containing molecules of the G3/05 test suite. 

While composite methods, such as ccCA, have been shown to be a useful means to reduce 

the computational cost of ab initio methods, Chapter 4 discusses an alternate means to reduce 

the computational scaling by reducing the number of basis functions contained in the basis set.  

Specifically,  Chapter  4  focuses  upon  a  unique  family  of  basis  sets  known  as  the  correlation 

Page 18: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

consistent  basis  sets,  which  were  developed  by  Dunning  and  co‐workers.102‐114  A  detailed 

description of the correlation consistent basis sets  is provided  in Section 2.3, but  in summary, 

these  basis  sets  are  useful  because  properties  computed  with  these  basis  sets  converge 

monotonically  to  an  asymptotic  limit  known  as  the  complete basis  set  (CBS)  limit.115‐118  This 

monotonic  convergence  is  important because when  the  correlation  consistent basis  sets  are 

combined  with  a  method,  such  as  coupled  cluster  theory  including  single,  double,  and 

quasipertubative  triple  excitations  [CCSD(T)],119‐123  CBS  limits  can  generally  achieve  chemical 

accuracy.124,125 The goal of the research discussed in Chapter 4 was to systematically reduce the 

number of basis functions utilized in the correlation consistent basis sets for the hydrogen atom 

while still preserving the monotonic convergent behavior that is key to the utility of these basis 

sets. The implementation of basis set truncation within ccCA is then discussed in Chapter 5 as a 

means to further reduce the computational scaling of ccCA.  

In  Chapter  6  the  application  of  another  family  of  composite  methods  is  discussed. 

Specifically, the Wn methods, developed by Martin et al. (Wn methods),78‐83 are applied to the 

ground state  for  the alkali metal hydroxides  (MOH) and  the ground and excited states of  the 

monoxide radicals (MO•) and anions (MO–) [where M = Li, Na, and K].   The Wn methods were 

chosen because of  their ability  to provide sub‐chemical accuracy  (<0.25 kcal/mol), albeit at a 

substantial computational expense. This high level of accuracy is required for studying the alkali 

metal species due to the existence of  low‐lying excited states (experimentally known to be on 

the  order  of  <  0.5–2.0  kcal/mol  above  the  ground  state).126,127  Also,  multi‐reference 

formulations of the Wn method are currently available,82 which is useful because several of the 

Page 19: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

molecules  of  interest  are  known  to  possess  a  significant  amount  of  multi‐reference 

character.128,129  The  final  chapter  focuses  on  the  development  and  application  of  ccCA  to 

compute  properties  for  molecules  that  possess  a  significant  amount  of  multi‐reference 

character.  

   

 

Page 20: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

CHAPTER 2  

 

GENERAL METHODOLOGY 

 

2.1.  Methods 

In its simplest form the Schrödinger equation1‐6 can be written as, 

ĤΨ EΨ                                                                                                                             2.1    

where Ψ represents the wave function and Ĥ is the Hamiltonian operator that operates on the 

wave function to give the total energy eigenvalue (E) and the eigenvector (Ψ).  The Hamiltonian 

operator for a system with N electrons and M nuclei has the form, 

Ĥ = 12 i

2

N

i=1

ZAriA

N

i=1

M

A=1

1rij

N

j>i

N

i=1

12MA

A2

M

A=1

ZAZBrAB

M

B>A

M

A=1

2.2 

where ZA and ZB are the nuclear charges for atoms A and B, respectively, riA is the distance that 

ith electron is from atom A, rij is the distance that the ith electron is from the jth electron, rAB is 

the distance that atom A is from atom B, MA is the ratio of the mass of nucleus A to the mass of 

an electron, and  i2 and  A

2   refer  to differentiation with  respect  to  the coordinates of  the  ith 

electron and Ath nucleus, respectively. The first term in Eqn. 2.2 represents the kinetic energy 

of  the  electrons,  the  second  term  is  the  attractive  columbic  energy  of  the  nuclear‐electron 

interaction, the third term is the repulsive potential energy of the electron‐electron interaction, 

Page 21: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

the fourth term is the kinetic energy of the nuclei, and the final term is the repulsive potential 

energy arising from the nuclear‐nuclear interaction. 

Unfortunately,  the  Schrödinger equation  is  too  complex  to  solve exactly  for all but  the 

simplest of  chemical  systems, which entail atoms or molecules containing only one electron. 

Therefore,  approximations  must  be  introduced  to  solve  this  equation  for  many  electron 

systems.  One  such  approximation  that  is  inherent  to  all  of  the  methods  utilized  in  this 

dissertation is the Born‐Oppenheimer approximation,130,131 which assumes that the motions of 

the nuclei are much slower relative to the motion the electrons, and thus, these motions can be 

decoupled and  solved  separately giving  rise  to  the electronic Schrödinger equation as  shown 

below,   

ĤelecΦelec elecΦelec                                                                                                    2.3

Ĥelec ‐12 i

2

N

i=1

‐ ZAriA

M

A=1

N

i=1

1rij

N

j>i

N

i=1

                                                         2.4   

where Ĥelec only  includes the electronic terms  from Eqn. 2.2, and Фelec  is the electronic wave 

function.  The  electronic  energy  elec   for  a molecule  with  fixed  nuclei,  therefore,  can  be 

determined by solving the electronic Schrödinger equation in the presence of fixed nuclei.  The 

total energy for molecules, however, must also  include the nuclear repulsion, and so the total 

energy for a molecule is  

total elec ZAZBrAB

M

B>A

.

M

A=1

                                                                                         2.5   

Page 22: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

The Born‐Oppenheimer approximation  is usually a good approximation but can begin to 

break  down,  for  example,  if  there  is more  than  one  solution  to  the  electronic  Schrödinger 

equation. One  example  of  this  breakdown  is  an  avoided  crossing  –  the  point  at which  two 

potential energy surfaces come close  together but do not cross because  they have  the same 

symmetry  (See  e.g.  Ref.  132  page  56).  The  error  introduced  by  the  Born‐Oppenheimer 

approximation,  however,  is  generally  small.  For  example,  a  study  performed  by  Rusic  et  al. 

showed that the magnitude of the error  introduced by the Born‐Oppenheimer approximation 

was  only  0.1  kcal/mol  in  the  computed  atomization  energy  of water.131   Overall,  the  Born‐

Oppenheimer approximation is key to all of the methods utilized throughout, and its use should 

have minimal impact on the computed properties. 

The simplest ab  initio method  is  the Hartree‐Fock  (HF) method,133‐138 which was  initially 

proposed by Hartree  in 1927 when he  suggested using  the mean‐field approximation.  In  this 

approach, the Coulombic electron‐electron interaction from Eqn. 2.4  1 rij⁄  is approximated by 

computing the  interaction of each  individual electron with the average potential field of all of 

the other electrons. It was later shown that Slater determinants – a determinant of one‐particle 

orbitals  –  could  be  used  in  Hartrees method,  which  effectively  reduces  the many‐electron 

problem  into a one‐electron problem. The key  to  the use of Slater determinants  is  that  they 

satisfy the antisymmetry or Pauli Exclusion Principle, which states that the wave function must 

be antisymmetric with respect to the interchange of two electrons.  

The HF method is proven to recover about 99% of the total energy for molecular systems, 

and the remaining 1 % can largely be attributed to the Coulombic electron‐electron interaction 

Page 23: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

approximation.  The  error  introduced  by  the  mean‐field  approximation  is  defined  as  the 

correlation energy and is defined as,  

Ecorr   Eexact ‐ EHF                                                                                                        2.6  

where EHF is the HF energy, Eexact is the exact energy, and Ecorr is the electron correlation energy. 

Even  though  the  correlation energy only  represents ~1% of  the  total energy,  it  can often be 

required  even  for  a  qualitatively  correct  computation  of molecular  properties.  For  example, 

Feller and Peterson found that the mean absolute deviation (MAD) of 66 atomization energies 

for molecules containing first‐ (Li‐Ne) and second‐row (Na‐Ar) atoms, compared to experiment, 

was on the order of 60 kcal/mol when the HF method was utilized.139     

The need to account for electron correlation has, therefore, spurred the development of 

post‐HF methods, often called electron correlation methods, which were initially based on the 

HF single Slater determinant. One of the simplest post‐HF methods to be developed is known as 

the configuration interaction (CI) method, which generates the exact wave function  Φ  for any 

state of a system based on the ground state HF single determinant wave function  Ψ  by the 

following equation, 

|Φ c0|Ψ0 car |Ψar

ra

cabrs |Ψab

rs

a<b r<s

cabcrst |Ψabc

rst a<b<cr<s<t

                     2.7

where the first term in Eqn. 2.7 is simply the ground state HF wave function (Ψ0) multiplied by a 

coefficient (c0), the second term is all single excitations resulting from an electron being excited 

from an occupied orbital (a) into an unoccupied orbital (r) multiplied by the coefficient , the 

Page 24: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

third term represents all double excitations resulting from the excitation of two electrons out of 

occupied orbitals into unoccupied orbitals, the fourth term includes all triple excitations, and so 

forth.  An  exact  solution  to  the  electronic  Schrödinger  equation  for many  electron  systems 

utilizing the CI approach requires that all possible excitations are included in Eqn. 2.7 [i.e. full CI 

(FCI)].  The  use  of  FCI,  however,  is  only  feasible  for  small molecular  systems  (i.e.  2‐4  non‐

hydrogen atoms).140‐145 Therefore, Eqn. 2.7  is generally truncated at a specific excitation  level, 

which gives rise to a series of CI methods [i.e. CI including all single excitations (CIS), CI including 

all  single  and  double  excitations  (CISD),  CI  including  all  single,  double,  and  triple  excitations 

(CISDT), …].  

For the studies presented in this dissertation, electron correlation is included through the 

use of second‐order Møller‐Plesset perturbation [MP2]146‐148 theory and coupled cluster theory 

including single, double, and quasiperturbative triple excitation [CCSD(T)].119‐123 The idea behind 

perturbation theory is that the approximate solution differs only a small amount from the exact 

solution.  Specifically,  the  approximate  Hamiltonian  (Ĥ0)  and  wave  function  (Ψ0)  can  be 

perturbed a small amount to produce a new Hamiltonian (Ĥ′) and wave function (Ψ′) that is an 

improvement over Ĥ0 and Ψ0. When Ĥ0 is taken to be a sum of Fock operators [i.e. the mean‐

field  approximation  is  applied  to  Eqn.  2.4],  the  resulting  theory  is  known  as Møller‐Plesset 

perturbation  [See  Ref.  132  and  148  for  a  more  in‐depth  discussion  of  Møller‐Plesset 

perturbation theory].  In coupled cluster (CC) theory electron correlation is introduced with the 

use of a cluster operator as shown below, 

eT = 1 + T1 +  T2 + 1

2T12

 +  T3 + T2T1 + 1

6T13

 + …                                            2.8  

Page 25: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

10 

 

where eT  is a general cluster operator  that  includes all excitations  for a give  reference wave 

function.  The first term on the right‐hand side of the equation comes from the reference wave 

function, the second term  T1  includes all single excitations, the third term  T2+1

2T12 includes 

the product of two single excitations 1

2T12 and a double excitation  T2 , and so forth. As with 

CI, the use of all excitation within CC theory is required for an exact solution to the Schrödinger 

equation, which  is  impractical.  Therefore,  Eqn.  2.8  is  usually  truncated  at  a  given  excitation 

level, which gives several CC methods  [i.e. CC  theory  including all single excitations  (CCS); CC 

theory including all single and double excitations (CCSD); CC theory including all single, double, 

and triple excitations (CCSDT); …]. A complete description of CC theory is not within the scope 

of this dissertation, but a more  in‐depth discussion  is given  in Refs. 119‐123, 132, and 149.  In 

summary,  the utilization of post‐HF methods  to  include  the effects of electron  correlation  is 

vital for all of the methods utilized throughout this dissertation.  

 

2.2.  Basis Sets 

Every ab  initio computation has two primary sources of errors.   The first type of error  is 

the intrinsic error, which is due to the chosen method [i.e. HF, MP2, CCSD(T), etc.]. The second 

type  of  error  is  introduced  by  approximations made  to  the wave  function  (Ψ).  To  begin  to 

understand  the  basis  set  approximation,  the  exact  solution  to  the  electronic  Schrödinger 

equation for the hydrogen atom can be separated into a product of a radial  Rn,l(r)  and angular 

Yl,ml components to give the following form for the wavefunction,150 

Page 26: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

11 

 

Ψnlm r,θ, Rn,l r Yl,mlθ,                                                                                      2.9

where n, l, and m are the principle, angular, and magnetic quantum numbers, respectively, r is a 

distance from the nucleus, θ is the colatitudes angle, and   is the azimuthal angle. (For a more 

complete description see Ref. 150 page 349)   The angular component  Yl,ml  is known as  the 

spherical  harmonic  functions,  which  describe  the  orbital  types  [e.g.  s,  p,  d,  …].  The  radial 

component  Rn,l(r)  has the general form,   

Rn,l r = polynomial in r × exponential decay                                                2.10 

where  the polynomial  in  r  is  known  as  the associated  Laguerre polynomial.  (Expressions  for 

several radial wave functions are given  in ref. 150) Unfortunately, due to the 1 r⁄  term  in Eqn. 

2.2, the Schrödinger equation is not separable for systems that contain more than one electron, 

and  the wave  function must,  therefore, be approximated  for many electron systems.  In 1951 

Roothaan  suggested  using  linear  combinations  of  a  complete  set  of  known  functions  called 

basis functions, which allows the HF wave function to be determined utilizing matrix algebra.151     

There are several functions that could be utilized as a basis function, but  in general, the 

basis functions that are often used are an attempt to approximate the exact wave function for 

the hydrogen atom. Figure 2.1 shows a plot of the radial wave function for the 1s atomic orbital 

for which the basis function will attempt to approximate. The first feature that should be noted 

from Figure 2.1  is that the exact wave function for the hydrogen 1s atomic orbital comes to a 

point when r=0.  This means that the hydrogen wave function is discontinuous at the origin [i.e. 

the derivative of Eqn. 2.9 does not equal zero when r=0], which  is known as a cusp condition. 

Page 27: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

Figure  2.1  also  shows  that  Eqn.  2.9  decays  exponentially  with  respect  to  r.  The  correct 

description  of  these  two  features  is  essential  for  any  basis  function  that  is  utilized  in  the 

approximation of Eqn. 2.9.  

Figure 2.1.  The  radial wavefunction for the 1s atomic orbital. 

 

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 1 2 3 4 5

In  practice,  approximating  Eqn  2.9  is  accomplished  with  two  types  of  basis  functions 

known  as  Slater  type  orbitals  (STO)152  and  Gaussian  type  orbitals  (GTO).153    STOs  have  the 

functional form, 

χlmnζSTO r,θ, NlmnζYlml

θ, rn‐1e‐ζr                                                        2.11 

12 

 

where l, m, and n are the same quantum numbers as before, Nlmnζ is a normalization factor and 

ζ  is a parameter  that describes how quickly  the basis  function decays. STOs are exact  in  that 

they correctly describe both the cusp condition of Eqn 2.9 as well as the exponential decay with 

respect to r. However, STOs are an approximate solution to Eqn. 2.9 because the complex radial 

component  Rn,l(r)   is  replaced  by  the  simpler  rn‐1e‐ζr  term,  which  removes  the  proper 

Page 28: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

13 

 

description of radial nodes.154 To approximate the radial nodes, linear combinations of STOs are 

utilized. For an exact description of the wave function, an infinite number of STOs are required, 

which  is  impractical. However, finite numbers of STOs can be used, which converge rapidly as 

the  number  of  basis  functions  increases  because  STOs  correctly  describe  the  boundary 

conditions  for  Eqn  2.9  [i.e.  cusp  condition  and  exponential  decay  with  respect  to  r]. 

Unfortunately,  the  use  of  STOs  to  approximate  the  exact wave  function  for many  electron 

systems  is  impractical  because  the  simple  analytic  solutions  needed  to  solve  the  complex 

integrals [e.g. if χr(1), χs(1), χt(2), χu(2) are STOs that are each centered on four different nuclei, 

then a four‐centered two electron integral is generated when solving the Schrödinger equation] 

are currently unknown, which means that the integrals must be solved numerically. This makes 

the  use  of  STOs  very  expensive  and  is  therefore  generally  limited  to  atomic  and  diatomic 

systems.   

The  complexities  inherent  to  STOs  was  circumvented  by  Boys  who  suggested  using 

Gaussian type orbitals (GTOs),153 which have the following form, 

χijkζGTO x,y,z,r Nijkζxb

i ybj zb

k  e‐ζr2                                                                           2.12  

where Nijkζ is a normalization factor; i, j, and k are nonnegative integers; ζ is again an exponent 

that describes how quickly  the orbital decays;  x,  y, and  z  are  cartesian  coordinates with  the 

origin at nucleus b; and r is some distance from the origin. Unfortunately, GTOs do not possess 

the  correct  boundary  conditions  for  Eqn.  2.9,  as  shown  in  Figure  2.2.  That  is, GTOs  do  not 

describe the cusp condition near the nucleus nor do they decay exponentially with respect to r.  

Page 29: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

14 

 

Even with these drawbacks, GTOs have many attributes that have made them widely accepted.  

The most  important  reason  is  that  the  complex  integrals  [i.e.  three‐  and  four‐  centered  two 

electron integrals] can be reduced to simpler integrals [two‐centered two electron integrals] for 

which simple analytic solutions have been derived, which greatly simplifies  the computations 

for  many  electron  systems.  Additionally,  the  boundary  conditions  of  Eqn.  2.9  can  be 

approximated  by  contracting  several  GTOs  to  approximate  a  single  STO,  which  is  shown 

pictorially in Figure 2.2 and mathematically below, 

χlmnζSTO r,θ, ciχijkζ

GTO x,y,z,ri

                                                                              2.13 

where ci  is a set of  fixed coefficients. Each  individual χijkζGTO x,y,z,r   is referred to as a primitive 

GTO  and  the  linear  combination  of GTOs  is  referred  to  as  a  contracted GTO  (CGTO).  Linear 

combinations  of  these  approximate  STOs  [i.e.  CGTOs]  are  then  utilized  to  approximate  the 

radial  nodes.  Unfortunately,  to  provide  an  exact  description  of  the  cusp  condition  and 

exponential  decay  inherent  to  STOs,  an  infinite  number  of  primitive GTOs must  be  utilized, 

which  is  impractical. Therefore, an  incomplete or  finite basis set of CGTOs  is commonly used. 

Due  to  the use of a  finite basis set,  the wave  function  is not exact, and  the  resulting error  is 

termed the incomplete basis set error. 

Page 30: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

Figure 2.2.  Plot of STO, GTO, and contracted GTO. 

 

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

‐5 ‐4 ‐3 ‐2 ‐1 0 1 2 3 4 5r

GTO

STO

CGTO

15 

 

Page 31: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

16 

 

2.3.  Correlation Consistent Basis Sets 

The basis sets utilized throughout this dissertation are the correlation consistent basis sets 

denoted cc‐pVnZ [where n = D, T, Q, 5, etc.].102‐114,155  The cc‐pVnZ basis sets were developed by 

Dunning and co‐workers and are a unique  family of basis sets that systematic  increase  in the 

number of CGTOs as the level of the basis set increases, as shown in Figure 2.3. The foundation 

of the cc‐pVnZ basis sets is a set of s and p functions that are optimized at the Hartree‐Fock (HF) 

level of theory.  For first‐row (Li‐Ne) atoms, an additional set of s, p, and d functions are added 

to this foundation to create a (3s2p1d) basis set, which corresponds to the cc‐pVDZ basis set. 

The additional s, p, and d shell of angular momentum  functions are optimized using the CISD 

method.  The  cc‐pVnZ  basis  sets  are  unique  in  that  the  additional  s,  p,  and  d  functions  are 

chosen to be included in one shell because they all contributed similar amounts of correlation 

energy. The cc‐pVTZ basis set is then developed in a similar fashion. Specifically, a minimal basis 

set is first determined with HF to which two shells of angular momentum functions are included 

that are optimized with CISD.  The first shell added to the minimal basis set includes an s, p, and 

d  function, while the second shell  includes an s, p, d and  f  function, which gives a  (4s3p2d1f) 

basis set. The first set of s, p, and d functions included in the construction of the cc‐pVTZ basis 

set all contribute similar amounts of correlation energy. Additionally, the second set of s, p, d, 

and  f  functions all contribute  similar amounts of correlation energy. Larger basis  sets can be 

constructed by subsequently adding more shells of angular momentum functions. As a result of 

this  building  up  of  correlated  angular  momentum  functions,  the  correlation  energy  is 

systematically recovered as  the basis set size  is  increased  from  the double‐ζ  to  triple‐ζ  to  the 

Page 32: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

quadruple‐ζ basis set, etc., and the total energy of a molecular system approaches a limit.  This 

limit is known as the complete, or saturated basis set (CBS) limit – the point at which the error 

due  to  the  use  of  a  finite  basis  set  is  effectively  eliminated.  Properties  (i.e.  geometries  and 

energetic) computed with the cc‐pVnZ basis sets approach this  limit  in such a systematic way 

that a number of extrapolation formulas have been proposed, which allow the CBS  limit to be 

approximated. It has been shown that determining the CBS limit with an ab initio method, such 

as  CCSD(T),  can  enable  energetic  properties  to  be  computed  within  1‐2  kcal/mol  of 

experimental data.124,155,156   Furthermore, by reaching the CBS  limit and, thus, eliminating the 

basis  set  error,  the  errors  associated with  only  the  chosen  ab  initio method  can  be  better 

understood. 

Figure 2.3.  Systematic  construction  of  the correlation consistent basis sets. 

 

cc‐pVQZ

cc‐pVTZ

cc‐pVDZ

HF sp

+1s1p1d

+1s1p1d1f

+1s1p1d1f1g

17 

 

Page 33: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

18 

 

                                                      

CHAPTER 3  

 

PERFORMANCE OF THE CORRELATION CONSISTENT COMPOSITE APPROACH (ccCA) FOR THIRD‐

ROW (Ga‐Kr) MOLECULES† 

 

3.1.  Introduction 

A primary  goal of quantum  chemistry has  long been  to obtain predictions of energetic 

properties  of  chemical  systems  to  within  “chemical  accuracy,”  commonly  defined  as  1‐2 

kcal/mol.   Advances made throughout the history of computational chemistry have helped to 

make this goal attainable for a number of molecular systems. However, a major stumbling block 

remains: the methods that are capable of calculating properties within chemical accuracy can 

only be applied to a very small number of molecules, typically to those with fewer than 10‐15 

atoms  heavier  than  hydrogen.157  The  inability  to  study  large  systems  using  quantitative 

methods  can  be  attributed  to  the  high  computational  cost  arising  from  the  large  N‐scaling 

(where N  is  the number of basis  functions  in  the basis  set) of ab  initio methods. The  formal 

scaling of  a  variety of ab  initio methods  is  given  in  Table 3.1.  This,  combined with  the  slow 

convergence of the basis set expansion to a limit, which is due to the difficulty of satisfying the 

 † This chapter was partially adapted from the publication of J. Chem. Theory and Comput., Vol 4, N.  J.  DeYonker,  B. Mintz,  T.  R.  Cundari,  and  A.  K. Wilson,  “Application  of  the  Correlation consistent  composite  approach  (ccCA)  to  Third‐Row  (Ga‐Kr)  Molecules”,  Pages  328‐334, Copyright (2008), with permission from American Chemical Society. 

Page 34: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

19 

 

inter‐electronic cusp condition, as described  in Chapter 2, has severely  limited the application 

of ab initio methods to model larger molecules.   

Table 3.1.  Formal  scaling  of  various ab initio methods. 

Method  Scaling 

HF  N4 

MP2  N5 

MP4  N7 

CCSD  N6 

CCSD(T)a  N6 + N7 

CCSDT  N7 

a) The  CCSD  part  scales  as N6 and the (T) scales as N7 

To make  advanced ab  initio methods more  tractable  to  larger molecules,  a number of 

approaches  can  be  used  to  reduce  the  computational  cost.  Several  of  these methods were 

discussed  in  Chapter  1  and  include  (a)  hybrid  and  composite methods  such  as ONIOM,53‐58 

Gaussian‐n  methods,59‐77  Weizmann‐n  methods,78‐83  HEAT  method,84‐86  and  the  correlation 

consistent  composite  approach  (ccCA)95‐101;  (b)  localization  schemes;11‐35  and  (c)  parallel 

methods.36‐52   

This chapter describes a study that assesses the performance of ccCA for the computation 

of  thermochemical  properties  (i.e.  dissociation  energies,  enthalpies  of  formation,  ionization 

energies, electron affinities, and proton affinities)  for molecules  containing  third‐row  (Ga‐Kr) 

atoms. A goal of ccCA is for it to be a method that can be utilized across the periodic table, and 

thus  far, ccCA has already proven  to be an efficient method  that can be utilized  to compute 

thermochemical  properties  for molecules  containing  first‐  (Li‐Ne)  and  second‐  (Na‐Ar)  row 

Page 35: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

20 

 

atoms  to within  1  kcal/mol of  reliable  experimental data.95‐97,100,101   Also,  ccCA was  recently 

applied  to  transition metal  species achieving an accuracy of ~3.4 kcal/mol.  (Note,  “transition 

metal chemical accuracy” is defined as ± 3 kcal/mol.99 )  

Previously, the basis sets required to compute properties for molecules that contain third‐

row  (K‐Kr) atoms were not  fully developed.   However, core‐valence basis sets  for Ga‐Kr were 

recently developed,102 which now enables molecules containing these atoms to be studied. The 

basis sets  for K and Ca are currently under development by Peterson,158 so  this chapter only 

focuses  on  molecules  containing  the  third‐row  atoms  Ga‐Kr.  This  work  was  done  in 

collaboration with Nathan D. DeYonker  (a postdoctoral  fellow  in Angela K. Wilson’s  research 

group) who helped in the collecting and tabulation of data. 

 

3.2.  Methodology 

The  goal  of  any  composite  method  is  to  approximate  the  results  of  a  larger/more 

expensive  method  with  several  smaller/less  expensive  methods.    This  is  accomplished  by 

assuming  that  the  results  from  the  smaller/less  expensive methods  can  be  combined  in  an 

additive manner  to achieve an accuracy similar  to  that of  the more expensive method.61 The 

correlation consistent composite approach is an MP2 based composite method that utilizes the 

CBS  limit  obtained  from MP2/aug‐cc‐pVnZ  [where  n  = D  (2),  T(3),  and Q(4)]  as  a  reference 

energy.    To  this  reference energy,  corrections  are  added  to  account  for electron  correlation 

beyond MP2, and  include core‐valence electronic  interactions, relativistic effects, atomic spin‐

orbit interactions, and zero‐point energy (ZPE) corrections. 

Page 36: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

21 

 

The first step in ccCA is the geometry optimization and frequency computation, which are 

performed using B3LYP combined with  the cc‐pVTZ basis set.   The B3LYP/cc‐pVTZ geometries 

are then used  in all subsequent ccCA steps.   It should be noted that for all second‐row (Al‐Ar) 

atoms, the tight d basis sets, developed by Wilson et al.,105 are utilized for all of the ccCA steps 

[e.g. cc‐pV(T+d)Z is used instead of cc‐pVTZ].  These basis sets include an additional tight‐d basis 

function  to correct  for deficiencies  in  the original cc‐pVnZ basis sets  for computing molecular 

properties, especially for sulfur containing systems.  The use of the cc‐pV(T + d)Z is essential in 

achieving  an  accuracy  of  1  kcal/mol  and  is  recommended  for  all  computations  containing 

second‐row atoms. 

There are several extrapolation formulas that can be utilized to determine the CBS limits, 

but  in a previous ccCA study,  it was determined that two extrapolation formulas provided the 

best agreement with experiment.96  The first is a mixed Gaussian/exponential formula proposed 

by Peterson et al.159 and is shown below, 

En E0 P Ae‐ n‐1 Be‐ n‐1 2                                                                                 3.1

where En is the total energy computed at the nth basis set level, n is the cardinal number of the 

basis set (i.e. D=2, T=3, …), E0(P) is the total energy at the CBS limit computed with Eqn. 3.1, and 

A and B are parameters that are determined in the extrapolation.  The second formula used in 

this study is based upon a two‐point 1/(lmax^4) scheme proposed by Schwartz160 using the aug‐

cc‐pVTZ and aug‐cc‐pVQZ total energies and has the following form,161‐164 

Page 37: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

22 

 

En E0 S4 C

lmax 124                                                                                               3.2

where  E0(S4)  is  the  total  energy  at  the  CBS  limit  computed with  Eqn.  3.2,  C  is  a  parameter 

determined in the extrapolation, and lmax is the highest angular momentum function included in 

the  basis  set.  For  all  of  the molecules  included  in  this  study,  lmax  simply  corresponds  to  the 

cardinal number. However, this rule does not apply for all atoms, so care must be taken when 

extending  ccCA  to  molecules  containing  atoms  such  as  transition  metals,  as  discussed  by 

DeYonker et al.99   

After  the MP2/CBS  reference energy  is determined, a  series of additive  corrections are 

then computed. The  first correction accounts  for higher‐order electron correlation that  is not 

completely  described  by  MP2  and  is  computed  by  taking  the  difference  between  the  

MP2/cc‐pVTZ  and  CCSD(T)/cc‐pVTZ  total  energies.    This  correction  is  labeled  ∆E(CC)  and  is 

expressed as, 

∆E CC E[CCSD(T)/cc‐pVTZ] ‐ E[MP2/cc‐pVTZ].                                             3.3             

The next correction  is  the scalar  relativistic correction.   The scalar  relativistic correction 

accounts for the  inability of the non‐relativistic Schrödinger equation (Eqn. 2.2) to account for 

the effects of  relativity.   The assumptions  is  that Eqn. 2.2 breaks down as  the velocity of  the 

inner  electrons  approach  the  speed  of  light,  which  is most  notable  as  the  nuclear  charge 

increases. The scalar relativistic correction computed in this study is obtained from frozen‐core 

MP2 computations utilizing the cc‐pVTZ‐DK basis set39 and the spin‐free, one‐electron Douglas‐

Page 38: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

23 

 

Kroll‐Hess  (DKH)  Hamiltonian.165‐167  The MP2  relativistic  correction  is  labeled  ∆E(DK)  and  is 

formulated as, 

∆E DK E[MP2/cc‐pVTZ‐DK] ‐ E[MP2/cc‐pVTZ].                                             3.4  

The final correction is to account for core‐valence correlation effects.  For most chemical 

systems,  the  bonding  between  atoms  is  generally  well  described  utilizing  only  the  valence 

electrons,  so  the  inner electrons are normally  frozen  to help  reduce  the  computational  cost. 

The  neglect  of  the  core‐valence  electron  interactions  usually  has  a  negligible  effect  on 

molecular  properties.  However,  there  are  some molecules  for which  core‐valence  electron‐

electron  interaction  must  be  accounted  for  in  order  to  achieve  the  target  accuracy  of  1 

kcal/mol.  For  example,  Shepler  et  al.  found  that  the  core‐valence  effects  contributed  0.75 

kcal/mol to the dissociation energy of I2.168 The core‐valence correction in ccCA is computed by 

taking the difference between MP2/aug‐cc‐pVTZ and MP2(FC1)/aug‐cc‐pCVTZ as shown below,  

∆E CV E[MP2(FC1)/aug‐cc‐pCVTZ] ‐ E[MP2/aug‐cc‐pVTZ].                      3.5

MP2(FC1) refers  to  the  inclusion of  the core‐valence electrons  in  the correlation space which 

corresponds to the  following; a)  for  first‐row  (Li‐Ne) atoms the 1s electrons are added to the 

correlation space, b)  for second‐row  (Na‐Ar) atoms  the 2s and 2p electrons are added  to  the 

correlation space, and c) for third‐row (Ga‐Kr) atoms the 3s and 3p electrons are added to the 

correlation space.   

Page 39: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

24 

 

Another  correction  is  the  zero‐point energy  (ZPE)  correction, which  is determined  from 

B3LYP/cc‐pVTZ  frequency  computations.  The  ZPE  energy  is  required  because  the  computed 

energy is determined at the bottom of the potential well. Whereas, the lowest energy level that 

is  physically  observed  experimentally  is  where  ν  =  0,  which  corresponds  to  a  zero‐point 

vibrational energy of E0 = (1/2)ħω (see Ref. 150 for a detail description). Therefore, to compare 

with experimental data, the ZPE should be included in the total energy. 

To  summarize,  ccCA utilizes a  reference energy  that  is  computed as  the MP2/CBS  limit 

found  from either Eqn. 3.1 or Eqn. 3.2.   To this reference energy the higher‐order effects are 

included in an additive manner to give the following ccCA total energy, 

E ccCA E MP2 aug‐cc‐pV∞Z⁄ ∆E CC ∆E DK ∆E CV ZPE.        3.6

The ccCA energy that uses the MP2/CBS limit computed from Eqn. 3.1 is referred to as ccCA‐P, 

and the ccCA energy that utilized MP2/CBS limit computed from Eqn. 3.2 is referred to as ccCA‐

S4. 

The last correction included in ccCA is the spin‐orbit coupling (SOC), which arises because 

the  spin  (S)  and  angular  momentum  (L)  quantum  numbers  couple.  This  coupling  causes 

degenerate  orbitals  to  split,  which  leads  to  a  lowering  of  the  total  energy.  In  the  initial 

development of ccCA, only the atomic SOC was  included.   However,  for molecules containing 

third‐row (Ga‐Kr) atoms it was shown that first‐order molecular SOC [i.e. open‐shell molecules 

in which spatially and spin‐degenerate states split (e.g. 2Π)] corrections can alter energies by up 

to 4.1 kcal/mol, and that even second‐order molecular SOC [i.e. the second‐order SOC apply for 

two cases that include 1) spin‐degenerate states that lower in energy due to spin‐orbit effects 

Page 40: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

25 

 

(e.g.  3Σ) and 2) open and closed shell molecules  in which spin‐orbit effects cause the ground 

state energy to lower (e.g. 2Σ, 1Σ, …)] can affect atomization energies by up to 0.8 kcal/mol, as 

shown in a study by Blaudeau and Curtiss.74,169  Due to the magnitude of the SOC for both first‐ 

and  second‐order  effects,  SOC  are  described  in  ccCA  utilizing  values  computed  in  previous 

theoretical  studies  and  are  labeled  ∆(SOa)  and  ∆(SOm)  for  atoms  and  molecules, 

respectively.74,169 

All computations performed in this chapter are computed with the Gaussian03 program 

package.170   

 

3.3.  Results and Discussion 

3.3.1.  The G3/05 Test Suite 

In earlier studies, ccCA was tested on the G3/99 training set, which includes 376 first‐ and 

second‐row atomic and molecular properties.67   This  training  set was chosen due  to  its  large 

number and diversity of molecules.  The set includes atomization energies, ionization energies, 

electron  affinities,  proton  affinities,  and  enthalpies  of  formation  from  experiment  with 

uncertainties  of  less  than  1  kcal/mol  providing  a  stringent  test  set  for  any  computational 

method.  More recently, the G3/99 test set was expanded to form the G3/05,74 which includes 

molecules containing third‐row (K, Ca, and Ga‐Kr) atoms.  The third‐row molecules in the G3/05 

test set are used in this study to assess the performance of ccCA in the calculation of third‐row 

molecular properties.  However, K and Ca have not been included as the necessary basis sets do 

not exist.  Development of the correlation consistent basis set required for ccCA is currently in 

Page 41: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

26 

 

progress for K and Ca,158 and when developed and tested, ccCA will be utilized to study these 

species.  In all, the G3/05 test set includes 51 properties for molecules containing third‐row (Ga‐

Kr)_atoms  including;  19  atomization  energies  (D0),  11  enthalpies  of  formation  (∆Hf),  15 

ionizations potentials (IP), 4 electron affinities (EA), and 2 proton affinities (PA). 

3.3.2.  Geometries 

The geometries computed with B3LYP/cc‐pVTZ are presented  in Table 3.1.   Experimental 

values, when  available,  are  also  provided  for  comparison.   While  a  detailed  analysis  of  the 

B3LYP/cc‐pVTZ  computed geometries  is not  the primary  focus of  this project,  the  results are 

presented here for completeness.  In general, the computed values are within 0.01 Å for bond 

lengths  and  1.0°  for  bond  angles  from  experiment.    A  more  detailed  analysis  of  the 

performance of B3LYP  for geometries as well as several other molecular properties  for  third‐

row (Ga‐Kr) molecules was reported by Yockel, Mintz, and Wilson.124 

Table 3.2.  Geometries  determined  with  B3LYP/cc‐pVTZ  computations.    All bond  lengths  (re)  are  in  angstroms,  and  bond  angles  (a)  are  in  degrees.  Experimental values are also presented where available. 

Molecule  Ground State  Parameter  B3LYP/cc‐pVTZ  Expt.a 

GeH4 1A1  re (Ge‐H)  1.534  1.514b 

AsH  3Σ— re (As‐H)  1.535  1.535 

AsH+  2Π re (As‐H)  1.539  ‐‐‐ 

AsH2 2B1 re (As‐H)  1.530  1.518c 

a (H‐As‐H)  90.9  90.7c 

(table is continued on next page)

Page 42: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

27 

 

(Table 3.2 continued) 

Molecule  Ground State  Parameter  B3LYP/cc‐pVTZ  Expt.a 

AsH2+  1A1 re (As‐H)  1.533  ‐‐‐ 

a (H‐As‐H)  90.9  ‐‐‐ 

AsH3 1A1 re (As‐H)  1.525  1.511c 

a (H‐As‐H)  92.1  92.1c 

SeH  2Π re (Se‐H)  1.475  1.475 

SeH+  3Σ— re (Se‐H)  1.496  ‐‐‐ 

SeH‐  1Σ+ re (Se‐H)  1.480  ‐‐‐ 

SeH2 1A1 re (Se‐H)  1.471  1.460c 

a (H‐Se‐H)  91.3  90.6c 

SeH2+  2B1 re (Se‐H)  1.489  ‐‐‐ 

a (H‐Se‐H)  91.6  ‐‐‐ 

HBr  1Σ+ re (H‐Br)  1.424  1.414 

HBr+  2Π re (H‐Br)  1.460  1.448 

As2 1Σg

+ re (As‐As)  2.105  2.103 

BBr  1Σ+ re (B‐Br)  1.903  1.888 

Br2 1Σg

+ re (Br‐Br)  2.315  2.281 

Br2+  1Πg re (Br‐Br)  2.222  ‐‐‐ 

BrCl  1Σ+ re (Br‐Cl)  2.165  2.136 

BrF  1Σ+ re (Br‐F)  1.774  1.759 

BrF+  2Π re (Br‐F)  1.691  ‐‐‐ 

(table is continued on next page)

Page 43: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

28 

 

(Table 3.2 continued) 

Molecule  Ground State  Parameter  Molecule Ground State 

NaBr  1Σ+ re (Na‐Br)  2.521  ‐‐‐ 

NaBr+  2Π re (Na‐Br)  2.922  ‐‐‐ 

BrO  2Π re (Br‐O)  1.732  1.717 

BrO‐  1Σ+ re (Br‐O)  1.839  1.814d 

HOBr  1A’ re (H‐O)  0.966  0.961e 

re (O‐Br)  1.845  1.834e 

a (H‐O‐Br)  103.2  102.3e 

HOBr+  2A” re (H‐O)  0.968  ‐‐‐ 

re (O‐Br)  1.735  ‐‐‐ 

a (H‐O‐Br)  109.8  ‐‐‐ 

GaCl  1Σ+ re (Ga‐Cl)  2.242  2.202 

GeO  1Σ+ re (Ge‐O)  1.629  1.625 

GeS2 1Σg

+ re (Ge‐S)  2.011  ‐‐‐ 

CH3Br 1A1 re (C‐H)  1.083  1.082f 

re (C‐Br)  1.960  1.934f 

a (H‐C‐Br)  111.2  111.2f 

CH4Br 1A’ re (C‐Br)  2.023  ‐‐‐ 

re (Br‐H1)  1.443  ‐‐‐ 

re (C‐H2)  1.085  ‐‐‐ 

(table is continued on next page)

Page 44: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

29 

 

(Table 3.2 continued) 

Molecule  Ground State  Parameter  Molecule Ground State 

CH4Br 1A’ re (CH3)  1.083  ‐‐‐ 

a (H1‐Br‐C)  97.4  ‐‐‐ 

a (H2‐C‐Br)  101.9  ‐‐‐ 

a (H3‐C‐Br)  105.3  ‐‐‐ 

a (H4‐C‐H3)  115.4  ‐‐‐ 

KrF2 1Σg

+ re (Kr‐F)  1.891  1.875c 

a) From Ref. 171 unless otherwise noted b) From Ref. 172 c) From Ref. 173 d) From Ref. 174 e) From Ref. 175 f) From Ref. 176 

 

3.3.3.  Atomization Energies 

Table 3.3 presents the 19 atomization energies (D0) of the G3/05 test suite.  As compared 

with experiment, when only  first‐order  SOC  are  included, 13 of  the 19  atomization energies 

were within 1 kcal/mol of the experimental values, and only two contain errors  larger than 2 

kcal/mol.    These molecules were GeH4  and GeO which  had  errors  of  2.7  and  2.1  kcal/mol, 

respectively,  for ccCA‐P, and 2.8 and 2.1 kcal/mol  for ccCA‐S4.   Overall, the  largest difference 

between atomization energies computed with ccCA‐P and ccCA‐S4  is 0.2 kcal/mol, which was 

computed for CH3Br. 

Page 45: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

30 

 

For  comparison,  results  determined  from  G3  and  G4  computations  were  also 

examined.69,74 The performance of G3 is similar to that of ccCA, with 12 of the of the computed 

atomization energies being within 1 kcal/mol of experiment, and only  two with errors  larger 

than 2 kcal/mol.  These molecules are GeH4 and NaBr, for which the G3 computed atomization 

energies were in error by –2.5 and –2.1 kcal/mol, respectively.  When utilizing the G4 method, 

seven of  the  computed atomization energies were  closer  to experiment as  compared  to G3, 

with  the  largest  improvements  occurring  for  NaBr  and  GaCl  where  the  G4  computed 

atomization  energies  were  closer  to  experiment  by  1.4  and  0.9  kcal/mol,  respectively,  as 

compared with G3.  

It  should  be  noted  that  both G3  and G4  contain  an  experimentally  derived  parameter 

known as the higher  level correction (HLC).67,69 This correction was recently shown to account 

for  ~  60  kcal/mol  of  the  atomization  energies  as  described  by  G3  for  linear  alkanes  up  to 

octane.96 Use of experimental parameters,  such as  the HLC,  is undesirable because deviation 

from the test set of molecules used to create the parameter can lead to significant errors. One 

example that shows the HLC breakdown is provided by a study performed by Schulz et al. who 

found  that  the  standard  G2  method  performed  poorly  in  determining  thermochemical 

properties  for  the  alkali metal  and  alkaline  earth metal  oxides  and  hydroxides  (M2O, MOH 

where M = Li, Na, and K; M'O, M'(OH)2 where M' = Be, Mg, and Ca), with errors greater than 25 

kcal/mol.177    The  correlation  consistent  composite  approach,  however,  contains  no  such 

parameter while achieving accuracies  similar  to G3 and G4  for atomization energies of  third‐

row molecules.  Additionally,  in  a  recent  study,  ccCA  achieved  accuracies  of  ~1  kcal/mol  for 

Page 46: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

31 

 

alkali and alkaline metal containing molecules  similar  to  the molecules  studied by Sullivan et 

al.97,101  

Inclusion  of  second‐order  SOC  in  the  ccCA  formulation  improved  twelve  atomization 

energies  as  compared  to  when  only  first‐order  SOC  were  included,  while  four  computed 

atomization energies had larger errors as compared to experiment after second‐order SOC was 

included.   Overall, second‐order SOC  improved the atomization energies computed with ccCA 

for molecules containing third‐row (Ga‐Kr) atoms.  The  mean  absolute  deviation  (MAD)  as 

compared  to experiment  for ccCA‐P and ccCA‐S4 when only  first‐order SOC are  included was 

0.9 kcal/mol and reduced to 0.8 kcal/mol when second‐order SOC was included. 

 

Table 3.3.  The error  in  the  ccCA‐P  and  ccCA‐S4  atomization energies  (kcal/mol)  relative  to experiment.  The  ccCA  results  include both  first‐  and  second‐order  spin‐orbit  coupling  (SOC). The errors as compared with experiment for G3 and G4 atomization energies are also listed for comparison. 

1st order SOC 2nd order SOC

Expt  ccCA‐P ccCA‐S4 ccCA‐P ccCA‐S4  G3a  G4b 

GeH4  →  Ge + 4H  270.5a  –2.7  –2.8  –2.7 –2.7  –2.5 –2.5

AsH  →  As + H  64.6b  1.6  1.6  1.5 1.5  –0.1 0.7

AsH2  →  As + 2H  131.2b  –0.7  –0.7  –0.5 –0.6  –0.8 –0.7

AsH3  →  As + 3H  206b  0.3  0.3  0.6 0.6  1.4 1.3

SeH  →  Se + H  74.3c  –0.7  –0.7  –0.2 –0.2  –1.1 –0.7

SeH2  →  Se + 2H  153.2c  –0.4  –0.4  –0.2 –0.2  0.9 1.1

(table is continued on next page)

Page 47: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

32 

 

(Table 3.3 continued) 

1st order SOC 2nd order SOC

Expt  ccCA‐P ccCA‐S4 ccCA‐P ccCA‐S4  G3a  G4b 

GaCl  →  Ga + Cl  109.9d  0.4  0.4  0.4 0.4  –1.5 –0.6

GeO  →  Ge + O  155.2d  –2.1  –2.1  –2.0 –2.0  –1.6 –1.0

As2  →  2As  91.3e  –1.1  –1.0  –0.5 –0.4  –0.4 –0.4

BrCl  →  Br + Cl  51.5d  –0.1  –0.2  0.1 0.1  0.3 0.5

BrF  →  Br + F  58.9d  –0.2  –0.2  0.1 0.1  0.3 –0.4

BrO  →  Br + O  55.3d  0.6  0.6  0.9 0.9  0.1 0.3

Br2  →  2Br  45.4d  –0.5  –0.6  –0.6 –0.6  –0.1 0.9

BBr  →  B + Br  103.5e  1.2  1.2  1.5 1.5  0.7 1.5

NaBr  →  Na + Br  86.2e  –0.4  –0.3  –0.1 0.0  –2.1 –0.7

CH3Br  →  Br + C + 3H  358.2f  –0.7  –0.9  –0.4 –0.6  –0.3 0.4

GeS2  →  Ge + 2S  191.7g  1.5  1.6  1.6 1.7  –1.9 –1.2

KrF2  →  Kr + 2F  21.9d  0.2  0.2  0.3 0.2  –0.6 –1.7

MAD  0.9  0.9  0.8 0.8  0.9 0.9

a) From Ref. 74 b) From Ref. 69 c) From Refs. 178,179 d) From Ref. 180 e) From Ref. 181 f) From Ref. 182 g) From Ref. 171 h) From Ref. 183 i) From Ref. 184 

Page 48: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

33 

 

3.3.4.  Enthalpies of Formation  

The  deviation  from  experiment  for  the  ccCA  computed  enthalpies  of  formation  [∆Hf 

(298K)] are presented in Table 3.3. In general, enthalpies of formation are difficult to compute 

to  a high degree of  accuracy, which make  them  a  stringent  thermochemical  test  for  any ab 

initio method. As shown  in Table 3.3  for ccCA‐P, when only  first‐order SOC are  included, only 

four  computed  enthalpies have  errors,  as  compared  to  experiment, of  less  than  1  kcal/mol. 

These errors were 0.8, 0.9, 0.1, and 0.6 kcal/mol as observed for the CF3Br, C3H7Br, C3H7Br, and 

CHF2Br molecules, respectively. Overall, ccCA‐S4 resulted in a mean absolute deviation (MAD), 

as compared to experiment, which was 0.3 kcal/mol larger than the MAD computed with ccCA‐

P.   The most notable differences between ccCA‐P and ccCA‐S4 was observed  for C6H13Br and 

C5H8Br2 where  the  error  as  compared with  experiment  increased  by  0.7  and  0.5  kcal/mol, 

respectively, upon going from the ccCA‐P to the ccCA‐S4 method.  When second‐order SOC are 

included  in ccCA, errors  in  ten of  the eleven enthalpies of  formation were  reduced. The only 

molecule for which the error as compared with experiment  increased after second‐order SOC 

are included was C6H5Br, for which the error increased by only 0.3 kcal/mol for both ccCA‐P and 

ccCA‐S4 methods.   Overall,  the  inclusion of molecular second‐order SOC are  important  in  the 

computation of enthalpies of formation for third‐row (Ga‐Kr) containing molecules in the G3/05 

test suite. 

As  compared  to  G3,  the  ccCA‐P  methods  performed  better  for  seven  of  the  eleven 

molecules when only  first‐order  SOC  are  included.   When  second‐order  SOC  are  included  in 

ccCA‐P,  nine  of  the  eleven molecules  improved with  an  average  1.1  kcal/mol  shift  toward 

Page 49: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

34 

 

experiment.    The  ccCA‐S4  method  also  performed  better  than  G3  for  six  of  the  eleven 

molecules when  only  first‐order  SOC  are  included,  and  eight  of  the  eleven molecules when 

second‐order SOC are included. 

G4  is  the newest  formulation of  the Gaussian‐n methods and  contains a  six parameter 

optimized HLC as compared to G3’s four parameter HLC. It is, therefore, unsurprising that G4 is 

a significant  improvement over G3. G4 also performed better than ccCA when only first‐order 

SOC were  included. However, when second‐order SOC are  included, the MAD as compared to 

experiment is only 1.2 and 1.4 kcal/mol for ccCA‐P and ccCA‐S4, respectively, which is only 0.3 

and 0.5 kcal/mol higher  than  the 0.9 kcal/mol MAD determined  for G4.   Overall, when  first‐

order SOC are  included, both ccCA methods outperform G3, and when second‐order SOC are 

included,  ccCA‐P  was  comparable  to  the  G4  method  in  the  computation  of  enthalpies  of 

formation for molecules containing third‐row atoms. 

Table 3.4.  The error as compared with  the experimental enthalpies of  formation  [∆fH (298K)]  computed using  the  ccCA‐P  and  ccCA‐S4 methods, which  include  the  first‐  and second‐order spin‐orbit coupling (SOC).  The errors compare with experiment determined using G3 and G4 are also listed.  All values are in kcal/mol. 

1st order SOC 2nd order SOC

Molecule  Expt.a  ccCA‐P ccCA‐S4 ccCA‐P ccCA‐S4  G3b  G4c 

CF3Br  ‐155.0 ± 0.7  0.8  1.1  0.5  0.7  2.3  0.4 

CCl3Br  ‐10.0 ± 0.4  1.2  1.2  0.9  0.9  2.9  1.4 

C2H3Br  18.9 ± 0.4  1.8  2.0  1.5  1.7  2.0  1.4 

C2H5Br  ‐14.8 ± 0.4  1.6  1.9  1.3  1.6  1.2  0.3 

(table is continued on next page) 

Page 50: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

35 

 

(Table 3.4 continued) 

1st order SOC 2nd order SOC

Molecule  Expt.a  ccCA‐P ccCA‐S4 ccCA‐P ccCA‐S4  G3b  G4c 

C3H7Br  ‐23.8 ± 0.8  0.9  1.3  0.6  1.0  0.6  ‐0.5 

C6H5Br  25.2 ± 1.0  0.1  0.5  ‐0.2  0.2  1.5  1.2 

C6H13Br  ‐35.4 ± 0.4  1.9  2.6  1.6  2.2  1.2  0.3 

C3H6Br2  ‐17.1 ± 0.3  2.8  3.1  2.2  2.5  2.7  1.0 

CHF2Br  ‐101.6 ± 0.2  0.6  0.7  0.2  0.4  1.2  ‐0.4 

COBr2  ‐27.1 ± 0.1  2.1  2.0  1.4  1.4  2.7  1.2 

C5H8Br2  ‐13.1 ± 0.4  2.9  3.4  2.3  2.8  3.2  1.9 

MAD  1.5  1.8  1.2  1.4  2.0  0.9

a) From Ref. 185 b) From Ref. 74 c) From Ref. 69 

 

3.3.5.  Ionization Energies  

The experimental  ionization energies (IE) and the error computed with the various ccCA, 

G3, and G4 methods are presented in Table 3.5.  When first‐order SOC are included in ccCA, the 

error  compared  to experiment was  less  than one  kcal/mol  for all but  four of  the molecules, 

which include SeH (–1.3 and –1.2 kcal/mol), SeH2 (–1.2 and –1.1 kcal/mol), HOBr (–1.6 and –1.5 

kcal/mol), and NaBr (–5.2 and –5.0 kcal/mol) for the ccCA‐P and ccCA‐S4 methods, respectively.  

It should be noted that the IE of NaBr computed with G3 and G4 were also in error of –4.9 and 

–4.7  kcal/mol,  respectively,  as  compared  to  experiment.  Overall,  the  MAD  for  the  ccCA 

Page 51: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

36 

 

methods, as shown in Table 3.5, was 0.8 kcal/mol, which was the same as the MAD computed 

for G3, and slightly better than the MAD computed for G4 (0.9 kcal/mol).   

 

Table 3.5.  The  error  as  compared  with  the  experimental  ionization  energies.  The calculations include both the first‐ and second‐order SOC.  Results determined with G3 and CCSD(T) are also presented for comparison.  All values are in kcal/mol. 

1st order SOC 2nd order SOC

Expt  ccCA‐P  ccCA‐S4  ccCA‐P  ccCA‐S4  G3a  G4b 

Ga  →  Ga+  138.3c  –0.1  –0.1  –0.2  –0.1  –0.2  –0.6 

Ge  →  Ge+  182.2c  0.0  –0.1  –0.2  –0.2  –0.1  –0.2 

As  →  As+  225.7c  –0.5  –0.5  –0.7  –0.8  –0.4  –0.3 

Se  →  Se+  224.9c  0.5  0.6  0.7  0.7  1.0  –0.7 

Br  →  Br+  272.4c  –0.3  –0.2  0.3  0.4  0.5  –0.4 

Kr  →  Kr+  322.9c  0.5  0.7  0.0  0.2  1.3  1.2 

AsH  →  AsH+  222.3d  0.1  0.1  –0.3  –0.3  –1.0  –0.5 

AsH2  →  AsH2+  217.8d  0.3  0.3  0.4  0.4  –0.8  –0.6 

SeH  →  SeH+  227.0e  –1.3  –1.2  –0.4  –0.4  0.1  –0.6 

SeH2  →  SeH2+  228.0e  –1.2  –1.1  –1.1  –1.1  –0.3  –0.4 

HBr  →  HBr+  268.9f  –0.3  –0.2  –0.7  –0.6  0.8  1.0 

Br2  →  Br2+  242.6f  –0.1  0.1  –0.8  –0.6  –0.2  0.4 

HOBr  →  HOBr+  245.3g  –1.6  –1.5  –1.6  –1.5  –0.4  –0.2 

BrF  →  BrF+  271.7f  –0.1  0.1  –0.1  0.1  0.7  1.4 

(table is continued on next page) 

Page 52: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

37 

 

 (Table 3.5 continued) 

1st order SOC 2nd order SOC

Expt  ccCA‐P  ccCA‐S4  ccCA‐P  ccCA‐S4  G3a  G4b 

NaBr  →  NaBr+  191.6f  –5.2  –5.0  –5.2  –5.0  –4.9  –4.7 

MAD  0.8  0.8  0.8  0.8  0.8  0.9 

a) From Ref. 74 b) From Ref. 69 c) From Ref. 186 d) From Ref. 180 e) From Ref. 181 f) From Ref. 171 g) From Ref. 187 

 

3.3.6.  Electron and Proton Affinities  

The  error  as  compared  with  experiment  for  the  electron  affinities  (EA)  and  proton 

affinities  (PA) are presented  in Table 3.6    for  ccCA, G3, and G4.   Overall,  ccCA  is within one 

kcal/mol of the experimental EAs provided in Table 3.6.  The one exception was the EA for BrO, 

for which the deviation from experiment was –1.6 and –1.5 kcal/mol computed with the ccCA‐P 

and  ccCA‐S4 methods,  respectively, when  only  first‐order  SOC  are  included.   When  second‐

order SOC are  included, the deviation  from experiment  for the EA of BrO was reduced to 0.9 

kcal/mol. Overall, when second‐order SOC are included, all molecules were within one kcal/mol 

of experiment with the exception of Br–, for which the error was computed to be –1.4 and –1.6 

kcal/mol for the ccCA‐P and ccCA‐S4, respectively.  

Page 53: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

38 

 

Table 3.6.  The errors as compared with experiment  for the electron and proton affinities. The computations include both first‐ and second‐order SOC.  Results determined with G3 and CCSD(T) are also presented for comparison.  All values are in kcal/mol. 

            1st order SOC 2nd order SOC      

         Expt  ccCA‐P  ccCA‐S4  ccCA‐P  ccCA‐S4  G3a  G4b 

Electron Affinities 

Ge  →  Ge –  28.43  0.0  0.0  0.1  0.1  –0.5  –0.7 

Br  →  Br –  77.6  0.1  0.3  0.4  0.6  –0.5  –0.7 

BrO  →  BrO –  54.4  –1.6  –1.5  0.9  0.9  –1.3  –1.5 

SeH  →  SeH –  51.0  –0.5  –0.5  –0.5  –0.5  –0.4  –0.5 

Proton Affinities 

Br‐  →  HBr  322.6  –1.0  –1.2  –1.4  –1.6  –0.3  0.2 

BrCH3  →  BrCH4+  157.3  0.1  0.0  0.1  0.0  0.4  0.2 

a) From Ref. 74 b) From Ref. 69 c) From Ref. 186 d) From Ref. 188 e) From Ref. 174 f) From Ref. 189 

 

3.3.7.  Overall Performance of ccCA  

For  the  Ga‐Kr  containing  species  in  the  G3/05  training  set,  ccCA  can  reliably  predict 

energetic properties to within chemical accuracy. The mean signed deviation (MSD), reported in 

Table  3.7, when  only  first‐order  SOC  are  included was  –0.02  kcal/mol  for  ccCA‐P  and  0.07 

kcal/mol for ccCA‐S4, indicating almost no overall bias in the reliability of the ccCA. When only 

Page 54: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

39 

 

first‐order SOC are included, the MAD for ccCA‐P was 0.95 kcal/mol, and for ccCA‐S4 was 1.00 

kcal/mol. 

For  the 51  atomic and molecular properties  computed  in  the  training  set,  ccCA‐P  is an 

improvement of 0.12 kcal/mol as compared to the G3 model chemistry, which had a MAD of 

1.07  kcal/mol.  Also,  ccCA  outperformed  the  CBS‐n  methods.87‐94  [Note,  the  enthalpies  of 

formation  were  not  computed  with  the  CBS‐n  methods.]190  Comparing  the  40  energetic 

properties previously studied with CBS‐n (19 D0, 15 IPs, 4 EAs, and 2 PAs), the ccCA‐P and ccCA‐

S4 MADs were  0.79  and  0.78  kcal/mol,  respectively, while  the best CBS‐n method, CBSQB3, 

resulted in a MAD of 1.12 kcal/mol. Additionally, previous CCSD(T)/cc‐pV∞Z studies performed 

by Yockel, Mintz, and Wilson were also performed for the same 40 energetic properties,124,125  

and  interestingly,  the  ccCA model  chemistry have a  lower MAD  for  this  set, as  compared  to 

most CCSD(T)/aug‐cc‐pV∞Z and CCSD(T)/aug‐cc‐pV∞Z‐PP methods.  

Including  second‐order  SOC  effects  reduced  the  MAD  of  ccCA‐P  from  0.95  to  0.88 

kcal/mol  and  ccCA‐S4  from  1.00  to  0.92  kcal/mol, which  resulted  in  similar  performance  as 

compared with  the  G4 model  chemistry.  By  including  second‐order  SOC,  25  of  the  ccCA‐P 

deviations  are  reduced  by more  than  0.10  kcal/mol, while  the  errors  are  increased  for  18 

species. Overall, atomic second‐order SOC  improve  the reliability of  the properties computed 

for the third‐row molecules of the G3/05 training set. 

 

Page 55: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

40 

 

Table 3.7.  Mean  absolute  deviation  and  mean  signed  error  for  all  of  the computed properties.  All values are in kcal/mol. 

   1st order SOC 2nd order SOC      

ccCA‐P  ccCA‐S4  ccCA‐P  ccCA‐S4  G3a  G4b 

MAD  0.95  1.00  0.88  0.92  1.07  0.86 

MSD  –0.02  0.07  –0.03  0.05  0.11  –0.01 

a) From Ref. 74 b) From Ref. 69   

3.4.  Conclusions 

The correlation consistent composite approach was utilized to determine 51 atomic and 

molecular properties  for  the Ga‐Kr species  in  the G3/05  training set. The ccCA energies were 

compared  to experiment as well as other widely used model chemistries. Overall, when only 

first‐order  SOC  are  included,  ccCA  performed  better  than  G3,  with  a  MAD  compared  to 

experiment of 0.95 and 1.00 kcal/mol for ccCA‐P and ccCA‐S4, respectively, as compared to the 

MAD of 1.07 kcal/mol computed with G3. Spin‐orbit coupling  is a physical phenomenon  that 

cannot be  ignored when  computing  thermodynamic and energetic properties of  species  that 

contain third‐row (Ga‐Kr) atoms. The addition of second‐order spin‐orbit corrections results in a 

substantial  improvement  in  the  accuracy  of  ccCA,  as  the MAD  reduces  from  0.95  and  1.00 

kcal/mol, when only  first‐order SOC were  included,  to 0.88 and 0.92 kcal/mol  for ccCA‐P and 

ccCA‐S4,  respectively, when  second‐order  SOC were  included. Additionally,  the  core‐valence 

additive  correction  to  the  ccCA  energy  is  essential  for  a proper description of  the  third‐row 

energetic properties contained  in the G3/05 training set. In fact, the MP2‐based ccCA method 

Page 56: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

41 

 

was found to perform better than CCSD(T)/cc‐pV∞Z results due to the better modeling of the 

core‐valence  electron  correlation  in  ccCA  method,  which  were  not  accounted  for  in  the 

published  coupled  cluster  CBS  results.  For  third‐row  p‐block  molecules,  ccCA  is  a  viable 

alternative to other model chemistries that rely on semiempirical corrections to the correlation 

energy.  Furthermore,  the modeling  of  heavier  p‐block  elements  is  an  important  step  in  the 

development  of  a  pan‐periodic  table  composite method  that  is  capable  of  yielding  accurate 

thermodynamics. 

Page 57: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

42 

 

                                                      

CHAPTER 4  

 

TRUNCATION OF THE CORRELATION CONSISTENT BASIS SETS FOR THE HYDROGEN ATOM: A 

VIABLE MEANS TO REDUCE COMPUTATIONAL COST‡ 

 

4.1.  Introduction 

Even  with  advances  in  computer  technology  and  computational  methodologies,  the 

prediction  of  energetic  properties  to  within  chemical  accuracy  is  still  typically  limited  to 

chemical systems that contain less than 10‐15 non‐hydrogen atoms.157 The goal of the research 

presented  in  this  chapter was  to  accomplish  a  systematic  reduction  in  basis  set  size while 

minimizing the impact on the overall accuracy of a given ab initio method. There are a number 

of  studies  to  date which  have  aimed  to  reduce  the  basis  set  size  as  a means  to  enable  an 

increase in the size of molecules that can be studied. For example, a study performed by Curtiss 

et al. examined computational cost reduction for quadratic configuration  interaction  including 

single, double, and iterative triple excitations [QCISD(T)] paired with the Pople‐type 6‐31G(d,p) 

 ‡ This chapter was adapted from the following publications 1) J. Chem. Phys., Vol. 121, B. Mintz, K. P. Lennox, and A. K. Wilson, “Truncation of the Correlation Consistent Basis Sets: An Effective Approach  to  the  Reduction  of  Computational  Cost?”,  Pages  5629‐5634,  Copyright  (2004), reused with permission from American Institute of Physics , 2) J. Chem. Phys., Vol. 122, B. Mintz and A. K. Wilson, “Truncation of the Correlation Consistent Basis Sets: Extension to Third‐Row (Ga‐Kr)  Molecules”,  Pages  134106/1‐10,  Copyright  (2005),  reused  with  permission  from American  Institute of Physics, and 3)  Int.  J. Quantum Chem., Vol. 107, B. Mintz, S. Driskell, A. Shah,  and  A.  K. Wilson,  “Truncation  of  the  Correlation  Consistent  Basis  Sets:  Application  to Extended  Systems”,  Pages  3077‐3088,  Copyright  (2007),  with  permission  from  Wiley Periodicals, Inc.  

Page 58: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

43 

 

basis set.75 Curtiss showed that removing the p polarization function from the basis set for the 

hydrogen atom affected the mean absolute deviation (MAD) computed for the G2 test suite by 

only  0.05  kcal/mol.75  However,  this  same  level  of  accuracy  was  not  observed  when  the  d 

polarization  function was  removed  from  the  basis  set  for  non‐hydrogen  atoms.  Specifically, 

Curtiss  found  that  the MAD  for  the G2  test  suite  increased by more  than 2 kcal/mol. Earlier 

work performed by del Bene,  showed  that  the diffuse  s  functions  for  the hydrogen  atom  in 

basis  sets  such  as  6‐31++G(d,p)  and  6‐311++G(2d,2p)  had  little  effect  on  hydrogen  bond 

energies  and  proton  affinities.191  Another  study  by  del  Bene  found  that  omitting  diffuse 

functions from Dunning’s correlation consistent basis sets for the hydrogen atom had an effect 

of less than 0.70 kcal/mol on the proton affinities of NH3, H2O, and HF.192  

The focus of the present study is on the systematic reduction of the correlation consistent 

basis  sets developed by Dunning and  co‐workers  [cc‐pVnZ; where n = D(2), T(3), Q(4), 5].102‐

114,155 As discussed  in Section 2.3, the correlation consistent basis sets systematically build up 

the number of contracted GTOs as the  level of basis set  increases  [i.e.  functions that account 

for similar amounts of correlation energy are added  together  in shells of angular momentum 

functions]. As a result of this construction, the correlation energy is systematically recovered as 

the basis  set  size  is  increased  (i.e. cc‐pVDZ, cc‐pVTZ,…), and  the  total energy approaches  the 

CBS limit.  

One  of  the  drawbacks  of  the  correlation  consistent  basis  sets,  however,  is  their  steep 

increase  in  the  number  of  basis  functions  (N)  upon  increasing  the  size  of  the  basis  set.   As 

shown  in  Table  4.1,  increasing  the  correlation  consistent  basis  set  from  the  cc‐pVDZ  to  the 

Page 59: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

44 

 

cc‐pVTZ level nearly doubles N for first‐row atoms and almost triples N for the hydrogen atom. 

A similar increase is observed upon increasing the basis set from cc‐pVTZ to cc‐pVQZ, as well as 

from  cc‐pVQZ  to  cc‐pV5Z.    Due  to  this  steep  increase  in  the  number  of  basis  functions, 

computing  the  CBS  limit with  a  series  of  cc‐pVnZ  basis  sets  to  achieve  chemical  accuracy  is 

generally  limited  to  molecular  systems  that  contain  less  than  10‐20  non‐hydrogen  atoms. 

Reducing  the number of higher angular momentum  functions  for  the cc‐pVnZ basis  sets as a 

means to lower the computational cost (N‐scaling) of ab initio methods can provide the ability 

to  increase  the  size of molecular  systems  that  can be  studied. Accomplishing  this  reduction, 

however,  is a daunting  task because removal of  the higher angular momentum  functions can 

potentially destroy the systematic construction of the cc‐pVnZ basis sets, and, thus, impact the 

ability to determine the CBS limit. 

Table 4.1.  Correlation consistent basis sets  for hydrogen and  the  first  row  (B‐Ne) atoms. The primitive functions are shown in parenthesis, and the contracted functions are shown in brackets.  Also shown is the total number of contracted basis functions (N). 

cc‐pVnZ  Hydrogen  N  First‐Row (B‐Ne) Atoms  N

n = D  (4s 1p)/[2s 1p]  5  (9s 4p 1d)/[3s 2p 1d]  14

n = T  (5s 2p 1d)/[3s 2p 1d]  14  (10s 5p 2d 1f)/[4s 3p 2d 1f]  30

n = Q  (6s 3p 2d 1f)/[4s 3p 2d 1f]  30  (12s 6p 3d 2f 1g)/[5s 4p 3d 2f 1g]  55

n = 5  (8s 4p 3d 2f 1g)/[5s 4p 3d 2f 1g] 55  (14s 8p 4d 3f 2g 1h)/[6s 5p 4d 3f 2g 1h] 91

 

Specifically,  basis  set  truncation  studies  are  presented which  focus  on  the  affect  that 

hydrogen basis set truncation had upon geometries, atomization energies (AE), and  ionization 

energies  (IE)  for a series of  first‐  (B‐Ne) and  third‐  (Ga‐Kr)  row molecules.193,194 The ability  to 

Page 60: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

45 

 

                                                      

extrapolate AE and IE computed with the truncated basis sets to a CBS limit that is comparable 

to  the  full basis  set extrapolation was also examined. The  study of  the molecules  containing 

first‐row (B‐Ne) atoms was performed with the assistance of Kristin P. Lennox (TAMS student)§. 

A subsequent study expanded upon the initial basis set truncation work to examine a larger test 

suite with molecules  that are more  substantial  in  size,  the  largest molecule being decane.195 

The  follow‐up study was performed with  the assistance of Sage Driskell  (TAMS student)§ and 

Amy  Shah  (TAMS  student)§  who  helped  with  the  computations  for  Section  4.4.  The  study 

presented in Section 4.4 focus predominantly upon the utilization of a truncated basis set series 

to determine the CBS  limits for atomization energies for this much greater range of molecular 

species. 

 

4.2.  Methodology 

4.2.1.  4‐Point Extrapolation Scheme 

Geometry  optimizations  were  performed  on  a  test  set  of  first‐row  (B‐Ne)  containing 

molecules  [H2, CH4, NH3, H2O, HF, and HCN] and  third‐row  containing molecules  [GeH4, AsH, 

AsH+,  AsH2,  AsH2+,  AsH3,  SeH,  SeH

+,  SeH2,  SeH2+,  HBr,  HBr+,  HOBr,  and  HOBr+].  Geometry 

optimizations  were  performed  using  CCSD(T)  combined  with  two  series  of  basis  sets  that 

include:  (1)  the  full  cc‐pVnZ  sets  [where n = D(2),  T(3), Q(4),  and 5], which provide  a useful 

 § The Texas Academy of Mathematics and Science  (TAMS)  is a unique residential program  for high  school‐aged  Texas  students who  are high  achievers  and  interested  in mathematics  and science. 

Page 61: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

46 

 

benchmark for (2); and (2) a truncated series of cc‐pVnZ sets for the hydrogen atom [truncation 

is described below] and the full cc‐pVnZ basis sets for the non‐hydrogen atoms. While there are 

a number of approaches that could be taken in basis set reduction, all of the following basis set 

truncation studies utilized the systematic truncations as described in the following paragraph. 

Specifically,  the basis set  truncation entailed  the systematic  reduction  in  the number of 

higher angular momentum [i.e. d and above] functions within the hydrogen basis set. The first 

basis set level that was truncated was the triple‐ζ level, which was truncated by the elimination 

of the d function (–1d). At the quadruple‐ζ level, a series of truncations were performed, which 

include: (a) removal of the f function (–1f ); (b) removal of the f function and the outermost d 

function (–1f 2d) [the outermost d function  is the function with the smallest ζ exponent]; and 

(c)  the removal of all higher angular momentum  functions  (–1f 2d1d). Finally,  the quintuple‐ζ 

basis set was truncated by (a) removal of the g function (–1g); (b) removal of the g function and 

the outermost f function (–1g 2f) [again the outermost function refers to the function with the 

smallest ζ exponent]; (c) the removal of all g and f functions (–1g2f1f); (d) the removal of all g 

and f functions as well as the outermost d function (–1g2f1f3d); (e) the removal of all g and f 

functions as well as the outermost and second outermost d function (–1g2f1f3d2d); and finally 

(e)  the  removal  of  all  higher  angular  momentum  functions  (–1g2f1f3d2d1d).  Atomization 

energies, bond lengths, and bond angles for both series of basis sets were obtained for all first‐ 

and third‐row containing molecules, while ionization energies were computed for the third‐row 

containing molecules.  Zero‐point  corrections were  determined  at  the  cc‐pVTZ  level  and  are 

included  in all of the computed molecular properties. Also due to the  large spin‐orbit splitting 

Page 62: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

47 

 

that was previously observed  for the third‐row  (Ga‐Kr) atoms and molecules,60,169 atomic and 

molecular  spin‐orbit  corrections  are  included,  which  were  obtained  from  configuration 

interaction calculations performed by Blaudeau and Curtiss.60,169  

A key property of the correlation consistent basis sets is the systematic nature of the basis 

sets, which enables extrapolation to the CBS limit for structural and energetic properties upon 

increasing  the  basis  set  size.  Although  there  are  several  possible  extrapolation  formulas 

available,  for  this study  two  formulas were chosen  to be studied. The  first  is  the widely used 

and established Feller extrapolation scheme and is shown below,196 

De(n) De ∞ Ae‐Bn                                                                                                      4.1

where De(n)  is the dissociation energy at the nth ζ‐level, n  is the cardinal number of the basis 

set, De(∞) is the atomization energy at the CBS limit, and A and B are parameters determined in 

the  extrapolation.  The  second  extrapolation  formula  utilized  for  this  study  was  a  mixed 

exponential/Gaussian  formula  given  by  Eqn.  3.1.  For  first‐row  containing  molecules,  the 

extrapolations  were  performed  on  the  atomization  energies,  whereas  for  the  third‐row 

containing molecules,  the extrapolations were performed on  the  total energies of  the atoms 

and molecules, separately. The atomization and  ionization energy CBS  limits for the third‐row 

containing molecules were  then  computed using  the  total energy CBS  limits.   Extrapolations 

that  utilize  either  atomization  energies  or  total  energy  are  both  widely  utilized  in  the 

literature,124,125,155 and the utility of these two schemes to extrapolate the truncated basis sets 

to the CBS  limit was examined. All calculations were carried out using the Molpro or Gaussian 

program packages.160,187 

Page 63: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

48 

 

4.2.2.  2‐ and 3‐Point Extrapolation Schemes 

Geometry  optimizations  were  performed  utilizing  B3LYP/6‐31G(d)  for  the  molecules 

methane through decane and the hydrogen‐containing molecules of the G3/99 test suite, which 

include  1,3‐difluorobenzene  (C6H4F),  1,4‐difluorobenzene  (C6H4F),  pyrazine  (C4H4N2),  2,5‐

dihydrothiophene  (C4H6S),  2‐methyl‐thiophene  (C5H6S),  3‐methyl  pentane  (C6H14),  acetic 

anhydride (C6H14), aniline (C6H5NH2), 1,1‐dimethoxy ethane (C4H10O2), acetyl acetylene (C4H4O), 

crotonaldehyde  (C4H6O),  isobutene  nitrile  (C4H7N),  isobutanal  (C4H8O),  1,4‐dioxane  (C4H8O2), 

1,2‐dicyano  ethane  (C4H4N2),  chlorobenzene  (C6H5Cl),  di‐isopropyl  ether  (C6H14O),  diethyl 

disulfide (C4H10S2), diethyl ether (C4H10O), diethyl ketone (C5H10O), isopropyl acetate (C5H10O2), 

methyl  ethyl  ketone  (C4H8O),  n‐methyl  pyrrole  (C5H7N),  piperidine  (cyc‐C5H10NH), 

tetrahydropyran  (C5H10O),  tetrahydropyrrole  (C4H8NH),  tetrahydrothiophene  (C4H8S), 

tetrahydrothiopyran  (C5H10S),  tetramethylsilane  (C4H12Si),  methyl  acetate  (C3H6O2),  azulene 

(C10H8),  benzoquinone  (C6H4O2),  cyclooctatetraene  (C8H8),  cyclopentanone  (C5H8O),  dimethyl 

sulfone (C2H6O2S), divinyl ether (C4H6O), n‐butyl chloride (C4H9Cl), naphthalene (C10H8), phenol 

(C6H5OH),  pyrimidine  (C4H4N2),  t‐butyl  chloride  (C4H9Cl),  t‐butanethiol  (C4H9SH),  t‐butanol 

(C4H9OH),  t‐butyl  methyl  ether  (C5H12O),  t‐butylamine  (C4H9NH2),  tetrahydrofuran  (C4H8O), 

toluene  (C6H5CH3),  cyclopentane  (C5H10),  cyclohexane  (C6H12),  isoprene  (C5H8),  1,3‐

cyclohexadiene (C6H8), 1,4‐cyclohexadiene (C6H8), fluorobenzene (C6H5F), methyl allene (C4H6), 

neopentane (C5H12), and nitro‐S‐butane (C4H9NO2).197 Møller–Plesset second order perturbation 

theory (MP2)146‐148 single‐point computations were then performed utilizing the B3LYP/cc‐pVTZ 

Page 64: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

49 

 

geometries  to obtain  total energies. For all  second‐row atoms  (Al‐Ar),  the  tight d correlation 

consistent basis sets [cc‐pV(n + d)Z]105 were utilized (see Section 3.2).  

The  CBS  limit  was  determined  using  both  the  full  cc‐pVnZ  basis  set  series  and  all 

combinations of truncated basis set series [i.e. truncated basis sets that  include 1) removal of 

the d function from the cc‐pVTZ basis set, 2) removal of the g function from the cc‐pVQZ basis 

set, 3) removal of the g and outermost d function, and 4) removal the g and both d functions 

from  the  cc‐pVQZ basis  set].  In  this  study  two‐  and  three‐point extrapolation  schemes were 

utilized.  The  two‐point  scheme  was  developed  based  on  studies  performed  by  Schwartz, 

Kutzelnigg and Morgan (Eqn. 3.2),160,198,199 and  is based on an  inverse power relationship with 

respect to the highest angular momentum (lmax) represented in the basis sets. The extrapolation 

formula has the following form,161‐164  

E lmax =ECBS+B

(lmax)3 .                                                                                               4.2 

A simple analytic form for Eqn. 4.3 was given by Halkier et al.,161 which has the form, 

ECBS E2 lmax 2

3 ‐ E1 lmax 13

lmax 23 ‐ lmax 1

3                                                                                    4.4 

where  ECBS  is  the  energy  at  the  CBS  limit,  E1  and  E2  are  the  energies  resulting  from  two 

calculations each utilizing a difference basis set  level with E1 being the energy computed with 

the smaller of the two basis sets [e.g. The cc‐pVTZ basis set is used to compute E1, and the cc‐

pVQZ basis set is used to computed E2.], and lmax1 and lmax2 are the highest angular momentum 

function for each of the two basis sets [e.g. For first‐row (Li‐Ne) molecules, lmax1 = 3 for the cc‐

Page 65: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

50 

 

pVTZ basis set, and lmax2 = 4 for the cc‐pVQZ basis set]. The three‐point scheme that was utilized 

is the mixed Gaussian/exponential (Eqn. 3.1).159 

The  extrapolation  to  the  CBS  limit was  done  for  the  total  energies  of  the  atoms  and 

molecules separately, and these limits were used to determine the atomization energies at the 

CBS  limit. All B3LYP computations were performed with  the Gaussian03 program,170 while all 

MP2  computations were  performed  using  the Molpro  program.200  All  computations  for  the 

G3/99 molecules were performed on an IBM pSeries 690 supercomputer (“copper”) located at 

the National Center  for Supercomputing Applications. All  cc‐pVDZ and  cc‐pVTZ  computations 

utilized four processors, while all cc‐pVQZ computations used eight processors. 

 

4.3.  Results and Discussion – 4‐Point Extrapolation Scheme 

4.3.1.  Geometries 

CCSD(T) optimized structures for the first‐row (B‐Ne) containing molecules are reported in 

Table  4.2.   As  shown  in  this  table,  basis  set  truncation  for  the  hydrogen  atom  had minimal 

impact  (±0.001Å)  upon  bond  lengths,  and  in most  cases,  there was  no  fluctuation  in  bond 

length, which  is  shown with  “…“. At most,  there was a  slight  (0.01°–0.04°) and  (0.06°–0.12°) 

change  in  bond  angle,  depending  upon  the  choice  of  truncated  basis  set  used, which was 

observed  for NH3 and H2O,  respectively. Overall,  the effect of  truncation upon  the optimized 

structures for the first‐row (B‐Ne) containing molecules was minimal. 

CCSD(T) optimized structures for the third‐row (Ga‐Kr) containing molecules are provided 

in  Table  4.2  and  Table  4.3  provides  the  structures  of  the  neutral  species,  while  Table  4.4 

Page 66: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

51 

 

provides  the  structures  for  the  cationic  species.  For  the  neutral  molecules,  the  largest 

deviations in the bond length with respect to the full basis set for the third‐row molecules was 

0.003 Å as observed  for AsH, AsH2, AsH3, SeH, SeH2, and HBr after  removal of  the d  function 

from the cc‐pVTZ basis set. For the cationic species, the maximum deviation for the third‐row 

molecules was 0.004 Å computed for the HBr+ bond  length after the d function was removed 

from the cc‐pVTZ basis set. The largest deviation in the bond angle with respect to the full basis 

set  for both  the neutral and  cationic  third‐row molecules was 0.19°, which was  the  case  for 

both the HOBr and HOBr+ molecules after all of the higher angular momentum functions were 

removed  from  the  cc‐pVQZ basis  set. Overall,  the effect on  the  computed  structures  for  the 

third‐row molecules was minimal when a truncated hydrogen basis set is used. 

Page 67: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

52 

 

Table 4.2.  Bond  lengths and angles calculated with  full cc‐pVnZ basis sets. The errors resulting  from the use of truncated basis sets also are shown. These are reported relative to the bond  lengths and angles obtained using the  full cc‐pVnZ basis sets, and are reported  in Å and degrees, respectively.   “…”  indicates there was no change relative to the full basis set when the truncated basis sets were utilized. 

H2  CH4  NH3    H2O  HF  HCN r(H‐H)  r(C‐H)  r(N‐H)  a(H‐N‐H)    r(O‐H)  a(H‐O‐H)  r(H‐F)  r(C‐H)  r(C‐N) 

cc‐pVDZ  0.761  1.104  1.020  107.68  0.966  101.91  0.920  1.083  1.175 

cc‐pVTZ  0.742  1.089  1.010  108.39  0.959  103.58  0.917  1.067  1.160 ‐1d  …  …  …  0.01  0.001  0.12  0.001  0.001  … 

cc‐pVQZ  0.742  1.088  1.009  108.56  0.958  104.12  0.916  1.067  1.156 ‐1f  …  …  …  0.01  …  0.06  0.001  …  … ‐1f 2d  –0.001  …  …  0.03  …  0.14  …  …  … ‐1f 2d 1d  –0.001  …  …  0.04  …  0.19  0.001  …  … 

cc‐pV5Z  0.741  1.088  1.009  108.66  0.958  104.37  0.917  1.067  1.156 ‐1g  …  …  …  …  …  …  …  …  … ‐1g 2f  …  …  …  …  …  …  …  …  … ‐1g2f 1f  …  …  …  0.01  …  0.02  …  …  … ‐1g2f 1f 3d  …  …  …  0.01  …  0.06  …  …  … ‐1g2f 1f 3d 2d  –0.001  …  …  0.02  …  0.10  …  …  … ‐1g2f 1f 3d 2d 1d  …  …  …  0.02  …  0.12  …  …  … 

Expt.a  0.741  1.091 1.012  106.67  0.958b  104.44  0.917  1.066c 1.153c

a) From Ref. 201 unless otherwise noted b) From Ref. 202 c) From Ref. 203 

Page 68: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

53 

 

Table 4.3.  Bond  lengths and angles of  the neutral molecules  computed with  the  full  correlation  consistent basis sets.  The errors resulting from the use of the truncated basis sets are also shown.  These are reported relative to the bond lengths and angles obtained using the full correlation consistent basis sets, and are in angstroms and degrees, respectively. “…” means that no change was observed relative to the full basis set. 

GeH4 AsH  AsH2   AsH3

 Basis Set  r(Ge‐H)  a(H‐Ge‐H)  r(As‐H)  r(As‐H)  a(H‐As‐H)    r(As‐H)  a(H‐As‐H) cc‐pVDZ  1.543  109.47  1.542  1.534  91.09  1.529  92.58 

cc‐pVTZ  1.542  109.47  1.535  1.529  91.18  1.524  92.58 ‐1d  0.002  …  0.003  0.003  –0.02  0.003  –0.04 

cc‐pVQZ  1.541  109.47  1.533  1.528  91.16  1.523  92.56 ‐1f  …  …  0.001  …  …  0.001  … ‐1f 1d  –0.001  …  …  …  0.08  …  0.06 ‐1f 1d 2d  0.001  …  0.002  0.001  0.08  0.002  0.04 

cc‐pV5Z  1.541  109.47  1.533  1.528  91.15  1.523  92.58 ‐1g  …  …  0.001  …  0.00  0.001  –0.03 ‐1g 2f  …  …  0.001  …  0.03  0.000  –0.01 ‐1g 2f 1f  …  …  0.001  …  0.02  0.001  –0.02 ‐1g 2f 1f 3d  …  …  0.001  …  0.06  …  0.01 ‐1g 2f 1f 3d 2d  …  …  0.001  –0.001  0.09  …  0.05 ‐1g 2f 1f 3d 2d 1d  …  …  0.001  …  0.09  0.001  0.04 

Expt.a  1.514b …  1.535  1.518c  90.7c   1.511c 92.1c

(table is continued on next page) 

Page 69: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

54 

 

(Table 4.3 continued)   SeH  SeH2 HBr  HOBr 

 Basis Set  r(Se‐H)  r(Se‐H)  a(H‐Se‐H)  r(H‐Br)  r(H‐O)   r(O‐Br)  a(H‐O‐Br) cc‐pVDZ  1.478  1.473  91.34  1.426  0.974 1.888  100.82 

cc‐pVTZ  1.473  1.468  91.26  1.420  0.965 1.840  102.27 ‐1d  0.003  0.003  …  0.003  0.001 …  0.17 

cc‐pVQZ  1.472  1.468  91.27  1.421  0.964 1.833  102.93 ‐1f  0.001  0.001  0.01  0.001  … …  0.04 ‐1f 1d  0.001  …  0.11  …  … …  0.16 ‐1f 1d 2d  0.002  0.002  0.11  0.002  … …  0.19 

cc‐pV5Z  1.472  1.468  91.28  1.421  0.964 1.830  103.18 ‐1g  0.001  …  …  …  … …  0.01 ‐1g 2f  …  …  0.03  …  … …  0.05 ‐1g 2f 1f  0.001  0.001  0.03  0.001  … …  0.06 ‐1g 2f 1f 3d  0.001  …  0.05  0.001  … …  0.06 ‐1g 2f 1f 3d 2d  …  …  0.09  …  … ‐0.001  0.10 ‐1g 2f 1f 3d 2d 1d  0.001  0.001  0.09  0.001  … ‐0.001  0.11 

Expt.a  1.475 1.46c 90.6c 1.414  0.961 1.834  102.3d

a) From Ref. 171 unless otherwise noted b) From Ref. 172 c) From Ref. 173 d) From Ref. 175

Page 70: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

55 

 

Table 4.4.  Bond  lengths and angles of the cations computed with the  full correlation consistent basis sets.   The errors resulting from the use of the truncated basis sets are also shown.  These are reported relative to the bond lengths and angles obtained using the full correlation consistent basis sets, and are in angstroms and degrees, respectively.  “…” means that no change was observed relative to the full basis set. 

AsH+  AsH2+  SeH+  SeH2

+  HBr+  HOBr+  Basis Set  r(As‐H)  r(As‐H)  a(H‐As‐H)  r(Se‐H)  r(Se‐H)  a(H‐Se‐H)  r(H‐Br)  r(H‐O)  r(O‐Br)  a(H‐O‐Br) 

cc‐pVDZ  1.538  1.532  91.87  1.496  1.488  92.05  1.457  0.993  1.770  107.60 

cc‐pVTZ  1.534  1.529  91.83  1.491  1.485  91.82  1.452  0.984  1.729  108.47 

‐1d  0.003  0.002  –0.04  0.003  0.002  –0.04  0.004  0.001  …  0.19 

cc‐pVQZ  1.533  1.528  91.77  1.490  1.484  91.80  1.453  0.983  1.724  108.97 ‐1f  0.001  0.001  …  0.002  0.001  0.01  0.001  …  …  0.04 

‐1f 1d  …  0.001  …  0.001  …  0.08  0.001  …  …  0.14 

‐1f 1d 2d  0.002  0.001  …  0.003  0.002  0.08  0.003  …  …  0.19 

cc‐pV5Z  1.533  1.528  91.76  1.491  1.484  91.81  1.453  0.983  1.721  109.09 ‐1g  0.001  …  …  …  …  0.00  0.001  …  …  0.01 

‐1g 2f  …  …  0.02  …  …  0.02  0.001  …  …  0.04 

‐1g 2f 1f  0.001  …  0.02  …  0.001  0.02  0.001  …  …  0.05 

‐1g 2f 1f 3d  0.001  …  0.04  …  0.001  0.03  0.001  …  …  0.06 

‐1g 2f 1f 3d 2d  0.001  …  0.08  …  …  0.07  0.001  …  …  0.10 

‐1g 2f 1f 3d 2d 1d  0.001  0.001  0.08  0.001  0.001  0.07  0.002  …  …  0.11 

Page 71: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

56 

 

4.3.2.  Atomization Energies 

Table  4.5  shows  the  reduction  in  atomization  energy  per  hydrogen  atom  arising  from 

truncation  of  the  hydrogen  basis  set  as  compared with  the  atomization  energy  determined 

using  the  full,  standard  correlation consistent basis  set. At  the quintuple‐ζ  level,  the average 

reduction  for  the  removal of  the 1g  and outermost  f  (2f) basis  functions was 0.06  and 0.10 

kcal/mol  per  hydrogen,  respectively.  The  truncation  of  the  cc‐pVTZ  basis  set  resulted  in  a 

lowering of energy per hydrogen  that  ranged  from 0.41  to 1.62 kcal/mol  for  the H2 and HBr 

molecules,  respectively, which demonstrates  that  the 1d  function  in  the  raw  computation of 

atomization  energies with  the  cc‐pVTZ basis  set  is  very  important  and  should not  simply be 

removed from the hydrogen basis set. Overall, the energy contributions of the higher angular 

momentum functions to the atomization energy grew at a consistent rate with respect to the 

increase in electronegativity of the neighboring non‐hydrogen atom. For example, the lowering 

in the atomization energy per hydrogen due to the removal of the d function from the cc‐pVTZ 

basis  set was  found  to  be  0.84,  1.08,  1.22,  and  1.38  kcal/mol  for  CH4,  NH3,  H2O,  and  HF, 

respectively.    This  observed  trend was  attributed  to  the  increasing  need  for  higher  angular 

momentum functions to describe the highly polar character of molecules such as HF, as noted 

in work done by Martin and Taylor.204 

Page 72: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

57 

 

Table 4.5.  The  lowering of the calculated atomization energy per hydrogen atom resulting from the truncation of the correlation consistent basis sets.  Energy reductions are reported in kcal/mol. 

Basis Set  H2  CH4  NH3  H2O  HF  HCN  GeH4 AsH  AsH2 AsH3 SeH SeH2 HBr Avg.

cc‐pVTZ               

‐1d  0.41  0.84 1.08 1.22  1.38 0.82  1.01 1.16  1.17 1.17 1.40 1.41 1.62 1.13

cc‐pVQZ             

           

 

‐1f  0.07  0.21 0.27 0.34  0.37 0.18  0.20 0.25  0.25 0.25 0.33 0.33 0.41 0.27

‐1f 2d  0.19  0.18 0.26 0.29  0.34 0.15  0.35 0.44  0.43 0.41 0.43 0.42 0.45 0.33

‐1f 2d 1d  0.34  0.38 0.46 0.54  0.60 0.31  0.34 0.38  0.38 0.38 0.43 0.43 0.49 0.42

cc‐pV5Z   

‐1g  0.02  0.06 0.07 0.09  0.11 0.05  0.04 0.05  0.05 0.05 0.07 0.07 0.08 0.06

‐1g 2f  0.03  0.06 0.08 0.10  0.12 0.05  0.09 0.12  0.12 0.12 0.14 0.14 0.16 0.10

‐1g2f 1f  0.06  0.09 0.11 0.13  0.14 0.08  0.08 0.09  0.09 0.09 0.11 0.11 0.12 0.10

‐1g2f 1f 3d  0.06  0.05 0.07 0.09  0.09 0.03  0.07 0.10  0.10 0.09 0.10 0.09 0.10 0.08

‐1g2f 1f 3d 2d  0.24  0.11 0.13 0.14  0.15 0.07  0.24 0.27  0.27 0.26 0.27 0.27 0.27 0.21

‐1g2f 1f 3d 2d 1d  0.23  0.17 0.19 0.21  0.23 0.13  0.17 0.18  0.18 0.18 0.20 0.20 0.21 0.19

Page 73: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

58 

 

In Table 4.6, atomization energies are shown  for each of  the  first‐row  (B‐Ne) and  third‐

row (Ga‐Kr) containing molecules as determined with both the full and truncated basis sets. For 

the cc‐pV5Z basis set, both the expensive 1g and outermost 2f basis functions can be removed 

without  significant  loss  in accuracy.   Specifically,  the mean absolute deviation  (MAD)  for  the 

truncated cc‐pV5Z basis set in which the 1g and 2f functions were removed was less than 0.32 

kcal/mol,  as  compared  to  the  full  cc‐pV5Z  atomization  energies.  On  the  other  hand,  the 

removal of the 1d function from the cc‐pVTZ basis set resulted in much more substantial errors 

as compared  to  the atomization energies computed using  the  full cc‐pVTZ basis set, with  the 

deviation from the full basis set ranging in size from –0.82 kcal/mol to –4.04 kcal/mol for HCN 

and  GeH4,  respectively.    The  results  in  Table  4.6  for  the  cc‐pVTZ  basis  set  reiterate  the 

significant effect that basis set truncation has upon the raw atomization energies. It should be 

stressed,  however,  that  the  goal  for  this  study was  to  reduce  the  computational  cost with 

minimal impact upon the computed properties. Obviously, many of truncated basis sets utilized 

in  Table  4.6  are  not  suitable  to  achieve  chemical  accuracy,  and  therefore,  are  not 

recommended  for  single‐calculation predictions of molecular properties,  such as atomization 

energies. However, Section 4.3.3 focuses upon CBS extrapolations utilizing the truncated basis 

sets to determine whether a suitable approach can be defined. 

  

Page 74: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

59 

 

Table 4.6.  Atomization energies calculated with  full cc‐pVnZ basis sets. The errors resulting  from the use of the truncated basis sets are also shown.  These are reported relative to the energies obtained using the full cc‐pVnZ basis sets, and are in kcal/mol. 

Basis Set  H2  CH4  NH3 H2O HF HCN GeH4  AsH  AsH2 AsH3  SeH SeH2  HBr  MAD

cc‐pVDZ  97.30  367.30  244.93 195.32 120.35 274.29 255.31  55.99  118.29 186.88  67.47 138.82  79.36 

cc‐pVTZ  102.07  384.85  266.04 211.53 130.94 292.20 267.44  60.92  127.26 198.88  71.90 146.74  83.72 

‐1d  –0.93  –3.36  –3.24 –2.44 –1.38 –0.82 –4.04  –1.16  –2.33 –3.50  –1.40 –2.82  –1.62  2.23

cc‐pVQZ  102.82  388.90  272.02 216.36 133.95 298.51 271.26  62.61  130.34 203.02  73.65 149.9  85.45 

‐1f  –0.15  –0.85  –0.82 –0.69 –0.37 –0.18 –0.78  –0.25  –0.50 –0.75  –0.33 –0.66  –0.41  0.52‐1f 2d  –0.52  –1.56  –1.59 –1.26 –0.71 –0.33 –2.17  –0.69  –1.36 –1.98  –0.76 –1.51  –0.86  1.18‐1f 2d 1d  –1.20  –3.10  –2.95 –2.33 –1.31 –0.64 –3.54  –1.07  –2.12 –3.12  –1.19 –2.38  –1.35  2.02

cc‐pV5Z  103.02  390.01  274.05 218.00 134.94 300.49 272.09  63.08  131.20 204.15  74.12 150.73  85.91 

‐1g  –0.04  –0.24  –0.22 –0.18 –0.11 –0.02 –0.17  –0.05  –0.10 –0.15  –0.07 –0.13  –0.08  0.12‐1g 2f  –0.10  –0.46  –0.45 –0.39 –0.22 –0.11 –0.54  –0.18  –0.35 –0.51  –0.21 –0.42  –0.24  0.32‐1g2f 1f  –0.22  –0.83  –0.78 –0.64 –0.36 –0.18 –0.86  –0.27  –0.53 –0.78  –0.32 –0.63  –0.37  0.52‐1g2f 1f 3d  –0.34  –1.03  –1.00 –0.82 –0.46 –0.22 –1.12  –0.37  –0.72 –1.05  –0.42 –0.82  –0.47  0.68‐1g2f 1f 3d 2d  –0.81  –1.47  –1.39 –1.11 –0.60 –0.29 –2.06  –0.64  –1.26 –1.84  –0.68 –1.36  –0.74  1.10

‐1g2f 1f 3d 2d 1d  –1.28  –2.17  –1.96 –1.53 –0.84 –0.43 –2.74  –0.82  –1.62 –2.38  –0.88 –1.75  –0.95  1.49

Expt.a  103.28b  392.50  276.70 219.35  135.20 301.80 270.50c  64.60d  131.10d 206.00d  74.30e 153.20e 86.50f 

a) From Ref. 201 unless otherwise noted b) From Ref. 171 c) From Refs. 179 and 178 d) From Ref. 180 e) From Ref. 181 f) From Ref. 182

Page 75: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

60 

 

4.3.3.  Complete Basis Set (CBS) Limits  

An  important aspect  in the study of basis set truncation was to preserve the systematic 

and  convergent  behavior  of  the  correlation  consistent  basis  sets,  which  was  assessed  by 

obtaining CBS limits for the atomization energies utilizing both the full and truncated basis sets. 

Table 4.7 shows CBS  limits computed with the full correlation consistent basis sets using Eqn. 

4.1 and Eqn. 4.2 as well as the error that arises upon utilizing a series of truncated basis set.  

The  notations  to  denote  the  four‐point  extrapolations  are  described  by  cc(full)  for  the 

extrapolation of the full basis set series, and by cc(f,–x,–y,–z) [where f refers to the full cc‐pVDZ 

basis set, while –x, –y, and –z refer to the number of functions removed from the cc‐pVTZ, cc‐

pVQZ,  and  cc‐pV5Z  basis  sets,  respectively].  For  example,  the  cc(f,–1,–2,–3)  extrapolation 

scheme utilizes the cc‐pVDZ, cc‐pVTZ(–1d), cc‐pVQZ (–1f 2d), and cc‐pV5Z(–1d 2f 1f ) truncated 

basis sets, while the cc(f,–1,–2,–4) extrapolation scheme utilizes the cc‐pVDZ, cc‐pVTZ(–1d), cc‐

pVQZ(–1f 2d), and cc‐pV5Z (–1g 2f 1f 3d) truncated basis sets. 

It  should  be  noted  that,  although,  many  of  the  extrapolation  schemes  that  utilize 

properties computed with various  truncated basis sets  in  the determination of  the CBS  limits 

resulted in mean absolute deviation (MAD) within 1 kcal/mol of the cc(full) CBS limits. However, 

when  choosing  a  truncation  scheme,  the  convergent  behavior  of  the  basis  sets  series  is  as 

important as the overall accuracy of the extrapolation because if the basis set series loose this 

convergent  behavior,  there  can  be  no  conclusions  drawn  upon  the  accuracy  of  the 

extrapolation. Based on both the accuracy, which was compared to the cc(full) CBS limits, and 

the convergent behavior of the truncated basis set series, four truncated basis set series were 

Page 76: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

61 

 

determined  to  be  useful,  which  are  cc(f,–1,–1,–3),  cc(f,–1,–1,–4),  cc(f,–1,–2,–3),  and  

cc(f,–1,–2,–4).   

As shown  in Table 4.7, when the Feller extrapolation formula (Eqn. 4.1) was utilized, the 

CBS  limits  computed with  the  cc(f,–1,–1,–3),  cc(f,–1,–1,–4),  cc(f,–1,–2,–3),  and  cc(f,–1,–2,–4) 

extrapolations resulted  in errors as compared to cc(full) of  less than 1 kcal/mol with the only 

exception  being  –1.05  kcal/mol,  which  was  observed  for  GeH4  when  the  cc(f,–1,–2,–4) 

extrapolation was  used. Overall,  the  Feller  extrapolation  resulted  in  a MAD  as  compared  to 

cc(full)  of  0.31,  0.30,  0.41,  and  0.41  kcal/mol  for  the  cc(f,–1,–1,–3),  cc(f,–1,–1,–4),  

cc(f,–1,–2,–3), and cc(f,–1,–2,–4) truncated basis set series, respectively. 

The mixed Gaussian/Exponential  extrapolation  formula  (Eqn.  3.1) was  found  to  be  less 

sensitive to basis set truncation as compared to the Feller extrapolation formula (Eqn. 4.1). This 

was  seen by  comparing  the  largest error  computed with  the Feller extrapolation, which was  

–1.05 kcal/mol,  to  the  largest error  computed with  the mixed extrapolation, which was only  

–0.63 kcal/mol observed  for GeH4 when  the  cc(f,–1,–2,–4)  scheme was utilized. The MAD as 

compared  the  cc(full) was  found  to be only 0.07, 0.08, 0.23, and 0.34  for  the  cc(f,–1,–1,–3), 

cc(f,–1,–1,–4),  cc(f,–1,–2,–3), and  cc(f,–1,–2,–4)  truncated basis  set  series,  respectively, when 

Eqn. 3.1 was utilized to compute the CBS limits. 

Page 77: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

62 

 

Table 4.7.  CBS  limits  determined  using  atomization  energies  obtained  from  a  series  of  four  calculations,  and  the  error obtained upon utilizing the truncated basis set series [cc(full) – cc(f,–x,–y,–z)]. See text for description of the notation. The CBS limits are reported in kcal/mol. 

Basis Set Series  H2  HF  NH3 H2O CH4 HCN GeH4 AsH  AsH2 AsH3 SeH SeH HBr MAD

Feller Extrapolations 

cc(full)  103.02  135.28  274.72 218.62 390.26 301.66 272.08 63.04  131.17 204.15 74.19 150.89 86.06

cc(f,–0,–1,–1)  –0.10  –0.27  –0.56 –0.46 –0.59 –0.09 –0.49 –0.15  –0.31 –0.47 –0.21 –0.41 –0.27 0.34

cc(f,–0,–1,–2)  –0.14  –0.39  –0.80 –0.68 ‐0.77 –0.18 –0.73 –0.23  –0.47 –0.71 –0.31 –0.61 –0.38 0.49

cc(f,–0,–1,–3)  –0.23  –0.52  –1.11 –0.93 –1.08 –0.27 –0.94 –0.29  –0.59 –0.89 –0.38 –0.77 –0.48 0.65

cc(f,–0,–1,–4)  –0.30  –0.61  –1.32 –1.10 –1.23 –0.32 –1.10 –0.35  –0.71 –1.07 –0.45 –0.90 –0.48 0.76

cc(f,–0,–1,–5)  –0.58  –0.74  –1.67 –1.37 –1.57 –0.40 –1.69 –0.52  –1.06 –1.58 –0.63 –1.27 –0.75 1.06

cc(f,–0,–1,–6)  –0.82  –0.95  –2.17 –1.75 –2.06 –0.54 –2.10 –0.63  –1.29 –1.93 –0.76 –1.54 –0.91 1.34

cc(f,–0,–2,–1)  –0.29  –0.41  –0.89 –0.70 –0.92 –0.14 –1.19 –0.37  –0.74 –1.08 –0.42 –0.83 –0.48 0.65

cc(f,–0,–2,–2)  –0.33  –0.53  –1.13 –0.92 –1.11 –0.24 –1.43 –0.45  –0.90 –1.32 –0.52 –1.03 –0.60 0.81

cc(f,–0,–2,–3)  –0.42  –0.67  –1.45 –1.18 –1.41 –0.33 –1.63 –0.51  –1.01 –1.50 –0.59 –1.18 –0.69 0.97

cc(f,–0,–2,–4)  –0.49  –0.76  –1.66 –1.35 –1.57 –0.37 –1.80 –0.57  –1.14 –1.67 –0.66 –1.31 –0.77 1.09

cc(f,–0,–2,–5)  –0.77  –0.89  –2.02 –1.63 –1.91 ‐0.45 –2.38 –0.74  –1.48 –2.18 –0.84 –1.68 –0.97 1.38

(table is continued on next page) 

Page 78: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

63 

 

(Table 4.7 continued) 

Basis Set Series  H2  HF  NH3 H2O CH4 HCN GeH4 AsH  AsH2 AsH3 SeH SeH HBr MAD

cc(f,–0,–2,–6)  –0.97  –1.10  –2.52 –2.01 –2.40 ‐0.60 –2.79 –0.85  –1.71 –2.53 –0.98 –1.95 –1.12 1.66

cc(f,–0,–3,–1)  –0.65  –0.66  –1.47 –1.14 –1.66 ‐0.26 –1.87 –0.56  –1.12 –1.65 –0.63 –1.25 –0.72 1.05

cc(f,–0,–3,–2)  –0.70  –0.79  –1.72 –1.37 –1.85 ‐0.35 –2.11 –0.64  –1.28 –1.89 –0.73 –1.45 –0.84 1.21

cc(f,–0,–3,–3)  –0.78  –0.93  –2.05 –1.63 –2.16 ‐0.44 –2.32 –0.70  –1.40 –2.07 –0.80 –1.60 –0.93 1.37

cc(f,–0,–3,–4)  –0.85  –1.02  –2.26 –1.82 –2.33 ‐0.49 –2.48 –0.76  –1.52 –2.25 –0.87 –1.74 –1.01 1.49

cc(f,–0,–3,–5)  –1.05  –1.16  –2.64 –2.10 –2.67 ‐0.57 –3.07 –0.93  –1.86 –2.76 –1.05 –2.11 –1.20 1.78

cc(f,–0,–3,–6)  –1.20  –1.37  –3.15 –2.50 –3.17 ‐0.72 –3.48 –1.04  –2.09 –3.10 –1.19 –2.38 –1.36 2.06

cc(f,–1,–1,–1)  0.29  0.67  1.79 1.42 1.39 0.51 0.32 0.02  0.12 0.28 0.08 0.27 0.17 0.56

cc(f,–1,–1,–2)  0.22  0.50  1.44 1.10 1.09 0.41 0.04 –0.06  –0.05 0.02 –0.02 0.05 0.04 0.39

cc(f,–1,–1,–3)  0.09  0.32  0.98 0.74 0.61 0.31 –0.19 –0.12  –0.18 –0.18 –0.10 –0.11 –0.05 0.31

cc(f,–1,–1,–4)  –0.04  0.20  0.68 0.49 0.36 0.26 –0.38 –0.19  –0.31 –0.38 –0.17 –0.25 –0.13 0.30

cc(f,–1,–1,–5)  –0.46  0.02  0.17 0.09 –0.16 0.17 –1.06 –0.37  –0.68 –0.95 –0.36 –0.66 –0.34 0.42

cc(f,–1,–1,–6)  –0.79  –0.26  –0.54 –0.45 –0.92 0.01 –1.53 –0.48  –0.93 –1.34 –0.50 –0.95 –0.50 0.71

cc(f,–1,–2,–1)  0.15  0.58  1.62 1.30 1.21 0.47 –0.34 –0.20  –0.29 0.28 –0.13 –0.13 –0.04 0.52

(table is continued on next page) 

Page 79: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

64 

 

(Table 4.7 continued) 

Basis Set Series  H2  HF  NH3 H2O CH4 HCN GeH4 AsH  AsH2 AsH3 SeH SeH HBr MAD

cc(f,–1,–2,–2)  0.08  0.41  1.25 0.97 0.89 0.36 –0.62 –0.28  –0.47 0.02 –0.23 –0.35 –0.17 0.47

cc(f,–1,–2,–3)  –0.06  0.22  0.78 0.59 0.39 0.26 –0.86 –0.34  –0.59 –0.18 –0.31 –0.51 –0.26 0.41

cc(f,–1,–2,–4)  –0.19  0.10  0.47 0.33 0.13 0.21 –1.05 –0.41  –0.73 –0.38 –0.38 –0.66 –0.35 0.41

cc(f,–1,–2,–5)  –0.62  –0.10  –0.06 –0.07 –0.41 0.12 –1.73 –0.58  –1.10 –0.95 –0.57 –1.06 –0.55 0.61

cc(f,–1,–2,–6)  –0.97  –0.38  –0.80 –0.63 –1.19 –0.04 –2.20 –0.70  –1.35 –1.34 –0.71 –1.35 –0.71 0.95

cc(f,–1,–3,–1)  –0.06  0.43  1.36 1.13 0.86 0.37 –1.00 –0.39  –0.67 –0.86 –0.34 –0.54 –0.28 0.64

cc(f,–1,–3,–2)  –0.15  0.25  0.96 0.77 0.51 0.27 –1.28 –0.47  –0.84 –1.12 –0.44 –0.76 –0.40 0.63

cc(f,–1,–3,–3)  –0.31  0.05  0.45 0.36 –0.05 0.16 –1.52 –0.53  –0.97 –1.33 –0.52 –0.93 –0.50 0.59

cc(f,–1,–3,–4)  –0.46  –0.08  0.12 0.08 –0.33 0.11 –1.71 –0.59  –1.10 –1.52 –0.59 –1.07 –0.58 0.64

cc(f,–1,–3,–5)  –0.93  –0.28  –0.45 –0.36 –0.93 0.02 –2.39 –0.77  –1.47 –2.10 –0.78 –1.47 –0.78 0.98

cc(f,–1,–3,–6)  –1.28  –0.58  –1.23 –0.96 –1.77 –0.14 –2.86 –0.89  –1.72 –2.49 –0.92 –1.77 –0.95 1.35

Mixed Gaussian/Exponential Extrapolation 

cc(full)  103.15  390.83  275.28 219.01 135.56 301.88 273.01 63.98  132.43 205.63 74.54 151.50 86.32

cc(f,–0,–1,–1)  –0.11  –0.61  –0.58 –0.48 –0.27 –0.10 –0.52 –0.16  –0.33 –0.49 –0.22 –0.43 –0.27 0.35

(table is continued on next page) 

Page 80: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

65 

 

(Table 4.7 continued) 

Basis Set Series  H2  HF  NH3 H2O CH4 HCN GeH4 AsH  AsH2 AsH3 SeH SeH HBr MAD

cc(f,–0,–1,–2)  –0.16  –0.79  –0.77 –0.66 –0.36 –0.18 –0.83 –0.26  –0.53 –0.79 –0.34 –0.67 –0.40 0.52

cc(f,–0,–1,–3)  –0.26  –1.10  –1.05 –0.87 –0.48 –0.24 –1.10 –0.34  –0.68 –1.02 –0.43 –0.85 –0.51 0.69

cc(f,–0,–1,–4)  –0.36  –1.27  –1.23 –1.02 –0.56 –0.27 –1.32 –0.42  –0.84 –1.24 –0.51 –1.01 –0.59 0.82

cc(f,–0,–1,–5)  –0.75  –1.64  –1.56 –1.26 –0.68 –0.33 –2.11 –0.65  –1.29 –1.90 –0.74 –1.46 –0.82 1.17

cc(f,–0,–1,–6)  –1.14  –2.23  –2.04 –1.61 –0.88 –0.45 –2.67 –0.80  –1.60 –2.36 –0.90 –1.79 –0.82 1.48

cc(f,–0,–2,–1)  –0.28  –0.95  –0.95 –0.76 –0.43 –0.18 –1.19 –0.37  –0.74 ‐–1.08 –0.43 –0.84 –0.49 0.67

cc(f,–0,–2,–2)  –0.33  –1.14  –1.14 –0.93 –0.53 –0.25 –1.50 –0.47  –0.94 –1.37 –0.55 –1.08 –0.62 0.83

cc(f,–0,–2,–3)  –0.43  –1.45  –1.42 –1.14 –0.64 –0.31 –1.77 –0.55  –1.09 –1.60 –0.64 –1.26 –0.72 1.00

cc(f,–0,–2,–4)  –0.53  –1.61  –1.60 –1.29 –0.73 –0.34 –1.99 –0.63  –1.25 –1.83 –0.72 –1.42 –0.81 1.14

cc(f,–0,–2,–5)  –0.93  –1.98  –1.93 –1.54 ‐0.84 –0.40 –2.78 –0.86  –1.70 –2.49 –0.94 –1.87 –1.03 1.48

cc(f,–0,–2,–6)  –1.32  –2.57  –2.41 –1.89 ‐1.05 –0.52 –3.34 –1.01  –2.01 –2.95 –1.11 –2.20 –1.21 1.81

cc(f,–0,–3,–1)  –0.61  –1.69  –1.60 –1.27 ‐0.72 –0.32 –1.84 –0.55  –1.10 –1.63 –0.63 –1.26 –0.72 1.07

cc(f,–0,–3,–2)  –0.66  –1.88  –1.80 –1.45 –0.81 –0.40 –2.16 –0.66  –1.31 –1.93 –0.75 –1.50 –0.85 1.24

cc(f,–0,–3,–3)  –0.76  –2.19  –2.07 –1.66 –0.93 –0.46 –2.43 –0.73  –1.46 –2.16 –0.84 –1.68 –0.96 1.41

cc(f,–0,–3,–4)  –0.86  –2.35  –2.26 –1.81 –1.02 –0.49 –2.64 –0.82  –1.62 –2.38 –0.92 –1.84 –1.04 1.54

cc(f,–0,–3,–5)  –1.26  –2.72  –2.58 –2.05 –1.13 –0.55 –3.43 –1.05  –2.07 –3.04 –1.15 –2.28 –1.27 1.89

(table is continued on next page) 

Page 81: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

66 

 

(Table 4.7 continued) 

Basis Set Series  H2  HF  NH3 H2O CH4 HCN GeH4 AsH  AsH2 AsH3 SeH SeH HBr MAD

cc(f,–0,–3,–6)  –1.65  –3.31  –3.06 –2.40 –1.33 –0.67 –4.00 –1.20  –2.38 –3.50 –1.32 –2.61 –1.45 2.22

cc(f,–1,–1,–1)  0.21  0.52  0.51 0.34 0.19 0.17 0.84 0.23  0.46 0.69 0.25 0.51 0.27 0.40

cc(f,–1,–1,–2)  0.16  0.33  0.31 0.16 0.10 0.10 0.52 0.13  0.25 0.39 0.13 0.27 0.14 0.23

cc(f,–1,–1,–3)  0.06  0.02  0.04 –0.05 –0.02 0.04 0.26 0.05  0.10 0.16 0.04 0.09 0.04 0.07

cc(f,–1,–1,–4)  –0.05  –0.15  –0.15 –0.20 –0.10 0.00 0.04 –0.03  –0.06 –0.06 –0.04 –0.07 –0.05 0.08

cc(f,–1,–1,–5)  –0.44  –0.51  –0.47 –0.44 –0.22 –0.05 –0.75 –0.26  –0.51 –0.73 –0.27 –0.51 –0.27 0.42

cc(f,–1,–1,–6)  –0.83  –1.10  –0.95 –0.80 –0.42 –0.17 –1.32 –0.41  –0.82 –1.18 –0.43 –0.84 –0.45 0.75

cc(f,–1,–2,–1)  0.03  0.18  0.14 0.06 0.03 0.10 0.17 0.02  0.05 0.69 0.04 0.10 0.06 0.13

cc(f,–1,–2,–2)  –0.02  –0.01  –0.06 –0.11 –0.06 0.02 –0.15 –0.09  –0.16 0.39 –0.08 –0.13 –0.08 0.10

cc(f,–1,–2,–3)  –0.12  –0.32  –0.33 –0.32 –0.18 –0.03 –0.41 –0.16  –0.31 0.16 –0.17 –0.31 –0.18 0.23

cc(f,–1,–2,–4)  –0.22  –0.49  –0.52 –0.47 –0.26 –0.07 –0.63 –0.25  –0.47 –0.06 –0.25 –0.47 –0.27 0.34

cc(f,–1,–2,–5)  –0.62  –0.86  –0.84 –0.72 –0.38 –0.13 –1.42 –0.47  –0.92 –0.73 –0.47 –0.92 –0.49 0.69

cc(f,–1,–2,–6)  –1.01  –1.44  –1.32 –1.07 –0.58 –0.24 –1.99 –0.63  –1.23 –1.18 –0.64 –1.25 –0.67 1.02

cc(f,–1,–3,–1)  –0.30  –0.57  –0.52 –0.45 –0.26 –0.05 –0.49 –0.16  –0.32 –0.46 –0.16 –0.31 –0.18 0.33

cc(f,–1,–3,–2)  –0.35  –0.75  –0.71 –0.63 –0.35 –0.13 –0.80 –0.27  –0.53 –0.75 –0.28 –0.55 –0.31 0.49

cc(f,–1,–3,–3)  –0.45  –1.06  –0.99 –0.84 –0.47 –0.18 –1.07 –0.34  –0.68 –0.98 –0.37 –0.73 –0.41 0.66

(table is continued on next page) 

Page 82: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

67 

 

(Table 4.7 continued) 

Basis Set Series  H2  HF  NH3 H2O CH4 HCN GeH4 AsH  AsH2 AsH3 SeH SeH HBr MAD

cc(f,–1,–3,–4)  –0.55  –1.23  –1.17 –0.99 –0.55 –0.22 –1.29 –0.43  –0.84 –1.20 –0.46 –0.89 –0.50 0.79

cc(f,–1,–3,–5)  –0.94  –1.60  –1.50 –1.23 –0.67 –0.28 –2.08 –0.66  –1.29 –1.87 –0.68 –1.34 –0.73 1.14

cc(f,–1,–3,–6)  –1.34  –2.18  –1.97 –1.58 –0.87 –0.39 –2.64 –0.81  –1.59 –2.32 –0.85 –1.67 –0.90 1.47

Expt.  103.28a  392.50b  276.70b 219.35b 135.20b 301.80b 270.50c  64.60d  131.10d  206.00d  74.30e  153.20e  86.50f 

a) From Ref. 171 b) From Ref. 201 c) From Refs. 179 and 178 d) From Ref. 180 e) From Ref. 181 f) From Ref. 182 

Page 83: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

Figure 4.1.  Complete  basis  set  limit  extrapolations  of atomization energy for H2 using both the full and truncated cc‐pVnZ  basis  sets.    The  curves  show  the  CBS  fits,  and  the horizontal lines represent the atomization energy arising from each of the subsequent basis truncations as shown in the text boxes.  Energies are reported in kcal/mol. 

2 3 4 5 6

97

98

99

100

101

102

103

cc (full) cc (f,-1,-2,-3) cc (f,-1,-2,-4)

full-1g-1g 2f-1g 2f 1f-1g 2f 1f 3d-1g 2f 1f 3d 2d-1g 2f 1f 3d 2d 1d

full-1f-1f 2d-1f 2d 1d

full -1d

AE

(kca

l/mol

)

cc-pVnZ

 

 

Figure  4.1  shows  the  curves  for  the  extrapolation  of  the  full  series  of  the  correlation 

consistent  basis  sets  and  for  the  cc(f,–1,–2,–3)  and  cc(f,–1,–2,–4)  for  H2  when  the  Feller 

extrapolation  formula was utilized. The  cc(f,–1,–1,–3) and  cc(f,–1,–1,–4)  schemes had  similar 

curves. As shown, the curves resulting from the truncated basis sets converge more slowly than 

that  of  the  full  basis  sets.  However,  the  CBS  limits  computed  with  the  cc(f,–1,–2,–3)  and  

cc(f,–1,–2,–4) truncated basis set series were still within 0.06 and 0.19 kcal/mol from the CBS 

limit determined  for  the  full  series.  Figure 4.2  (a–e) provides  similar plots  for  the  remaining 

first‐row (B‐Ne) containing molecules CH4, NH3, H2O, HF, and HCN. For HCN, there is very little 

68 

 

Page 84: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

fluctuation between  the  curves  for  the  full basis  set  series,  and  the  two  truncated basis  set 

series. The  largest difference  in CBS  limits  for  the cc(f,–1,–2,–3) and cc(f,–1,–2,–4) scheme as 

compared with the extrapolation of the full basis set series was observed for the cc(f,–1,–2,–3) 

scheme for H2O, which differs by 0.59 kcal/mol.  The behavior for third‐row (Ga‐Kr) containing 

molecules were similar to the first‐row molecules presented in Figure 4.2. Extrapolation curves 

determined with the mixed Gaussian/exponential formula were found to be similar to the Feller 

extrapolation formula. 

Figure 4.2.  Complete basis set limit extrapolation for the atomization energies (AE) of (a) CH4; (b) NH3; (c) H2O; (d) HF; (e) HCN using both the full and truncated cc‐pVnZ basis sets.  The curve shows the CBS extrapolation utilizing the formula proposed by Feller (Eqn. 4.1). The horizontal  lines  represent  the AE arising  from using each of  the basis  sets  that were discussed in Section 4.2.  AE are reported in kcal/mol. 

2 3 4 5 6365

370

375

380

385

390

a) CH4

cc (full) cc (f,-1,-2,-3) cc (f,-1,-2,-4)

AE (k

cal/m

ol)

cc-pVnZ

 

2 3 4 5 6

245

250

255

260

265

270

275

b) NH3

cc (full) cc (f,-1,-2,-3) cc (f,-1,-2,-4)

AE

(kca

l/mol

)

cc-pVnZ

 

69 

 

Page 85: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

2 3 4 5 6

195

200

205

210

215

220c) H2O

AE (k

cal/m

ol)

cc-pVnZ

cc (full) cc (f,-1,-2,-3) cc (f,-1,-2,-4)

 

2 3 4 5 6

120

122

124

126

128

130

132

134

136d) HF

AE

(kca

l/mol

)

cc-pVnZ

cc (full) cc (f,-1,-2,-3) cc (f,-1,-2,-4)

  

2 3 4 5 6270

275

280

285

290

295

300

e) HCN

AE (k

cal/m

ol)

cc-pVnZ

cc (full) cc (f,-1,-2,-3) cc (f,-1,-2,-4)

 

70 

 

Page 86: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

71 

 

4.3.4.  Ionization Energies 

Ionization  energies  are provided  in  Table  4.8. As  shown  in  the  table,  truncation of  the 

basis sets had very little impact upon the ionization energies. [Note, chemical accuracy for IE is 

0.043 eV] For example, removal of the 1g function from the quintuple‐ζ level had no effect on 

the ionization energy, and removal of the 1f function from the quadruple and quintuple‐ζ levels 

showed no more than a 0.002 eV deviation from the energies obtained using the full basis sets. 

The  largest deviations  from  the  full  sets was  observed  for  SeH2, with  differences  of  –0.010,  

–0.014, and –0.011 eV  for  the double‐,  triple‐, and quadruple‐ζ basis  set  levels,  respectively, 

observed after all of the higher angular momentum functions were removed. The largest MAD, 

as compared to the full basis sets, was 0.008 eV and was noted at the quadruple‐ζ  level after 

removal of all of the higher angular momentum functions. Overall, basis set truncation did not 

affect the computed ionization energies. 

Page 87: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

72 

 

Table 4.8.  Ionization energies computed using the full correlation consistent basis sets, and the errors arising from the use of  the  truncated  basis  sets.    The  errors  resulting  from  the  use  of  the  truncated  basis  sets  are  reported  relative  to  the ionization energies obtained using the full correlation consistent basis sets.  “…” represents no change with respect to the full basis set.  Ionization energies are given in eV. 

Basis Set  AsH → AsH+  AsH2 → AsH2+  SeH → SeH+  SeH2 → SeH2

+  HBr → HBr+  HOBr → HOBr+ 

cc‐pVDZ  9.351  9.137  9.318  9.415  11.158  10.287 

cc‐pVTZ  9.524  9.320  9.688  9.736  11.424  10.475 ‐1d  ‐          

         ‐          

  ‐          

  ‐            ‐          

                      

           

0.001 ‐0.002 ‐0.005 ‐0.010 ‐0.008 ‐0.007 

cc‐pVQZ  9.567  9.370  9.815  9.846  11.563  10.631 ‐1f  …  … ‐0.001 ‐0.002 ‐0.002 ‐0.002 ‐1f 2d 0.003 ‐0.006 ‐0.006 ‐0.010 ‐0.007 ‐0.005 ‐1f 2d 1d 0.004 ‐0.007 ‐0.008 ‐0.014 ‐0.010 ‐0.007 

cc‐pV5Z  9.581  9.385  9.855  9.881  11.607  10.685 ‐1g  …  …  …  …  …  … ‐1g 2f 0.001 ‐0.001 ‐0.001 ‐0.002 ‐0.002 ‐0.001 ‐1g 2f 1f 0.001 ‐0.001 ‐0.002 ‐0.003 ‐0.002 ‐0.002 ‐1g 2f 1f 3d ‐0.002 ‐0.004 ‐0.003 ‐0.006 ‐0.004 ‐0.003 ‐1g 2f 1f 3d 2d ‐0.004 ‐0.007 ‐0.005 ‐0.009 ‐0.006 ‐0.005 ‐1g 2f 1f 3d 2d 1d ‐0.004 ‐0.008 ‐0.006 ‐0.011 ‐0.007 ‐0.006   

Expt.  9.641a  9.443a  9.845b 9.886b  11.660c 10.638d

a) From Ref. 180 b) From Ref. 181 c) From Ref. 205 d) From Ref. 187 

Page 88: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

73 

 

4.3.5.  CBS Limits for Ionization Energies 

CBS limits computed for the ionization energies (IE) and the MAD for the truncated basis 

set extrapolations as compared to the CBS  limit determined using the  full basis set series are 

provided in Table 4.9. Although any combination of truncated basis sets seems to be useful, the 

focus  here  will  be  on  the  four  combinations  that  were  chosen  in  Section  4.4.3  [i.e.  

cc(f,–1,–1,–3), cc(f,–1,–1,–4), cc(f,–1,–2,–3), and cc(f,–1,–2,–4)],. 

When  using  the  Feller  exponential  formula,  the MAD  computed  for  the  cc(f,–1,–1,–3), 

cc(f,–1,–1,–4), cc(f,–1,–2,–3), and cc(f,–1,–2,–4) CBS limits were 0.002, 0.001, 0.001, and 0.002 

eV,  respectively.  The maximum  deviation  as  compared  to  the  full  CBS  limit was  –0.004  eV 

computed for both AsH2 and SeH2 using the cc(–1,–2,–4) truncated basis set series. When the 

mixed exponential/Gaussian  formula was used  the MAD was determined  to be 0.000, 0.002, 

0.002, and 0.005 eV for the cc(f,–1,–1,–3), cc(f,–1,–1,–4), cc(f,–1,–2,–3), and cc(f,–1,–2,–4) CBS 

limits, respectively. The largest error compared to the full CBS  limit was –0.007 eV, which was 

found  for SeH2 when using  the  cc(f,–1,–2,–4)  truncated basis  set  series. Overall, utilizing  the 

cc(f,–1,–1,–3), cc(f,–1,–1,–4), cc(f,–1,–2,–3), and cc(f,–1,–2,–4)    truncated basis  set  series had 

small effects on the ionization energy CBS limits. 

 

Page 89: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

74 

 

Table 4.9.  CBS  limits  for  the  ionization energies  reported  in eV  for  the  full correlation consistent basis set series, and  the error, as compared  to cc(full), resulting  from  utilizing  the  truncated  basis  set  series.  Both  the  Feller exponential  and  the mixed  exponential/Gaussian  extrapolations  are  shown.  The mean absolute deviation (MAD) is also provided. 

Basis Set Series  AsH  AsH2  SeH SeH2  HBr HOBr  MAD

Feller Extrapolation 

cc(full)  9.580  9.385 9.857 9.885 11.618 10.714 

cc(f,–0,–1,–1)  0.000  –0.001 0.000 –0.001 –0.001 0.028  0.005

cc(f,–0,–1,–2)  –0.001  –0.002 –0.001 –0.003 –0.003 0.027  0.006

cc(f,–0,–1,–3)  –0.001  –0.002 –0.002 –0.004 –0.003 0.026  0.006

cc(f,–0,–1,–4)  –0.002  –0.004 –0.003 –0.006 –0.001 0.025  0.007

cc(f,–0,–1,–5)  –0.003  –0.006 –0.005 –0.009 –0.007 0.024  0.009

cc(f,–0,–1,–6)  –0.003  –0.007 –0.006 –0.011 –0.008 0.023  0.009

cc(f,–0,–2,–1)  –0.002  –0.004 –0.003 –0.005 –0.004 0.027  0.007

cc(f,–0,–2,–2)  –0.002  –0.005 –0.004 –0.007 –0.005 0.026  0.008

cc(f,–0,–2,–3)  –0.002  –0.005 –0.004 –0.008 –0.006 0.025  0.008

cc(f,–0,–2,–4)  –0.003  –0.007 –0.005 –0.010 –0.007 0.024  0.010

cc(f,–0,–2,–5)  –0.004  –0.009 –0.007 –0.013 –0.009 0.022  0.011

cc(f,–0,–2,–6)  –0.005  –0.010 –0.008 –0.015 –0.010 0.021  0.011

cc(f,–0,–3,–1)  –0.002  –0.004 –0.003 –0.007 –0.005 0.026  0.008

cc(f,–0,–3,–2)  –0.002  –0.005 –0.004 –0.008 –0.006 0.025  0.009

cc(f,–0,–3,–3)  –0.002  –0.005 –0.005 –0.009 –0.007 0.024  0.009

cc(f,–0,–3,–4)  –0.003  –0.007 –0.006 –0.012 –0.008 0.023  0.010

(table is continued on next page)

Page 90: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

75 

 

(Table 4.9 continued) 

Basis Set Series  AsH  AsH2  SeH SeH2  HBr HOBr  MAD

cc(f,–0,–3,–5)  –0.004  –0.009 –0.008 –0.015 –0.010 0.022  0.011

cc(f,–0,–3,–6)  –0.005  –0.010 –0.009 –0.016 –0.012 0.020  0.012

cc(f,–1,–1,–1)  0.001  0.001 0.003 0.005 0.004 0.033  0.008

cc(f,–1,–1,–2)  0.000  0.000 0.002 0.003 0.003 0.032  0.007

cc(f,–1,–1,–3)  0.000  0.000 0.002 0.003 0.002 0.031  0.006

cc(f,–1,–1,–4)  –0.001  –0.002 0.000 0.000 0.000 0.030  0.006

cc(f,–1,–1,–5)  –0.002  –0.004 –0.001 –0.003 –0.002 0.028  0.007

cc(f,–1,–1,–6)  –0.002  –0.005 –0.002 –0.005 –0.003 0.027  0.007

cc(f,–1,–2,–1)  –0.001  –0.002 0.001 0.002 0.002 0.032  0.006

cc(f,–1,–2,–2)  –0.001  –0.003 0.000 0.000 0.000 0.030  0.006

cc(f,–1,–2,–3)  –0.001  –0.003 0.000 –0.001 0.000 0.030  0.006

cc(f,–1,–2,–4)  –0.002  –0.005 –0.002 –0.004 –0.002 0.028  0.007

cc(f,–1,–2,–5)  –0.003  –0.007 –0.003 –0.007 –0.004 0.027  0.009

cc(f,–1,–2,–6)  –0.004  –0.008 –0.004 –0.009 –0.005 0.026  0.009

cc(f,–1,–3,–1)  –0.001  –0.002 0.000 0.000 0.000 0.031  0.006

cc(f,–1,–3,–2)  –0.001  –0.003 –0.001 –0.002 –0.001 0.030  0.006

cc(f,–1,–3,–3)  –0.001  –0.003 –0.001 –0.003 –0.002 0.029  0.007

cc(f,–1,–3,–4)  –0.002  –0.006 –0.003 –0.005 –0.003 0.028  0.008

cc(f,–1,–3,–5)  –0.003  –0.008 –0.004 –0.008 –0.005 0.026  0.009

cc(f,–1,–3,–6)  ‐0.004  –0.008 –0.005 –0.010 –0.007 0.025  0.010

(table is continued on next page)

Page 91: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

76 

 

(Table 4.9 continued) 

Basis Set Series  AsH  AsH2  SeH SeH2  HBr HOBr  MAD

Mixed exponential/Gaussian Extrapolation 

cc(full)  9.590  9.396 9.883 9.905 11.640 10.723 

cc(f,–0,–1,–1)  0.000  0.000 –0.001 –0.001 –0.002 0.028  0.005

cc(f,–0,–1,–2)  –0.001  –0.001 –0.002 –0.003 –0.003 0.027  0.006

cc(f,–0,–1,–3)  –0.001  –0.001 –0.002  –0.003 –0.003 0.027  0.006

cc(f,–0,–1,–4)  –0.002  –0.004 –0.003 –0.006 –0.005 0.026  0.008

cc(f,–0,–1,–5)  –0.003  –0.006 –0.005 –0.009 –0.006 0.024  0.009

cc(f,–0,–1,–6)  –0.003  –0.007 –0.006 –0.010 0.000 0.024  0.008

cc(f,–0,–2,–1)  –0.002  –0.003 –0.003 –0.005 –0.004 0.026  0.007

cc(f,–0,–2,–2)  –0.002  –0.004 –0.004 –0.007 –0.005 0.026  0.008

cc(f,–0,–2,–3)  –0.002  –0.004 –0.004 –0.007 –0.006 0.025  0.008

cc(f,–0,–2,–4)  –0.004  –0.007 –0.006 –0.010 –0.007 0.024  0.010

cc(f,–0,–2,–5)  –0.005  –0.009 –0.007 –0.013 –0.009 0.023  0.011

cc(f,–0,–2,–6)  –0.005  –0.010 –0.008 –0.014 –0.010 0.022  0.011

cc(f,–0,–3,–1)  –0.002  –0.004 –0.004 –0.007 –0.006 0.025  0.008

cc(f,–0,–3,–2)  –0.002  –0.005 –0.005 –0.008 –0.007 0.024  0.009

cc(f,–0,–3,–3)  –0.002  –0.005 –0.005 –0.009 –0.007 0.024  0.009

cc(f,–0,–3,–4)  –0.004  –0.007 –0.007 –0.012 –0.009 0.023  0.010

cc(f,–0,–3,–5)  –0.005  –0.009 –0.008 –0.014 –0.010 0.022  0.011

cc(f,–0,–3,–6)  –0.005  –0.010 –0.009 –0.016 –0.011 0.021  0.012

(table is continued on next page)

Page 92: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

77 

 

(Table 4.9 continued) 

Basis Set Series  AsH  AsH2  SeH SeH2  HBr HOBr  MAD

cc(f,–1,–1,–1)  0.000  0.000 0.001 0.002 0.001 0.030  0.006

cc(f,–1,–1,–2)  0.000  –0.001 0.000 0.000 0.000 0.029  0.005

cc(f,–1,–1,–3)  0.000  –0.001 0.000 0.000 –0.001 0.029  0.005

cc(f,–1,–1,–4)  –0.002  –0.003 –0.002 –0.003 –0.002 0.028  0.007

cc(f,–1,–1,–5)  –0.003  –0.006 –0.003 –0.006 –0.004 0.027  0.008

cc(f,–1,–1,–6)  –0.003  –0.006 –0.004 –0.007 –0.005 0.026  0.008

cc(f,–1,–2,–1)  –0.001  –0.003 –0.001 –0.002 –0.001 0.029  0.006

cc(f,–1,–2,–2)  –0.002  –0.004 0.001 –0.004 –0.003 0.028  0.007

cc(f,–1,–2,–3)  –0.002  –0.004 0.000 –0.004 –0.003 0.027  0.007

cc(f,–1,–2,–4)  –0.003  –0.006 0.004 –0.007 –0.004 0.026  0.009

cc(f,–1,–2,–5)  –0.004  –0.009 –0.005 –0.010 –0.006 0.025  0.010

cc(f,–1,–2,–6)  –0.005  –0.009 –0.006 –0.011 –0.007 0.024  0.010

cc(f,–1,–3,–1)  –0.001  –0.003 –0.002 –0.003 –0.003 0.028  0.007

cc(f,–1,–3,–2)  –0.002  –0.004 –0.003 –0.005 –0.004 0.027  0.008

cc(f,–1,–3,–3)  –0.002  –0.004 –0.003 –0.006 –0.005 0.026  0.008

cc(f,–1,–3,–4)  –0.003  –0.007 –0.005 –0.008 –0.006 0.025  0.009

cc(f,–1,–3,–5)  –0.005  –0.009 –0.006 –0.011 –0.008 0.024  0.010

cc(f,–1,–3,–6)  –0.005  –0.009 –0.007 –0.012 –0.009 0.023  0.011

 

Page 93: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

78 

 

4.3.6.  Percent CPU Time Savings 

The use of the truncated basis sets resulted in a substantial decrease in the percentage of 

time  required  for each calculation, as shown  in Table 4.10  for  the  first‐row  (B‐Ne) containing 

molecules. For all six of the first‐row molecules, there was an average decrease of 43% in time 

required relative to the full basis set calculations when the d function was removed from the cc‐

pVTZ basis set. Similarly, the removal of the f function from the cc‐pVQZ basis set resulted in an 

average CPU time savings of 40%, while the elimination of the g function from the cc‐pV5Z basis 

set resulted in a 31% decrease in CPU time as compared to the full basis set computations. This 

decrease  in  time was  even more  substantial  as  additional  functions were  stripped  from  the 

quadruple‐  and  quintuple‐ζ  level  basis  sets. When  the  higher  angular momentum  functions 

were removed entirely, there was an average of 70% and 83% cost savings achieved for the cc‐

pVQZ and cc‐pV5Z basis sets, respectively. The average CPU time saved was less significant for 

the third‐row (Ga‐Kr) containing molecules, as reported in Table 4.11. However, there were still 

significant  time  savings observed. When all of  the higher angular momentum  functions were 

removed, basis set truncation resulted in a CPU time savings of 26.6%, 55.7%, and 71.3% for the 

cc‐pVTZ, cc‐pVQZ, and cc‐pV5Z, respectively, for the third‐row molecules.  

Unfortunately, basis set truncation had a  large effect on raw atomization energies when 

all  of  the  higher  angular  momentum  functions  were  removed.  However,  a  systematic 

convergence  for  a number of  truncated basis  sets  to  the CBS  limit proved  to  give  energetic 

properties  that were comparable  to  the CBS  limit obtained using  the  full basis sets. The  four 

combinations of truncated basis sets that were chosen  in the previous sections all had the 1d 

Page 94: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

79 

 

function removed from the triple‐ζ  level, which provided an average CPU time savings of 42.9 

and  26.6%  for  the  first‐  and  third‐row  molecules,  respectively.  Two  of  the  combinations,  

cc(f,–1,–1,–3) and cc(f,–1,–1,–4) had the 1f function removed from the quadruple‐ζ level, which 

also resulted in a savings of 40.0 and 26.6% for the first‐ and third‐row molecules, respectively. 

The  other  two  combinations,  cc(f,–1,–2,–3)  and  cc(f,–1,–2,–4),  had  the  1f  and  2d  function 

removed from the quadruple‐ζ  level basis set, resulting  in a savings of 57.8 and 43.7% for the 

first‐  and  third‐row  molecules,  respectively.  Truncating  the  quintuple‐ζ  level  provided  the 

highest time savings of 64.9 and 52.2% for the removal of the 1g and both f functions [−1g2f1f] 

for the  first‐ and third‐row molecules, respectively.   Removal of the 1g, both  f  functions, and 

outermost d functions [−1g2f1f3d] resulted  in average time savings of 73.3 and 60.0% for the 

first‐  and  third‐row  molecules,  respectively.  Overall,  the  cc(f,−1,−1,−3),cc(f,−1,−1,−4), 

cc(f,−1,−2,−3) and cc(f,−1,−2,−4) provided the best combination of accuracy and time savings as 

compared with the use of the cc(full) extrapolation. 

Page 95: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

Table 4.10.  Percent CPU  time saved  for  the reduced basis set as compared with the  full basis set computation. 

Basis Set  H2  CH4  NH3  H2O  HF  HCN  Average 

                    cc‐pVTZ                      ‐1d  33.3  67.4  57.6  50.7  28.4  20.2  42.9 

cc‐pVQZ                      ‐1f  56.1  51.0  46.6  40.1  27.1  18.8  40.0 ‐1f 1d  71.4  75.9  66.8  59.6  44.7  28.6  57.8 ‐1f 1d 2d  81.2  87.9  82.1  73.6  58.1  38.3  70.2 

cc‐pV5Z                      ‐1g  46.6  25.5  38.8  32.9  23.4  18.0  30.9 ‐1g 2f  75.0  55.4  62.0  56.5  41.3  28.2  53.1 ‐1g 2f 1f  85.4  72.0  75.1  68.7  52.4  36.0  64.9 ‐1g 2f 1f 3d  93.1  82.4  82.4  77.3  62.9  41.6  73.3 ‐1g 2f 1f 3d 2d  96.0  89.0  87.9  83.2  69.6  47.6  78.9 ‐1g 2f 1f 3d 2d 1d  97.5  93.0  91.8  87.2  74.3  50.9  82.5 

 

80 

 

Page 96: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

81 

 

Table 4.11.  Percent CPU time saved for the reduced basis set computations as compared to the full basis set computation. The CPU savings includes the time saved for the overall computations, including Hartree‐Fock and CCSD(T). 

Basis Set  AsH  AsH+  AsH2  AsH2+  AsH3  GeH4  HBr  HBr+  SeH  SeH+  SeH2  SeH2

+  HOBr  HOBr+  Avg. 

                                               

cc‐pVTZ                                              

                                              

                                              

‐1d  5.7  23.8  41.4  30.2  49.7  60.1  17.5 9.4  22.4  17.1  27.7  24.2  22.3  21.0  26.6 

                                            

cc‐pVQZ

‐1f  23.0  20.3  37.1  27.0  41.0  44.1  16.8 22.4  22.1  22.0  32.7  32.7  18.1  13.6  26.6 

‐1f2d  35.1  31.4  55.5  55.2  61.0  67.3  39.0 33.8  46.0  29.0  55.2  52.4  25.9  24.4  43.7 

‐1f2d1d  43.4  45.7  68.2  63.3  77.3  81.9  45.9 48.4  53.0  47.1  65.3  62.1  37.9  35.9  55.4 

                                            

cc‐pV5Z

‐1g  18.8  17.7  27.6  28.9  23.7  38.8  22.0 22.6  24.5  25.6  29.0  30.9  13.3  12.6  24.0 

‐1g2f  34.9  26.6  46.5  42.1  54.2  58.3  35.7 30.2  40.6  33.6  46.3  49.0  23.1  26.0  39.1 

‐1g2f1f  48.6  46.3  59.2  57.4  66.9  73.8  46.5 40.9  52.3  52.2  58.9  63.1  31.5  33.3  52.2 

‐1g2f1f3d  56.2  54.0  70.4  66.2  76.2  82.1  53.8 54.3  55.2  58.7  69.8  69.4  37.0  37.2  60.0 

‐1g2f1f3d2d  64.5  60.5  74.3  74.0  82.5  87.5  61.0 60.7  64.6  65.9  75.6  78.2  44.6  42.1  66.9 

‐1g2f1f3d2d1d  68.8  66.2  80.6  79.7  87.3  91.4  66.3 65.3  67.7  68.2  80.2  82.0  47.8  46.8  71.3 

All calculations were run on a single Pentium IV, 3 GHz processor. 

Page 97: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

82 

 

4.4.  Results and Discussion – 2‐ and 3‐Point Extrapolation Schemes 

4.4.1.  Hydrogen Correction: Three‐Point CBS Extrapolations 

The initial series of molecules that were examined in this study include the hydrocarbons 

methane through decane. These molecules were chosen due to their systematic increase in the 

number of hydrogen atoms as the size of the molecules  increases, which was useful to gauge 

the  impact  that  hydrogen  basis  set  truncation  had  upon  molecular  properties.  Table  4.12 

reports the atomization energies that were determined with the full cc‐pVnZ basis sets [where 

n = D, T, and Q], as well as the error upon truncation of the cc‐pVnZ basis sets for the hydrogen 

atom. As shown, removing all of the higher angular momentum functions from the cc‐pVTZ and 

cc‐pVQZ basis  sets  resulted  in errors  that were  greater  than 20  kcal/mol.    For  example,  the 

error in the atomization energy for decane was found to be –22.66 and –23.65 kcal/mol when 

all of  the higher angular momentum  functions were  removed  from  the cc‐pVTZ and cc‐pVQZ 

basis sets, respectively. This reiterates the findings from Section 4.3 which proved that removal 

of the higher angular momentum functions from the cc‐pVnZ basis sets for the hydrogen atom 

can have  large effects on  raw  atomization energies and  is not  recommended as a means  to 

determine  raw atomization energies. However,  it was  the goal here  to determine  if  the CBS 

limit  obtained  by  utilizing  the  full  cc‐pVnZ  basis  sets  could  be  reproduced with  a  series  of 

truncated hydrogen basis sets. 

Page 98: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

83 

 

Table 4.12.  Atomization  energies  for methane  through  decane  determined with MP2 combined with the full cc‐pVnZ basis sets.  The error upon truncation of the hydrogen basis set is also shown.  All values are in kcal/mol. 

cc‐pVDZ    cc‐pVTZ    cc‐pVQZ 

Molecule  full    full  ‐1d    full  ‐1f  ‐1f2d  ‐1f2d1d 

Methane  363.61    381.88  –3.80    386.38  –1.21  –2.15  –4.17 

Ethane  619.83    650.49  –5.97    658.61  –1.88  –3.30  –6.38 

Propane  882.37    925.51  –8.02    937.26  –2.53  –4.41  –8.52 

Butane  1142.04    1197.79  –10.13    1213.21  –3.18  –5.55  –10.69 

Pentane  1402.49    1470.80  –12.22    1489.88  –3.83  –6.68  –12.84 

Hexane  1667.45    1748.16  –14.28    1770.89  –4.48  –7.80  –15.00 

Heptane  1925.47    2018.72  –16.36    2045.12  –5.12  –8.92  –17.16 

Octane  2184.46    2290.41  –18.48    2320.47  –5.77  –10.07  –19.32 

Nonane  2445.03    2563.55  –20.57    2597.27  –6.42  –11.20  –21.48 

Decane  2705.71    2836.80  –22.66    2874.19  –7.07  –12.34  –23.65 

 

The  CBS  limits  determined  for  the  atomization  energies  of methane  through  decane 

utilizing Eqn. 4.2 are given in Table 4.13. The error in the truncated CBS limits as compared to 

the CBS  limits obtained by extrapolation of  the atomization energies computed with  the  full 

basis  sets  is also provided  in Table 4.13. Notations  to denote  the  three‐point extrapolations 

are described by cc(full) for the extrapolation of the full basis set series, and by cc(f,–x,–y) for 

the truncated basis set series, where f refers to the full cc‐pVDZ basis set, while –x and –y refer 

to the number of functions removed from the cc‐pVTZ and cc‐pVQZ basis sets, respectively. To 

illustrate, cc(f,–1,–2) indicates that the full cc‐pVDZ basis set was utilized, while the d function 

Page 99: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

84 

 

was removed from the cc‐pVTZ basis set, and the f and outermost d functions were removed 

from the cc‐pVQZ basis set. 

Table 4.13.  CBS  limits  for  the  atomization  energies  of methane through decane utilizing the three‐point extrapolation formula Eqn. 4.2, and the error relative to these  limits for the truncated basis set series. The mean MAD between the cc(full) and truncated basis set series  is also shown.   All values are  in kcal/mol. 

Molecule  cc(full) cc(f,–1,–1) cc(f,–1,–2) cc(f,–1,–3) 

Methane  388.78 0.67 ‐0.90 ‐4.30 

Ethane  663.04 1.09 ‐1.29 ‐6.45 

Propane  943.71 1.46 ‐1.69 ‐8.58 

Butane  1221.70 1.88 ‐2.10 ‐10.71 

Pentane  1500.41 2.28 ‐2.50 ‐12.84 

Hexane  1783.46 2.65 ‐2.91 ‐14.99 

Heptane  2059.73 3.05 ‐3.32 ‐17.12 

Octane  2337.12 3.48 ‐3.73 ‐19.25 

Nonane  2615.96 3.88 ‐4.14 ‐21.39 

Decane  2894.92 4.28 ‐4.56 ‐23.53 

MAD  2.47 2.71 13.92 

 

As shown  in Table 4.13,  the extrapolation of  the  truncated basis sets can  lead  to  large 

errors as compared to cc(full), with a MAD as large as 13.92 kcal/mol, which was observed for 

the cc(f,–1,–3) extrapolation.  These errors, fortunately, increase systematically as the number 

of hydrogen  atoms  in  the molecules  increase.  Table  4.14  shows  the  absolute deviation per 

hydrogen between  the  full and  truncated CBS  limits  for  the  three‐point extrapolation of  the 

Page 100: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

85 

 

atomization  energies  of methane  through  decane.    As  shown  in  Table  4.14,  the  absolute 

deviation per hydrogen is relatively constant for a given truncated basis set series, which was 

found to be 0.19, 0.21, and 1.07 kcal/mol for the cc(f,–1,–1), cc(f,–1,–2), and cc(f,–1,–3) series, 

respectively. Since this basis set error  is highly systematic for each truncated basis set series, 

the basis set error observed upon  truncation of  the hydrogen basis set can be reduced by a 

correction  that depends on both  the choice of  truncated basis set series and  the number of 

hydrogen atoms  that are present  in  the molecule. The empirical hydrogen corrections were 

derived  from the error between the cc(full) and truncated basis set series as shown  in Table 

4.3.  From  these  plots,  the  correction  per  hydrogen was  found  to  be  –0.20,  0.20,  and  1.07 

kcal/mol for the cc(f,–1,–1), cc(f,–1,–2), and cc(f,–1,–3) basis set series, respectively.   

Table 4.14.  Absolute  deviation  per  hydrogen  between  the atomization energy  (kcal/mol) CBS  limits determined with  the cc(full)  and  truncated  basis  set  series  for  the  hydrocarbon series methane through decane. 

# of Hydrogens  cc(f,–1,–1)  cc(f,–1,–2)  cc(f,–1,–3) 

4  0.17  0.22  1.07 

6  0.18  0.21  1.07 

8  0.18  0.21  1.07 

10  0.19  0.21  1.07 

12  0.19  0.21  1.07 

14  0.19  0.21  1.07 

16  0.19  0.21  1.07 

18  0.19  0.21  1.07 

20  0.19  0.21  1.07 

22  0.19  0.21  1.07 

Page 101: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

Figure 4.3.  Plots of the error between the CBS limits determined with the full and the (a)  cc(f,–1,–1),  (b)  cc(f,–1,–2),  and  (c)  cc(f,–1,–3)  basis  set  series  as  the  number  of hydrogen atoms increase in the hydrocarbon series methane through decane. 

 

 

y = -0.199x + 0.127R² = 0.999

‐4.5

‐4.0

‐3.5

‐3.0

‐2.5

‐2.0

‐1.5

‐1.0

‐0.5

0.0

0 10 20 30

Error a

s compared to cc (full)

# of Hydrogens

(a) cc(f,‐1,‐1)

y = 0.203x + 0.063R² = 0.999

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

0 10 20 3

Error a

s compared to cc (full)

# of Hydrogens

(b) cc(f,‐1,‐2)

0

y = 1.068x + 0.031R² = 1.000

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

0 10 20 3

Error a

s compared to cc (full)

# of Hydrogens

(c) cc(f,‐1,‐3)

0

86 

 

Page 102: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

87 

 

Table 4.15  lists  the CBS  limits determined with Eqn. 4.2 combined with  the atomization 

energies  computed  with  the  full  basis  set  series.  The  deviation  from  this  limit  when  the 

truncated basis set series were used to determine the CBS limit is also reported. The hydrogen 

correction  factor  is  included  in  the  values  reported  in Table 4.15  for  the  truncated basis  set 

series. Without  the hydrogen correction  for methane  through decane,  the MAD  is 2.47, 2.71 

and 13.92 kcal/mol for cc(f,–1,–1), cc(f,–1,–2), and cc(f,–1,–3), respectively, as shown  in Table 

4.13. However, as shown in Table 4.15, after the hydrogen correction is included, the MAD was 

reduced  to  0.13,  0.06,  and  0.03  kcal/mol  for  the  cc(f,–1,–1),  cc(f,–1,–2),  and  cc(f,–1,–3), 

respectively. This shows that the hydrogen corrections successfully reduce the error introduced 

by hydrogen basis  set  truncation  for  the cc(f,–1,–1), cc(f,–1,–2), and cc(f,–1,–3) extrapolation 

schemes. 

Table 4.15.  Atomization  energy  CBS  limits  (kcal/mol)  determined from MP2 energies found by using the full cc‐pVnZ [where n = D, T, and Q] basis set series [cc(full)] for the molecules methane though decane.  The error as compared to the cc(full) limit is shown for truncated basis set series limits when the hydrogen corrections is included. The MAD is also provided. 

Molecule  cc(full) cc(f,–1,–1)a cc(f,–1,–2)b cc(f,–1,–3)c 

Methane  388.78 –0.13  –0.08  –0.03 

Ethane  663.04 –0.11  –0.06  –0.04 

Propane  943.71 –0.14  –0.05  –0.04 

Butane  1221.7 –0.12  –0.06  –0.03 

Pentane  1500.41 –0.12  –0.05  –0.02 

Hexane  1783.46 –0.15  –0.06  –0.04 

Heptane  2059.73 –0.15  –0.06  –0.04 

(table is continued on next page) 

Page 103: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

88 

 

(Table 4.15 continued) 

Molecule  cc(full) cc(f,–1,–1)a cc(f,–1,–2)b cc(f,–1,–3)c 

Octane  2337.12 –0.12  –0.06  –0.02 

Nonane  2615.96 –0.12  –0.06  –0.03 

Decane  2894.92 –0.12  –0.07  –0.04 

MAD  0.13  0.06  0.03  

4.4.2.  Hydrogen Correction: Two‐Point CBS Extrapolations 

The two‐point extrapolations utilizing Eqn. 4.4 resulted in the same systematic increase in 

error  between  the  cc(full)  and  truncated  basis  set  extrapolations.  Empirical  hydrogen 

corrections were determined by plotting the error between the cc(full) and truncated CBS limits 

versus the number of hydrogen atoms that are in the molecules methane through decane, and 

these plots are provided  in Figure 4.4. To distinguish  from the extrapolations that use the cc‐

pVDZ  and  cc‐pVTZ  basis  sets  from  the  extrapolations  that  utilized  the  cc‐pVTZ  and  cc‐pVQZ 

basis sets, the two‐point schemes are denoted as cc(DZ,TZ) for the extrapolation of the full cc‐

pVDZ and cc‐pVTZ basis set results, and cc(TZ,QZ) for the extrapolation of the full cc‐pVTZ and 

cc‐pVQZ basis  set  results. The  truncated basis  set extrapolation are designated with a minus 

sign to denote which functions were removed [e.g., cc(TZ–1d,QZ–1f2d) defines an extrapolation 

of  the cc‐pVTZ and cc‐pVQZ  in which  the d  function was removed  from  the cc‐pVTZ basis set 

and the f and outermost d function were removed from the cc‐pVQZ basis set]. The empirical 

hydrogen  correction per hydrogen atom was determined  to be 1.49, 0.56, 0.98, 1.87, –0.20, 

0.22, and 1.11 kcal/mol  for  the cc(DZ,TZ–1d), cc(TZ,QZ–1f), cc(TZ,QZ–1f2d), cc(TZ,QZ–1f2d1d), 

Page 104: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

cc(TZ–1d,QZ–1f),  cc(TZ–1d,QZ–1f2d),  and  cc(TZ–1d,QZ–1f2d1d)  basis  set  extrapolations, 

respectively.  

Figure 4.4.  Plots of the error between the CBS limits determined with the full and the (a)  cc(DZ,TZ–1d),  (b)  cc(TZ,QZ–1f),  (c)  cc(TZ,QZ–1f2d),  (d)  cc(TZ,QZ–1f2d1d),  (e)  cc(TZ–1d,QZ–1f),  (f)  cc(TZ–1d,QZ–1f2d),  (g)  and  cc(TZ–1d,QZ–1f2d1d)  basis  set  series  as  the number of hydrogen atoms increase in the hydrocarbon series methane through decane. 

 

 

y = 1.485x - 0.490R² = 1.000

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

0 10 20 30

Error a

s compared to cc (full)

# of Hydrogens

(a) cc(DZ,TZ ‐1d)

y = 0.561x - 0.122R² = 1.000

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

0 10 20 3

Error a

s compared to cc (full)

# of Hydrogens

(b) cc(TZ,QZ ‐1f)

0

y = 0.977x - 0.188R² = 1.000

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

0 10 20 30

Error a

s compared to cc (full)

# of Hydrogens

(c) cc(TZ,QZ ‐1f 2d)

y = 1.869x - 0.221R² = 1.000

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

0 10 20 3

Erro

r as c

ompa

red

to c

c (f

ull)

# of Hydrogens

(d) cc(TZ,QZ ‐1f 2d 1d)

0

89 

 

Page 105: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

 

 

The CBS limits determined by the two‐point extrapolations utilizing Eqn. 4.4 are shown in 

Table 4.16. The  first observation  that  can be made  from Table 4.16  is  that  the extrapolated 

atomization  energies  can  deviate  substantially  between  the  cc(DZ,TZ)  and  cc(TZ,QZ),  with 

differences as  large as 9.49 kcal/mol which occured  for decane.  In earlier work by Halkier et 

al.,161 the authors cautioned that the use of the cc‐pVDZ basis set results  in a two‐point CBS‐

y = -0.201x + 0.129R² = 0.999

‐5.0

‐4.5

‐4.0

‐3.5

‐3.0

‐2.5

‐2.0

‐1.5

‐1.0

‐0.5

0.0

0 10 20 30

Error a

s compared to cc (full)

# of Hydrogens

(e) cc(TZ -1d,QZ -1f)

y = 0.214x + 0.064R² = 0.999

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0 10 20

Error a

s compared to cc (full)

# of Hydrogens

(f) cc(TZ ‐1d,QZ ‐1f 2d)

30

y = 1.106x + 0.030R² = 1.000

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0 10 20 3

Error a

s compared to cc (full)

# of Hydrogens

(g) cc(TZ ‐1d,QZ ‐1f 2d 1d)

0

90 

 

Page 106: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

91 

 

fitting procedure  could be problematic, as a  limit near  the  true CBS  limit may not be  found. 

However, a study by Truhlar noted that a two‐point extrapolation utilizing the cc‐pVDZ and cc‐

pVTZ  basis  set  results  provided  bond  energies  for  Ne,  HF,  and  H2O  that  were  closer  to 

experiment than using a single cc‐pV6Z computation, and at less than 1% of the cost. Therefore, 

the  utility  of  a  two‐point  extrapolation  which  included  the  cc‐pVDZ  and  cc‐pVTZ  results  is 

discussed  here  because  the  use  of  the  smaller  basis  sets  could  prove  to  be  useful  when 

calculations with the larger basis sets are not feasible. 

The next observation  from  Table  4.16  is  that  the deviations between  the  full basis  set 

extrapolations and the truncated basis set extrapolations is extremely large when the empirical 

hydrogen  correction  was  not  included,  with  MAD  as  large  as  32.20  kcal/mol  for  the  

cc(DZ,TZ–1d)  extrapolation  for  decane.  However,  when  the  correction  was  included  the 

deviation between the full basis set extrapolation and the truncated basis set extrapolation was 

reduced  to well below 0.50 kcal/mol, with  the  largest MAD being 0.49 kcal/mol observed  for 

the cc(DZ,TZ–1d) basis set extrapolation for decane. 

 

Page 107: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

92 

 

Table 4.16.  CBS  limits for the atomization energies found utilizing both a cc‐pVDZ‐cc‐pVTZ and a cc‐pVTZ‐cc‐pVQZ two‐point extrapolation utilizing Eqn. 4.4.  The error as compared to the full basis sets when the truncated hydrogen basis sets are used to extrapolate to the CBS limit is also provided.  The error is shown both with and without the empirical hydrogen correction.  All values are in kcal/mol. 

Molecule  CH4  C2H6 C3H8  C4H10  C5H12  C6H14  C7H16  C8H18  C9H20  C10H22  MAD 

cc(DZ,TZ)  389.57  663.40  943.67  1221.26  1499.57  1782.14  2057.99 2335.02  2613.45 2891.99  

cc(DZ,TZ‐1d)                 

                 

                 

                 

                 

             

             

w/ out correction  –5.39  –8.48  –11.40  –14.39  –17.36  –20.29  –23.25 –26.26  –29.23 –32.20 18.83 

w/ correctiona  0.55  0.43  0.49  0.47  0.47  0.52  0.53 0.49  0.49 0.49 0.49 

cc(TZ,QZ)  389.66  664.54  945.83  1224.46  1503.80  1787.48  2064.38 2342.40  2621.88 2901.48  

cc(TZ,QZ‐1f)

w/ out correction  –2.10  –3.26  –4.38  –5.50  –6.62  –7.74  –8.86 –9.98  –11.10 –12.22 7.18 

w/ correctionb  0.15  0.11  0.11  0.11  0.12  0.11  0.11 0.12  0.12 0.12 0.12 

cc(TZ,QZ‐1f2d)

w/ out correction  –3.71  –5.71  –7.63  –9.60  –11.55  –13.48  –15.44 –17.42  –19.38 –21.34 12.53 

w/ correctionc  0.20  0.16  0.20  0.18  0.19  0.21  0.21 0.19  0.18 0.17 0.19 

cc(TZ,QZ‐1f2d1d)

w/ out correction  –7.22  –11.03  –14.74  –18.48  –22.22  –25.94  –29.68 –33.42  –37.16 –40.91 24.08 

w/ correctiond  0.26  0.18  0.21  0.21  0.21  0.22  0.23 0.22  0.22 0.20 0.22 

 

(table continued on next page) 

Page 108: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

93 

 

                 (Table 4.16 continued) 

Molecule  CH4  C2H6 C3H8  C4H10  C5H12  C6H14  C7H16  C8H18  C9H20  C10H22  MAD 

cc(TZ‐1d,QZ‐1f)                 

w/ out correction  0.67  1.10  1.48  1.89  2.30  2.68  3.08 3.51  3.91 4.31 2.49 

w/ correctione  –0.14  –0.11  –0.14  –0.13  –0.13  –0.15  –0.16 –0.13  –0.13 –0.13 0.14 

cc(TZ‐1d,QZ‐1f2d)                 

           

w/ out correctionf  –0.94  –1.35  –1.78  –2.21  –2.63  –3.07  –3.50 –3.93  –4.37 –4.81 2.86 

w/ correction  –0.08  –0.06  –0.06  –0.06  –0.05  –0.06  –0.06 –0.06  –0.07 –0.08 0.06 

cc(TZ‐1d,QZ‐1f2d1d) 

– 

–8.89  

–11.09 w/ out correction  4.45  –6.68  –13.30  –15.52  –17.74 –19.94  –22.15 –24.38 14.41 w/ correctiong  –0.03  –0.04  –0.04  –0.03  –0.03  –0.04  –0.04 –0.03  –0.03 –0.04 0.03 

a) Correction per hydrogen for cc(DZ,TZ‐1d) is 1.49 kcal/mol. b) Correction per hydrogen for cc(TZ,QZ‐1f) is 0.56 kcal/mol.  c) Correction per hydrogen for cc(TZ,QZ‐1f 2d) is 0.98 kcal/mol. d) Correction per hydrogen for cc(TZ,QZ‐1f 2d 1d) is 1.87 kcal/mol. e) Correction per hydrogen for cc(TZ‐1d,QZ‐1f) is ‐0.20 kcal/mol. f) Correction per hydrogen for cc(TZ‐1d,QZ‐1f 2d) is 0.22 kcal/mol. g) Correction per hydrogen for cc(TZ‐1d,QZ‐1f 2d 1d) is 1.11 kcal/mol. 

  

Page 109: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

94 

 

4.4.3.  Impact of Method Choice on the Hydrogen Correction 

This section reports  the  impact  that modifying the choice of optimization and/or single‐

point  calculations  had  upon  the  hydrogen  correction  factor  for  atomization  energies.  In  the 

earlier  part  of  this  study,  the  MP2/cc‐pVnZ//B3LYP/6‐31G(d)  level  of  theory  was  utilized. 

However,  in this portion of the study, four different  levels of theory were examined  including 

(1)  MP2/cc‐pVnZ//MP2/6‐31G(d);  (2)  MP2/cc‐pVnZ//MP2/cc‐pVTZ;  (3)  MP2/cc‐

pVnZ//B3LYP/cc‐pVTZ; and (4) CCSD(T)/ccpVnZ//MP2/6‐31G(d) [where n = D(2), T(3), and Q(4)]. 

Although the hydrocarbon series methane through decane was originally used to compute the 

hydrogen correction, the larger heptane through decane molecules were omitted in this section 

due to the high computational cost that the CCSD(T) method would require. Also, it was found 

that  the  removal  of  these  larger  molecules  had  no  effect  on  the  hydrogen  corrections 

computed utilizing the MP2/cc‐pVnZ//B3LYP/6‐31G(d) level of theory. 

Table 4.17 shows the errors per hydrogen  for the three‐point CBS  limits computed with 

the truncated basis sets as compared to the CBS  limits determined with the full basis sets. As 

shown, the hydrogen correction is unaffected when the optimization method is changed. This is 

demonstrated from a basis set perspective by replacing the 6‐31G(d) basis set with the cc‐pVTZ 

basis  set, and  it  is also  shown  from a method perspective by  replacing B3LYP with MP2. No 

matter which method was used  in the optimization, the hydrogen correction was determined 

to be –0.20, 0.20, and 1.07 kcal/mol for the cc(f,–1,–1), cc(f,–1,–2), and cc(f,–1,–3), respectively. 

This  consistency,  however,  was  not  maintained  when  the  single‐point  computation  was 

changed  from  MP2  to  CCSD(T).  The  hydrogen  corrections  computed  for  the  CCSD(T)/cc‐

Page 110: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

95 

 

pVnZ//B3LYP/6‐31G(d) level of theory were determined to be –0.28, 0.04, and 0.69 kcal/mol for 

cc(f,–1,–1), cc(f,–1,–2), and cc(f,–1,–3), respectively. 

Table 4.17.  The  deviation  per  hydrogen  of  the  CBS  limit  for atomization energies for the truncated basis sets as compared to the CBS limit for the full basis sets computed with four different levels of theory.    The hydrogen  corrections  for each  level of  theory  are  also shown.  All values are in kcal/mol. 

MP2//MP2/6‐31G(d)  cc(f,–1,–1) cc(f,–1,–2) cc(f,–1,–3) 

Methane  0.17 –0.22 –1.07 Ethane  0.18 –0.21 –1.07 Propane  0.18 –0.21 –1.07 Butane  0.19 –0.21 –1.07 Pentane  0.19 –0.21 –1.07 Hexane  0.19 –0.21 –1.07 

Hydrogen Correction  0.20 –0.20 –1.07 

MP2//MP2/cc‐pVTZ  cc(f,–1,–1) cc(f,–1,–2) cc(f,–1,–3) 

Methane  0.17 –0.22 –1.08 Ethane  0.18 –0.21 –1.08 Propane  0.18 –0.21 –1.07 Butane  0.19 –0.21 –1.07 Pentane  0.19 –0.20 –1.07 Hexane  0.19 –0.20 –1.07 

Hydrogen Correction  0.20 –0.20 –1.07 

MP2//B3LYP/cc‐pVTZ  cc(f,–1,–1) cc(f,–1,–2) cc(f,–1,–3) 

Methane  0.17 –0.22 –1.08 Ethane  0.18 –0.21 –1.08 Propane  0.18 –0.21 –1.07 Butane  0.19 –0.21 –1.07 

(table is continued on next page) 

Page 111: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

96 

 

(Table 4.17 continued) 

MP2//B3LYP/cc‐pVTZ  cc(f,–1,–1) cc(f,–1,–2) cc(f,–1,–3) 

Pentane  0.19 –0.21 –1.07 Hexane  0.19 –0.20 –1.07 

Hydrogen Correction  0.20 –0.20 –1.07 

CCSD(T)//B3LYP/6‐31G(d)  cc(f,–1,–1) cc(f,–1,–2) cc(f,–1,–3) 

Methane  0.24 –0.06 –0.70 Ethane  0.26 –0.04 –0.69 Propane  0.26 –0.04 –0.69 Butane  0.27 –0.04 –0.69 Pentane  0.27 –0.04 –0.69 Hexane  0.27 –0.04 –0.69 

Hydrogen Correction  0.28 –0.04 –0.69 

 

4.4.4.  Application to the G3/99 Test Suite 

The G3/99 test suite consists of the G2/97 test suite as well as 75 additional molecules, 

including  hydrocarbons  as  large  as  naphthalene  (C10H8).    The  focus  of  this  section was  the 

application of the two‐ and three‐point schemes developed in the previous section towards the 

hydrogen‐containing molecules  taken  from  the molecules  that were added  to  the G2/97  test 

set  to  form  the G3/99  test  suite.   The CBS  limit  for  the atomization energies computed with 

cc(full)  as  well  as  the  error  resulting  from  the  utilization  of  cc(f,–1,–1),  cc(f,–1,–2),  and  

cc(f,–1,–3)  truncated  schemes  computed  utilizing  the  mixed  Gaussian/exponential 

extrapolation formula is included in Figure 4.19. As the molecules n‐pentane through n‐octane 

were studied in Sections 4.4.1 and 4.42, they are excluded from this section, which results in a 

test set of 56 molecules. Also, the CBS  limit  for the atomization energies computed cc(DZ‐TZ) 

Page 112: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

97 

 

and cc(TZ‐QZ) basis set schemes computed with Eqn. 4.4 are provided in Table 4.20 and Table 

4.21,  respectively.  The  errors  associated  in utilizing  the  truncated basis  set  in  the  two‐point 

extrapolations are also shown  in Table 4.20 and Table 4.21.   While  these  tables are useful  in 

studying basis set truncation, the discussion here focuses upon the MAD between the full and 

truncated basis set extrapolations. 

Table 4.18  shows  the MAD between  the  full and  truncated basis  sets, both before and 

after the hydrogen correction is included. As shown, before the hydrogen correction is included 

the MAD is large, with only the cc(f,–1,–1), cc(f,–1,–2) cc(TZ–1d, QZ–1f), and cc(TZ–1d, QZ–1f2d) 

basis set extrapolations being  less than 2 kcal/mol. The  largest MAD  is 14.89 kcal/mol, which 

was found for the cc(TZ,QZ–1f2d1d) extrapolation. The corrections that were developed in the 

previous section allow for the removal of these large errors, as indicated in Table 4.18. After the 

hydrogen correction is included in the atomization energy CBS limits, the MAD are all reduced 

to below 0.30 kcal/mol. Table 4.18 suggests that the hydrogen truncation schemes presented in 

this study work extremely well, with the  largest MADs as compared to the  full extrapolations 

being 0.29  kcal/mol, which was  found  for  the  cc(DZ,TZ–1d) extrapolation.  It  is  interesting  to 

note that the removal of all d functions and higher for the hydrogen basis set can be achieved 

with  less than a 0.20 kcal/mol deviation  in the CBS atomization energy as compared with that 

arising from the full hydrogen basis sets. For example, the MAD as compared to cc(full) for all of 

the molecules  tested  from  the G3/99  test  suite  is 0.15 kcal/mol  for both  the  cc(f,–1,–3) and 

cc(TZ–1d,QZ–1f2d1d) extrapolations. 

Page 113: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

98 

 

Table 4.18.  Mean  absolute  deviation  between  the  full  and truncated  basis  sets  for  the  two  and  three  point  extrapolations  for the atomization energies of the G3‐99 test suite.   The correction per hydrogen for each basis set extrapolation is also shown. All values are kcal/mol. 

Extrapolation Corrections 

per hydrogenMAD w/ out correction

MAD w/ correction 

cc(f,–1,–1)  –0.20  1.53  0.09 

cc(f,–1,–2)  0.20  1.69  0.11 

cc(f,–1,–3)  1.07  8.56  0.15 

cc(DZ,TZ–1d)  1.49  11.72  0.29 

cc(TZ,QZ–1f)  0.56  4.48  0.07 

cc(TZ,QZ–1f2d)  0.98  7.79  0.15 

cc(TZ,QZ–1f2d1d)  1.87  14.89  0.24 

cc(TZ–1d,QZ–1f)  –0.20  1.54  0.09 

cc(TZ–1d,QZ–1f2d)  0.22  1.78  0.14 

cc(TZ–1d,QZ–‐1f2d1d)  1.11  8.87  0.15 

Page 114: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

99 

 

Table 4.19.  Atomization energy CBS limits (kcal/mol) determined from MP2 energies found by using the full cc‐pV‐nZ [where n = D, T, and Q] basis set series [cc(full)].   The error compared to the cc(full) associated with utilizing the truncated  basis  set  series  extrapolations  both with  and without  the  hydrogen  corrections  is  also  shown.    The  f indicates that the full cc‐pVDZ basis set is used for the hydrogen atom, and the ‐1 or ‐2 indicates the number of basis functions removed from the cc‐pVTZ and cc‐pVQZ basis sets for hydrogen.   [i.e. cc(f,‐1,‐1)  indicates that the full cc‐pVDZ, cc‐pVTZ (‐1d ), and cc‐pVQZ (‐1f ) basis sets for the hydrogen atom were used] 

  cc(full) cc(f,‐1,‐1) cc(f,‐1‐,2) cc(f,‐1,‐3)

Molecule    w/ corr.w/out corr. w/out corr. w/ corr.  w/out corr. w/ corr.

1,3‐difluorobenzene  1378.71  0.78  –0.02  –0.73  0.07  –4.05  0.23 

1,4‐difluorobenzene  1378.15  0.77  –0.03  –0.74  0.06  –4.05  0.23 

pyrazine  1090.08  0.77  –0.03  –0.80  0.00  –4.21  0.07 

2,5‐dihydrothiophene  1047.83  1.17  –0.03  –1.32  –0.12  –6.45  –0.03 

2‐methyl thiophene  1229.97  1.11  –0.09  –1.26  –0.06  –6.33  0.09 

3‐methyl pentane  1781.60  2.64  –0.16  –2.95  –0.15  –14.99  –0.01 

acetic anhydride  1335.44  1.05  –0.15  –1.23  –0.03  –6.25  0.17 

aniline  1502.08  1.43  0.03  –1.45  –0.05  –7.47  0.02 

1,1‐dimethoxy ethane  1417.60  1.83  –0.17  –2.31  –0.31  –10.96  –0.26 

acetyl acetylene  950.27  0.74  –0.06  –0.73  0.07  –3.92  0.36 

crotonaldehyde  1088.39  1.11  –0.09  –1.23  –0.03  –6.31  0.11 

isobutene nitrile  1159.14  1.27  –0.13  –1.42  –0.02  –7.37  0.12 

isobutanal  1212.41  1.50  –0.10  –1.68  –0.08  –8.51  0.05 

        (table is continued on next page) 

Page 115: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

100 

 

         (Table 4.19 continued) 

  cc(full) cc(f,‐1,‐1) cc(f,‐1‐,2) cc(f,‐1,‐3)

Molecule    w/ corr.w/out corr. w/out corr. w/ corr.  w/out corr. w/ corr.

1,4‐dioxane  1301.92  1.53  –0.07  –1.79  –0.19  –8.72  –0.16 

1,2‐dicyano ethane  1088.95  0.73  –0.07  –0.73  0.07  –4.04  0.24 

chlorobenzene  1328.60  0.97  –0.03  –0.93  0.07  –5.13  0.22 

di‐isopropyl ether  1882.62  2.63  –0.17  –3.03  –0.23  –15.04  –0.06 

diethyl disulfide  1349.59  1.84  –0.16  –2.25  –0.25  –10.85  –0.15 

diethyl ether  1318.69  1.88  –0.12  –2.18  –0.18  –10.85  –0.15 

diethyl ketone  1497.87  1.85  –0.15  –2.09  –0.09  –10.62  0.08 

isopropyl acetate  1616.99  1.83  –0.17  –2.13  –0.13  –10.63  0.07 

methyl ethyl ketone  1218.72  1.46  –0.14  –1.68  –0.08  –8.47  0.09 

N‐methyl pyrrole  1321.28  1.31  –0.09  –1.46  –0.06  –7.40  0.09 

piperidine  1545.82  2.19  –0.01  –2.28  –0.08  –11.82  –0.05 

tetrahydropyran  1487.83  1.93  –0.07  –2.06  –0.06  –10.68  0.02 

tetrahydropyrrole  1262.52  1.82  0.02  –1.93  –0.13  –9.79  –0.16 

tetrahydrothiophene  1173.42  1.56  –0.04  –1.70  –0.10  –8.58  –0.02 

tetrahydrothiopyran  1454.48  1.93  –0.07  –2.11  –0.11  –10.70  0.00 

tetramethylsilane  1454.32  2.19  –0.21  –2.88  –0.48  –13.03  –0.19 

methyl acetate  1052.44  1.05  –0.15  –1.31  –0.11  –6.41  0.01 

        (table is continued on next page) 

Page 116: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

101 

 

           (Table 4.19 continued)   

  cc(full) cc(f,‐1,‐1) cc(f,‐1‐,2) cc(f,‐1,‐3)

Molecule    w/ corr.w/out corr. w/out corr. w/ corr.  w/out corr. w/ corr.

azulene  2095.71  1.55  –0.05  –1.53  0.07  –8.25  0.31 

benzoquinone  1413.89  0.75  –0.05  –0.70  0.10  –3.99  0.29 

cyclooctatetraene  1729.02  1.60  0.00  –1.53  0.07  –8.27  0.29 

cyclopentanone  1384.90  1.54  –0.06  –1.54  0.06  –8.31  0.25 

dimethyl sulfone  940.15  1.08  –0.12  –1.34  –0.14  –6.37  0.05 

divinyl ether  1064.62  1.12  –0.08  –1.22  –0.02  –6.27  0.15 

n‐butyl chloride  1213.34  1.69  –0.11  –1.91  –0.11  –9.67  –0.04 

naphthalene  2129.61  1.54  –0.06  –1.48  0.12  –8.21  0.35 

phenol  1444.97  1.18  –0.02  –1.28  –0.08  –6.49  –0.07 

pyrimidine  1093.47  0.76  –0.04  –0.80  0.00  –4.20  0.08 

t‐butyl chloride  1221.06  1.64  –0.16  –1.95  –0.15  –9.61  0.02 

t‐butanethiol  1289.76  1.92  –0.08  –2.40  –0.40  –11.11  –0.41 

t‐butanol  1334.44  1.88  –0.12  –2.31  –0.31  –11.03  –0.33 

t‐butyl methyl ether  1600.55  2.21  –0.19  –2.64  –0.24  –12.94  –0.10 

t‐butylamine  1388.49  2.12  –0.08  –2.52  –0.32  –12.10  –0.33 

tetrahydrofuran  1204.85  1.56  –0.04  –1.68  –0.08  –8.61  –0.05 

toluene  1618.35  1.52  –0.08  –1.57  0.03  –8.34  0.22 

        (table is continued on next page) 

Page 117: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

102 

 

           (Table 4.19 continued)   

  cc(full) cc(f,‐1,‐1) cc(f,‐1‐,2) cc(f,‐1,‐3)

Molecule    w/ corr.w/out corr. w/out corr. w/ corr.  w/out corr. w/ corr.

cyclopentane  1382.35  1.96  –0.04  –2.01  –0.01  –10.68  0.02 

cyclohexane  1659.66  2.35  –0.05  –2.37  0.03  –12.66  0.18 

isoprene  1252.15  1.48  –0.12  –1.65  –0.05  –8.42  0.14 

1,3‐cyclohexadiene  1422.18  1.57  –0.03  –1.55  0.05  –8.35  0.21 

1,4‐cyclohexadiene  1421.75  1.57  –0.03  –1.53  0.07  –8.32  0.24 

fluorobenzene  1356.07  0.97  –0.03  –0.92  0.08  –5.11  0.24 

methyl allene  957.30  1.10  –0.10  –1.19  0.01  –6.22  0.20 

neopentane  1506.77  2.19  –0.21  –2.56  –0.16  –12.83  0.01 

nitro‐s‐butane  1435.16  1.67  –0.13  –1.88  –0.08  –9.55  0.08 

Page 118: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

103 

 

Table 4.20.  CBS limits for the atomization energies found utilizing Eqn. 4.4 using the full cc‐pVDZ and cc‐VTZ.  The error as compared to the full basis sets when the truncated hydrogen basis sets are used to extrapolate to the CBS  limit  is also provided.   The error  is shown with and without the empirical hydrogen correction.   All values are in kcal/mol. 

  cc(DZ,TZ) cc(DZ,TZ‐1d)

Molecule  w/out corr. w/ corr. 

1,3‐difluorobenzene  1374.86 –5.90   0.05 

1,4‐difluorobenzene  1374.25 –5.89   0.05 

pyrazine  1082.94 –6.00  –0.05 

2,5‐dihydrothiophene  1044.30 –8.92   0.00 

2‐methyl thiophene  1224.83 –8.67   0.24 

3‐methyl pentane  1780.39 –20.20   0.61 

acetic anhydride  1330.04 –8.35   0.57 

aniline  1495.97 –10.68  –0.28 

1,1‐dimethoxy ethane  1416.17 –14.39   0.47 

acetyl acetylene  946.81 –5.45   0.49 

crotonaldehyde  1084.99 –8.66   0.26 

isobutene nitrile  1155.59 –9.90   0.50 

isobutanal  1209.64 –11.53   0.36 

1,4‐dioxane  1299.24 –11.84   0.04 

1,2‐dicyano ethane  1082.39 –5.66   0.29 

chlorobenzene  1322.89 –7.40   0.03 

di‐isopropyl ether  1881.13 –20.16   0.64 

diethyl disulfide  1346.27 –14.41   0.45 

diethyl ether  1317.72 –14.50   0.36 

diethyl ketone  1494.73 –14.32   0.54 

isopropyl acetate  1613.57 –14.22   0.64 

methyl ethyl ketone  1215.84 –11.36   0.53 

  (table is continued on next page) 

Page 119: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

104 

 

(Table 4.20 continued)     

  cc(DZ,TZ) cc(DZ,TZ‐1d)

Molecule  w/out corr. w/ corr. 

N‐methyl pyrrole  1316.31 –10.11   0.29 

piperidine  1542.04 –16.46  –0.11 

tetrahydropyran  1485.50 –14.75   0.11 

tetrahydropyrrole  1259.08 –13.60  –0.23 

tetrahydrothiophene  1170.60 –11.84   0.04 

tetrahydrothiopyran  1450.97 –14.77   0.09 

tetramethylsilane  1454.26 –17.07   0.77 

methyl acetate  1049.57 –8.42   0.50 

azulene  2088.05 –11.79  0.10 

benzoquinone  1406.12 –5.79   0.16 

cyclooctatetraene  1723.63 –11.93  –0.05 

cyclopentanone  1380.78 –11.69   0.20 

dimethyl sulfone  941.06 –8.46   0.45 

divinyl ether  1062.70 –8.67   0.25 

n‐butyl chloride  1211.38 –13.07   0.30 

naphthalene  2122.12 –11.80   0.09 

phenol  1439.76 –9.17  –0.26 

pyrimidine  1086.39 –5.97  –0.02 

t‐butyl chloride  1218.79 –12.76   0.61 

t‐butanethiol  1287.13 –14.93  –0.07 

t‐butanol  1332.72 –14.63   0.23 

t‐butyl methyl ether  1599.29 –17.12   0.71 

t‐butylamine  1385.88 –16.14   0.21 

tetrahydrofuran  1202.95 –11.86   0.03 

toluene  1613.82 –11.64   0.25 

cyclopentane  1380.63 –14.80  0.06 

  (table is continued on next page) 

Page 120: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

105 

 

(Table 4.20 continued)     

  cc(DZ,TZ) cc(DZ,TZ‐1d)

Molecule  w/out corr. w/ corr. 

cyclohexane  1657.46 –17.68  0.15 

isoprene  1250.15 –11.44  0.45 

1,3‐cyclohexadiene  1418.52 –11.82  0.07 

1,4‐cyclohexadiene  1418.13 –11.85  0.04 

fluorobenzene  1351.85 –7.38  0.05 

methyl allene  955.85 –8.46  0.46 

neopentane  1505.85 –17.00  0.83 

nitro‐s‐butane  1429.57 –12.91  0.46 

Page 121: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

Table 4.21.  CBS  limits  for  the atomization energies  found utilizing Eqn. 4.4 using  the  full cc‐pVTZ and cc‐pVQZ basis sets.   The error as compared  to  the  full basis  sets when  the  truncated hydrogen basis  sets are used  to extrapolate  to  the CBS  limit  is also provided.    The  truncated  extrapolations  are  labeled  A‐F  for  the  cc(TZ,QZ‐1f),  cc(TZ,QZ‐1f2d),  cc(TZ,QZ‐1f2d1d),  cc(TZ‐1d,QZ‐1f), cc(TZ‐1d,QZ‐1f2d), and cc(TZ‐1d,QZ‐1f2d1d), respectively. The error  is shown with and without the empirical hydrogen correction.  All values are in kcal/mol. 

  cc(TZ,QZ)  A  B  C  D  E  F 

 w/ 

corr. w/out corr.

w/out corr.

w/ corr. 

w/out corr.

w/ corr. 

w/ out corr.

w/ corr. 

w/out corr.

w/ 

corr. 

w/out corr.

w/ Molecule 

corr.

1,3‐difluorobenzene  1382.33  –2.25  0.00 –3.80  0.11 –7.22  0.26  0.78 –0.02 –0.78  0.08 –4.19  0.23

1,4‐difluorobenzene  1381.77  –2.25  0.00 –3.80  0.11 –7.22  0.26  0.78 –0.03 –0.78  0.08 –4.19  0.23

pyrazine  1093.29  –2.30 –0.06 –3.93 –0.01 –7.44  0.04  0.77 –0.03 –0.85  0.07 –4.36  0.06

2,5‐dihydrothiophene  1050.60  –3.40 –0.03 –5.97 –0.10 –11.26 –0.05  1.18 –0.03 –1.39 –0.07 –6.68 –0.05

2‐methyl thiophene  1233.18  –3.33  0.03 –5.78  0.09 –11.01  0.20  1.12 –0.09 –1.33 –0.07 –6.56  0.08

3‐methyl pentane  1785.63  –7.71  0.15 –13.47  0.22 –25.90  0.26  2.67 –0.16 –3.10 –0.24 –15.53 –0.05

acetic anhydride  1339.02  –3.23  0.14 –5.58  0.29 –10.76  0.45  1.06 –0.15 –1.30 –0.15 –6.47  0.16

aniline  1506.09  –4.04 –0.11 –7.01 –0.17 –13.22 –0.14  1.45 0.04 –1.52  0.09 –7.74  0.01

1,1‐dimethoxy ethane  1421.38  –5.54  0.07 –9.82 –0.04 –18.74 –0.05  1.84 –0.17 –2.43 –0.35 –11.35 –0.29

acetyl acetylene  952.83  –2.05  0.19 –3.57  0.34 –6.86  0.62  0.75 –0.06 –0.77 –0.11 –4.06  0.36

crotonaldehyde  1091.14  –3.33  0.04 –5.74  0.13 –10.98  0.23  1.11 –0.10 –1.29 –0.04 –6.54  0.10

isobutene nitrile  1162.06  –3.80  0.12 –6.58  0.26 –12.72  0.37  1.28 –0.13 –1.50 –0.12 –7.63  0.11

isobutanal  1215.37  –4.41  0.08 –7.69  0.13 –14.74  0.21  1.51 –0.10 –1.77 –0.14 –8.82  0.03

      (table is continued on next page)

106 

 

Page 122: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

107 

 

   (Table 4.21 continued) 

  cc(TZ,QZ)  A  B  C  D  E  F 

Molecule   w/ 

corr. w/out corr.

w/out corr.

w/ corr. 

w/out corr.

w/ corr. 

w/ out corr.

w/ corr. 

w/out corr.

w/ 

corr. 

w/out corr.

w/ 

corr.

1,4‐dioxane  1305.51  –4.54 –0.05 –7.96 –0.14 –15.11 –0.16  1.54 –0.07 –1.88 –0.11 –9.03 –0.18

1,2‐dicyano ethane  1092.02  –2.17  0.07 –3.68  0.24 –7.09   0.39  0.73 –0.07 –0.77  0.02 –4.18  0.24

chlorobenzene  1331.93  –2.82 –0.01 –4.78  0.10 –9.12  0.23  0.98 –0.03 –0.98  0.10 –5.32  0.21

di‐isopropyl ether  1887.16  –7.70  0.16 –13.54   0.15 –25.93  0.24  2.66 –0.17 –3.18 –0.34 –15.58 –0.09

diethyl disulfide  1353.29  –5.54  0.07 –9.77  0.01 –18.64  0.05  1.86 –0.16 –2.37 –0.29 –11.24 –0.18

diethyl ether  1321.99  –5.55  0.06 –9.74  0.04 –18.68  0.01  1.90 –0.12 –2.29 –0.21 –11.24 –0.18

diethyl ketone  1501.43  –5.49  0.13 –9.55  0.23 –18.35  0.34  1.87 –0.15 –2.20 –0.18 –11.00  0.06

isopropyl acetate  1621.06  –5.46  0.15 –9.54  0.23 –18.31  0.38  1.84 –0.17 –2.24 –0.25 –11.01  0.05

methyl ethyl ketone  1221.68  –4.36  0.13 –7.60  0.23 –14.60  0.35  1.47 –0.14 –1.76 –0.17 –8.77  0.08

N‐methyl pyrrole  1324.80  –3.87  0.06 –6.73  0.12 –12.86  0.23  1.32 –0.09 –1.54 –0.09 –7.67  0.08

piperidine  1549.71  –6.24 –0.07 –10.85 –0.09 –20.70 –0.14  2.21 –0.01 –2.40  0.03 –12.25 –0.08

tetrahydropyran  1491.50  –5.63 –0.01 –9.75  0.03 –18.64  0.05  1.95 –0.07 –2.18 –0.01 –11.07 –0.01

tetrahydropyrrole  1265.82  –5.15 –0.10 –9.01 –0.21 –17.12 –0.30  1.84  0.02 –2.03  0.00 –10.14 –0.19

tetrahydrothiophene  1176.38  –4.51 –0.02 –7.87 –0.05 –14.97 –0.02  1.57 –0.04 –1.79 –0.05 –8.89 –0.04

tetrahydrothiopyran  1458.06  –5.64 –0.03 –9.80 –0.02 –18.66  0.03  1.95 –0.07 –2.22 –0.04 –11.08 –0.02

tetramethylsilane  1457.94  –6.56  0.18 –11.79 –0.05 –22.26  0.17  2.21 –0.21 –3.02 –0.62 –13.49 –0.22

      (table is continued on next page)

Page 123: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

108 

 

   (Table 4.21 continued) 

  cc(TZ,QZ)  A  B  C  D  E  F 

Molecule   w/ 

corr. w/out corr.

w/out corr.

w/ corr. 

w/out corr.

w/ corr. 

w/ out corr.

w/ corr. 

w/out corr.

w/ 

corr. 

w/out corr.

w/ 

corr.

methyl acetate  1055.27  –3.27  0.10 –5.70  0.17 –10.96  0.25  1.06 –0.15 –1.38 –0.19 –6.64 –0.01

azulene  2100.85  –4.50 –0.01 –7.67  0.15 –14.60  0.35  1.56 –0.06 –1.62  0.11 –8.54  0.30

benzoquinone  1417.63  –2.22  0.03 –3.71  0.20 –7.10  0.37  0.75 –0.05 –0.74  0.09 –4.13  0.29

cyclooctatetraene  1733.31  –4.51 –0.02 –7.74  0.08 –14.70  0.25  1.62  0.00 –1.61  0.13 –8.57  0.28

cyclopentanone  1388.27  –4.44  0.05 –7.62  0.20 –14.61  0.34  1.56 –0.06 –1.62  0.05 –8.61  0.24

dimethyl sulfone  944.02  –3.26  0.11 –5.76  0.11 –10.94  0.28  1.09 –0.12 –1.41 –0.23 –6.59  0.04

divinyl ether  1067.50  –3.33  0.04 –5.73  0.13 –10.95 0.27  1.12 –0.09 –1.28 –0.04 –6.50  0.14

n‐butyl chloride  1216.25  –5.00  0.05 –8.73  0.08 –16.73  0.09  1.71 –0.11 –2.01 –0.13 –10.01 –0.06

naphthalene  2134.72  –4.51 –0.02 –7.63  0.20 –14.56  0.39  1.55 –0.06 –1.57  0.17 –8.50  0.35

phenol  1448.69  –3.52 –0.16 –6.06 –0.19 –11.43 –0.22  1.19 –0.02 –1.35  0.09 –6.72 –0.09

pyrimidine  1096.67  –2.29 –0.05 –3.90  0.01 –7.41  0.06  0.77 –0.04 –0.84  0.07 –4.35 0.07

t‐butyl chloride  1223.96  –4.90  0.15 –8.60  0.20 –16.51  0.31  1.66 –0.16 –2.05 –0.27 –9.95  0.00

t‐butanethiol  1292.89  –5.73 –0.12 –10.18 –0.40 –19.17 –0.48  1.93 –0.09 –2.52 –0.25 –11.51 –0.45

t‐butanol  1337.76  –5.62  0.00 –9.94 –0.16 –18.94 –0.25  1.90 –0.12 –2.43 –0.27 –11.43 –0.37

t‐butyl methyl ether  1604.48  –6.56  0.17 –11.57  0.16 –22.20  0.23  2.23 –0.19 –2.78 –0.37 –13.40 –0.13

t‐butylamine  1392.03  –6.15  0.02 –10.94 –0.18 –20.81 –0.26  2.14 –0.08 –2.65 –0.31 –12.53 –0.36

      (table is continued on next page)

Page 124: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

109 

 

   (Table 4.21 continued) 

  cc(TZ,QZ)  A  B  C  D  E  F 

Molecule   w/ 

corr. w/out corr.

w/out corr.

w/ corr. 

w/out corr.

w/ corr. 

w/ out corr.

w/ corr. 

w/out corr.

w/ 

corr. 

w/out corr.

w/ 

corr.

tetrahydrofuran  1207.91  –4.52 –0.03 –7.86 –0.03 –15.00 –0.05  1.57 –0.04 –1.77 –0.02 –8.91 –0.07

toluene  1622.20  –4.45  0.04 –7.63  0.19 –14.61  0.34  1.53 –0.08 –1.65  0.02 –8.64  0.21

cyclopentane  1385.56  –5.62 –0.01 –9.72 0.06 –18.67 0.02  1.98 –0.04 –2.12 0.04 –11.07 –0.01

cyclohexane  1663.43  –6.71 0.03 –11.58 0.16 –22.19 0.24  2.37 –0.05 –2.50 0.05 –13.11 0.16

isoprene  1255.16  –4.38 0.11 –7.61 0.22 –14.59 0.36  1.49 –0.12 –1.73 –0.12 –8.72 0.13

1,3‐cyclohexadiene  1425.58  –4.48 0.01 –7.71 0.12 –14.72 0.23  1.59 –0.03 –1.64 0.08 –8.65 0.20

1,4‐cyclohexadiene  1425.17  –4.50 –0.01 –7.70 0.12 –14.70 0.25  1.58 –0.03 –1.62 0.11 –8.62 0.23

fluorobenzene  1359.47  –2.81 0.00 –4.77 0.12 –9.09 0.26  0.98 –0.03 –0.98 0.10 –5.30 0.23

methyl allene  959.69  –3.24 0.13 –5.60 0.26 –10.79 0.43  1.11 –0.10 –1.26 –0.10 –6.44 0.19

neopentane  1510.16  –6.53 0.21 –11.42 0.32 –22.02 0.41  2.20 –0.22 –2.69 –0.32 –13.29 –0.01

nitro‐s‐butane  1439.23  –4.94 0.11 –8.61 0.19 –16.52 0.30  1.69 –0.13 –1.98 –0.15 –9.89 0.06

Page 125: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

110 

 

4.4.5.  Percent CPU Time and Disk Space Saved 

The percent CPU  time savings upon  truncating  the basis set  for hydrogen  is provided  in 

Table 4.22. As shown, hydrogen basis set  truncation  resulted  in substantial  time savings with 

the removal of the d  function  from the cc‐pVTZ basis set providing, on average, a 24.0% CPU 

time savings. The removal of the f function from the cc‐pVQZ basis set resulted in a 25.4% time 

savings, while the removal of the d functions resulted in 44.3% and 53.2% time savings for the 

outer and inner d functions, respectively.  

The amount of disk space that was saved after basis set truncation is also shown in Table 

4.23. The disk space is less affected by hydrogen basis set truncation as compared to CPU time 

savings, but there are still large disk space savings that are seen upon truncation.  As shown in 

Table 4.23, removal of the d function from the cc‐pVTZ basis set resulted in an average of 24.0% 

disk  space  reduction, while  the  truncation of  the  cc‐pVQZ basis  set  resulted  in  average disk 

space savings of 18.3%, 30.5%, and 41.0% after removal of the f, outermost d, and innermost d 

functions, respectively. 

Page 126: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

111 

 

Table 4.22.  Percent  CPU  time  saved  for  the  hydrogen  containing  molecules  of  the G3/99 test suite computed with MP2 combined with the full and truncated cc‐pVnZ basis sets. 

  Molecular  cc‐pVTZ  cc‐pVQZ 

Molecule  Formula   (‐1d)  (‐1f)  (‐1f2d)  (‐1f2d1d) 

1,3‐difluorobenzene  C6H4F   16.9  15.8  25.2  35.4 

1,4‐difluorobenzene  C6H4F   13.6  15.0  29.5  31.2 

pyrazine  C4H4N2  11.7  14.2  21.9  30.8 

2,5‐dihydrothiophene  C4H6S  18.7  27.5  45.7  55.1 

2‐methyl thiophene  C5H6S  19.9  11.8  35.8  45.0 

3‐methyl pentane  C6H14   42.6  39.2  59.5  72.0 

acetic anhydride  C4H6O3  19.2  17.5  35.6  48.4 

aniline  C6H5NH2  20.3  22.3  46.6  55.4 

1,1‐dimethoxy ethane  C4H10O2  22.1  27.9  49.9  61.4 

acetyl acetylene  C4H4O  14.9  12.5  28.6  33.8 

crotonaldehyde  C4H6O  5.0  21.8  39.9  49.4 

isobutene nitrile  C4H7N  21.1  27.0  48.2  58.3 

isobutanal  C4H8O  16.0  30.1  48.5  58.5 

1,4‐dioxane  C4H8O2  22.5  29.0  46.7  57.0 

1,2‐dicyano ethane  C4H4N2  26.8  14.4  34.4  39.6 

chlorobenzene  C6H5Cl  15.7  17.3  34.4  41.7 

di‐isopropyl ether  C6H14O  35.9  35.5  57.5  68.1 

diethyl disulfide  C4H10S2  29.5  29.2  52.0  60.3 

diethyl ether  C4H10O  8.6  31.8  55.2  62.1 

diethyl ketone  C5H10O  23.5  29.3  54.6  59.9 

isopropyl acetate  C5H10O2  19.6  25.1  51.1  56.9 

methyl ethyl ketone  C4H8O  28.8  27.0  52.0  59.3 

n‐methyl pyrrole  C5H7N  19.8  23.4  44.0  50.2 

piperidine  cyc‐C5H10NH   31.5  35.1  57.0  65.5 

    (table is continued on next page) 

Page 127: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

112 

 

(Table 4.22 continued)         

  Molecular  cc‐pVTZ  cc‐pVQZ 

Molecule  Formula   (‐1d)  (‐1f)  (‐1f2d)  (‐1f2d1d) 

tetrahydropyran  C5H10O   33.5  34.0  53.1  62.2 

tetrahydropyrrole  C4H8NH  22.2  26.4  49.9  58.7 

tetrahydrothiophene  C4H8S  23.2  31.5  51.2  57.8 

tetrahydrothiopyran  C5H10S  21.5  27.2  50.9  59.3 

tetramethylsilane  C4H12Si  25.9  35.0  57.3  64.6 

methyl acetate  C3H6O2   15.1  20.6  39.5  43.7 

azulene  C10H8  16.0  19.6  35.9  43.0 

benzoquinone  C6H4O2   14.7  13.2  26.8  33.1 

cyclooctatetraene  C8H8   32.5  24.3  41.8  51.5 

cyclopentanone  C5H8O   39.1  29.9  47.1  61.6 

dimethyl sulfone  C2H6O2S   13.2  22.7  39.4  45.8 

divinyl ether  C4H6O   24.5  26.0  41.5  49.3 

n‐butyl chloride  C4H9Cl   29.6  30.5  49.8  58.8 

naphthalene  C10H8   26.2  21.0  36.8  44.9 

phenol  C6H5OH   28.1  22.6  37.6  45.9 

pyrimidine  C4H4N2   27.5  15.6  30.4  35.6 

t‐butyl chloride  C4H9Cl   33.9  33.1  48.6  62.4 

t‐butanethiol  C4H9SH   35.0  34.4  54.1  66.6 

t‐butanol  C4H9OH   31.6  35.6  56.9  66.5 

t‐butyl methyl ether  C5H12O   39.2  31.1  53.1  63.1 

t‐butylamine  C4H9NH2   32.0  33.3  57.6  66.9 

tetrahydrofuran  C4H8O   27.5  33.4  52.3  58.5 

toluene  C6H5CH3   26.0  23.8  43.8  50.9 

cyclopentane  C5H10  13.7  23.7  51.6  63.0 

cyclohexane  C6H12   17.4  6.7  36.2  59.9 

isoprene  C5H8   24.4  28.2  44.0  55.3 

    (table is continued on next page) 

Page 128: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

113 

 

(Table 4.22 continued)           

  Molecular  cc‐pVTZ  cc‐pVQZ 

Molecule  Formula   (‐1d)  (‐1f)  (‐1f2d)  (‐1f2d1d) 

1,3‐cyclohexadiene  C6H8   21.6  28.1  40.7  52.0 

1,4‐cyclohexadiene  C6H8   14.0  19.9  30.6  39.5 

fluorobenzene  C6H5F   19.5  23.9  34.0  40.1 

methyl allene  C4H6   47.6  24.1  38.4  46.3 

neopentane  C5H12   39.9  38.3  53.2  64.0 

nitro‐s‐butane  C4H9NO2  24.4  25.3  43.5  51.1 

           

Average    24.0  25.4  44.3  53.2     

Page 129: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

114 

 

Table 4.23.  Percent hard disk space saved for the hydrogen containing molecules of the G3/99 test suite computed with MP2 combined with the full and truncated cc‐pVnZ basis sets. 

  Molecular  cc‐pVTZ cc‐pVQZ 

Molecule  Formula   (‐1d)  (‐1f)  (‐1f2d)  (‐1f2d1d) 

1,3‐difluorobenzene  C6H4F   12.6  9.6  16.2  22.5 

1,4‐difluorobenzene  C6H4F   12.6  9.5  16.1  22.3 

pyrazine  C4H4N2  13.5  11.7  19.2  26.8 

2,5‐dihydrothiophene  C4H6S  22.3  16.7  28.1  38.2 

2‐methyl thiophene  C5H6S  19.8  15.1  25.4  34.6 

3‐methyl pentane  C6H14   32.9  23.7  39.2  52.5 

acetic anhydride  C4H6O3  20.9  14.0  23.7  32.3 

aniline  C6H5NH2  22.7  15.1  25.7  35.1 

1,1‐dimethoxy ethane  C4H10O2  28.1  20.5  34.2  46.1 

acetyl acetylene  C4H4O  16.7  13.2  22.1  30.5 

crotonaldehyde  C4H6O  23.2  17.4  28.8  39.6 

isobutene nitrile  C4H7N  25.5  19.1  31.4  42.8 

isobutanal  C4H8O  27.2  20.4  33.9  45.7 

1,4‐dioxane  C4H8O2  24.6  18.6  30.7  41.6 

1,2‐dicyano ethane  C4H4N2  14.7  11.7  19.8  27.2 

chlorobenzene  C6H5Cl  15.6  11.7  19.8  27.6 

di‐isopropyl ethe  C6H14O  31.0  22.5  37.1  49.9 

diethyl disulfide  C4H10S2  27.0  20.4  33.6  45.5 

diethyl ether  C4H10O  29.9  22.5  37.2  49.8 

diethyl ketone  C5H10O  27.4  20.2  33.9  45.5 

isopropyl acetate  C5H10O2  25.6  18.9  31.9  42.9 

methyl ethyl ketone  C4H8O  29.5  20.5  33.8  45.7 

N‐methyl pyrrole  C5H7N  23.1  17.2  28.6  38.9 

piperidine  cyc‐C5H10NH  31.4  21.8  35.9  48.4 

    (table is continued on next page) 

Page 130: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

115 

 

(Table 4.23 continued)         

  Molecular  cc‐pVTZ cc‐pVQZ 

Molecule  Formula   (‐1d)  (‐1f)  (‐1f2d)  (‐1f2d1d) 

tetrahydropyran  C5H10O   29.9  20.6  34.1  46.2 

tetrahydropyrrole  C4H8NH  28.8  21.1  35.1  47.3 

tetrahydrothiophene  C4H8S  26.6  20.2  33.2  45.0 

tetrahydrothiopyran  C5H10S  29.1  20.4  33.7  45.7 

tetramethylsilane  C4H12Si  32.4  23.8  39.0  52.4 

methyl acetate  C3H6O2   21.5  16.3  28.2  37.9 

azulene  C10H8  17.3  12.6  21.5  29.5 

benzoquinone  C6H4O2   12.6  9.6  16.3  22.6 

cyclooctatetraene  C8H8   21.1  15.3  26.2  35.6 

cyclopentanone  C5H8O   24.6  18.1  30.4  41.1 

dimethyl sulfone  C2H6O2S   20.7  16.3  27.9  37.4 

divinyl ether  C4H6O   22.0  16.7  27.8  37.8 

n‐butyl chloride  C4H9Cl   28.3  21.1  34.8  47.0 

naphthalene  C10H8   17.5  12.8  22.1  30.2 

phenol  C6H5OH   19.9  13.4  22.8  31.3 

pyrimidine  C4H4N2   15.1  11.0  19.5  26.2 

t‐butyl chloride  C4H9Cl   28.2  20.9  35.0  47.0 

t‐butanethiol  C4H9SH   29.8  22.1  36.8  49.1 

t‐butanol  C4H9OH   30.5  22.3  37.1  49.8 

t‐butyl methyl ether  C5H12O   30.9  22.8  37.3  50.1 

t‐butylamine  C4H9NH2   32.5  23.4  38.6  51.8 

tetrahydrofuran  C4H8O   27.1  20.1  33.5  45.1 

toluene  C6H5CH3   24.7  16.5  27.9  37.9 

cyclopentane  C5H10  20.0  33.5  45.9  59.4 

cyclohexane  C6H12   24.2  32.8  59.3  70.7 

isoprene  C5H8   27.2  20.1  33.3  45.0 

    (table is continued on next page) 

Page 131: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

116 

 

(Table 4.23 continued)           

  Molecular  cc‐pVTZ cc‐pVQZ 

Molecule  Formula   (‐1d)  (‐1f)  (‐1f2d)  (‐1f2d1d) 

1,3‐cyclohexadiene  C6H8   24.0  17.7  29.7  40.3 

1,4‐cyclohexadiene  C6H8   23.8  18.1  30.2  42.5 

fluorobenzene  C6H5F   12.9  13.8  21.0  24.9 

methyl allene  C4H6   25.6  19.1  31.6  43.0 

neopentane  C5H12   33.2  24.1  39.9  53.2 

nitro‐s‐butane  C4H9NO2  24.8  18.3  30.2  41.1 

Average    24.0  18.3  30.5  41.0 

Page 132: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

117 

 

4.5.  Conclusions 

The  systematic  truncation of  the correlation consistent basis  sets as a means  to  reduce 

computational  cost  has  been  examined.  Using  a  selected  series  of  truncated  basis  sets  on 

hydrogen enabled smooth convergence to the CBS limit, with only a slight fluctuation in overall 

accuracy in atomization energy, as compared with the results obtained from the full, standard 

correlation  consistent basis  sets. Additionally,  there  is  essentially no  impact upon  structures 

when  these  truncated  basis  sets  are  used.  The  use  of  the  truncated  sets  cc(f,–1,–1,–3),  

cc(f,–1,–1,–4),  cc(f,–l,–2,–3) and cc(f,–1,–2,–4) were  shown  to give CBS  limits  for atomization 

and  ionization  energies  that  are within  1  kcal/mol  to  the  CBS  limits  obtained  using  the  full 

correlation  consistent  basis  sets  for molecules  containing  first‐  (B‐Ne)  and  third‐row  (Ga‐Kr) 

atoms.  This was verified by using two different formulas: the first is the well‐established Feller 

exponential formula and the second is a mixed exponential/Gaussian formula. 

Two‐  and  three‐point  extrapolations were  also  investigated  for  two  sets  of molecules, 

which  include methane through decane and the hydrogen‐containing molecules of the G3/99 

test  suite. Section 4.5 proved  that extrapolation of  the  truncated basis  set  series  resulted  in 

large  errors  as  compared  to  extrapolation  of  the  full  basis  set. However,  these  errors were 

constant  relative  to  the number of hydrogen atoms contained  in  the molecule as well as  the 

truncated basis set series used. Corrections for this error were determined, which were utilized 

to provide errors less than 0.3 kcal/mol from the CBS limits determined with the full basis sets. 

The  hydrogen  correction was  also  found  to  be  unaffected  by modifications  to  the method 

and/or basis set utilized in the optimization; however, it was effected by the choice of method 

Page 133: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

118 

 

used  for the single point computation. Overall, basis set truncation was shown to be a viable 

means to reduce the computational scaling [i.e. CPU time and disk space requirements], while 

still  taking advantage of  the  systematic nature of  the  correlation  consistent basis  sets  in  the 

extrapolation of molecular properties to the CBS limit. 

Page 134: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

119 

 

CHAPTER 5  

 

BASIS SET TRUNCATION:  APPLICATION TO THE CORRELATION CONSISTENT COMPOSITE 

APPROACH 

 

5.1.  Introduction 

As shown  in Chapter 3, the correlation consistent composite approach (ccCA)  is a viable 

means  to help alleviate  the high  computational  cost of ab  initio methods while  still allowing 

chemical accuracy  to be achieved.  In  large part,  the ability of ccCA  to achieve a high  level of 

accuracy  without  the  use  of  experimentally  derived  parameters  can  be  attributed  to  the 

correlation  consistent  basis  sets.  The  correlation  consistent  composite  approach  takes 

advantage  of  the  systematic  convergent  behavior  of  the  correlation  consistent  basis  sets  to 

determine  the MP2/CBS  limit,  which  is  used  as  the  reference  energy.  A  series  of  additive 

corrections are then computed and added to the reference energy, which was fully discussed in 

Chapter 3. 

A  drawback  of  the  correlation  consistent  basis  sets  (discussed  in  Chapter  4)  is  the 

substantial  increase  in the number of basis functions contained  in the basis set as the  level of 

basis set is increased.  For example, as shown in Chapter 4, increasing the basis set size from cc‐

pVDZ to cc‐pVTZ doubles the number of basis functions for first‐row (Li‐Ne) atoms and triples 

the number of basis  functions  for hydrogen. This  steep  increase  in basis  set  size  is a  limiting 

factor  in  the  application of  ccCA  to  compute properties of  larger molecules  (e.g. one of  the 

Page 135: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

120 

 

largest molecules studied with ccCA, to date, is Be‐(acac)2, BeC10H14O.97  If the size of the basis 

sets  that  ccCA  utilizes  could  be  reduced,  while  still  maintaining  chemical  accuracy  in  the 

prediction  of  energetic  properties,  the  size  of  molecules  that  could  be  studied  with  this 

composite method could be increased. 

This chapter combines basis set  truncation, discussed  in Chapter 4, with  the correlation 

consistent  composite  approach,  discussed  in  Chapter  3.  Implementing  basis  set  truncation 

within  ccCA  requires  further  investigation  into  basis  set  truncation  because  the  impact  that 

basis  set  truncation  has  upon  the  individual  computations  as  part  of  ccCA  have  not  been 

performed. Also,  several of  the basis  sets utilized  in  ccCA  include  a  set of diffuse  functions, 

which needs to be examined. The effect of removing the augmented functions and the higher 

angular momentum functions equal to or greater than d from the basis sets for the hydrogen 

atom  while  using  the  full  basis  sets  on  all  other  atoms  has  upon  enthalpies  of  formation 

computed with ccCA was studied. 

 

5.2.  Development of ccCA(aug) 

Earlier  work  performed  by  del  Bene,  showed  that  omitting  diffuse  functions  from 

Dunning’s correlation consistent basis sets for the hydrogen atom had  less than 0.70 kcal/mol 

effect on proton affinities for NH3, H2O, and HF.192 Spurred by del Bene’s study and the success 

of  the  truncated basis  set approaches discussed  in Chapter 4, a  simplified version of  ccCA  is 

proposed [ccCA(aug)]  in which the cc‐pVnZ basis sets are utilized rather than the aug‐cc‐pVnZ 

basis  sets  for  hydrogen.  Thus,  the  reference  MP2  calculations  in  ccCA  are  now  denoted 

Page 136: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

121 

 

MP2/aug’‐cc‐pVnZ  [where n = D(2),  T(3), Q(4);  and  the  aug’  refers  to  the modified basis  set 

strategy]. The MP2 total energies were then extrapolated to the complete basis set (CBS) limit 

using  the mixed Gaussian/exponential  formula  (Eqn. 3.1) proposed by Peterson  et al.159  and 

using  a  two‐point  1/(lmax^4)  scheme  proposed  by  Schwartz  (Eqn.  3.2)160,198  The  ccCA(aug) 

reference  energy  [E0(MP2/CBS’)]  is  then  determined  by  averaging  the  CBS  limit  determined 

from Eqn. 3.1 and the limit determined from Eqn. 3.2. 

The additive corrections were computed as described in Chapter 3, with the exception of 

the core‐valence correlation correction [ΔE(CV)], which is the only other step in ccCA requiring 

the  augmented  correlation  consistent  basis  sets.  In  this  step,  the  aug’  truncated  basis  set 

scheme will be used  in both  the MP2/aug’‐cc‐pVnZ and  the MP2(FC1)/aug’‐cc‐pVnZ, and  the 

core‐valence correction computed from these two computations is denoted ∆E(CV’). 

The  final ccCA(aug)  total energy  that utilizes  the aug’‐cc‐pVnZ basis sets  is described by 

the following equation, 

ccCA aug E0[MP2 CBS'] ∆ CC ∆ D⁄  E E K

∆E CV' ∆ SO ZPE.                                               5.1 

 

5.3.  Development of ccCA(TB) 

In Chapter 4, several ways to reduce the basis set size for hydrogen while still maintaining 

accuracy within 1  kcal/mol of  the  results  computed with  full basis  sets were presented. The 

truncation  scheme  developed  in  Section  4.5 was  utilized  here  to  develop  a  truncated  ccCA 

scheme,  denoted  ccCA(TB).  The  ccCA(aug)  method  discussed  in  Section  5.2  serves  as  the 

Page 137: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

122 

 

starting point  for ccCA(TB). As  in ccCA(aug), all augmented  function  included  in the hydrogen 

basis sets were removed. For ccCA(TB), further truncation was done by the removal of all basis 

functions equal to or greater than d from the hydrogen basis sets. Specifically, the 1d function 

was  removed  from  the cc‐pVTZ, cc‐pVTZ‐DK, aug’‐cc‐pVTZ and aug’‐cc‐pCVTZ basis sets while 

the 1f, 2d and 1d functions were removed from the aug’‐cc‐pVQZ basis set. As the aug’‐cc‐pVDZ 

basis set only contains s and p angular momentum functions, no further truncation was done.  

As noted  in Section 4.5, computing molecular properties with hydrogen basis sets that do not 

include d  functions  can  lead  to  large errors as  compared  to  results determined with  the  full 

basis sets. Fortunately, this error was found to be a systematic error that could be significantly 

reduced with a correction that depended on the number of hydrogen atoms contained  in the 

molecule. For example, as discussed Section 4.5, a  correction per hydrogen of 1.07 kcal/mol 

was determined for MP2/CBS limit atomization energies utilizing the cc(f,–1,–3) basis set series 

[where f refers to the use of the full cc‐pVDZ, the –1 refers to the use of the cc‐pVTZ basis set 

with the 1d function removed, and the –3 refers to the use of the cc‐pVQZ basis set with the 1f, 

2d and 1d functions removed].195 However, as these corrections were also found to be method 

specific, corrections were needed for each step in ccCA(TB).  

It should be noted that the corrections needed for ccCA(TB) are not included in ccCA(aug). 

As well, the empirical hydrogen corrections proposed for use in the ccCA(TB) scheme is a well‐

defined correction, which enables the error introduced by the truncation of the basis set for the 

hydrogen  atom  to  be  reduced,  and  is  developed  based  upon  the  difference  in  energies 

computed with the  full and truncated basis set. The empirical corrections utilized  in ccCA(TB) 

Page 138: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

123 

 

should not  to be  confused with  a  correction  such  as  the HLC utilized  in  the G2, G3,  and G4 

methods,  which  were  developed  by  fitting  the molecular  properties  computed  with  Gn  to 

experimental data.63,67‐69,74 An empirical correction that is based on experimental data has been 

shown to suffer  if the molecule of  interest  is outside of the test set that was used to develop 

the correction.129,177 Also, parameters based on experiment, such, as the HLC would need to be 

re‐parameterized  if new experimental data  is determined, whereas  the hydrogen corrections 

for  ccCA(TB)  is  solely  based  on  theoretically  computed  energies  and  will  only  need  to  be 

computed  once.  It  should,  however,  be  noted  that  the  hydrogen  corrections  developed  for 

ccCA(TB) could potentially be prone to large errors if the hydrogen atom becomes important to 

the molecular property of interest, such as for hydrogen bonding or transfer.              

The hydrogen corrections were developed by plotting  the difference  in  the  total energy 

between  computations with  the  full and  truncated basis  set versus  the number of hydrogen 

atoms contained  in the n‐alkane series methane through hexane, as shown  in Figure 5.1. The 

corrections per hydrogen atom were determined as the slopes of the linear plots in Figure 5.1, 

which were found to be a) –1.279 millihartree (mEh) for the MP2/aug’‐cc‐pVnZ CBS limit [where 

n = D(2), T(3), and Q(4)] computed with Eqn. 5.1, b) –1.345 mEh for the MP2/aug’‐cc‐pVnZ CBS 

limit  [where  n  =  T(3)  and Q(4)]    computed with  Eqn.  5.2,  c)  –1.674 mEh  for MP2/cc‐pVTZ,  

d)  –1.494 mEh  for  CCSD(T)/cc‐pVTZ,  e)  –1.673 mEh  for MP2/cc‐pVTZ‐DK,  f)  –1.839 mEh  for 

MP2/aug’‐cc‐pVTZ,  and  g)  –1.932  mEh  for  MP2(FC1)/aug’‐cc‐pVTZ.  A  summary  of  these 

corrections is provided in Table 3.1.   

Page 139: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

Figure 5.1.  Linear  plot  of  the  difference  between  the  total  energy  (mEh)  computed with the full and truncated basis sets versus the number of hydrogen atoms in the linear alkane series methane  through hexane.   a) MP2/CBS  limit computed with Eqn. 5.1, b) MP2/CBS  limit  compute  with  Eqn.  5.2,  c)  MP2/cc‐pVTZ,  d)  CCSD(T)/cc‐pVTZ,  e) MP2/aug'‐cc‐pVTZ, f) MP2(FC1)/aug'‐cc‐pCVTZ, g) MP2/cc‐pVTZ‐DK  

   

   

124 

 

 

0

5

10

15

20

4 6 8 10 12 14

∆E (m

E h)

# of hydrogens

E0(P)

f(x)=1.279*x + 0.6346R2=1.000

a)

0

5

10

15

20

25

4 6 8 10 12 14

∆E (m

E h)

# of hydrogens

E0(S4)

f(x)=1.345*x+0.5926R2=1.000

b)

0

5

10

15

20

25

4 6 8 10 12 14

∆E (m

E h)

# of hydrogens

MP2/cc‐pVTZ

f(x)=1.674*x ‐ 0.6078R2=1.000

c)

0

5

10

15

20

25

4 6 8 10 12 14

∆E (m

E h)

# of hydrogens

CCSD(T)/cc‐pVTZ

f(x)=1.494*x ‐ 0.5863R2=1.000

d)

0

5

10

15

20

25

30

4 6 8 10 12 14

∆E (m

E h)

# of hydrogens

MP2/aug'‐cc‐pVTZ

f(x)=1.839*x ‐ 0.4839R2=1.000

e)

0

5

10

15

20

25

30

4 6 8 10 12 14

∆E (m

E h)

# of hydrogens

MP2(FC1)/aug'‐cc‐pCVTZ

f(x)=1.832*x ‐ 0.4630R2=1.000

f)

Page 140: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

 

0

5

10

15

20

25

4 6 8 10 12 14∆E

 (mE h)

# of hydrogens

MP2/cc‐pVTZ‐DK

f(x)=1.673*x ‐ 0.6075R2=1.000

g)

 

A final correction also included to account for the deviation of these linear plots, shown in 

Figure 5.1,  from  the origin.  This  correction  is needed because  in  theory, when  there  are no 

hydrogen atoms,  the only basis sets  that would be present are  the  full correlation consistent 

basis sets for the non‐hydrogen atoms.  This means that ΔE would be zero when the number of 

hydrogen atoms equal  zero, and  thus,  the  linear plots  in  Figure 5.1  should pass  through  the 

origin. This, however, does not occur for any of the plots, as shown by the non‐zero y‐intercept 

(i.e. when x=0) for all of the linear equations given in Figure 5.1, and therefore, a correction to 

account for this error is needed, which is termed the “origin correction”. The origin correction is 

shown  in each of  the  linear equations provided  in Figure 5.1. The origin correction was  then 

subtracted  from  the  total  energy  of  each  individual  step  of  ccCA(TB).  For  example,  the  y‐

intercept for the CBS  limit computed with Eqn. 3.1 [E0(P)] was found to be 0.6346 mEh, which 

means that E0(P) computed with the truncated basis sets is too high and should be reduced by 

0.6346 mEh. In contrast, the MP2/cc‐pVTZ y‐intercept was computed to be –0.6078 mEh, which 

means that the MP2/cc‐pVTZ(–1d) total energy is too low and should be raised by 0.6078 mEh.  

125 

 

Page 141: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

126 

 

 It should be noted that the origin correction was not included in the truncation schemes 

discussed  in Chapter 4 because the deviation from the origin was found to be negligible (≤0.3 

mEh).195 The only exception was observed for the cc(DZ,TZ–1d) [which denotes the use of the 

cc‐pVDZ and cc‐pVTZ(–1d) basis sets] truncation scheme, for which a value of 0.7968 mEh was 

determined  for  the  origin  correction.195  Initial  tests  to  include  the  origin  correction  to  the 

cc(DZ,TZ–1d) truncation scheme found that for the G3/99 molecules studied in Chapter 4, half 

of the atomization energies computed with cc(DZ,TZ–1d)  improved compared to cc(full) while 

the other half of the atomization energies computed with cc(DZ,TZ–1d) were further away from 

cc(full), which  resulted  in  a  net  effect  on  the MAD  of  almost  zero.    The  origin  correction, 

however,  is  included  in  the  ccCA(TB)  formulation  for  completeness  and  is  suggested  for  any 

future studies that are based upon the work herein. A summary of the origin corrections for all 

of the individual steps in ccCA(TB) is provided in Table 5.1. 

 

Table 5.1.  Correction per hydrogen and  the origin correction  for each  of  the  calculations  utilizing  the  correlation  consistent  basis sets if ccCA(TB).  All values are mEh. 

Corrections  

Per Hydrogen Origin 

Correction 

E0(P)  1.279  0.6346 

E0(S4)  1.345  0.5926 

CCSD(T)/cc‐pVTZ  1.494  –0.5863 

MP2/cc‐pVTZ  1.674  –0.6078 

MP2(FC1)/aug'‐cc‐pCVTZ  1.832  –0.4630 

MP2/aug'‐cc‐pVTZ  1.839  –0.4839 

MP2/cc‐pVTZ‐DK  1.673  –0.6075 

Page 142: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

127 

 

 

The difference between the total energies computed with the full and with the truncated 

basis sets for each of the individual computations in ccCA is reported in Table 5.2. As shown in 

Table  5.2,  when  the  corrections  are  not  included,  the  error  between  the  total  energies 

computed with the full and with the truncated basis sets were large for methane (e.g. 5.356 to 

6.809 mEh  for  the  CCSD(T)/cc‐pVTZ  and MP2/aug’‐cc‐pCVTZ  computations,  respectively)  and 

rises dramatically as the number of hydrogen atoms  increase (e.g. for hexane the errors were 

18.537  to  25.237  mEh  for  the  E0(P)  and  MP2/aug’‐cc‐pVTZ  computations,  respectively).  In 

contrast, when  the  corrections  are  included  in  the  total  energies,  the  deviation  in  the  total 

energies computed with  the  truncated basis  set as compared  to  the  full basis  sets was  small 

with the largest error determined for the MP2/aug’‐cc‐pVTZ computation (0.099 mEh). 

Page 143: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

128 

 

Table 5.2.  Differences  between  total  energies  computed  with  the  full  and  with  the  truncated  basis  sets.  The  energy differences are shown both with and without the hydrogen and origin corrections.  All values are in mEh. 

Molecule  E0(P)  E0(S4) 

MP2(FC1)/ 

aug’‐cc‐pCVTZ 

MP2/ 

aug’‐cc‐pVTZ 

CCSD(T)/ 

cc‐pVTZ 

MP2/ 

cc‐pVTZ 

MP2/ 

cc‐pVTZ‐DK 

Before Corrections 

Methane  5.793  6.004  6.809  6.789  5.356  6.053  6.052 

Ethane  8.268  8.635  10.600  10.649  8.410  9.468  9.467 

Propane  10.848  11.337  14.211  14.249  11.382  12.799  12.797 

Butane  13.444  14.061  17.833  17.875  14.353  16.129  16.126 

Pentane  16.000  16.746  21.511  21.561  17.325  19.460  19.457 

Hexane  18.537  19.413  25.184  25.237  20.297  22.791  22.788 

After Corrections 

Methane  0.042  0.031  –0.057  –0.083  –0.033  –0.035  –0.032 

Ethane  –0.040  –0.027  0.071  0.099  0.033  0.032  0.037 

Propane  –0.019  –0.016  0.018  0.020  0.016  0.015  0.021 

Butane  0.020  0.018  –0.024  –0.031  –0.001  –0.004  0.004 

Pentane  0.017  0.014  –0.010  –0.023  –0.017  –0.021  –0.011 

Hexane  –0.004  –0.009  –0.001  –0.025  –0.032  –0.037  –0.027    

Page 144: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

129 

 

5.4.  Enthalpies of Formation 

The  truncated  ccCA  schemes were  applied  to  the  104  enthalpies  of  formation  for  the 

hydrogen containing molecules within the G2/97 test suite, which are  listed  in Table 5.3. The 

enthalpies of formation computed using ccCA and the errors due to the utilization of ccCA(aug) 

and ccCA(TB) are reported in Table 5.3.  Enthalpy of formation determined from experiment for 

the molecules are also shown  for comparison.  It should be noted  that  the errors  reported  in 

Table 5.3 for the truncated ccCA methods are deviations compared to the full ccCA method and 

not with  experiment.  The  largest  deviation  between  ccCA(aug)  and  ccCA was  observed  for 

Si2H6, in which there was only a difference 0.4 kcal/mol between the enthalpies computed with 

ccCA and ccCA(aug). Overall, the mean absolute deviation (MAD) for the enthalpies computed 

with  ccCA(aug)  as  compared with  ccCA was only 0.1  kcal/mol.  It  should be emphasized  that 

ccCA(aug)  is  a  simple  empirical‐free  truncation  scheme  that  can  be  utilized  while  still 

maintaining accuracy comparable to ccCA.  

In general, enthalpies computed with ccCA(TB) were within 1 kcal/mol of the ccCA values, 

with the exception only six out of the 104 enthalpies, which were the errors for SiH3, SiH4, PH3, 

SH2,  Si2H6,  and  CH3SiH3  were  determined  to  be  1.0,  1.3,  1.4,  1.0,  2.2,  and  1.1  kcal/mol, 

respectively.    It  is  interesting  to note  that  for all but one of  these molecules,  the enthalpies 

computed with ccCA(TB) were closer  to experiment  than ccCA. For example,  the enthalpy of 

formation computed with ccCA for SiH3 was 46.8 kcal/mol, whereas the enthalpy of formation 

computed  with  ccCA(TB)  for  SiH3  was  47.8  kcal/mol,  which  is  1.0  kcal/mol  closer  to  the 

experimental value of 47.9 kcal/mol.206 This assessment, however, does not mean that ccCA(TB) 

Page 145: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

130 

 

is more accurate than ccCA. The better agreement of ccCA(TB) with experiment  is most  likely 

due  to  a  fortuitous  cancellation  of  error.  Overall,  the mean  absolute  deviation  (MAD)  for 

ccCA(TB) as compared to ccCA(full) was found to be only 0.3 kcal/mol.  

Table 5.3.  Enthalpies  of  formation  (kcal/mol)  computed  with  ccCA,  and  the  errors  as compared  to  ccCA  arising  due  to  the  use  of  ccCA(aug)  and  ccCA(TB)  are  presented.  Experimental values are also provided.   

Molecule  ccCA  ccCA(aug)  ccCA(TB)  Expt.a 

G2‐1 test set  

LiH  32.4  0.0  –0.1  33.3 

BeH  81.0  –0.1  –0.5  81.7 

CH  142.3  0.0  –0.2  142.4 

CH2 (3B1)  94.0  0.0  –0.2  93.5 

CH2 (1A1)  102.1  0.0  –0.1  102.5 

CH3  34.9  0.0  –0.1  35.1 

CH4  –18.2  0.0  0.1  –17.9 

NH  85.8  0.0  –0.2  85.2 

NH2  44.1  0.0  –0.1  44.5 

NH3  –11.8  0.0  0.0  –11.0 

OH  8.6  0.0  –0.2  8.9 

OH2  –59.1  0.0  –0.1  –57.8 

FH  –66.1  0.0  –0.1  –65.1 

SiH2 (1A1)  63.0  0.1  0.8  65.2 

SiH2 (3B1)  86.1  0.1  0.5  86.2 

SiH3  46.8  0.2  1.0  47.9 

SiH4  6.4  0.2  1.3  8.2 

PH2  32.4  0.2  0.8  33.1 

PH3  1.5  0.2  1.4  1.3 

(table is continued on next page) 

Page 146: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

131 

 

(Table 5.3 continued)     

Molecule  ccCA  ccCA(aug)  ccCA(TB)  Expt.a 

SH2  –5.8  0.1  1.0  –4.9 

ClH  –22.5  0.0  0.4  –22.1 

C2H2  55.1  –0.2  –0.9  54.2 

C2H4  12.3  0.0  –0.3  12.5 

C2H6  –20.8  0.0  0.1  –20.1 

HCN  31.3  –0.1  –0.6  31.5 

HCO  10.0  0.0  –0.4  10.0 

H2CO  –26.7  0.0  –0.3  –26.0 

H3COH  –49.2  0.0  0.0  –48.2 

H2NNH2  21.9  –0.1  0.0  22.8 

HOOH  –33.2  0.0  0.1  –32.5 

Si2H6  16.1  0.4  2.2  19.1 

CH3Cl  –20.2  0.0  0.1  –19.6 

H3CSH  –6.4  0.1  0.7  –5.5 

HOCl  –18.9  0.0  –0.1  –17.8 

   

G2‐2 test set    

Hydrocarbons     

CH3CCH (propyne)  44.8  –0.1  –0.5  44.2 

CH2=C=CH2 (allene)  45.7  –0.1  –0.5  45.5 

C3H4 (cyclopropene)  68.0  –0.1  –0.4  66.2 

CH3CH=CH2 (propylene)  4.5  0.0  –0.2  4.8 

C3H6 (cyclopropane)  12.6  0.0  –0.3  12.7 

C3H8 (propane)  –25.9  0.0  0.1  –25.0 

CH2CHCHCH2 (butadiene)  26.8  0.0  –0.4  26.3 

C4H6 (2‐butyne)  35.7  0.0  –0.3  34.8 

C4H6 (methylene cyclopropane)  46.4  –0.1  –0.5  47.9 

(table is continued on next page) 

Page 147: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

132 

 

(Table 5.3 continued)     

Molecule  ccCA  ccCA(aug)  ccCA(TB)  Expt.a 

C4H6 (bicyclobutane)  53.8  0.0  –0.4  51.9 

C4H6 (cyclobutene)  38.6  –0.1  –0.3  37.4 

C4H8 (cyclobutane)  6.1  0.0  –0.2  6.8 

C4H8 (isobutene)  –4.3  0.0  –0.2  –4.0 

C4H10 (trans butane)  –31.1  0.0  0.1  –30.0 

C4H10 (isobutane)  –32.9  0.0  0.0  –32.1 

C5H8 (spiropentane)  44.2  –0.1  –0.5  44.3 

C6H6 (benzene)  20.7  0.0  –0.7  19.7 

   

Substituted hydrocarbons     

CH2F2  –108.3  –0.1  –0.3  –107.7 

CHF3  –166.8  –0.1  –0.3  –166.6 

CH2Cl2  –22.8  0.1  0.0  –22.8 

CHCl3  –24.3  0.1  –0.1  –24.7 

CH3NH2 (methylamine)  –6.0  0.0  0.0  –.5 

CH3CN (methyl cyanide)  18.0  0.0  –0.4  17.7 

CH3NO2 (nitromethane)  –18.0  0.0  –0.3  –17.8 

CH3ONO (methyl nitrite)  –16.2  0.0  –0.1  –15.9 

CH3SiH3 (methyl silane)  –7.7  0.1  1.1  –7.0 

HCOOH (formic acid)  –91.1  0.0  –0.3  –90.5 

HCOOCH3 (methyl formate)  –86.4  0.0  –0.2  –85.0 

CH3CONH2 (acetamide)  –57.5  –0.1  0.2  –57.0 

C2H4NH (aziridine)  29.9  0.0  –0.2  30.2 

(CH3)2NH (dimethylamine)  –4.9  0.0  0.1  –4.4 

CH3CH2NH2 (trans ethylamine)  –13.0  –0.1  0.0  –11.3 

CH2CO (ketene)  –11.4  –0.1  –0.4  –11.4 

C2H4O (oxirane)  –13.0  0.0  –0.3  –12.6 

(table is continued on next page) 

Page 148: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

133 

 

(Table 5.3 continued)     

Molecule  ccCA  ccCA(aug)  ccCA(TB)  Expt.a 

CH3CHO (acetaldehyde)  –40.0  –0.1  –0.3  –39.7 

HCOCOH (glyoxal)  –51.2  –0.1  –0.5  –50.7 

CH3CH2OH (ethanol)  –57.3  –0.1  0.0  –56.2 

CH3OCH3 (dimethylether)  –44.9  0.0  0.1  –44.0 

C2H4S (thiooxirane)  17.7  0.1  0.0  19.6 

(CH3)2SO (dimethyl sulfoxide)  –37.1  0.0  0.3  –36.2 

C2H5SH (ethanethiol)  –12.0  0.1  0.7  –11.1 

CH3SCH3 (dimethyl sulfide)  –10.0  –0.1  0.4  –9.0 

CH2=CHF (vinyl fluoride)  –34.3  –0.1  –0.4  –33.2 

C2H5Cl (ethyl chloride)  –27.4  0.0  0.1  –26.8 

CH2=CHCl (vinyl chloride)  5.1  0.0  –0.3  8.9 

CH2=CHCN (acrylonitrile)  45.6  –0.1  –0.5  43.2 

CH3COCH3 (acetone)  –52.2  0.0  –0.3  –51.9 

CH3COOH (acetic acid)  –103.7  0.0  –0.3  –103.4 

CH3COF (acetyl fluoride)  –105.3  0.0  –0.4  –105.7 

CH3COCl (acetyl chloride)  –57.9  0.0  –0.3  –58.0 

CH3CH2CH2Cl (propyl chloride)  –32.6  0.1  0.1  –31.5 

(CH3)2CHOH (isopropanol)  –66.5  0.0  0.0  –65.2 

C2H5OCH3 (methyl ethyl ether)  –53.1  0.0  0.0  –51.7 

(CH3)3N (trimethylamine)  –6.9  0.0  0.1  –5.7 

C4H4O (furan)  –7.9  –0.1  –0.5  –8.3 

C4H4S (thiophene)  27.3  0.0  –0.4  27.5 

C4H5N (pyrrole)  26.1  –0.1  –0.7  25.9 

C5H5N (pyridine)  34.4  –0.2  –0.7  33.6 

   

Inorganic hydides     

H2  –0.5  0.0  0.1  0.0 

(table is continued on next page) 

Page 149: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

134 

 

(Table 5.3 continued)     

Molecule  ccCA  ccCA(aug)  ccCA(TB)  Expt.a 

HS  34.1  0.1  0.3  34.2 

   

Radicals     

CCH  138.0  –0.1  –0.6  135.1 

C2H3 (2A')  71.9  –0.1  –0.4  71.6 

CH3CO (2A')  –2.4  0.0  –0.3  –2.5 

H2COH (2A)  –4.6  0.0  –0.1  –4.1 

CH3O (2A')  –4.8  0.0  –0.2  5.0 

CH3CH2O (2A'')  –3.3  –0.1  –0.2  –3.3 

CH3S (2A')  29.0  0.0  0.1  29.8 

C2H5 (2A')  28.8  0.0  –0.1  28.9 

(CH3)2CH (2A')  21.1  –0.1  –0.1  21.5 

(CH3)3C (t‐butyl radical)  12.5  0.0  –0.2  12.3 

   

MAD  0.1  0.3   

   a) Experimental enthalpies of formation were taken from Ref. 206. 

 

5.5.  % Disk Space Saved 

The average percent disk space saved for each individual truncated computation required 

for  ccCA(aug)  and  ccCA(TB)  as  compared  to  the  full  computations  required  for  ccCA  are 

reported in Table 5.4.  Removal of the augmented functions from the hydrogen atoms basis set 

provided  disk  space  saving  ranging  from  4.7  to  21.5  percent  for  the MP2/aug’‐cc‐pVDZ  and 

MP2/aug’‐cc‐pVQZ  computations,  respectively.   However,  the  CCSD(T)/cc‐pVTZ  and MP2/cc‐

pVTZ‐DK calculations did not result in any disk space savings within ccCA(aug) because neither 

Page 150: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

135 

 

of these steps include augmented basis functions. This is unfortunate because the CCSD(T)/cc‐

pVTZ computation  is the bottleneck  for ccCA and must be reduced to study  larger molecules.  

Although,  if a  reduction  in  the overall computational  scaling of ccCA  is warranted  the use of 

ccCA(aug) can reduced the disk space requirements for several steps as compared to ccCA. 

When  ccCA(TB)  is  utilized,  significant  disk  space  savings  as  compared  to  ccCA  was 

achieved.   As  shown  in Table 5.4,  the  truncated MP2/aug’‐cc‐pVQZ  computation  requires on 

average 39.8 percent less disk as compared to the full MP2/aug‐cc‐pVQZ. Additionally, the most 

expensive step in ccCA is the CCSD(T) step, which required 39.1 percent less disk space for the 

ccCA(TB) method as compared to ccCA.  As the CCSD(T)/cc‐pVTZ step in ccCA is the bottleneck, 

utilization of ccCA(TB) is a viable means to reduce the computational scaling of ccCA, which will 

allow larger molecules to be studied.   

Table 5.4.  Average percent disk  space  saved  for each step  in  ccCA(aug)  and  ccCA(TB)  as  compared  to ccCA(full).  The overall average percent disk space saved for ccCA(aug) and ccCA(TB) is also reported. 

% Disk Space Saved 

ccCA(aug)

MP2/aug’‐cc‐pVDZ  4.7 

MP2/aug’‐cc‐pVTZ  15.8 

MP2/aug’‐cc‐pVQZ  21.5 

CCSD(T)/cc‐pVTZ  0.0 

MP2(FC1)/aug’‐cc‐pCVTZ  15.4 

MP2/cc‐pVTZ‐DK  0.0 

(table is continued on next page) 

Page 151: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

136 

 

(Table 5.4 continued) 

% Disk Space Saved 

ccCA(TB)

MP2/aug’‐cc‐pVDZ  4.7 

MP2/aug’‐cc‐pVTZ  23.7 

MP2/aug’‐cc‐pVQZ  39.8 

CCSD(T)/cc‐pVTZ  39.3 

MP2(FC1)/aug’‐cc‐pCVTZ  22.1 

MP2/cc‐pVTZ‐DK  9.2 

 

5.6.  Conclusions 

Basis set truncation schemes were applied to ccCA, and it was shown that removal of the 

augmented functions from the correlation consistent basis sets for the hydrogen atom resulted 

in  only  a  small  impact  on  the  enthalpies  of  formation  computed with  ccCA. When  angular 

momentum  functions  greater  than  or  equal  to  d  functions  were  also  removed  from  the 

hydrogen basis  sets  there was a  significant effect on  the accuracy of  ccCA.   There error was 

shown  to  be  a  systematic  error  based  on  the  number  of  hydrogen  atoms  contained  in  the 

system.  A correction per hydrogen was developed to account for this systematic basis set error 

for each step of ccCA, resulting in the truncated basis set ccCA [ccCA(TB)].  Overall, the MAD for 

ccCA(aug) and ccCA(TB) as compared  to ccCA was 0.1 and 0.3 kcal/mol  for  the enthalpies of 

formation  of  the  G2/97  test  suite  of molecules.    The  ccCA(TB) method was  also  shown  to 

provide significant disk space savings as compared to ccCA with average disk space savings of 

39.8 and 39.3 percent for the MP2/aug’‐cc‐pVQZ and CCSD(T)/cc‐pVTZ steps, respectively. The 

ability  to  reduce  the  computational  scaling with  the  use  of  ccCA(TB)  proves  to  be  a  useful 

Page 152: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

137 

 

means  to  study  larger molecules.   Overall,  both  the  ccCA(aug)  and  ccCA(TB) methods were 

shown  to be viable means  to  reduce  the computational scaling of ccCA, while preserving  the 

overall accuracy of the composite approach. 

Page 153: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

138 

 

CHAPTER 6  

 

STRUCTURES AND THERMOCHEMISTRY OF THE ALKALI METAL OXIDE RADICALS, ANIONS, AND 

HYDROXIDES: ASSESSING THE VARIANT WnC METHODS 

 

6.1.  Introduction 

Alkali metal monoxides  and  hydroxides  play  an  important  role  in  areas  ranging  from 

atmospheric  chemistry  to  high‐temperature  combustion.207‐213  For  example,  the  lifetime  of 

NaO•  (A2Σ+)  is  sufficiently  long  so  as  to  enable  it  to  serve  as  the  chain  carrier  for  Na  (2Π) 

production  in  the mesosphere.214  In  terms of high‐temperature  combustion,  the presence of 

alkali metal monoxides and hydroxides (MO• and MOH with M = alkali metal), is a known cause 

of  corrosion  in high‐temperature  industrial  reactor  components, which  can  lead  to  industrial 

down  time.215‐217 These and many other  important applications have  led  to an  interest  in  the 

experimental  and  theoretical  characterization of  the  alkali metal monoxides  and hydroxides.  

Unfortunately,  there  is  little or no gas‐phase experimental  information currently available  for 

the enthalpies of  formation  for many of  these  species,  and  some of  the  known  values have 

large uncertainties, such as the experimental enthalpy of formation for the KO• radical (71.13 ± 

42 kJ/mol).218 This  limited amount of experimental data has encouraged many computational 

studies on the alkali metal monoxides and hydroxides.219‐236   

One  of  the most  thoroughly  studied  and  still  unresolved  problems  for  the  alkali metal 

monoxides  relates  to  the  ground  state  of  the  MO•  radicals.  Although  experimental  and 

Page 154: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

139 

 

theoretical studies have shown that the ground state changes from 2Π to 2Σ+ as the size of the 

alkali metal  increases,237‐243 agreement has not  yet been  reached as  to where  this  crossover 

occurs. Thus, while both experimental and theoretical studies agree that the ground states of 

NaO• and RbO• are 2Π and 2Σ+, respectively,126,219,224,234,239 there is yet no clear consensus about 

the ground  state of KO•. One of  the earliest experimental  studies was a magnetic deflection 

experiment, which  pointed  to  a  2Σ+  ground  state  for  KO•.238 On  the  other  hand,  two  other 

experiments have suggested that the ground state of KO• is 2Π. These conclusions were based 

upon a failure to observe an electron spin resonance (ESR) spectrum, which was suggested to 

be  consistent with  a  2Π  state,239  as well  as  from  rotational  spectroscopy  experiments  that 

concluded the 2Π state to be 2.4 kJ/mol lower in energy than 2Σ+.244,245   

One of the earliest theoretical studies on the alkali metal monoxides was carried out by 

Richards and So  in 1975.234 They  considered NaO•, KO•, and RbO• by means of Hartree‐Fock 

calculations and  found a 2Π ground state  for NaO• and 2Σ+ ground state  for KO• and RbO•,  in 

agreement with  the magnetic deflection experiment.  In contrast, Allison et al. more  recently 

reported  that  the  ground  state of KO•  is  2Π.219 Their  conclusion was based on  configuration 

interaction calculations that  included single and double excitations (CISD) and used a valence‐

double‐zeta  contraction of  a basis  set developed by Rappe  and Goddard.246 However,  it has 

been  suggested  that  the basis  set used  in  their  study was  too  small, which  could  lead  to an 

incorrect prediction of the ground state.232 Bauschlicher, Partridge, and Dyall also showed that 

basis set choice could  lead  to basis set superposition errors  (BSSE) as  large as 2–5 kJ/mol  for  

the 2Π and 2Σ+ states of KO,220 which is greater than the predicted splitting for these states.   

Page 155: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

140 

 

Allison et al. provided a qualitative explanation  for  the observed  change  in  the ground 

state of the MO• radical as the size of the alkali metal increases,219 based on a balance between 

the Pauli repulsive forces and the quadrupole interactions. They noted that the Pauli repulsive 

term is smaller for the 2Σ+ state than for the 2Π state, and is proportional to 1/  (where Re is 

the M–O bond  length). On the other hand, the quadrupole term  is repulsive  for the 2Σ+ state 

but decreases  rapidly with  increasing metal  size because  the  interactions are proportional  to 

1/ .  Thus, when the metal is small and Re is small, the 2Π state lies lower in energy due to a 

dominant repulsive quadrupole term for the 2Σ+ state. However, as the metal increases in size 

(leading to a larger Re), the quadrupole interaction term becomes negligible, and the Pauli term, 

which favors the 2Σ+ state, dominates.    

More  recently,  Lee  et  al.  carried  out  a  comprehensive  study  on  the  KO•  radical  that 

considered  the  effects  of  spin‐orbit  coupling,  core‐valence  correlation,  and  BSSE.228  Coupled 

cluster  calculations  with  single,  double  and  quasiperturbative  triple  excitations  [CCSD(T)] 

combined with five different basis sets were performed. The  largest basis set for K  included a 

[3s2p] contraction of Huzinaga and Klobukowski’s  (24s16p) basis,247 augmented with 9s, 10p, 

6d, 5f, 4g, 2h and 2i functions, resulting  in a [12s12p6d5f4g2h2i] basis set, while the standard 

augmented correlation‐consistent sextuple‐zeta basis set [aug‐cc‐pV6Z] was used for O.110 Lee 

et al. concluded that the 2Σ+ state  is the ground state for KO• when spin‐orbit coupling  is not 

considered, and that core‐valence effects and BSSE corrections do not change the ordering of 

the 2Π and 2Σ+ states, regardless of the basis set used. A principal objective of their study was 

to examine the impact of spin‐orbit coupling, included by means of the Breit‐Pauli operator, on 

Page 156: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

the potential energy curves for the low‐lying states of KO•.248 They found that when spin‐orbit 

coupling  is not considered,  the  2Π and  1Σ+ potential energy curves cross near  their minimum 

energies. However, when spin‐orbit coupling is considered, an avoided crossing occurs between 

the  2Π  and  2Σ+  (actually  2Π1/2  and 2Σ )  potential  energy  curves.  This  leads  to  the  lowest 

energy state of the KO• radical being the 2Σ  state at short R, but the 2Π1/2 state at  large R.  

The avoided  crossing and mixing of  the  2Σ  and  2Π1/2  states  suggest  that  the use of multi‐

reference methods  in  the determination of  the  2Π  and  2Σ+ electronic  structures  for  the KO• 

radical may  be  necessary.  Lee  et  al.  suggested  the  complicated  electronic  structure  for  the 

lowest  energy  state  as  a  possible  reason why  there may  be  difficulties  in  interpreting  the 

microwave spectrum of KO•. 

+2/1

+2/1

+2/1

Prior  to  the  study of  Lee  et al., Bauschlicher  et al. examined  the  ground  and  low‐lying 

states  of MO•  radicals  and MO–  anions  (where M  =  Li,  Na,  and  K)221  using multi‐reference 

configuration  interaction calculations that  included single and double excitations, as well as a 

size‐consistency correction (MRCI+Q).249 This method was combined with basis sets having the 

form  of  (14s9p5d3f)/[9s7p5d3f],  (20s14p3d2f)/[9s7p3d2f],  (25s18p4d3f)/[9s9p4d3f],  and 

(11s6p3d1f)/[5s4p3d1f]  for  the  Li,  Na,  K,  and  O  atoms,  respectively.  Bauschlicher  et  al. 

concluded that the ground state of KO• is 2Σ+, with a splitting of 2.2 kJ/mol between the 2Π and 

2Σ+ states.  Their study also found that the ground state for the anions changes from 3Π to 1Σ+ 

as the size of the alkali metal increases. While the ground states of LiO– and KO– were found to 

be  3Π  and  1Σ+,  respectively,  the  study  was  inconclusive  about  the  ground  state  of  

NaO–. 

141 

 

Page 157: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

142 

 

These  previous  studies  have  shown  that  the  theoretical  prediction  of  energy‐related 

properties for the alkali metal monoxides may be problematic and may require the use of multi‐

reference  methods  in  the  case  of  systems  that  possess  large  multi‐reference  character. 

Additionally,  the multi‐reference methods should be combined with  large basis sets, as small 

basis  sets  were  suggested  to  result  in  the  incorrect  ground  state  for  the  KO•  radical.220 

Unfortunately,  the  use  of  multi‐reference  methods  with  large  basis  sets  can  become 

computationally very demanding in terms of memory, disk space, and CPU time requirements.  

Therefore, we  have  investigated  the  use  of  high‐level  composite  approaches  in  the  present 

study.   

The  philosophy  of  the  composite  methods  is  to  combine  a  series  of  results  from 

computationally simpler ab initio methods in order to approximate results for a more accurate, 

but computationally more expensive approach. There are several types of composite methods 

in  current  use,  including  the  Gaussian  approaches  of  Pople,  Curtiss,  Raghavachari  and  co‐

workers (e.g.,G1, G2, G3, G3X and G4),59‐77,197 the complete‐basis‐set methods of Petersson and 

co‐workers (e.g., CBS‐QB3),87‐94 the Weizmann methods of Martin and co‐workers [W1, W2, W3 

and W4],78‐83  the  HEAT method  of  Stanton  and  co‐workers,84‐86  and  the  recent  correlation‐

consistent  composite  approach  of  Wilson  and  co‐workers  (ccCA).95‐101  The  present  study 

investigates  the  use  of  several modified  versions  of  the Wn methods,  which  were  chosen 

because of their ability to achieve accuracies of ~1 kJ/mol for thermochemical properties such 

as  enthalpies  of  formation,  ionization  energies,  electron  affinities  and  proton  affinities.81,83  

Additionally,  the  Wn  methods  have  been  adapted  to  incorporate  multi‐reference 

Page 158: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

143 

 

procedures,250‐252 which may be necessary for some of the systems that will be studied, such as 

the KO• radical.228  A detailed discussion of the Wn methods follows in Section 6.2.1.  

In previous studies that used composite methods for alkali metal and alkaline earth metal 

compounds,  it has been  found  that  standard  implementations  are  sometimes not  sufficient.  

For example, Schulz et al. found that the standard G2 method performed poorly in determining 

thermochemical properties for the alkali metal and alkaline earth metal oxides and hydroxides 

(M2O, MOH where M = Li, Na, and K; M'O, M'(OH)2 where M' = Be, Mg, and Ca), with errors 

greater than 100 kJ/mol.177  They found that by extending the correlation space, using CCSD(T) 

instead of QCISD(T), and performing CCSD(T)/6‐311+G(3df,2p) calculations without the additive 

approximations,  the  large  errors  obtained  in  the G2  calculations  no  longer  occur. However, 

there were still several calculated values that deviated from experiment by 10–30 kJ/mol, such 

as the enthalpies of formation for CaO, Be(OH)2, Mg(OH)2, Ca(OH)2, and K2O.   

Sullivan et al. explored variants of  the G3 and Wn methods.129 They concluded  that  the 

accuracy of the G3 method was optimal when a relaxed‐inner‐valence correlation space for the 

metal and a relaxed‐valence correlation space for the oxygen (riv,rv) was used, as found earlier 

by Schultz et al. for G2.177 The (riv,rv) active space is shown in Table 6.1. The (riv,rv) correlation 

space, however, was  found to  lead to spectacular  failures  for the Wn methods.   One notable 

example is the enthalpy of formation for NaOH, which is listed as –197.76 kJ/mol in the JANAF 

tables.218  Using  the  standard  correlation  space,  the  W1  method  gave  a  value  of  

–187.7  kJ/mol,  but  the W1 method  using  (riv,rv)  resulted  in  a  value  of  –286.9  kJ/mol.    The 

failures in the Wn methods when combined with the (riv,rv) correlation space were found to be 

Page 159: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

144 

 

associated with  the  use  of  the  standard  Dunning  correlation‐consistent  basis  sets  (cc‐pVnZ 

where n = D(2), T(3), etc.).105,107,109‐112  These basis sets were not designed to describe the inner‐

valence  region  that  was  being  relaxed.  To  compensate  for  this  need,  Sullivan  et  al.  used 

core‐valence basis  sets, cc‐pWCVnZ  (denoted WCVnZ, where  the W  stands  for Weizmann,  to 

distinguish  them  from  the existing cc‐pCVnZ113,114 and cc‐pwCVnZ253 basis sets), developed by 

Martin,254  in modified Wn methods denoted WnC. The WnC methods, which use  the  (riv,rv) 

correlation space, showed significant improvements over the Wn (riv,rv) methods. For example, 

W1C  predicts  an  enthalpy  of  formation  of  –189.6  kJ/mol  for NaOH,129 which  is  a  significant 

improvement over the W1 (riv,rv) value of –286.9 kJ/mol.   

Table 6.1.  Orbitals  included  in the correlation space defined as relaxed valence  (rv)  for  non‐metals  and relaxed  inner  valence  (riv)  for  alkali metals.a 

Atom  Frozen  active 

rv:  1s  2s 2p 

O  1s 

riv: 

Li  1s 2s 2p 

Na  1s  2s 2p 3s 3p 

K  1s 2s 2p  3s 3p 4s 4p a) Correlation space used in 

Ref. 177 and 129 

In  the  present  study,  the  performance  of  the WnC methods  is  assessed  for  describing 

alkali metal monoxide radicals (MO•), anions (MO–) and hydroxides (MOH). The utility of these 

Page 160: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

145 

 

methods has been compared with prior experiment and theoretical results, and the structures 

and molecular  properties  of MO•, MO–  and MOH  (M  =  Li, Na,  and  K)  have  been  examined.  

Specifically, this study  investigated  (a) the enthalpies of  formation  for all of these species, (b) 

the  state  splitting  for MO•  and MO–,  (c)  the  electron  affinities  for MO•,  and  (d)  the  bond 

dissociation energies and gas‐phase acidities for MOH.   

 

6.2.  Methodology 

The  W1  and  W2  methods81,83  use  extrapolation  procedures  to  estimate  the  CCSD(T) 

complete‐basis‐set  (CBS)  limit  in a cost‐effective way. The CCSD(T) CBS  limit  is then used as a 

reference energy to which corrections are added to provide the final W1 and W2 total energies.  

These  corrections  include  core  correlation,  scalar  relativistic  effects,  first‐order  spin‐orbit 

coupling, and zero‐point vibrational energies.   While details of the W1 and W2 methods have 

been described previously,81,83 the methods and their variants are summarized briefly below for 

completeness. 

6.2.1.  W1 and W2 Methods 

The  standard  procedures  use  B3LYP/cc‐pVTZ+1  and  CCSD(T)/cc‐pVQZ+1  optimized 

geometries  for  the  W1  and  W2  procedures,  respectively,  where  the  +1  indicates  that  an 

additional tight d function has been added to the Dunning’s cc‐pVnZ basis set for second row 

atoms.  It  should  be  noted  that  the  +1  basis  sets  are  different  from  the  tight  d  correlation 

consistent basis set [cc‐pV(n+d)Z] developed by Dunning, Peterson, and Wilson for second row 

atoms.105 While the use of the Dunning basis sets  is highly recommended due to their careful, 

Page 161: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

146 

 

systematic  development  and well‐established  behavior, Martin’s  basis  sets were  utilized  to 

maintain consistency with Sullivan’s previous study.129  

CCSD single point calculations are then performed using the above geometries combined 

with the aug'‐cc‐pV5Z+2d1f basis set, and CCSD(T) calculations are performed with the aug'‐cc‐

pVDZ+2d and aug'‐cc‐pVnZ+2d1f    [where n = T(3), Q(4)] basis sets.   Again, the +2d and +2d1f 

indicate that there are high exponent d and f functions added to the basis set for second row 

atoms. The aug' prefix indicates that diffuse functions are not included on hydrogen, Group I, or 

Group II metal atoms. The CCSD correlation and triple‐excitation (T) components of the CCSD(T) 

total energy and  the SCF  total energy are all separately extrapolated  to obtain CBS  limits  for 

each component.  

Both the W1 and W2 methods determine the CBS limit of the SCF component by using a 

two‐point extrapolation formula,83  

El E∞ B/lmax5                                                                                                                  6.1                                     

for the extrapolation of the SCF total energy, where El is the energy of a given basis set [i.e. DZ, 

TZ, etc.], lmax is the maximum angular momentum function for a given basis set [d = 2, f = 3, g = 

4,  etc.  for  main  group  atoms],  E∞  is  the  energy  at  the  CBS  limit,  and  B  is  a  parameter 

determined  during  the  fit.  However,  these  two  methods  differ  in  that  the  W1  method 

determines  the  SCF  energies  using  the  aug'‐cc‐pVTZ+2d1f  and  aug'‐cc‐pVQZ+2d1f  basis  sets, 

while  the W2 method determines  the SCF energies using  the aug'‐cc‐pVQZ+2d1f and aug'‐cc‐

pV5Z+2d1f basis sets.   

The CCSD contribution to the total energy is extrapolated using the formula,83  

Page 162: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

147 

 

E∞ El El‐El‐1 / lmax

lmax‐1

α

‐ 1                                                                     6.2   

 [where α=3 and 3.22 for the W1 and W2 methods, respectively].  The CCSD contribution to the 

energy  is  found  by  subtracting  the  SCF  energy  from  the  CCSD  energy,  and  the  CCSD 

components used in the extrapolation for W1 came from using the aug'‐cc‐pVTZ+2d1f and aug'‐

cc‐pVQZ+2d1f basis sets while the W2 used the aug'‐cc‐pVQZ+2d1f and aug'‐cc‐pV5Z+2d1f basis 

sets. Lastly, the (T) contribution is extrapolated using Eqn. 6.2, but the energies used in the (T) 

extrapolation were determined with the smaller aug'‐cc‐pVDZ+2d and aug'‐cc‐pVTZ+2d1f basis 

sets  for  the W1 method and aug'‐cc‐pVTZ+2d1f and aug'‐cc‐pVQZ+2d1f basis sets  for  the W2 

method.  

Once  the CCSD(T) CBS  limit  is determined,  core  correlation  is  then  added by means of 

taking  the  difference  in  CCSD(T)/MTsmall  calculations  with  and  without  the  core  electrons 

frozen.   The MTsmall core correlation basis  sets81 consists of Dunning’s uncontracted  triple‐ζ 

basis set and  includes 2d and 1f core  functions that are derived  from the highest exponent d 

and  f  angular momentum  functions,  successively multiplied  by  3.    Lastly,  scalar  relativistic 

corrections  are  added which  are  obtained  as  the ACPF  expectation  values  of  the  first‐order 

Darwin and mass‐velocity operators.255,256   However,  the 1s orbital on  second‐ and  third‐row 

atoms are held frozen for all core correlation and scalar relativistic calculations.   

6.2.2.  W1C and W2C Methods 

As noted above, earlier work by Sullivan et al. found that relaxation of the  inner‐valence 

space on  the alkali metals could  lead  to  large errors  for  the standard Wn methods.129   These 

errors were attributed to deficiencies in the cc‐pVnZ basis set description of the core region, so 

Page 163: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

148 

 

the cc‐pWCVnZ core‐valence basis sets, which help alleviate this deficiency, were developed by 

Martin.254  This modification to the Wn methods has been incorporated in the WnC methods.  

The W1C  procedure  uses  the  same  geometries  as  standard W1  [B3LYP/cc‐pVTZ+1]  for 

first‐  and  second‐row  systems, while  the  geometries  for  third‐row  systems were  calculated 

using B3LYP/A'WCVTZ, where A'WCVnZ represents the aug'‐cc‐pWCVnZ basis set. Here, aug'  is 

again used to denote that only the oxygen atom  is augmented with a set of diffuse functions. 

The W2C procedure calculates all geometries using the A'WCVQZ basis sets for first‐, second‐, 

and third‐row systems.   

The current study has altered the WnC methods slightly from the previous work by using 

more accurate geometries. B3LYP/A'WCV5Z geometries are used  for  the W1C method, while 

CCSD(T)/A'WCV5Z  and CCSD(T)/AA'WCV5Z  geometries  are used  for  the W2C method, where 

AA'WCVnZ denotes the aug‐aug'‐cc‐pWCVnZ basis set, which includes a set of diffuse functions 

on the alkali metal. The correlation space used for all of the WnC methods is (riv,rv).   

6.2.3.  Multi‐Reference W2C Methods 

The  earlier  work  of  Sullivan  et  al.  obtained  the  T1  diagnostic231  and  the  percent  SCF 

contribution  to  the  total  atomization  energy,252  to  give  an  indication of  the extent of multi‐

reference character. They  found  that several of  the alkali metal oxides  indeed possess values 

for  these  indicators  that  suggest  significant  multi‐reference  character  [multi‐reference 

character is discussed in Chapter 7], and so they used the multi‐reference versions of the W2C 

procedure.250‐252    Therefore,  the  multi‐reference  methods  are  also  utilized  in  this  study. 

Specifically,  the  single‐reference  CCSD(T)  calculations  of  W2C  are  replaced  in  the  multi‐

Page 164: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

149 

 

reference  variants  by  averaged  coupled‐pair  functional  (ACPF)257,258  or  averaged  quadratic 

coupled cluster  (AQCC)259‐261 calculations. The  resultant methods are denoted W2C‐CAS‐ACPF 

and W2C‐CAS‐AQCC, respectively.129   

For the present work, all of the multi‐reference W2C calculations are based on geometries 

calculated  using  the  multi‐reference  configuration  interaction  method  including  single  and 

double  excitations  and  a  size‐consistency  correction  [MRCI+Q],  combined with  the A'WCV5Z 

and AA'WCV5Z basis sets, resulting  in  four varieties of multi‐reference W2C methods, namely 

W2C‐CAS‐ACPF//A'WCV5Z,  W2C‐CAS‐ACPF//AA'WCV5Z,  W2C‐CAS‐AQCC//A'WCV5Z,  and 

W2C‐CAS‐ACPF//AA'WCV5Z, where //A'WCV5Z and //AA'WCV5Z indicate the use of geometries 

optimized at the MRCI+Q level using these basis sets.   

All of the multi‐reference methods used in the W2C methods include a correction for size 

inconsistency; size inconsistency can arise from the use of a truncated configuration interaction 

method [i.e. CISD].262  The ACPF and AQCC methods include a size consistency correction to the 

Hamiltonian, while  the MRCI+Q  calculation  includes  an  a  posteriori  correction.    It  has  been 

shown that, although the ACPF and AQCC methods are not strictly size‐consistent, the error due 

to  size  consistency  is  negligible  for  practical  applications.261    For  all  of  the multi‐reference 

calculations, the (riv,rv) correlation space has been used.   

6.2.4.  Geometries and Energies 

Geometries were determined by  first calculating the potential energy curves  for each of 

the  states  of MO–  and MO•  (where M  =  Li, Na,  and  K)  using  the  following  levels  of  theory: 

B3LYP/A'WCV5Z,  CCSD(T)/A'WCV5Z,  CCSD(T)/AA'WCV5Z,  MRCI+Q/A'WCV5Z  and 

Page 165: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

150 

 

MRCI+Q/AA'WCV5Z. A  standard Dunham  analysis263 was  then performed on  a  series of nine 

points with bond distances ranging from 1.06–2.12 Å, 1.59–2.96 Å, and 1.85–3.18 Å for LiO• and 

LiO–, NaO• and NaO–, and KO• and KO–, respectively, separated by 0.05 Å around the minima of 

the potential energy curves.   A seventh‐order polynomial was used to fit the potential energy 

curve  to determine  the optimal bond distances  for  the MO– and MO•  species.  For  the alkali 

metal hydroxides  (MOH),  standard  geometry optimizations were performed using  the  above 

levels of theory. Frequency calculations were carried out using B3LYP/A'WCV5Z to obtain zero‐

point  vibrational  energies  (ZPVE)  and  enthalpy  temperature  corrections  (ΔΔHf)  for  the 

determination of the enthalpies of formation at 298 K (ΔHf°). The vibrational frequencies were 

scaled  by  0.985  in  accordance with  the  standard W1  and W2  procedures.81,83  Enthalpies  of 

formation  were  obtained  using  the  atomization  method,  which  is    discussed  in  detail  by 

Nicolaides  et  al.264  All  calculations were  carried  out with  the  Gaussian  or Molpro  program 

packages.170,200 

 

6.3.  Results and Discussion 

6.3.1.  Extent of Multi‐Reference Character 

The T1 diagnostic and  the percent SCF  contribution  to  the  total atomization energy are 

presented  in  Table  6.2.  A  value  greater  than  0.02  for  the  T1  diagnostic  or  a  percent  SCF 

contribution to the total atomization energy that is smaller than 30 percent has previously been 

shown  to be  indicators  that  single  reference methods  could  fail due  to high multi‐reference 

character. Looking at Table 6.2,  there are several states  for which  the T1 diagnostic  is slightly 

Page 166: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

151 

 

larger than 0.02. Some examples include the 3Π and 3Σ+ states for LiO– and KO– for which the T1 

diagnostic  is  0.021,  0.022,  0.023,  and  0.023,  respectively.  However,  the  percent  SCF 

contribution to the total atomization energy for these states is well above 30 percent with 39.8 

percent  being  the  lowest,  which  was  determined  for  the  3Σ+  KO–  state  with  the 

CCSD(T)/A'WCV5Z geometry. The most significant multi‐reference character is seen for the 1Σ+ 

state  for LiO–, NaO–, and KO–,  for which the percent SCF contribution to the total energy was 

found  to  be  –11.5,  –60.4,  and  –54.9  percent,  respectively,  utilizing  CCSD(T)/AA'WCV5Z.      It 

should  be  noted,  that  the  T1  diagnostic  and  the  percent  SCF  contribution  to  the  total 

atomization energy presented in Table 6.2 are indications that multi‐reference methods may be 

needed,  but  they  do  not  guarantee  that  single  reference methods  will  fail.  By  far,  the  T1 

diagnostic of 0.150 and a percent SCF  contribution of –51.7 percent  for  the  1Σ+  state of KO– 

using CCSD(T)/A'WCV5Z suggest that multi‐reference methods should be considered. 

Page 167: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

152 

 

Table 6.2.  T1 Diagnostic and Percent SCF Contribution to the Total Atomization Energy (kJ/mol) for various geometries. 

Molecule  State  % SCF Contribution    T1 

     CCSD(T)/ 

A'WCV5Z aCCSD(T)/ 

A'WCV5Z bCCSD(T)/ 

AA'WCV5Z c  CCSD(T)/ 

A'WCV5Z a 

LiO–  1Π 57.6  57.5  58.4    0.016 1Σ+ –11.3  –11.5  –11.5    0.067 3Π 53.9  54.0  54.6    0.021 3Σ+ 48.6  48.7  49.4    0.022 

LiO•  2Π 51.2  51.1  51.1    0.018 2Σ+ 45.6  45.5  45.8    0.019 

LiOH  65.8  65.8  65.9    0.012 

NaO–  1Π 47.6  47.5  47.9    0.016 1Σ+ –60.1  –60.6  –60.4    0.045 3Π 43.5  43.2  43.7    0.020 3Σ+ 39.4  39.1  39.6    0.019 

NaO•  2Π 34.9  35.0  35.0    0.018 2Σ+ 29.2  29.3  29.3    0.016 

NaOH  61.2  61.3  61.3    0.011 

KO–  1Π 43.8  45.7  47.5    0.019 1Σ+ –57.4  –51.7  –54.9    0.150 3Π 42.1  41.4  43.3    0.023 3Σ+ 40.6  39.8  41.8    0.023 

KO•  2Π 38.1  37.9  37.9    0.017 2Σ+ 36.7  36.4  36.4    0.013 

KOH  62.0  61.8  61.8    0.012 a) Geometries computed with B3LYP/A'WCV5Z b) Geometries computed with CCSD(T)/A'WCV5Z c) Geometries computed with CCSD(T)/AA'WCV5Z 

Page 168: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

153 

 

6.3.2.  Geometries 

Optimized structures for the metal oxides and hydroxides are presented in Table 6.3.  As 

previously mentioned,  there  is only a  small amount of experimental data available  for  these 

systems, but the available data  is given for comparison. Bond  lengths calculated at the B3LYP, 

CCSD(T) and MRCI+Q  levels using  the A'WCV5Z basis  set are generally quite  similar, all  lying 

within   ~0.01 Å of each other. However,  the bond  lengths  calculated with B3LYP  for  the  1Σ+ 

state of the anions (MO–) show quite  large deviations from results obtained with CCSD(T) and 

MRCI+Q, which is due to the large multi‐reference character of the 1Σ+ state.  Thus, the B3LYP 

metal–oxygen bond distances differ from MRCI+Q values by 0.081, 0.040, and 0.074 Å for LiO–, 

NaO–,  and  KO–,  respectively.  Overall,  the  mean  absolute  deviations  (MAD)  for  the 

B3LYP/A'WCV5Z geometries, as  compared with CCSD(T) and MRCI+Q were both  found  to be 

0.017  Å.  It  should  be  noted  that  the MADs  are  significantly  reduced when  the  1Σ+  state  is 

omitted  from  the  analysis, with MAD  values  of  0.006Å  as  compared with  both CCSD(T)  and 

MRCI+Q.  

CCSD(T) performed well for the geometries of species for which multi‐reference character 

was negligible. However, CCSD(T) showed a  large deviation  for  the  1Σ+ state due  to  the  large 

multi‐reference character  for  this  state.  In comparing  the performance of CCSD(T)/ A'WCV5Z 

and CCSD(T)/AA'WCV5Z, we generally find differences in bond lengths that are less than 0.001 

Å. However, this is not the case for the KO– anion, for which the AA'WCV5Z basis set gives bond 

lengths that are shorter by 0.018, 0.039, 0.017, and 0.018 Å for the 1Π, 1Σ+, 3Π, and 3Σ+ states, 

respectively. Overall,  the MADs  for  the CCSD(T) bond  lengths, as compared with  the MRCI+Q 

Page 169: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

154 

 

computations, are 0.022 Å for both the A'WCV5Z and AA'WCV5Z basis sets. When the 1Σ+ state 

is  omitted,  the  MAD  for  the  CCSD(T)/A'WCV5Z  geometries  is  0.006  as  compared  with 

MRCI+Q/A'WCV5Z geometries. When the AA'WCV5Z basis set is used, the corresponding MAD 

is 0.002 Å. 

Page 170: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

155 

 

Table 6.3.  Optimized Geometries (Å) for Alkali Metal Monoxide Anions (MO–), Radicals (MO•) and Hydroxides (MOH). 

Molecule  State B3LYP/ A'WCV5Z 

MRCI+Q/  A'WCV5Z 

MRCI+Q/ AA'WCV5Z 

CCSD(T)/  A'WCV5Z 

CCSD(T)/     AA'WCV5Z 

Expt. 

LiO–  1Π 1.752  1.759  1.749  1.755  1.746   

  1Σ+ 1.606  1.697  1.687  1.647  1.648   

   

   

   

   

   

   

   

   

         

  3Π 1.752  1.752  1.747  1.755  1.746

  3Σ+ 1.667  1.670  1.660  1.671  1.659

LiO•  2Π 1.684  1.689  1.689  1.689  1.689  1.688d 

  2Σ+ 1.588  1.591  1.591  1.591  1.591  1.599a 

LiOH  r(Li–O)  1.580  1.580  1.580  1.580  1.580  1.5816(10)b 

  r(O–H)  0.948  0.949  0.948  0.949  0.949  0.9691(21)b

NaO–  1Π 2.152  2.142  2.136  2.138  2.134

  1Σ+ 2.003  2.045  2.043  1.979  1.977

  3Π 2.153  2.144  2.140  2.140  2.134

  3Σ+ 2.063  2.048  2.043  2.050  2.044

NaO•  2Π 2.060  2.053  2.054  2.054  2.054  2.052c 

  2Σ+ 1.956  1.952  1.952  1.952  1.952  1.95 a 

NaOH  r(Na–O)  1.940  1.940  1.939  1.940  1.939  1.95(2)b 

  r(O–H)  0.951  0.951  0.952  0.951  0.952

KO–  1Π 2.441  2.443  2.422  2.437  2.420

(table is continued on next page)

Page 171: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

156 

 

       (Table 6.3 continued)   

Molecule  State B3LYP/ A'WCV5Z 

MRCI+Q/  A'WCV5Z 

MRCI+Q/ AA'WCV5Z 

CCSD(T)/  A'WCV5Z 

CCSD(T)/     AA'WCV5Z 

Expt. 

KO–  3Π 2.444  2.440  2.417  2.438  2.421   

  3Σ+ 2.288  2.284  2.265  2.281  2.263   

KO•  2Π 2.322  2.326  2.326  2.324  2.324  2.321c 

  2Σ+ 2.168  2.174  2.174  2.171  2.171  2.168c 

KOH  r(M‐O)  2.203  2.205  2.202  2.202  2.202  2.196(3)b 

  r(O‐H)  0.955  0.951  0.955  0.955  0.955  0.960(10)b a) From Ref. 205 b) From Ref. 265 c) From Ref. 126 d) From Ref. 127 e) From Ref. 266 

 

Page 172: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

157 

 

6.3.3.  Enthalpies of Formation 

The calculated and experimental enthalpies of  formation  for the alkali metal hydroxides 

are displayed  in Table 6.4.  In  some  cases,  the experimental values  show  significant variation 

among  the  different  experimental  studies  and  some  of  these  studies  have  significant 

uncertainties. On  the basis of high‐level  theoretical calculations, Sullivan et al.  recommended 

values  of  –239  ±  5,  –189  ±  5,  and  –223  ±  5  kJ/mol  for  LiOH, NaOH,  and  KOH,  respectively, 

calculated  as  a weighted  average  of  their  two  best  theoretical  predictions  [W2C//ACQ  and 

G3[CC](dir,full)].129 The enthalpies of formation found  in the present study for the alkali metal 

hydroxides  lie within these uncertainties with the exception of the W2C‐CAS‐AQCC results for 

LiOH, NaOH,  and  KOH, which  are  2.1,  1.0,  and  2.0  kJ/mol  lower  in  energy  than  the  values 

computed by Sullivan et al., respectively.129  

For  the present  theoretical predictions, a  similar approach  to  Sullivan et al.  is  taken  to 

obtained  values  by  averaging  results  at  the  three  highest  levels  of  theory,  namely  W2C, 

W2C‐CAS‐ACPF,  and W2C‐CAS‐AQCC  using  geometries  optimized  at  the  CCSD(T)  or MRCI+Q 

level with the AA'WCV5Z basis set. The one exception is for the 1Σ+ state, which has been taken 

as  the  average  of  the  W2C‐CAS‐ACPF  and  W2C‐CAS‐AQCC  results  (again  obtained  using 

MRCI+Q/AA'WCV5Z optimized geometries). The single‐reference W2C value was omitted in this 

case due to the large multi‐reference character in the 1Σ+ state of the MO– anions as reflected, 

for example, in the ~20–30 kJ/mol difference between the single‐reference and multi‐reference 

W2C results for the enthalpy of formation of the KO– 1Σ+ state.   

Page 173: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

158 

 

Comparison of the averaged enthalpies of formation with the experimental values shows 

that  for  the  2Π state of NaO• our value of 86.4 kJ/mol  lies close  to one of    the experimental 

values  (87.4  kJ/mol).218,267    For KO•,  the  computed enthalpy of  formation of 57.0  kJ/mol  lies 

within 5 kJ/mol of Pedley and Marshall’s value of 59.86 ± 4.16 kJ/mol as well as Lamoreaux and 

Hildenbrands value of 61 ± 21 kJ/mol.268,269  It is interesting to note that JANAF lists a value for 

the  enthalpy  of  formation  for  KO•  of  71.13  ±  41.9  kJ/mol,218 which  is more  than  10  kJ/mol 

above the computed value (57.0 kJ/mol), and carries a large uncertainty. It seems questionable 

whether  this  is  the best  choice among  the experimental  values due  to  the  large uncertainty 

associated with  the experiment.  The deviation between  the  averaged enthalpy of  formation 

and the experimental values  is  largest for the LiO• radical, with all of the experimental values 

lying  20–30  kJ/mol  higher  than  the  recommended  values  in  Table  6.4.  This  large  deviation 

between  theory  and  experiment  was  previously  observed  in  the  determination  of  the 

dissociation  energy  for  the  LiO•  2Π  radical.  Specifically,  Lee  et  al.  computed  a  dissociation 

energy of 355.06  kJ/mol by means of  a RCCSD(T)  computation utilizing  a quintuple‐ζ quality 

basis  set.227  Experimentally,  the  dissociation  energy  for  LiO•  is  336.73  kJ/mol,  which  was 

determined by Hildenbrand.270 This dissociation energy was determined  from the enthalpy of 

formation that Hildenbrand found for LiO• (69.01 kJ/mol) and  is 20‐30 kJ/mol  lower  in energy 

than  the  enthalpies  of  formation  computed  in  the  current  study.  The  difference  between 

experiment and theory for the LiO• radical was previously observed by Langhoff who noted that 

the  experimentally  derived  2Π–2Σ+  energy  separation  (30.68  kJ/mol)126,245  is  similar  to  the 

difference  between  the  theoretically  and  experimentally  determined  enthalpy  of  formation. 

Page 174: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

159 

 

Langhoff suggested the excited A2Σ+ state and not the ground X2Π state was prepared during 

the  experiment  that  determined  the  enthalpy  of  formation  for  the  LiO•  radical.224,225    It  is 

interesting to note that the recommendation for the A2Σ+ enthalpy of formation (79 kJ/mol) is 

within  5  kJ/mol  of  the  experimental  enthalpy  of  formation  determined  for  the  X2Π  state 

(84.10±20.9  kJ/mol).218  It  seems  reasonable  to  suggest  that  the  experimental  enthalpy  of 

formation for the LiO X2Π radical may need to be re‐examined. 

Page 175: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

160 

 

Table 6.4.  Enthalpies of Formation (298 K, kJ/mol) for Alkali Metal Monoxide Anions (MO–), Radicals (MO•) and Hydroxides (MOH). 

Molecule State W1C//    

A'WCV5Z W2C//   

A'WCV5Z W2C//   

AA'WCV5Z

W2C‐CAS‐ACPF// A'WCV5Z 

W2C‐CAS‐ACPF// 

AA'WCV5Z

W2C‐CAS‐AQCC// A'WCV5Z 

W2C‐CAS‐AQCC// 

AA'WCV5ZAverage Experiment 

LiO–  1Π 18.7  18.2  16.2  13.1  9.1  12.8  8.9  11.4   

  1Σ+ 19.2  20.8  20.6  21.0  20.1  24.5  23.7  21.9   

   

   

   

   

         

  3Π 15.0  15.1  11.5  10.9  7.2  10.6  6.8  8.5

  3Σ+ 48.0  48.2  44.4  44.3  40.6  43.6  39.8  41.6

LiO•  2Π 51.8  52.4  52.5  47.7  47.7  45.3  45.4  48.5 84.1 0 ± 20.9e 75.31 ± 8.37h 69.01 ± 4.16g

  2Σ+ 81.7  82.3  84.6  77.8  77.8  75.5  75.5  79.3

LiOH  –241.8  –240.3  –240.2  –244.0  –244.0  –246.1  –246.1  –243.4 

–234.30 ± 6.3e –238.1 ± 

6i   –247.0 ± 3d (–239±5j) 

NaO–  1Π 38.4  40.3  38.8  36.7  35.0  37.6  35.9  36.6

  (table is continued on next page)

Page 176: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

161 

 

             (Table 6.4 continued) 

Molecule State W1C//    

A'WCV5Z W2C//   

A'WCV5Z W2C//   

AA'WCV5Z

W2C‐CAS‐ACPF// A'WCV5Z 

W2C‐CAS‐ACPF// 

AA'WCV5Z

W2C‐CAS‐AQCC// A'WCV5Z 

W2C‐CAS‐AQCC// 

AA'WCV5ZAverage Experiment 

NaO–  1Σ+ 40.3  42.7  42.1  43.0  42.6  44.0  43.5  43.0   

  3Π 36.4  37.5  35.9  34.5  33.0  35.2  33.7  34.2   

   

   

   

   

   

   

  3Σ+ 58.2  59.4  58.0  56.6  55.3  57.0  55.6  56.3

NaO•  2Π 89.3  89.3  89.3  85.7  85.7  84.2  84.2  86.4 83.68e  87.4 ± 4a 

  2Σ+ 113.5  113.7  113.8  109.8  109.8  108.1  108.1  110.6

NaOH  –189.6  –188.1  –188.0  –191.4  –191.3  –193.0  –192.9  –190.8 

–197.76 ± 12.6e –191 ± 8i

–186 ± 10c –193 ± 10c (–189 ± 5j) 

KO–  1Π 28.1  28.6  23.1  24.1  18.6  24.7  18.9  20.2

  1Σ+ –59.8  –107.6  –95.3  19.8  15.3  19.7  15.0  15.1

  3Π 26.1  27.2  21.0  23.0  17.6  23.0  17.4  18.7

  (table is continued on next page)

Page 177: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

162 

 

           (Table 6.4 continued)

Molecule State W1C//    

A'WCV5Z W2C//   

A'WCV5Z W2C//   

AA'WCV5Z

W2C‐CAS‐ACPF// A'WCV5Z 

W2C‐CAS‐ACPF// 

AA'WCV5Z

W2C‐CAS‐AQCC// A'WCV5Z 

W2C‐CAS‐AQCC// 

AA'WCV5ZAverage Experiment 

KO–  3Σ+ 27.9  29.2  33.8  25.6  19.5  25.5  19.1  24.1   

KO•  2Π 61.6  61.1  61.2  56.2  56.3  53.6  53.7  57.0 

71.13 ± 41.9e 65.27 ± 12.55b

61 ± 21h 59.86 ± 4.16g

  2Σ+ 59.7  59.4  59.5  55.4  55.5  52.6  52.7  55.9   

KOH  –226.8  –223.5  –223.4  –227.6  –227.5  –230.1  –230.0  –227.0 

–232.0 ± 3e 

–231.0c  (–223 ± 5j) –229.0 ± 4d –228 ± 5e 

a) From Ref. 267      e) From Ref. 218    i)  From Ref. 271 b) From Ref. 272      f)  From Ref. 270    j)  From Ref. Recommended theoretical values  c) From Ref. 215      g) From Ref. 268         values from Ref. 129 in parenthesis d) From Ref. 273      h) From Ref. 269  

Page 178: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

163 

 

6.3.4.  Predicted Ground States for MO– and MO•.   

Table 6.4 also provides  the ordering of  the various states. For  the radicals,  the  2Π state 

was  both  theoretically  and  experimentally  determined  to  be  the  ground  state  for  LiO•  and 

NaO•.237‐243,274 The results presented in Table 6.4 agree with these previous studies with the 2Π 

state being 30 and 25 kJ/mol lower in energy than the 2Σ+ state for LiO• and NaO•, respectively. 

The KO• ground state, however, has not been resolved. This study finds the 2Σ+ state to be only 

1 kJ/mol lower in energy than the 2Π state, which agrees with previous theoretical studies.220,221    

To date,  there  is much  less known about  the ordering of  the metal mono‐oxide anions  

(MO–).  One  of  the  most  detailed  studies  on  these  systems  is  a  previous  MRCI+Q  study 

performed by Bauschlicher,221  and  the  anionic  state  orderings  presented  in  Table  6.4 are  in 

agreement with this previous study.  For LiO–, the order of the anionic state were determined to 

be 3Π < 1Π < 1Σ+ < 3Σ+.  For NaO–, Bauschlicher et al. stated that the 3Π and 1Π states were too 

close in energy to definitively distinguish which of the two is the ground state.  This study also 

indicated  that NaO– has  the  same  state ordering as  LiO–, which  is  3Π <  1Π <  1Σ+ <  3Σ+.   The 

ordering  of  these  states,  however,  changes  for  KO– with  the  1Σ+  state  being  the  lowest  in 

energy. It should be noted that the single reference WnC methods fail for the 1Σ+ state due to 

the large multi‐reference character of this state with all of the WnC methods predicting a large 

negative  enthalpy  of  formation.  The  multi‐reference  methods,  however,  agree  with  the 

ordering of the anionic states that were previously determined by Bauschlicher,221 which is 1Σ+ 

< 3Π < 1Π < 3Σ+.  It is interesting to note that the lowest and highest KO– are only separated by a 

Page 179: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

164 

 

5  kJ/mol  energy  difference,  which  would  make  it  difficult,  both  theoretically  and 

experimentally, to distinguish one electronic state from another.  

6.3.5.  State Splitting 

Splitting between  the  low‐lying  states of  the MO•  radicals and MO– anions, which have 

been  calculated  with  the  various WnC  and W2C‐CAS  methods,  have  been  compared  with 

available experimental values in Table 6.5.  For LiO• and NaO•, all of the computed splitting are 

within 1‐2 kJ/mol of the experimental values.  Also, all of the methods used to compute the 3Π 

→ 3Σ+ state splitting for LiO–, NaO–, and KO– agree to within 1 kJ/mol.  For example, the smallest 

triplet  state  splitting  for  LiO– was  32.98  kJ/mol  computed with W2C‐CAS‐AQCC//AA'WCV5Z, 

while  the  largest  triplet  state  splitting  was  33.44  kJ/mol  computed  with 

W2C‐CAS‐ACPF//A'WCV5Z. The singlet state splitting, however, shows a much  larger variation 

between  the different methods.   For example,  the  singlet  state  splitting  for LiO– varied  from 

0.62  to  11.89  kJ/mol  for  the  W1C//A'WCV5Z  and  W2C‐CAS‐AQCC//A'WCV5Z  methods, 

respectively. 

For  the  KO•  radical,  the  state  splitting  determined  using  the  single‐reference  WnC 

methods resulted  in the 2Σ+ state,  lying 1.61 to 1.89 kJ/mol  lower  in energy than the 2Π.   The 

multi‐reference methods  computed  smaller  state  splitting with  values  ranging  from –0.70  to  

–0.97 kJ/mol. Again, the general conclusion of this study is that the 2Σ+ and 2Π states of KO• lie 

very  close  in  energy.  The  average  of  our W2C, W2C‐CAS‐ACPF,  and W2C‐CAS‐AQCC  results, 

determined  using  geometries  optimized  with  CCSD(T)/AA'WCV5Z  or  MRCI+Q/AA'WCV5Z, 

indicates  that  the  2Σ+  state  lies  lower  in  energy  than  the  2Π  state  by  1.0  kJ/mol.  This  state 

Page 180: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

165 

 

splitting for KO•  is slightly smaller than that reported  in previous theoretical studies (e.g. 2.39 

kJ/mol and 2.20 kJ/mol)228,229 

 

Page 181: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

Table 6.5.  Splitting of States (0 K, kJ/mol) for Alkali Metal Monoxide Anions (MO–) and Radicals (MO•). 

Molecule State W1C// 

A'WCV5ZW2C// 

A'WCV5ZW2C//   

AA'WCV5Z

W2C‐CAS‐ACPF//

A'WCV5Z

W2C‐CAS‐ACPF// 

AA'WCV5Z

W2C‐CAS‐AQCC// 

A'WCV5Z

W2C‐CAS‐AQCC// 

AA'WCV5ZExptl

LiO– 1Π→

1Σ+ 0.62  2.75  4.57  8.09  11.11  11.89  15.05 

 3Π→

3Σ+ 33.05  33.07  33.00  33.44  33.41  33.03  32.98 

LiO• 2Π→

2Σ+ 29.95  29.92  32.13  30.16  30.15  30.20  30.19  30.68a 

NaO– 1Π→

1Σ+ 2.12  2.61  3.54  6.14  7.36  6.28  7.47 

 3Π→

3Σ+ 21.72  21.91  22.07  22.19  22.37  21.77  21.94 

2Π→

2Σ+ NaO•  24.31  24.48  24.51  24.20  24.22  23.91  23.93  24.52a 

KO– 1Π→

1Σ+ –88.24  –130.04  –112.18  –4.09  –3.04  –4.73  –3.61 

 3Π→

3Σ+ 1.85  2.20  2.04  2.70 

166 

 

a) From Ref. 126 and 127 b) From Ref. 244 

1.93  2.63  1.80 

KO• 2Π→

2Σ+ –1.89  –1.62  –1.61  –0.72  –0.70  –0.97  –0.92  2.39b 

Page 182: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

167 

 

6.3.6.  Electron Affinities 

The calculated electron affinities of the metal monoxide radicals MO• [i.e. the negative of 

the enthalpy change for the process MO• + e– → MO–] are presented in Table 6.6.  As noted in 

Section 6.3.4, the ground states of LiO• and NaO• have been theoretically and experimentally 

determined to be 2Π,237‐243,274 so the electron affinities in Table 6.6 were calculated using the 2Π 

state as the radical state.  However, the ground state for the KO• radical has yet to be resolved, 

so Table 6.6 reports the electron affinities calculated with the 2Π state and with the 2Σ+ state as 

the radical.   

The WnC methods  generally  agree  to within  ~  6  kJ/mol  of  each  other.    For  LiO•,  the 

smallest  electron  affinity  for  the  3Π  state  was  computed  to  be  34.9  kJ/mol  for 

W2C‐CAS‐AQCC//A'WCV5Z,  while  the  largest  value  was  determined  to  be  41.1  kJ/mol  for 

W2C//AA'WCV5Z.  Unfortunately, there are few prior studies of electron affinities for the alkali 

monoxides with which  to  compare. However, one  previous  theoretical  study  determined  an 

electron affinity  for  LiO•  to be 42.45  kJ/mol by means of quadratic  configuration  interaction 

including single, double and iterative triples excitations [QCISD(T)] combined with the Pople 6‐

311+G(2df)  basis  set, which  compares well with  the  values  presented  in  Table  6.6.221    The 

difference between the NaO• electron affinities computed with the various WnC method was 

found  to be 4.4 kJ/mol, which was slightly  smaller  than 6.2 kJ/mol difference  found  for LiO•.  

Page 183: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

168 

 

Table 6.6.  Electron Affinities (0 K, kJ/mol) for the Metal Monoxide Radicals (MO•). 

Radical MO• MO– W1C// A'WCV5Z

W2C// A'WCV5Z

W2C// AA'WCV5Z

W2C-CAS-ACPF// A'WCV5Z

W2C-CAS-ACPF// AA'WCV5Z

W2C-CAS-AQCC// A'WCV5Z

W2C-CAS-AQCC// AA'WCV5Z

LiO• 2Π → 1Π 33.1 34.3 36.4 34.7 38.7 32.6 36.6 1Σ 32.5 31.6 31.8 26.6 27.6 20.7 21.6 3Π 36.9 37.4 41.1 36.9 40.6 34.9 38.7 3Σ 3.8 4.4 8.1 3.4 7.2 1.9 5.7 NaO• 2Π → 1Π 51.1 49.2 50.7 48.7 50.4 46.5 48.2 1Σ 48.9 46.6 47.2 42.6 43.1 40.2 40.7 3Π 53.1 52.1 53.6 51.4 52.9 49.2 50.8 3Σ 31.3 30.2 31.6 29.2 30.6 27.5 28.8

KO• 2Π → 1Π 33.7 39.2 44.7 32.2 37.9 29.1 35.1 1Σ 121.4 168.7 156.4 36.3 41.0 33.9 38.7 3Π 35.7 34.3 40.3 33.4 38.9 30.9 34.1 3Σ 33.9 32.1 38.3 30.7 37.0 28.3 34.1 KO• 2Σ+ → 1Π 31.8 37.6 43.1 31.5 37.2 32.9 37.7 1Σ 119.5 167.1 154.8 35.6 40.3 29.9 35.6 3Π 33.8 32.7 38.7 32.7 38.2 27.3 33.8 3Σ 32.0 30.5 36.7 30.0 36.3 29.1 35.6

Page 184: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

169 

 

A  previous  theoretical  value  of  50.2  kJ/mol  for  NaO•,221  again,  agrees  well  with  our 

computed values, which ranged from 49.2 kJ/mol computed with W2C‐CAS‐AQCC//A'WCV5Z to 

53.1 kJ/mol computed with W1C//A'WCV5Z.   For KO•, the single reference methods again fail 

due to the multi‐reference character of the 1Σ+ state, which is the ground anionic state for KO–.  

For the multi‐reference WnC methods, the electron affinities range from 33.9 to 41.0 when the 

2Π state  is used  for  the radical state, while  the  2Σ+ electron affinity ranges  from 29.9  to 40.3 

kJ/mol.  It is interesting to note that the electron affinity for LiO• and KO• are quite similar with 

a difference generally smaller than 1 kJ/mol, while the electron affinity for NaO• is computed to 

be ~10 kJ/mol larger. 

6.3.7.  Gas‐Phase Acidities 

The calculated gas‐phase acidities of the alkali metal hydroxides [i.e. the enthalpy changes 

for  the  reaction MOH → MO–  + H+]  are  shown  in  Table  6.7.  For  LiO–  and NaO–,  the  lowest 

electronic  state was determined  to be  the  3Π,  so  the discussion of  the gas phase acidity  for 

LiOH and NaOH will focus on  lithium and sodium hydroxide  losing a proton to produce the 3Π 

state.  For KO–, the ground electronic state was determined in our work and in earlier work to 

be 1Σ+ state,221 which possesses a  large degree of multi‐reference character.   This means that 

the single‐reference methods are  inappropriate  to compute  the  transition of KOH  to  the KO– 

1Σ+ electronic  state,  so we have  limited our discussion of  the KOH gas phase acidities  to  the 

results found utilizing the multi‐reference W2C methods.   

Page 185: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

170 

 

Table 6.7.  Gas‐Phase Acidities (0 K, kJ/mol) for Alkali Metal Hydroxides (MOH). 

MOH  MO– W1C//    

A'WCV5Z W2C//    

A'WCV5Z W2C//   

AA'WCV5Z 

W2C‐CAS‐ACPF// A'WCV5Z 

W2C‐CAS‐ACPF// 

AA'WCV5Z 

W2C‐CAS‐AQCC// A'WCV5Z 

W2C‐CAS‐AQCC// 

AA'WCV5Z 

LiOH  →  1Π 1791.2  1789.3  1787.2  1787.9  1783.9  1789.8  1789.8 

  1Σ+ 1791.7  1791.9  1791.6  1795.8  1794.9  1801.5  1800.7 

  3Π 1787.5  1786.2  1782.5  1785.7  1782.0  1787.5  1783.8 

  3Σ+ 1820.5  1819.2  1815.5  1819.2  1815.4  1820.5  1816.7 

NaOH →  1Π 1758.7  1759.2  1757.7  1759.3  1757.6  1761.7  1760.0 

  1Σ+ 1760.6  1761.5  1761.0  1765.2  1764.7  1767.8  1767.2 

  3Π 1756.7  1756.3  1754.7  1756.6  1755.1  1759.0  1757.4 

  3Σ+ 1778.5  1778.2  1776.8  1778.8  1777.5  1780.7  1779.4 

KOH  →  1Π 1785.7  1776.4  1770.8  1782.6  1776.9  1785.7  1779.7 

  1Σ+ 1697.7  1646.7  1659.0  1778.3  1773.6  1780.7  1775.8 

  3Π 1783.6  1781.4  1775.3  1781.4  1775.9  1783.9  1778.2 

  3Σ+ 1785.4  1783.5  1777.2  1784.1  1777.8  1786.5  1780.0 

Page 186: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

171 

 

Overall, the difference between the various WnC methods varies by less than 7.0 kJ/mol.  

For  LiOH,  the  smallest  computed  gas  phase  acidity  for  LiOH  is  1787.2  kJ/mol,  which  was 

computed with W2C‐CAS‐ACPF//AA'WCV5Z, while the largest gas phase acidity is 1786.2 kJ/mol 

found with W2C//A'WCV5Z  –  giving  a  difference  of  5.5  kJ/mol.  The  difference  between  the 

smallest  and  largest  computed  gas phase  acidities  for NaOH  are  smaller  than  LiOH with  the 

smallest value being 1754.7  for NaOH computed with W2C//AA'WCV5Z and  the  largest value 

being 1759.0 kJ/mol determined with W2C‐CAS‐AQCC//A'WCV5Z – a difference of 4.3 kJ/mol.  

For  KO–,  the  gas  phase  acidities  computed  for  KOH  utilizing  the multi‐reference W2C‐CAS 

methods resulted  in a smallest and  largest value of 1773.6–1780.7 kJ/mol computed with the 

W2C‐CAS‐ACPF//AA'WCV5Z  and W2C‐CAS‐AQCC//AA'WCV5Z methods,  respectively, which  is 

difference  of  7.1  kJ/mol.    The  average  value  for  gas  phase  acidities  were  also  presented 

determined which is found in a similar manner as was done for enthalpies of formation [details 

in Enthalpy of Formation section]. It was found from these average gas phase acidities that the 

loss of a proton for the alkali metal hydroxides occurs in the following energy ordering NaOH < 

KOH < LiOH with average values of 1755.7, 1774.7, and 1782.7 kJ/mol, respectively.   

6.3.8.  Bond Dissociation Energies 

The calculated bond dissociation energies (BDEs) [i.e. the enthalpy change for the reaction 

MOH → MO• + H•] is presented in Table 6.8.  For LiO• and NaO•, the lowest electronic state was 

determined to be the 2Π electronic state, and only the BDE in terms of LiOH and NaOH losing a 

hydrogen atom  to produce  the  2Π  state  is discussed. For KO•,  the  computed  results  indicate 

that  the  2Σ+ state  is  lower  than  the  2Π state by only 1 kJ/mol, so  to be  thorough,  the energy 

Page 187: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

172 

 

difference when  the KOH  losses a hydrogen atom  to produce both  the  2Π and  2Σ+ electronic 

states will be discussed.   

All of the WnC methods predict that NaOH has the weakest bond dissociation energy with 

an average of 493.2  kJ/mol.   KOH  is  found  to have  the next weakest bond.   When  the KOH 

looses a hydrogen atom to produce the 2Π state, the average BDE is found to be 500.1 kJ/mol.  

When the KO• 2Σ+ state is produced, the average BDE is 498.9 kJ/mol.  LiOH was found to have 

the largest BDE with an average value of 508.0 kJ/mol. 

Page 188: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

173 

 

       

Table 6.8.  Bond dissociation energies (0K, kJ/mol) for the alkali metal hydroxides. 

MOH MO•W1C// 

A'WCV5Z 

W2C// 

A'WCV5Z 

W2C// 

AA'WCV5Z 

W2C‐CAS‐ACPF// A'WCV5Z 

W2C‐CAS‐ACPF// AA'WCV5Z 

W2C‐CAS‐AQCC// A'WCV5Z 

W2C‐CAS‐AQCC// AA'WCV5Z 

LiOH  →  LiO•  2Π 509.6  508.7  508.7  507.7  507.7  507.5  507.5 

     

     

 

     

2Σ+ 539.5  538.6  540.8  537.8  537.8  537.7  537.7 

NaOH  →  NaO•  2Π 494.9  493.4  493.4  493.1  493.0  493.2  493.2 2Σ+ 519.1  517.8  517.8  517.2  517.2  517.1  517.1 

KOH →  KO•  2Π 504.4  500.6  500.6  499.8  499.8  499.8  499.8 2Σ+ 502.5  498.9  498.9  499.0  499.0  498.7  498.8 

Page 189: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

174 

 

6.4.  Conclusions 

The  structures,  enthalpies  of  formation,  state  splitting,  electron  affinities,  bond 

dissociation energies, and gas‐phase acidities associated with the alkali metal monoxide radicals 

(MO•),  anions  (MO–)  and  hydroxides  (MOH)  (M  =  Li, Na,  and  K)  have  been  examined  using 

single‐ and multi‐reference variants of the WnC method, including W1C, W2C, W2C‐CAS‐ACPF, 

and W2C‐CAS‐AQCC, based upon geometries optimized with  the A'WCV5Z and/or AA'WCV5Z 

basis  sets. The WnC methods generally provide good agreement with available experimental 

data,  though  there  are  deviations  of  20–30  kJ/mol  between  the  WnC  and  experimental 

enthalpies of formation for the LiO• radical.  

In some cases, care needs to be taken because of significant multi‐reference character in 

the species examined, estimated by examining the T1 diagnostic and the SCF contribution to the 

total atomization energy. On this basis, the 1Σ+ state of the MO– anions possesses the  largest 

multi‐reference character. As a consequence, use of single‐reference WnC computations for the 

1Σ+ state of the MO– anions is unlikely to be reliable. The multi‐reference character is reflected 

in  the  large  deviations  between  results  obtained  using  the  single‐reference WnC  and multi‐

reference W2C‐CAS methods for the enthalpy of formation of the 1Σ+ state of MO–, the 1Π→1Σ+ 

electronic state splitting of MO–, the electron affinities of MO•, and the gas‐phase acidities of 

MOH. 

The use of geometries optimized with augmented basis sets for the metal atom  is found 

to have a slight  impact on several of the calculated molecular properties, most noticeably  for 

KO–.  For example, the bond lengths in the ground and electronic excited state for KO– are ~0.02 

Page 190: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

175 

 

Å  shorter when  the diffuse  functions  are  included  for  the metal, with  the most pronounced 

difference being 0.038 Å for the 1Σ+ state.  This leads to differences of 4–5 kJ/mol in estimates 

of the enthalpies of formation of KO–, electron affinities of KO•, and gas‐phase acidities for KOH 

obtained with A'WCV5Z and AA'WCV5Z geometries. 

For NaO–, the ground electronic state  is determined to be the 3Π state.   For KO•, the 2Σ+ 

and 2Π states are found to lie very close in energy.  An estimate, obtained by taking the average 

of  the  W2C,  W2C‐CAS‐ACPF,  and  W2C‐CAS‐AQCC  energies  (obtained  with  AA'WCV5Z 

geometries) yields an energy difference of 1.1 kJ/mol  in  favor of  the  2Σ+ state.   Both  the gas 

phase acidities and  the bond dissociation energies  for  the alkali metal hydroxides  is  found  to 

follow the following energy orderings NaOH < KOH < LiOH. 

 

Page 191: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

176 

 

CHAPTER 7  

 

DEVELOPMENT OF A MULTI‐REFERENCE CORRELATION CONSISTENT COMPOSITE APPROACH 

[MR‐ccCA] 

 

7.1.  Introduction 

At present, the correlation consistent composite approach (ccCA) only employs methods 

that  are based on  a  simple  single  reference wave  function  [i.e.,  corresponding  to one  Lewis 

structure].  However,  there  are many  chemical  situations  in  which  a  single  reference  wave 

function  is  inappropriate,  such  as  the  case  for  many  transition  state  structures,  reactive 

intermediates, excited electronic states, and many transition metal species. One of the simplest 

molecules  requiring  a  multi‐reference  wave  function  is  methylene  [CH2].  As  discussed  by 

Schmidt and Gordon,275 the singlet configuration of linear CH2 requires the mixing of two wave 

functions.  Figure  7.1  shows  that  in  linear  CH2  there  are  two  possible  configurations 

corresponding  to  a  pair  of  electrons  either  occupying  the px  or  the  py  orbital  of  the  carbon 

atom. To provide an accurate description of this system, both configurations must be included, 

which is only possible by using a multi‐reference method.  This molecule is one of the simplest 

cases  requiring  the  use  of  a  more  complex  wave  function.  The  need  for  multi‐reference 

methods,  however,  can  be  even  more  pronounced  in  transition  metal  complexes.276    An 

example is the metal‐carbon linkage in alkylidenes, which can be described as: (a) ethylene‐like, 

(b) π‐ylide, (c) a coordinated singlet carbine, and (d) a four‐electron donor.276  Because of these 

Page 192: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

different descriptions, the metal‐carbon bond cannot be described by a simple single‐reference 

wave function, such as the methods that are utilized in ccCA.  Instead, all of these descriptions 

must be allowed to contribute to the wave function, which require a multi‐reference method. 

Figure 7.1.  Two  molecular  orbitals  of  the methylene molecule. One configuration shows a pair of  electrons  occupying  the  px  orbital  of  the  carbon atom,  and  the  other  configuration  shows  a  pair  of electrons  occupying  the  py  orbital  of  the  carbon atom.  This  analysis  was  explained  by  Schmidt  and Gordon.275  

177 

 

       Configuration 1                  Configuration 2 

This chapter proposes a multi‐reference correlation consistent composite approach [MR‐

ccCA],  in which the single reference methods [i.e., MP2,  .  .  .] that comprise ccCA are replaced 

with  suitable multi‐reference methods.  Initially,  the  theoretically obvious  replacements  [e.g., 

CASPT2 for MP2] will be utilized. However, the inherent additive nature of composite methods 

does not guarantee that such replacements will still enable the chemical accuracy of ccCA to be 

achieved.  Key to the development of a MR‐ccCA method is a good understanding of how each 

of  the  smaller  computations  will  impact  the  overall  MR‐ccCA  energy.  Unfortunately,  the 

utilization  of  multi‐reference  methods  is  a  particularly  daunting  task,  as  multi‐reference 

methods require an additional level of complexity – the selection of an active space, which can 

substantially affect the results.   

Page 193: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

178 

 

An active  space  is a  set of orbitals/electrons  that are allowed  to mix  to  form  the wave 

function  [e.g.  the mixing of  the  two orbitals  in  Figure 7.1, which are needed  for  the  correct 

wave function for methylene]. For an exact description of a molecular system, all of the orbitals 

would need to be included in the active space [i.e. full configuration interaction (FCI)]. However, 

the  use  of  all  orbitals  in  the  active  space  is  too  computationally  demanding  for  all  but  the 

simplest molecular systems. Therefore, a smaller set of orbitals are chosen to be active, while 

the rest are effectively kept frozen. This choice of an active space is highly troublesome because 

the use of an active space that is correct for one multi‐reference method may not be correct for 

another method.  This poses  a  significant  challenge  to  the development of MR‐ccCA,  as MR‐

ccCA  would  encompass  more  than  one  type  of  multi‐reference  method.  Addressing  this 

problem will  require  significant  attention  and  understanding  as  to  the  potential  sources  of 

error.  Fortunately,  there  have  been  efforts  to  study  these  types  of  effects,  which  are 

incorporated  into  this  chapter. Specifically, Sølling et al. developed  several G2 and G3 multi‐

reference  methods,277  and  Martin  developed  two  multi‐reference  Wn  methods.252  These 

previous studies will be used as a guiding tool for the development of MR‐ccCA. 

 

7.2.  Methodology 

Details of ccCA were discussed in Chapter 3 and will not be repeated, but in summary, the 

ccCA total energy is computed by the following formula, (See Section 3.1 for an explanation of 

the terms) 

E ccCA E0 ccCA ∆E CC ∆E DK ∆E CV ∆E SOa .                        7.1 

Page 194: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

179 

 

The  first  step  in  ccCA  is  the geometry optimization and  frequency  computation. As  the 

initial  studies  presented  here  focus  upon  the  potential  energy  surfaces  (PES)  of  two  small 

diatomic  molecules,  geometry  optimizations  and  frequencies  computations  were  not 

performed, and instead a PES was determined with a series of single‐point computations with a 

step  size  of  0.1  Å  between  each  calculation.  However,  in  general  application  of MR‐ccCA, 

geometry optimization and  frequency  computations are performed with  the  complete active 

space second order perturbation (CASPT2) method.278 

The MR‐ccCA  reference energy was determined by  series of  single‐point  computations, 

which are performed using CASPT2/aug‐cc‐pVnZ  [where n = D(2), T(3), and Q(4)]. The active 

space chosen for all steps for the initial MR‐ccCA method was the full valence active space. The 

CASPT2 energies were then extrapolated to the complete basis set (CBS) limit utilizing Eqn. 3.1 

and  Eqn.  3.2.  These  two  CBS  limits were  subsequently  averaged  to  determine  the MR‐ccCA 

reference energy, which is denoted E0(MR‐ccCA). 

A series of additive corrections were computed and added to the E0(MR‐ccCA) reference 

energy.  The  first  correction  accounts  for  higher‐order  electron  correlation  that  is  not 

completely described by CASPT2. Unfortunately, the simple replacement of CCSD(T) utilized  in 

ccCA with a multi‐reference coupled cluster [MRCC] method  is hindered  in that MRCC has not 

been widely  implemented  into  common  ab  initio  program  packages,  such  as  Gaussian  and 

Molpro.170,200   Therefore,  the use of multi‐reference configuration  interaction  including single 

and double excitations and a size‐consistency correction (MRCI+Q) is tested here for the initial 

MR‐ccCA development.  It should be noted, however, that the use of a multi‐reference coupled 

Page 195: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

180 

 

cluster method  including single, double, and quasiperturbative triple excitations [MR‐CCSD(T)] 

is currently being implemented and tested. The multi‐reference higher order correlation energy 

correction is denoted ∆E(MRCI+Q) and computed with the following formula, 

∆E MRCI+Q E[MRCI+Q/cc‐pVTZ] ‐ E[CASPT2/cc‐pVTZ].                              7.2 

Another correction  is  the scalar  relativistic correction, which was obtained  from  frozen‐

core  CASPT2  computations  combined  with  cc‐pVTZ‐DK  basis  set39  and  the  spin‐free,  one‐

electron  Douglas‐Kroll‐Hess  (DKH)  Hamiltonian.165‐167  The  standard  CASPT2  relativistic 

correction is labeled ∆E(MR‐DK) and is formulated as, 

∆E MR‐DK E[CASPT2/cc‐pVTZ‐DK] ‐ E[CASPT2/cc‐pVTZ].                         7.3 

The final correction needed  is to account for core‐valence correlation effects, which was 

computed  by  taking  the  difference  between  CASPT2/aug‐cc‐pVTZ  and  CASPT2(FC1)/aug‐cc‐

pCVTZ  [see  Chapter  3  for  explanation  of  MP2(FC1)].  The  multi‐reference  core‐valence 

correction is defined as,  

∆E MR‐CV E[CASPT2(FC1)/aug‐cc‐pCVTZ] ‐ E[CASPT2/aug‐cc‐pCVTZ].            7.4 

The final MR‐ccCA method is formulated as, 

E MR‐ccCA E0 MR‐ccCA ∆E MRCI+Q ∆ MR‐D  E K

∆E MR‐CV ∆E SOa .    7.5 

All computations for the MR‐ccCA were performed with the MOLPRO program.170,200 

Page 196: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

181 

 

7.3.  Potential Energy Surfaces (PES) for Diatomic Molecules 

The potential energy surface  (PES)  for molecules can be difficult  to compute due to  the 

inherent problem associated with  the changing nature of  the wave  function when bonds are 

broken  or  formed.  It  is  well  known  that  the  restricted  Hartree‐Fock  (RHF)  wave  function 

includes unphysical  ionic terms at the dissociation  limit for homolytic bond cleavage, and that 

UHF can often be quantitatively incorrect especially in the intermediate bond breaking region, 

which often results in unphysical barriers due to unwanted spin states contaminating the wave 

function (i.e. spin contamination).279‐293  

The errors  that arise  in using RHF and UHF  can be  corrected with a post‐HF methods  , 

such as full CI.279 However, as FCI is impractical systems larger than 2‐4 atoms, post‐HF methods 

truncated at a given excitation level [e.g. CCSD(T)] are commonly utilized, for which correcting a 

single‐reference  RHF  or  UHF  reference  wave  functions  is  difficult.    One  well‐documented 

example is the computation of the potential energy surface (PES) for the N2 molecule.281‐285,288‐

293 As shown by Laidig et al. and Bartlett et al., the use of RHF as a reference wave function for a 

series  of  perturbation  computations  diverges  toward  negative  infinity  at  ~1.5Å,285 while  the 

UHF reference wave function has an erroneous curvature due to the  large spin contamination 

present  in  the UHF wave  function.282  It was  even  shown  that method  such  as  configuration 

interaction  including single, double,  triple, and quadruple  [CISDTQ] does not properly correct 

the RHF wave function. Also, the use of coupled cluster theory, which is generally very accurate, 

requires at least full quadruple excitations for even a qualitative description of the dissociation 

of N2,281,284,289  and  it was  suggested  that  quintuple  excitations  or  higher  are  required  for  a 

Page 197: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

182 

 

quantitatively correct PES at bond lengths greater than ~2.5 Å.290 The error associated with the 

use of a single‐reference wave function (i.e. RHF and UHF) is known to be remedied if a multi‐

reference method such as multi‐reference coupled cluster  theory  including single and double 

excitations  [MR‐CCSD]  is  utilized.285,288    Therefore,  the  computation  of  the  PES  of  the  N2 

molecule is a good test case for MR‐ccCA.   

7.3.1.  N2 Potential Energy Surface 

The PES of the N2 molecule computed with each individual method utilized within ccCA is 

compared in Figure 7.2 along with the ccCA PES. The PES for N2 was determined by a series of 

single‐point computations with bond lengths ranging from 0.8 – 3.5 Å with a step size of 0.1 Å. 

As  shown,  all  of  the MP2 methods  utilized  in  ccCA  are  well  behaved  near  the minimum.  

However,  the MP2 methods begin  to  fail after ~1.7 Å  indicted by  the divergence of  the PES 

towards negative  infinity.    The  failure of  single‐reference perturbation  theory  to  correct  the 

RHF and UHF wave  function  is discussed  in previous studies.281 The CCSD(T)/cc‐pVTZ method 

performs  slightly  better  than  MP2,  however,  divergence  occurs  at  ~2.0  Å,  which  again  is 

reported  in  the  literature.284,289  The  failure  of  these  single‐reference methods,  as  expected, 

impacts  the PES computed with ccCA.  It  is  interesting  to note  that  the ccCA PES parallels  the 

CCSD(T)/cc‐pVTZ  PES.  This  qualitative  agreement  is  not  unusual  because  ccCA  attempts  to 

simulate large basis set CCSD(T) results.  

Page 198: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

Figure 7.2.  The  potential  energy  surface  for  the  N2 molecule computed with ccCA. Also,  the  individual computations  required to compute the ccCA total energy are provided. 

 

‐109.70

‐109.60

‐109.50

‐109.40

‐109.30

‐109.20

‐109.10

‐109.00

‐108.90

‐108.80

‐108.70

0.5 1 1.5 2 2.5

Total Ene

rgy (a.u.)

N‐N Distance (Å)

MP2/CBSMP2(FC1)/aug‐cc‐pCVTZMP2/aug‐cc‐pCVTZCCSD(T)/cc‐pVTZMP2/cc‐pVTZMP2/cc‐pVTZ‐DKccCA

183 

 

Page 199: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

Figure 7.3.  The  potential  energy  surface  for  the  N2 molecule computed  with  MR‐ccCA.  Also,  the  individual  computations required to compute the MR‐ccCA total energy are provided. 

‐109.6

‐109.5

‐109.4

‐109.3

‐109.2

‐109.1

‐109.0

‐108.9

0.5 1.5 2.5 3.5

Total Ene

rgy (a.u.)

N‐N Distance (Å)

CASPT2/CBS

CASPT2(FC1)/aug‐cc‐pCVTZ

CASPT2/aug‐cc‐pCVTZ

MRCI+Q/cc‐pVTZ

CASPT2/cc‐pVTZ

CASPT2/cc‐pVTZ‐DK

MR‐ccCA

 

The PES of  the N2 molecule computed with each  individual method utilized within MR‐

ccCA  is  compared  in  Figure 7.3 along with  the  ccCA PES. All of  the multi‐reference methods 

utilized  in MR‐ccCA are well behaved both near and far from the minimum, which also occurs 

for MR‐ccCA.   Overall,  the MR‐ccCA method  correctly describes  the dissociation of  the  triply 

bonded N2 molecule. 

The  PES  computed with  both  the  ccCA  and MR‐ccCA methods  are  shown  together  in 

Figure 7.4. The PES computed with ccCA is well behaved to 2.0 Å, and the two curves are nearly 

identical  out  to  this  point,  with  the  exception  at  near‐equilibrium  bond  distance.  The  PES 

computed with  ccCA was  found  to  be  slightly  lower  in  energy  than  that  of MR‐ccCA.  This 

184 

 

Page 200: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

difference  in  energy  is  due  to  the  use  of  CCSD(T)  in  the  computation  of  the  higher  order 

correlation correction in the ccCA as opposed to the use of MRCI+Q in the MR‐ccCA method. It 

is expected that the two curves would be nearly identical at the bottom of the potential well if 

a multi‐reference  CCSD(T) method  is  incorporated  into MR‐ccCA  because  it was  previously 

shown  that  there  is  little multi‐reference character  for N2 near  the minium.280,286,287   Overall, 

the PES computed with MR‐ccCA behaves correctly past ~2.0 Å, which is not observed for ccCA.   

Figure 7.4.  Potential  energy  surface  for  the  ground state N2 molecule computed with the ccCA and MR‐ccCA methods. 

‐109.60

‐109.55

‐109.50

‐109.45

‐109.40

‐109.35

‐109.30

‐109.25

‐109.20

‐109.15

0.5 1.5 2.5 3.5

Total Ene

rgy (a.u.)

N‐N distance (Å)

MR‐ccCA

SR‐ccCA

MR‐ccCA (X 1Σg+)

ccCA (X 1Σg+)

 

7.3.2.  C2 Potential Energy Surface 

The PES for the ground X1Σg+ state for the C2 molecule computed with both the MR‐ccCA 

and ccCA is shown in Figure 7.5. As was observed for N2, the ground state PES computed with 

ccCA was  found  to behave  correctly until ~2.2 Å whereas  the MR‐ccCA PES provides  correct 

185 

 

Page 201: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

186 

 

behavior out to the dissociation limit. Several difficulties are inherent in the computation of the 

ground state PES for C2 due to the presence of a low lying B1Δg excited state, for which the PES 

computed with MR‐ccCA is also shown in Figure 7.5. Also, as observed in a study performed by 

Abrams  and  Sherrill,279  the  presence  of  an  avoided  crossing,  which  can  cause  the  Born‐

Oppenheimer approximation to fail, at ~1.6 – 1.7 Å added an additional level of complexity.  

The ccCA C2 PES  is similar to the MR‐ccCA PES to ~1.6 Å with the ccCA PES being slightly 

lower in energy near the minimum as compared to the MR‐ccCA PES, which is again due to the 

utilization of  the CCSD(T) method  to compute  the higher correlation correction. After ~1.6 Å, 

the ccCA PES rises more rapidly than the MR‐ccCA PES, until ~2.2 Å when the ccCA PES begins to 

diverge toward negative  infinity. This, again,  is a well documented error due to the use of the 

RHF wave function.   The use of UHF  is expected to alleviate this error; however, UHF has the 

problem of  spin  contamination, which as  shown Bartlett et al.  for N2,  can  lead  to erroneous 

curvature  in  the  intermediate bond breaking  region.282    It  is  interesting  to note  that  the MR‐

ccCA method closely resembles the FCI results presented by Abrams and Sherrill.279   The MR‐

ccCA PES for C2, however, bends slightly at ~1.6 Å, which is due to the presence of the avoided 

crossing as was discussed by Abrams and Sherrill.279 Overall, the MR‐ccCA method provides a 

good description for both the ground X1Σg+ and excited B1Δg state for the C2 molecule.          

Page 202: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

187 

 

  

‐75.95

‐75.90

‐75.85

‐75.80

‐75.75

‐75.70

‐75.65

‐75.60

0.5 1.5 2.5 3.5

Total Ene

rgy (a.u.)

C‐C distance (Å)

MR‐ccCA (X1Sg+)

MR‐ccCA (B1Dg)

SR‐ccCA (X1Sg+)

MR‐ccCA (X 1Σg+)

MR‐ccCA (B 1Δg)

ccCA (X 1Σg+)

Figure 7.5.  The  potential  energy  surface  for  the  ground X1Σg

+  state  for  the C2 molecule  computed with  the MR‐ccCA and  ccCA methods. Also displayed  is  the PES  for  the excited B1Πg state of C2 computed with the MR‐ccCA method. 

 

7.4.  Conclusions 

A  multi‐reference  correlation  consistent  composite  approach  [MR‐ccCA]  has  been 

developed and tested on the potential energy surfaces of the ground states of N2 and C2 as well 

as  the  excited  state  of  C2.    The  PES  computed  with  the  standard  ccCA method  were  also 

presented for N2 and C2 and were compared with MR‐ccCA.  Overall, the PES for both molecules 

computed with ccCA were well behaved near the minima, but quickly diverged toward negative 

infinity.  The PES computed with MR‐ccCA was well behaved and was qualitatively comparable 

to previous FCI PES for both N2 and C2. MR‐ccCA is, therefore, a viable composite approach that 

Page 203: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

188 

 

can  be  utilized  in  the  computation  of  systems  requiring  multi‐reference  methods.  Further 

development and testing of MR‐ccCA is currently in progress.    

Page 204: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

189 

 

CHAPTER 8  

 

SUMMARY 

 

Several methods were presented  to help alleviate  the high  computational  scaling of ab 

inito methods.  Specifically,  the  ability  of  the  correlation  consistent  composite  approach  to 

compute  energetic  properties  [i.e.  19  atomization  energies  (D0),  11  enthalpies  of  formation 

(∆Hf), 15  ionizations potentials  (IP), 4 electron affinities  (EA), and 2 proton affinities  (PA)]  for 

molecules containing third‐row (Ga‐Kr) atoms was addressed in Chapter 3. For the 51 energetic 

properties  the MAD  compared  to  experiment  when  only  first‐order  SOC  are  included  was 

computed to be 0.95 and 1.00 kcal/mol for ccCA‐S4 and ccCA‐S4, respectively, which was better 

than  the MAD of 1.07 kcal/mol  for  the G3 method. When  second‐order SOC  is  included,  the 

MAD  was  reduced  to  0.88  and  0.92  kcal/mol  for  ccCA‐P  and  ccCA‐S4,  respectively.    The 

inclusion of  second‐order SOC  in ccCA‐P  for  third‐row energetic properties puts  them on par 

with the G4 method.  Additionally, ccCA was found to outperform CCSD(T)/aug‐cc‐pV∞Z results 

as  well  as  CBS‐n  model  chemistries.    Overall,  ccCA  has  been  utilized  to  study  molecules 

containing  first‐  (Li‐Ne),  second‐  (Na‐Ar),  and  third‐row  (Ga‐Kr)  atoms  achieving  an  accuracy 

within 1 kcal/mol of reliable experimental data.   The results presented  in Chapter 3, however, 

show  that  SOC  is  important  in  the  accurate  prediction  of  energetic  properties  for  third‐row 

molecule and should be included in all future ccCA studies for these systems. 

Page 205: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

190 

 

The  studies  presented  in  Chapter  4  discussed  an  alternate  means  of  reducing  the 

computational  cost  of  ab  initio methods  by  reducing  the  number  of  basis  functions  in  the 

correlation consistent basis for the hydrogen atom. It was found that simply removing functions 

from  the hydrogen basis  set had  significant  impacts on  raw atomization energies, and  is not 

recommended  for  single  computations.  However,  the  ability  to  extrapolate  a  series  of 

truncated basis set to the CBS limit with a variety of four‐point truncated basis set schemes was 

found  to  be  useful.  Specifically,  the  utilization  of  the  cc(f,–1,–1,–3),  cc(f,–1,–1,–4),  

cc(f,–1,–2,–3),  and  cc(f,–1,–2,–4)  schemes  provide CBS  limits  that were within  1  kcal/mol  as 

compared to the extrapolation of the full correlation consistent basis sets.  Extrapolations that 

were  based  upon  two‐  and  three‐point  truncated  basis  set  schemes were  also  discussed  in 

Chapter 4.   Basis set truncation utilized with the two‐ and three‐point schemes, however, did 

have significant effects on atomization energies, up  to –23.65 kcal/mol  for decane. However, 

this error was found to be highly systematic and dependent on the number of hydrogen atoms 

contained  in the molecule. Corrections to reduce the error  introduced by basis set truncation 

were computed based upon energy difference between the full extrapolated total energies and 

the truncated extrapolated total energies versus the number of hydrogen atoms contained in a 

series of hydrocarbons  [i.e. methane  through decane]. These corrections were utilized  in  the 

computation of 55 enthalpies of formation for hydrogen containing molecules within the G3/99 

test  suite.  When  the  corrections  were  included  in  the  two‐  and  three‐point  truncated 

extrapolations,  the MAD  was  computed  to  be  less  than  0.5  kcal/mol  as  compared  to  the 

extrapolation of  the  full  correlation  consistent basis  sets.   Overall,  truncating  the  correlation 

Page 206: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

191 

 

consistent basis  sets  for  the hydrogen atom was  shown  to be a  viable means  to  reduce  the 

computational cost of ab initio methods while still maintaining chemical accuracy.   

Implementation of basis set truncation toward ccCA in the development of two truncated 

ccCA  schemes was  presented  in  Chapter  5.    The  first  truncated  ccCA  scheme  removed  the 

augmented  functions  from  the  hydrogen  basis  sets,  denoted  ccCA(aug).  The  ccCA(aug) 

truncated  ccCA  method  was  found  to  have  little  impact  on  the  computed  enthalpies  of 

formation taken from the G2/97 test suite, and thus, ccCA(aug) is an empirical‐free truncation 

scheme  that  can  be  utilized  to  reduce  the  computation  cost  of  ccCA.    Unfortunately,  the 

bottleneck  in ccCA  is  the CCSD(T)/cc‐pVTZ computation, which  is not  truncated  in ccCA(aug).  

Therefore,  the  basis  set  truncation  studies  presented  in  Chapter  4  were  utilized  in  the 

development of a truncated basis set correlation consistent composite approach [ccCA(TB)].  

Unfortunately,  the  two‐ and  three‐point extrapolation  schemes developed  in Chapter 4 

were  found  to  be method  dependent  and  could  not  be  utilized  in  ccCA,  so  studies  were 

performed to determine the effects that basis set truncation had upon each  individual step  in 

ccCA.  It  was  found  that  basis  set  truncation  had  a  large  effect  on  the  individual  ccCA 

computations.  However,  these  errors  were  systematic  and  depended  on  the  number  of 

hydrogen atoms contained  in the molecule.   Corrections for each  individual step  in ccCA were 

developed for ccCA(TB), which were based upon the energy difference (∆E) between ccCA and 

ccCA(TB)  versus  the  number  of  hydrogen  atoms  contained  in  a  series  of  hydrocarbons  [i.e. 

methane  through hexane].   An additional  correction  termed  the  “origin  correction” was also 

included  in the total energy.   The origin correction was needed because the  linear plots of ∆E 

Page 207: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

192 

 

versus the number of hydrogens did not pass through the origin, and a correction to account 

for  this  error was  included  in  the  formulation  of  ccCA(TB).   When  the  hydrogen  and  origin 

corrections were  included  in ccCA(TB) the MAD for the 55 enthalpies of formation taken from 

the  G2/97  test  suite was  computed  to  be  only  0.3  kcal/mol,  as  compared  to  ccCA.  It was 

previously  noted  in  Chapter  5  that  the  corrections  included  in  ccCA(TB)  could  be  prone  to 

failure  if  the hydrogen  itself  is  important  to property of  interest,  such as hydrogen bonding.  

Overall,  the  ccCA(aug) and  ccCA(TB)  truncated  schemes are  two  viable means  to  reduce  the 

computational scaling of ccCA. 

In  Chapter  6,  several WnC methods were  utilized  to  study  the  alkali metal monoxide 

radicals (MO•), anions (MO–) and hydroxides (MOH) [where M = Li, Na, and K]. Specifically, the 

structures and molecular properties of MO•, MO– and MOH (M = Li, Na, and K) were investigate 

including (a) the enthalpies of formation for all of these species, (b) the state splitting for MO• 

and MO–,  (c)  the electron affinities  for MO•, and  (d)  the bond dissociation energies and gas‐

phase acidities for MOH.  It was found that in some cases, care needed to be taken because of 

the  significant multi‐reference  character  in  the  examined  species, which was  determined  by 

examining the T1 diagnostic and the percent SCF contribution to the total atomization energy.  

Specifically, the 1Σ+ state of the MO– anions had the largest multi‐reference character, for which 

the use of single‐reference WnC computations was unlikely to be reliable. 

The energetic properties computed with the various WnC methods were compared to the 

limited available experimental data.  It was found that the properties computed with the WnC 

methods were comparable to experiment [i.e. within 3‐5 kJ/mol].  One exception included the 

Page 208: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

193 

 

enthalpy of formation for the LiO• 2Π ground state, for which the deviation between the theory 

and experiment was on  the order of ~20  kJ/mol.    It was  suggested  in Chapter 6,  as well  as 

previous theoretical work,224,225 that the experimental enthalpy of formation for LiO• may have 

been  computed  for  the  low  lying  2Σ+,  and  it was  suggested  that  this  value  be  re‐examined 

experimentally. Overall, the Wn methods utilized  in Chapter 6 provided good agreement with 

the available experimental data. 

A multi‐reference  correlation  consistent  composite  approach  [MR‐ccCA] was previously 

developed, and the application of MR‐ccCA  in computing the PES was discussed  in Chapter 7.  

The computation of PES for molecules  is known to be difficult due to the change  in the multi‐

reference character of the wave function as bonds are broken or formed.  A well documented 

PES  that  requires multi‐reference methods  is  the dissociation of  the ground  state  for  the N2 

molecule.  A  study  that  presented  the  ground  state  computed with  ccCA  and MR‐ccCA was 

presented  in Chapter 7.   Additionally, the PES was computed  for each  individual computation 

that is required for both ccCA and MR‐ccCA was presented.  It was found that the computations 

required  for  ccCA  behaved well  at  near‐equilibrium  distances,  but  quickly  diverged  toward 

negative  infinity at ~1.7‐2.0 Å.   The divergent behavior of these methods  impacted the overall 

ccCA PES, which also diverged toward negative infinity at ~2.0 Å.  The multi‐reference methods 

that are utilized within MR‐ccCA, however, were  found  to be well‐behaved  throughout.   The 

MR‐ccCA was also well‐behaved, which means  that  the MR‐ccCA method  correctly describes 

the dissociation energy of the N2 triple bond. 

Page 209: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

194 

 

Additionally, the PES for the ground state (X1Σg+) of C2 was also computed with both ccCA 

and MR‐ccCA.  As observed for N2, the ground state PES for C2 was found to be well behaved at 

near‐equilibrium bond distances, but diverged toward negative infinity past ~2 Å.  The MR‐ccCA 

method, however, was well behaved for the computed PES for the ground state of (X1Σg+). Also, 

the PES was computed  first excited state  (B1Δg) of  the C2 molecule.   Again,  the MR‐ccCA was 

well behaved  throughout  the entire computed PES.   The MR‐ccCA  is proposed  to be a useful 

multi‐reference  composite method  that  can be utilized  in  the predictions  for molecules  that 

contain  multi‐reference  character.  Further  studies  are  currently  under  investigations  that 

address the ability of MR‐ccCA to compute energetic properties for transition metal, which are 

known to be plagued with multi‐reference character. 

Page 210: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

195 

 

REFERENCES 

 1  E. Schrödinger, Ann. d. Physik 79, 361 (1926). 

2  E. Schrödinger, Ann. d. Physik 79, 489 (1926). 

3  E. Schrödinger, Ann. d. Physik 79, 734 (1926). 

4  E. Schrödinger, Ann. d. Physik 80, 437 (1926). 

5  E. Schrödinger, Ann. d. Physik 81, 109 (1926). 

6  E. Schrödinger, Die Naturwissenschaften 14, 664 (1926). 

7  R. J. Berry, J. Yuan, A. Misra, and P. Marshall, J. Phys. Chem. A 102, 5182 (1998). 

8  R. J. Howrwitz, J. S. Francisco, and J. A. Guest, J. Phys. Chem. A 101, 1231 (1997). 

9  C. Naulin, M. Costes, Z. Moudden, N. Ghanem, and G. Dorthe, Chem. Phys. 202, 452 (1993). 

10  Q. Zhong, L. Poth, J. V. Ford, and A. J. Castleman, Jr., Chem. Phys. Lett. 286, 305 (1998). 

11  A.  El Azhary, G. Rauhut,  P.  Pulay,  and H.‐J. Werner,  J. Chem.  Phys.  108,  5185 (1998). 

12  C. Hampel and H.‐J. Werner, J. Chem. Phys. 104, 6286 (1996). 

13  G. Hetzer, P. Pulay, and H.‐J. Werner, Chem. Phys. Lett. 290, 143 (1998). 

14  G. Hetzer, M. Schutz, H. Stoll, and H.‐J. Werner, J. Chem. Phys. 113, 9443 (2000). 

15  D. Kats, T. Korona, and M. Schutz, J. Chem. Phys. 125, 104106/1 (2006). 

16  L. Maschio, D. Usvyat, F. R. Manby, S. Casassa, C. Pisani, and M. Schutz, Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 76, 075101/1 (2007). 

17  R. A. Mata and H.‐J. Werner, Mol. Phys. 105, 2753 (2007). 

18  R. A. Mata, H.‐J. Werner, and M. Schutz, J. Chem. Phys. 128, 144106/1 (2008). 

19  P. Pulay, Chem. Phys. Lett. 100, 151 (1983). 

20  G. Rauhut and P. Pulay, Chem. Phys. Lett. 248, 223 (1996). 

Page 211: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

196 

 

21  G. Rauhut, P. Pulay, and H.‐J. Werner, J. Comput. Chem. 19, 1241 (1998). 

22  G. Rauhut and H.‐J. Werner, Phys. Chem. Chem. Phys. 3, 4853 (2001). 

23  S. Saebo, Comput. Chem. 7, 63 (2002). 

24  S. Saebo and P. Pulay, Chem. Phys. Lett. 113, 13 (1985). 

25  S. Saebo and P. Pulay, J. Chem. Phys. 86, 914 (1987). 

26  S. Saebo and P. Pulay, J. Chem. Phys. 88, 1884 (1988). 

27  S. Saebo and P. Pulay, Annu. Rev. Phys. Chem. 44, 213 (1993). 

28  M. Schütz, J. Chem. Phys. 113, 9986 (2000). 

29  M. Schütz, J. Chem. Phys. 116, 8772 (2002). 

30  M. Schütz, G. Hetzer, and H.‐J. Werner, J. Chem. Phys. 111, 5691 (1999). 

31  M. Schütz and H.‐J. Werner, J. Chem. Phys. 114, 661 (2001). 

32  M. Schütz and H. J. Werner, Chem. Phys. Lett. 318, 370 (2000). 

33  M.  Schütz,  H.‐J. Werner,  R.  Lindh,  and  F.  R. Manby,  J.  Chem.  Phys.  121,  737 (2004). 

34  H.‐J. Werner and K. Pflueger, Annu. Rep. Comput. Chem. 2, 53 (2006). 

35  A. K. Wilson and J. Almlof, Theor. Chim. Acta 95, 49 (1997). 

36  J. Baker, K. Wolinski, M. Malagoli, and P. Pulay, Mol. Phys. 102, 2475 (2004). 

37  B. Bolding and K. Baldridge, Comput. Phys. Commun. 128, 55 (2000). 

38  W.  R.  Burdick,  Y.  Saad,  L.  Kronik,  I.  Vasiliev, M.  Jain,  and  J.  R.  Chelikowsky, Comput. Phys. Commun. 156, 22 (2003). 

39  W. A. de Jong, R. J. Harrison, and D. A. Dixon, J. Chem. Phys. 114, 48 (2001). 

40  Z. Gan, Y. Alexeev, M. S. Gordon, and R. A. Kendall, J. Chem. Phys. 119, 47 (2003). 

41  C. M. Goringe, E. Hernandez, M. J. Gillan, and I. J. Bush, Comput. Phys. Commun. 102, 1 (1997). 

42  C. Haettig, A. Hellweg, and A. Koehn, Phys. Chem. Chem. Phys. 8, 1159 (2006). 

Page 212: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

197 

 

43  S. Hirata, J. Phys. Chem. A 107, 9887 (2003). 

44  T. Janowski, A. R. Ford, and P. Pulay, J. Chem. Theory Comput. 3, 1368 (2007). 

45  J. Juselius and D. Sundholm, J. Chem. Phys. 126, 094101/1 (2007). 

46  M. Klene, M. A. Robb, M. J. Frisch, and P. Celani, J. Chem. Phys. 113, 5653 (2000). 

47  S. Knecht, H. J. A. Jensen, and T. Fleig, J. Chem. Phys. 128, 014108/1 (2008). 

48  I. M. B. Nielsen and C. L. Janssen, J. Chem. Theory Comput. 3, 71 (2007). 

49  R. M. Olson, J. L. Bentz, R. A. Kendall, M. W. Schmidt, and M. S. Gordon, J. Chem. Theory Comput. 3, 1312 (2007). 

50  P. Stampfuss, W. Wenzel, and H. Keiter, J. Comput. Chem. 20, 1559 (1999). 

51  E. F. Valeev and C. L. Janssen, J. Chem. Phys. 121, 1214 (2004). 

52  S. C. Watson and E. A. Carter, Comput. Phys. Commun. 128, 67 (2000). 

53  S. Dapprich,  I. Komiromi, K. S. Byun, K. Morokuma, and M.  J. Frisch, Theochem 461‐462, 1 (1999). 

54  R. D. J. Froese, S. Humbel, M. Svensson, and K. Morokuma, J. Phys. Chem. A 101, 227 (1997). 

55  S. Humbel, S. Sieber, and K. Morokuma, J. Chem. Phys. 105, 1959 (1996). 

56  M.  Svensson,  S.  Humbel,  R.  D.  J.  Froese,  T.  Matsubara,  S.  Sieber,  and  K. Morokuma, J. Phys. Chem. 100, 19357 (1996). 

57  M. Svensson, S. Humbel, and K. Morokuma, J. Chem. Phys. 105, 3654 (1996). 

58  T. Vreven and K. Morokuma, J. Comput. Chem. 21, 1419 (2000). 

59  A. G. Baboul, L. A. Curtiss, P. C. Redfern, and K. Raghavachari, J. Chem. Phys. 110, 7650 (1999). 

60  J.‐P. Blaudeau, M. P. McGrath, L. A. Curtiss, and L. Radom,  J. Chem. Phys. 107, 5016 (1997). 

61  L. A. Curtiss, J. E. Carpenter, K. Raghavachari, and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 96, 9030 (1992). 

Page 213: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

198 

 

62  L. A. Curtiss, C.  Jones, G. W. Trucks, K. Raghavachari, and  J. A. Pople,  J. Chem. Phys. 93, 2537 (1990). 

63  L. A. Curtiss, M. P. McGrath, J.‐P. Blaudeau, N. E. Davis, r. C. Binning, Jr., and L. Radom, J. Chem. Phys. 103, 6104 (1995). 

64  L. A. Curtiss, K. Raghavachari, and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 98, 1293 (1993). 

65  L. A. Curtiss, K. Raghavachari, and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 103, 4192 (1995). 

66  L. A. Curtiss, K. Raghavachari, P. C. Redfern, A. G. Baboul, and J. A. Pople, Chem. Phys. Lett. 314, 101 (1999). 

67  L. A. Curtiss, K. Raghavachari, P. C. Redfern, V. Rassolov, and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 109, 7764 (1998). 

68  L. A. Curtiss, K. Raghavachari, G. W. Trucks, and  J. A. Pople,  J. Chem. Phys. 94, 7221 (1991). 

69  L. A. Curtiss, P. C. Redfern, and K. Raghavachari,  J. Chem. Phys. 126, 084108/1 (2007). 

70  L. A. Curtiss, P. C. Redfern, and K. Raghavachari,  J. Chem. Phys. 127, 124105/1 (2007). 

71  L. A. Curtiss, P. C. Redfern, K. Raghavachari, and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 114, 108 (2001). 

72  L. A. Curtiss, P. C. Redfern, K. Raghavachari, and  J. A. Pople, Chem. Phys. Lett. 359, 390 (2002). 

73  L. A. Curtiss, P. C. Redfern, K. Raghavachari, V. Rassolov, and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 110, 4703 (1999). 

74  L. A. Curtiss, P. C. Redfern, V. Rassolov, G. Kedziora,  and  J. A. Pople,  J. Chem. Phys. 114, 9287 (2001). 

75  L. A. Curtiss, P. C. Redfern, B. J. Smith, and L. Radom, J. Chem. Phys. 104, 5148 (1996). 

76  J. A. Pople, M. Head‐Gordon, D. J. Fox, K. Raghavachari, and L. A. Curtiss, J. Chem. Phys. 90, 5622 (1989). 

77  P. C. Redfern, J. P. Blaudeau, and L. A. Curtiss, J. Phys. Chem. A 101, 8701 (1997). 

Page 214: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

199 

 

78  A. D. Boese, M. Oren, O. Atasoylu,  J. M.  L. Martin, M. Kallay,  and  J. Gauss,  J. Chem. Phys. 120, 4129 (2004). 

79  A. Karton and J. M. L. Martin, Mol. Phys. 105, 2499 (2007). 

80  A.  Karton,  E.  Rabinovich,  J. M.  L. Martin,  and  B.  Ruscic,  J.  Chem.  Phys.  125, 144108/1 (2006). 

81  J. M. L. Martin and G. de Oliveira, J. Chem. Phys. 111, 1843 (1999). 

82  J. M. L. Martin and S. Parthiban, Understanding Chem. React. 22, 31 (2001). 

83  S. Parthiban and J. M. L. Martin, J. Chem. Phys. 114, 6014 (2001). 

84  Y.  J.  Bomble,  J. Vazquez, M.  Kallay,  C. Michauk,  P. G.  Szalay, A. G.  Csaszar,  J. Gauss, and J. F. Stanton, J. Chem. Phys. 125, 064108/1 (2006). 

85  M. E. Harding,  J. Vazquez, B. Ruscic, A. K. Wilson,  J. Gauss, and  J. F. Stanton,  J. Chem. Phys. 128, 114111/1 (2008). 

86  A. Tajti, P. G. Szalay, A. G. Csaszar, M. Kallay, J. Gauss, E. F. Valeev, B. A. Flowers, J. Vazquez, and J. F. Stanton, J. Chem. Phys. 121, 11599 (2004). 

87  J. A. Montgomery, Jr., M. J. Frisch, J. W. Ochterski, and G. A. Petersson, J. Chem. Phys. 110, 2822 (1999). 

88  J. A. Montgomery, Jr., M. J. Frisch, J. W. Ochterski, and G. A. Petersson, J. Chem. Phys. 112, 6532 (2000). 

89  J. A. Montgomery, Jr., J. W. Ochterski, and G. A. Petersson, J. Chem. Phys. 101, 5900 (1994). 

90  J. W. Ochterski, G. A. Petersson, and J. A. Montgomery, Jr., J. Chem. Phys. 104, 2598 (1996). 

91  G. A. Petersson and M. A. Al‐Laham, J. Chem. Phys. 94, 6081 (1991). 

92  G. A. Petersson, A. Bennett, T. G. Tensfeldt, M. A. Al‐Laham, W. A. Shirley, and J. Mantzaris, J. Chem. Phys. 89, 2193 (1988). 

93  G. A. Petersson, T. G. Tensfeldt, and  J. A. Montgomery,  Jr.,  J. Chem. Phys. 94, 6091 (1991). 

94  G. P.  F. Wood,  L. Radom, G. A. Petersson, E. C. Barnes, M.  J.  Frisch,  and  J. A. Montgomery, Jr., J. Chem. Phys. 125, 094106/1 (2006). 

Page 215: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

200 

 

95  N.  J. DeYonker, T. R. Cundari,  and A. K. Wilson,  J. Chem. Phys. 124, 114104/1 (2006). 

96  N. J. DeYonker, T. Grimes, S. Yockel, A. Dinescu, B. Mintz, T. R. Cundari, and A. K. Wilson, J. Chem. Phys. 125, 104111/1 (2006). 

97  N.  J. DeYonker, D. S. Ho, A. K. Wilson, and T. R. Cundari,  J. Phys. Chem. A 111, 10776 (2007). 

98  N.  J.  DeYonker,  B.  Mintz,  T.  R.  Cundari,  and  A.  K.  Wilson,  J.  Chem.  Theory Comput. 4, 328 (2008). 

99  N. J. DeYonker, K. A. Peterson, G. Steyl, A. K. Wilson, and T. R. Cundari, J. Phys. Chem. A 111, 11269 (2007). 

100  T. V. Grimes, A. K. Wilson, N. J. DeYonker, and T. R. Cundari, J. Chem. Phys. 127, 154117/1 (2007). 

101  D. S. Ho, N.  J. DeYonker, A. K. Wilson, and T. R. Cundari,  J. Phys. Chem. A 110, 9767 (2006). 

102  N.  J. DeYonker, K. A. Peterson, and A. K. Wilson,  J. Phys. Chem. A 111, 11383 (2007). 

103  N. B. Balabanov and K. A. Peterson, J. Chem. Phys. 123, 064107/1 (2005). 

104  T. H. Dunning, Jr., J. Chem. Phys. 90, 1007 (1989). 

105  T. H. Dunning,  Jr.,  K. A.  Peterson,  and A.  K. Wilson,  J. Chem.  Phys.  114,  9244 (2001). 

106  K. A. Peterson, Annu. Rep. Comput. Chem. 3, 195 (2007). 

107  K.  A.  Peterson,  T.  B.  Adler,  and  H.‐J. Werner,  J.  Chem.  Phys.  128,  084102/1 (2008). 

108  K. A. Peterson and C. Puzzarini, Theor. Chem. Acc. 114, 283 (2005). 

109  T. Van Mourik and T. H. Dunning, Jr., Int. J. Quantum Chem. 76, 205 (2000). 

110  A. K. Wilson, T. van Mourik, and T. H. Dunning, Jr., Theochem 388, 339 (1996). 

111  A. K. Wilson, D. E. Woon, K. A. Peterson, and T. H. Dunning,  Jr.,  J. Chem. Phys. 110, 7667 (1999). 

Page 216: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

201 

 

112  D. E. Woon and T. H. Dunning, Jr., J. Chem. Phys. 98, 1358 (1993). 

113  D. E. Woon and T. H. Dunning, Jr., J. Chem. Phys. 100, 2975 (1994). 

114  D. E. Woon and T. H. Dunning, Jr., J. Chem. Phys. 103, 4572 (1995). 

115  D. Bakowies, J. Chem. Phys. 127, 084105/1 (2007). 

116  G. A. Petersson and M. J. Frisch, J. Phys. Chem. A 104, 2183 (2000). 

117  P. S. Sagrillo, F. E. Jorge, P. L. Barbieri, and P. A. Fantin, J. Braz. Chem. Soc. 18, 1448 (2007). 

118  T. G. Williams, N.  J. DeYonker, and A. K. Wilson,  J. Chem. Phys. 128, 044101/1 (2008). 

119  J. Cizek, J. Chem. Phys. 45, 4256 (1966). 

120  J. Cizek, Adv. Chem. Phys. 14, 35 (1966). 

121  J. Gauss, W.  J.  Lauderdale,  J.  F.  Stanton,  J. D. Watts,  and R.  J. Bartlett, Chem. Phys. Lett. 182, 207 (1991). 

122  J. Gauss, J. F. Stanton, and R. J. Bartlett, J. Chem. Phys. 95, 2623 (1991). 

123  J. D. Watts, J. Gauss, and R. J. Bartlett, J. Chem. Phys. 98, 8718 (1993). 

124  S. Yockel, B. Mintz, and A. K. Wilson, J. Chem. Phys. 121, 60 (2004). 

125  S. Yockel and A. K. Wilson, J. Chem. Phys. 122, 174310/1 (2005). 

126  C. Yamada, M. Fujitake, and E. Hirota, J. Chem. Phys. 90, 3033 (1989). 

127  C. Yamada, M. Fujitake, and E. Hirota, J. Chem. Phys. 91, 137 (1989). 

128  A. Shulz, B. J. Smith, and L. Radom, J. Phys. Chem. A 103, 7522 (1999). 

129  M. B. Sullivan, M. A.  Iron, P. C. Redfern, J. M. L. Martin, and L. Radom, J. Phys. Chem. A 107, 5617 (2003). 

130  M. Born and R. Oppenheimer, Ann. Phys. (Berlin, Ger.) 84, 457 (1927). 

131  B. Ruscic, A.  F. Wagner,  L. B. Harding, R.  L. Asher, D.  Feller, D. A. Dixon, K. A. Peterson, Y. Song, X. Qian, C.‐Y. Ng, J. Liu, W. Chen, and D. W. Schwenke, J. Phys. Chem. A 106, 2727 (2002). 

Page 217: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

202 

 

132  F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry. (John Wiley & Sons, England, 1999). 

133  V. Fock, Z. Phys. 62, 795 (1930). 

134  D. R. Hartree, Proc. Cambridge Phil. Soc. 24, 426 (1928). 

135  D. R. Hartree, Proc. Cambridge Phil. Soc. 24, 111 (1928). 

136  D. R. Hartree, Proc. Cambridge Phil. Soc. 24, 89 (1928). 

137  J. C. Slater, Phys. Rev. 32, 39 (1928). 

138  J. C. Slater, Phys. Rev. 81, 385 (1951). 

139  D. Feller and K. A. Peterson, J. Chem. Phys. 108, 154 (1998). 

140  G.  L. Bendazzoli, B. Deguilhem, S. Evangelisti, F. X. Gadea, T.  Leininger, and A. Monari, Chem. Phys. 348, 83 (2008). 

141  A. D. Bochevarov and R. A. Friesner, J. Chem. Phys. 128, 034102/1 (2008). 

142  J. M. Junquera‐Hernandez, J. Sanchez‐Marin, G. L. Bendazzoli, and S. Evangelisti, J. Chem. Phys. 121, 7103 (2004). 

143  J. M. Junquera‐Hernandez, J. Sanchez‐Marin, G. L. Bendazzoli, and S. Evangelisti, J. Chem. Phys. 120, 8405 (2004). 

144  A. Monari, J. Pitarch‐Ruiz, G. L. Bendazzoli, S. Evangelisti, and J. Sanchez‐Marin, J. Chem. Theory Comput. 4, 404 (2008). 

145  C. D. Sherrill and P. Piecuch, J. Chem. Phys. 122, 124104/1 (2005). 

146  M. J. Frisch, M. Head‐Gordon, and J. A. Pople, Chem. Phys. Lett. 166, 281 (1990). 

147  M. Head‐Gordon, J. A. Pople, and M. J. Frisch, Chem. Phys. Lett. 153, 503 (1988). 

148  C. Møller and M. S. Plesset, Phys. Rev. 46, 618 (1934). 

149  T. D. Crawford and H. F. Schaefer, III, Rev. Comp. Chem. 14, 33 (2000). 

150  P. Atkins  and  J.  de  Paula,  Physical  Chemistry,  Seventh  Edition.  (W.H.  Freeman and Company, New York, 2002). 

151  C. C. J. Roothaan, Rev. Mod. Phys. 23, 69 (1951). 

Page 218: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

203 

 

152  J. C. Slater, Phys. Rev. 36, 57 (1930). 

153  S. F. Boys, Proc. R. Soc. London, Ser. A 200, 542 (1950). 

154  T.  H.  Dunning,  Jr.,  K.  A.  Peterson,  and  D.  E.  Woon,  in  Encyclopedia  of Computational Chemistry,  in Section "Correlated Calculations on Molecules with the Correlation Consistent Basis Sets" (John Wiley & Sons Inc., New Jersey, 2008). 

155  S. Yockel and A. K. Wilson, Theor. Chem. Acc. 120, 119 (2008). 

156  D. Feller and D. A. Dixon, J. Chem. Phys. 115, 3484 (2001). 

157  L. A. Curtiss, P. C. Redfern, and K. Raghavachari,  J. Chem. Phys. 123, 124107/1 (2005). 

158  K. A. Peterson, research in progress. 

159  K.  A.  Peterson, D.  E. Woon,  and  T. H. Dunning,  Jr.,  J.  Chem.  Phys.  100,  7410 (1994). 

160  C. Schwartz, Phys. Rev. 126, 1015 (1962). 

161  A. Halkier,  T. Helgaker,  P.  Jorgensen, W.  Klopper, H.  Koch,  J. Olsen,  and A.  K. Wilson, Chem. Phys. Lett. 286, 243 (1998). 

162  T. Helgaker, W. Klopper, H. Koch, and J. Noga, J. Chem. Phys. 106, 9639 (1997). 

163  J. M. L. Martin, Chem. Phys. Lett. 259, 669 (1996). 

164  J. M. L. Martin and T. J. Lee, Chem. Phys. Lett. 258, 136 (1996). 

165  B. A. Hess, Phys. Rev. A 33, 3742 (1986). 

166  B. A. Hess, Phys. Rev. A 32, 756 (1985). 

167  M. Douglas and N. M. Kroll, Ann. Phys. 82, 89 (1974). 

168  B. C. Shepler, N. B. Balabanov, and K. A. Peterson, J. Phys. Chem. A 109, 10363 (2005). 

169  J. P. Blaudeau and L. A. Curtiss, Int. J. Quantum Chem. 61, 943 (1997). 

170  Gaussian  03,  Revision  C.02, M.  J.  Frisch,  G. W.  Trucks,  H.  B.  Schlegel,  G.  E. Scuseria, M. A. Robb,  J. R. Cheeseman,  J. Montgomery,  J. A.,  T. Vreven,  K. N. Kudin, J. C. Burant, J. M. Millam, S. S. Iyengar, J. Tomasi, V. Barone, B. Mennucci, 

Page 219: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

204 

 

M. Cossi, G. Scalmani, N. Rega, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, M. Klene, X. Li, K. J. E., H. P. Hratchian, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo,  R. Gomperts,  R.  E.  Stratmann, O.  Yazyev, A.  J. Austin,  R.  Cammi,  C. Pomelli, J. W. Ochterski, P. Y. Ayala, K. Morokuma, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, V. G. Zakrzewski, S. Dapprich, A. D. Daniels, M. C. Strain, O. Farkas, D. K. Malick, A. D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, Q. Cui, A. G. Baboul, S. Clifford, J. Cioslowski, B. B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I.  Komaromi,  R.  L. Martin,  D.  J.  Fox,  T.  Keith, M.  A.  Al‐Laham,  C.  Y.  Peng,  A. Nanayakkara, M. Challacombe, P. M. W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M. W. Wong, C. Gonzalez, and J. A. Pople, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2004. 

171  K. Huber  and G. Herzberg, Molecular  Spectra and Molecular  Structure  4.  (Van Nostrand, Princeton, 1979). 

172  K. Ohno, H. HMatsumura, Y. Endo, and E. Hirota, J. Mol. Spectrosc. 118, 1 (1986). 

173  J. H. Callomon, E. Hirota, K. Kuchitsu, W.  J. Lafferty, A. G. Maki, and C. S. Pote, "Structure Data of Free Polyatomic Molecules", in Landolt‐Bornstein, New Series, Group II (Springer, Berlin, 1976), Vol. 7. 

174  M. K. Gilles, M. L. Polak, and W. C. Lineberger, J. Chem. Phys. 96, 8012 (1992). 

175  Y. Koga, H.  Takeo,  S. Kondo, M.  Sugie, C. Matsumura, G. A. McRae,  and  E. A. Cohen, J. Mol. Spectrosc. 138, 467 (1989). 

176  G. Graner, J. Mol. Spectrosc. 90, 394 (1981). 

177  A. Schulz, B. J. Smith, and L. Radom, J. Phys. Chem. A 103, 7522 (1999). 

178  S. R. Gunn and L. G. Green, J. Phys. Chem. 65, 779 (1961). 

179  B. Ruscic, M. Schwarz, and J. Berkowitz, J. Chem. Phys. 92, 1865 (1990). 

180  J. Berkowitz, J. Chem. Phys. 89, 7065 (1988). 

181  S. T. Gibson, J. P. Green, and J. Berkowitz, J. Chem. Phys. 85, 4815 (1986). 

182  L.  V.  Gurvich,  I.  V.  Veyts,  and  C.  B.  Alcock,  Thermodynamic  Properties  of Individual Substances, 4th ed. (Hemisphere, New York, 1989). 

183  S. A. Kudchadker and A. P. Kudchadker, J. Phys. Chem. Ref. Data 4, 457 (1975). 

184  P. A. G. O'Hare and L. A. Curtiss, J. Chem. Thermodynamics 27, 643 (1995). 

Page 220: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

205 

 

185  J.  B.  Pedley,  R.  D.  Naylor,  and  S.  P.  Kirby,  Thermochemical  Data  of  Organic Compounds, 2nd ed. (Chapman and Hall, New York, 1986). 

186  C. E. Moore, U.S. Patent No. 1 (1952). 

187  B. Ruscic and J. Berkowitz, J. Chem. Phys. 101, 7795 (1994). 

188  S. Lias, J. F. Bartmess, J. L. Holmes, R. D. Levin, and W. G. Mallard, J. Phys. Chem. Ref. Data 17, Suppl. No 1 (1998). 

189  M. N. Glukhovtsev,  J. E. Szulejko, T. B. McMahon,  J. W. Gauld, A. P. Scott, B.  J. Smith, A. Pross, and L. Radom, J. Phys. Chem. 98, 13099 (1994). 

190  V. Ramakrishna and B. J. Duke, J. Chem. Phys. 118, 6137 (2003). 

191  J. E. Del Bene, J. Phys. Chem. 92, 2874 (1988). 

192  J. E. Del Bene, J. Phys. Chem. 97, 107 (1993). 

193  B. Mintz, K. P. Lennox, and A. K. Wilson, J. Chem. Phys. 121, 5629 (2004). 

194  B. Mintz and A. K. Wilson, J. Chem. Phys. 122, 134106/1 (2005). 

195  B. Mintz, S. Driskell, A. Shah, and A. K. Wilson, Int. J. Quantum Chem. 107, 3077 (2007). 

196  D. Feller, J. Chem. Phys. 96, 6104 (1992). 

197  L. A. Curtiss, K. Raghavachari, P. C. Redfern, and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 112, 7374 (2000). 

198  C.  Schwartz, Methods  in  Computational  Physics.  (Academic  Press,  New  York, 1963). 

199  W. Kutzelnigg and J. D. Morgan, J. Chem. Phys. 96, 4484 (1992). 

200  MOLPRO,  version  2006.1,  a  package  of  ab  initio  programs, H.  J. Werner,  P.  J. Knowles, R. Lindh, F. R. Manby, M. Schütz, P. Celani, T. Korona, G. Rauhut, R. D. Amos, A. Bernhardsson, A. Berning, D. L. Cooper, J. O. Deegan, A. J. Dobbyn, F. Eckert,  C. Hampel, G. Hetzer,  A. W.  Lloyd,  S.  J. McNicholas, W. Meyer, M.  E. Mura, A. Nicklass,  P.  Palmieri, R.  Pitzer, U.  Schumann, H.  Stoll, A.  J.  Stone, R. Tarroni, and T. Thorsteinsson, see http://www.molpro.net. 

201  M. W. Chase, Jr., C. A. Davies, J. R. Downey, Jr., D. J. Frurip, R. A. McDonald, and A.  N.  Syverud,  JANAF  Thermochemical  Tables,  4th  ed.  (American  Chemical 

Page 221: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

206 

 

Society and American  Institute of Physics for the National Bureau of Standards, New York, 1985). 

202  P. Jensen, J. Mol. Spectrosc. 128, 478 (1988). 

203  C. C. Costain, J. Chem. Phys. 38, 864 (1958). 

204  J. M. L. Martin and P. R. Taylor, Chem. Phys. Lett. 225, 473 (1994). 

205  K. P. Huber and G. Herzberg, Constants of Diatomic Molecules. (National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, 2005). 

206  L. A. Curtiss, K. Raghavachari, P. C. Redfern, and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 106, 1063 (1997). 

207  E. E. Ferguson, Geohpys. Res. Lett. 5, 1035 (1978). 

208  C. E. Kolb and J. B. Elgin, Nature 263, 488 (1976). 

209  S. C. Liu and G. C. Reid, Geohpys. Res. Lett. 6, 283 (1979). 

210  E. Murad and W. Swider, Geohpys. Res. Lett. 6, 929 (1979). 

211  G. A. Osborn, Fuel 71, 131 (1992). 

212  F. S. Rowland and Y. Makide, Geohpys. Res. Lett. 9, 473 (1982). 

213  L. A. Scandrett and R. J. Clift, Inst. Energy 57, 391 (1984). 

214  S. Joo, D. R. Worsnop, C. E. Kolb, S. K. Kim, and D. R. Herschbach, J. Phys. Chem. A 103, 3193 (1999). 

215  R. J. M. Konings and E. H. P. Cordfunke, J. Nucl. Mater. 167, 251 (1989). 

216  W.  Lin, G. Krusholm, K. Dam‐Johansen, E. Musahl, and  L. Bank, Proccedings of the International Conference on Fluidized Bed Combustion 14, 831 (1997). 

217  M. Ohman, A. Nordin, B. J. Skrivars, R. Backman, and M. Hupa, Energy Fuels 14, 169 (2000). 

218  M. W. Chase, Jr., C. A. Davies, J. R. Downey, Jr., D. J. Frurip, R. A. McDonald, and A. N.  Syverud, NIST‐JANAF  Tables  (4th  ed.);  J.  Phys.  Chem. Ref. Data,  Suppl.1. (1998). 

219  J. N. Allison, R. J. Cave, and W. A. Goddard III, J. Phys. Chem. 88, 1262 (1984). 

Page 222: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

207 

 

220  C. W. Bauschlicher  Jr., H. Partridge, and K. G. Dyall, Chem. Phys. Lett. 199, 225 (1992). 

221  C. W. Bauschlicher Jr., H. Partridge, and L. G. M. Pettersson, J. Chem. Phys. 99, 3654 (1993). 

222  A. I. Boldyrev, J. Simons, and P. R. Schleyer, J. Chem. Phys. 99, 8793 (1993). 

223  P. Burk, K. Sillar, and I. A. Koppel, Theochem 543, 223 (2001). 

224  S. R. Langhoff, C. W. Bauschlicher Jr., and H. Partridge, J. Chem. Phys. 84, 4474 (1986). 

225  S.  R.  Langhoff,  H.  Partridge,  and  C. W.  Bauschlicher  Jr.,  Chem.  Phys.  153,  1 (1991). 

226  E. P. F. Lee, P. Soldán, and T. G. Wright, Chem. Phys. Lett. 295, 354 (1998). 

227  E. P. F. Lee, P. Soldán, and T. G. Wright, Chem. Phys. Lett. 347, 481 (2001). 

228  E. P. F. Lee, P. Soldán, and T. G. Wright, J. Chem. Phys. 117, 8241 (2002). 

229  E. P. F. Lee and T. G. Wright, J. Phys. Chem. 106, 8903 (2002). 

230  E. P. F. Lee, T. G. Wright, and J. M. Dyke, Mol. Phys. 77, 501 (1992). 

231  T. J. Lee and P. R. Taylor, Int. J. Quantum Chem. Symp. 23, 199 (1989). 

232  L. Serrano‐Andrés and A. S. de Merás, Theochem 254, 229 (1992). 

233  L. Serrano‐Andrés, A. Sánchez de Merás, R. Pou‐Amérigo, and I. Nebot‐Gil, Chem. Phys. 162, 321 (1992). 

234  S. P. So and W. G. Richards, Chem. Phys. Lett. 32, 227 (1975). 

235  P. Soldán, E. P. F. Lee, S. D. Gamblin, and T. G. Wright, Phys. Chem. Chem. Phys. 1, 4947 (1999). 

236  P. Soldán, E. P. F. Lee, and T. G. Wright, J. Phys. Chem. A. 102, 9040 (1998). 

237  S. M. Freund, E. Herbst, R. P. Mariella Jr., and W. Klemperer, J. Chem. Phys. 56, 1467 (1972). 

238  R. R. Herm and D. R. Herschbach, J. Chem. Phys. 52, 5783 (1970). 

239  D. M. Lindsay, D. R. Herschbach, and A. L. Kwiram, J. Chem. Phys. 60, 315 (1974). 

Page 223: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

208 

 

240  P. A. G. O'Hare and A. C. Wahl, J. Chem. Phys. 56, 4516 (1972). 

241  J. Pfeifer and J. L. Gole, J. Chem. Phys. 80, 565 (1984). 

242  R. C. Spiker Jr. and L. Andrews, J. Chem. Phys. 58, 713 (1973). 

243  M. Yoshimine, J. Chem. Phys. 57, 1108 (1972). 

244  E. Hirota, Bull. Chem. Soc. Jpn. 61, 1 (1995). 

245  C. Yamada, S. Yamamoto, and E. Hirota, unpublished. 

246  A. K. Rappé and W. A. Goddard III, J. Phys. Chem., to be submitted. 

247  S. Huzinaga and M. Klobukowski, Chem. Phys. Lett. 212, 260 (1993). 

248  A. Berning, M. Schweizer, H.‐J. Werner, P. J. Knowles, and P. Palmieri, Mol. Phys. 98, 1823 (2000). 

249  M. P. Davidson and R. M. Silver, Chem. Phys. Lett. 52, 403 (1977). 

250  J. M. L. Martin, Chem. Phys. Lett. 303, 399 (1999). 

251  J. M. L. Martin, Spectrochim. Acta A 57, 875 (2001). 

252  J.  M.  L.  Martin  and  S.  Parthiban,  Quantum  Mechanicl  Prediction  of Thermochemical Data. (Kluwer Academic, Dordrecht, The Netherlands, 2001). 

253  K. A. Peterson and T. H. Dunning Jr., J. Chem. Phys. 117, 10548 (2002). 

254  M. A. Iron, M. Oren, and J. M. L. Martin, Mol. Phys. 101, 1345 (2003). 

255  R. D. Cowan and D. C. Griffin, J. Opt. Soc. Am. 66, 1010 (1976). 

256  J. M. L. Martin, J. Phys. Chem. 87, 750 (1983). 

257  R. J. Gdanitz, J. Quantum Chem. 85, 281 (2001). 

258  R. J. Gdanitz and R. Ahlrichs, Chem. Phys. Lett. 143, 413 (1988). 

259  P. G. Szalay, J. Chem. Phys. 100, 6288 (1996). 

260  P. G. Szalay and R. J. Bartlett, Chem. Phys. Lett. 214, 481 (1993). 

261  P. G. Szalay and R. J. Bartlett, J. Chem. Phys. 103, 3600 (1995). 

Page 224: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

209 

 

262  R. Ahlrichs, H. Lischka, V. Staemmler, and W. Kutzelnigg, J. Chem. Phys. 62, 1225 (1975). 

263  J. L. Dunham, Phys. Rev. 41, 713 (1932). 

264  A. Nicolaides, A. Rauk, M. N. Glukhovtsev,  and  L. Radom,  J.  Phys. Chem.  100, 17460 (1996). 

265  K.  Kuchitsu,  Landolt‐Bornstein  Structure  for  Free  Polyatomic  Molecules,  New Series Group II. (Berlin‐Heidelberg, 1998). 

266  C. W. Bauschlicher, Jr., H. Partridge, and L. G. M. Pettersson, J. Chem. Phys. 99, 3654 (1993). 

267  M. Steinberg and K. Schofield, J. Chem. Phys. 94, 3901 (1991). 

268  R. H. Lamoreaux and D. L. Hildenbrand, J. Phys. Chem. Ref. Data 13, 151 (1984). 

269  J. B. Pedley and E. M. Marshall, J. Phys. Chem. Ref. Data 12, 967 (1983). 

270  D. L. Hildenbrand, J. Chem. Phys. 57, 4556 (1972). 

271  L. V. Gurvich, G. A. Bergman, L. N. Gorokhov, V. S. Iorisch, V. Y. Leonidov, and V. S. Yungman, J. Phys. Chem. Ref. Data 25, 1211 (1996). 

272  T. C. Ehlert, High Temp. Sci. 9, 237 (1977). 

273  M. Farber and R. D. Srivastave, High Temp.‐High Press. 20, 119 (1988). 

274  J. R. Woodward, J. S. Hayden, and J. L. Gole, Chem. Phys. 134, 395 (1989). 

275  M. W. Schmidt and M. S. Gordon, Annu. Rev. Phys. Chem. 49, 233 (1998). 

276  M. S. Gordon and T. R. Cundari, Coor. Chem. Rev. 87, 87 (1996). 

277  T.  I. Sølling, D. M. Smith, L. Radom, M. A. Freitag, and M. S. Gordon,  J. Chem. Phys. 115, 8758 (2001). 

278  B. Mintz and A. K. Wilson, research in progress. 

279  M. L. Abrams and C. D. Sherrill, J. Chem. Phys. 121, 9211 (2004). 

280  C. Angeli, B. Bories, A. Cavallini, and R. Cimiraglia,  J. Chem. Phys. 121, 054108 (2006). 

281  R. J. Bartlett and G. D. Purvis, Int. J. Quantum Chem. 14, 561 (1978). 

Page 225: Reducing the Computational Cost of Ab Initio …/67531/metadc9061/m2/...REDUCING THE COMPUTATIONAL COST OF AB INITIO METHODS Benjamin Mintz, B.S. Dissertation Prepared for the Degree

210 

 

282  R. J. Bartlett and G. D. Purvis, Phys. Scr. 21, 255 (1980). 

283  G. K. Chan, M. Kallay, and J. Gauss, J. Chem. Phys. 121, 6110 (2004). 

284  K. Kowalski and P. Piecuch, J. Chem. Phys. 113, 5644 (2000). 

285  W. D. Laidig, P. Saxe, and R. J. Bartlett, J. Chem. Phys. 86, 887 (1987). 

286  H. Larsen, J. Olsen, P. Jørgensen, and O. Christiansen, J. Chem. Phys. 113, 6677 (2000). 

287  H. Larsen, J. Olsen, P. Jørgensen, and O. Christiansen, J. Chem. Phys. 114, 10985 (2001). 

288  X. Li and J. Paldus, Chem. Phys. Lett. 286, 145 (1998). 

289  M. Musiał and R. J. Bartlett, J. Chem. Phys. 122, 224102 (2005). 

290  M. Musiał, S. A. Kucharski, and R. J. Bartlett, Chem. Phys. Lett. 320, 542 (2000). 

291  P. Piecuch, A. E. Kondo, V. Spirko, and J. Pladus, J. Chem. Phys. 104, 4699 (1996). 

292  P. E. M. Siegbahn, Int. J. Quantum Chem. 23, 1869 (1983). 

293  T. V. Voorhis and M. Head‐Gordon, J. Chem. Phys. 112, 5633 (2000).