Gaussian軟件在高?；瘜W(xué)教學(xué)中的應(yīng)用*

凡素華 武海 張文保

(阜陽師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 安徽阜陽 236041)

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科?；瘜W(xué)專業(yè)的學(xué)生對所做實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)果應(yīng)該從理論的角度給予分析和解釋。這就要求學(xué)生很好地掌握理論課知識。然而，理論課中的一些內(nèi)容和概念是比較抽象的，易使學(xué)生感覺困惑。作為一名高校教師，怎樣才能在教學(xué)過程中使用較好的教學(xué)方式讓學(xué)生對于一些抽象的概念理解起來更容易呢？多媒體的使用為教師提供了很好的平臺。在教學(xué)過程中，教師可以借助很多軟件(如ChemDraw,Origin,Flash,Gaussian等)與多媒體技術(shù)相結(jié)合以收到更好的教學(xué)效果。本文探索Gaussian計算軟件在高?；瘜W(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

Gaussian是一個功能強(qiáng)大的量子化學(xué)計算軟件包，Gaussian 03是Gaussian系列電子結(jié)構(gòu)程序的最新版本。主要功能有對分子結(jié)構(gòu)和能量、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵和反應(yīng)能量、分子軌道、原子電荷和電勢、紅外和拉曼光譜等的計算。GaussView是Gaussian的圖形用戶界面，是設(shè)計與Gaussian配套使用的軟件，主要用于觀察分子、設(shè)置和提交Gaussian計算任務(wù)、顯示Gaussian計算結(jié)果。因此，在GaussView的輔助下，Gaussian可應(yīng)用于化學(xué)、化工、生物化學(xué)、物理化學(xué)等化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域。

有關(guān)GaussView在化學(xué)教學(xué)中可以顯示分子結(jié)構(gòu)的鍵長、鍵角、紅外光譜等用途，劉曉東等[1]已經(jīng)給出介紹，在這里不再贅述。本文主要從以下幾個方面介紹Gaussian在高校教學(xué)中的應(yīng)用。

1 構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)圖的方法

對于要用Gaussian研究的體系，首先要構(gòu)建輸入文件的分子結(jié)構(gòu)圖，然后才可以調(diào)入到Gaussian程序中進(jìn)行計算。所構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)圖的合理性將直接影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以，創(chuàng)建一個合理的分子結(jié)構(gòu)圖是Gaussian計算的重要環(huán)節(jié)。分子結(jié)構(gòu)圖通?？梢酝ㄟ^晶體文件和繪圖軟件兩種方法產(chǎn)生?？刹捎镁帉懗绦蛑苯永镁w數(shù)據(jù)產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu)圖的方法，也可用ChemDraw 3D打開晶體數(shù)據(jù)的.cif文件，將構(gòu)建好的分子結(jié)構(gòu)圖保存為.gjf文件，最后在GaussView中修改成自己想要的分子結(jié)構(gòu)圖。以晶體數(shù)據(jù)構(gòu)建出的分子結(jié)構(gòu)圖可以很好地給出分子的初始構(gòu)型，保持晶體的原貌。對于沒有晶體數(shù)據(jù)的分子，若想利用Gaussian進(jìn)行計算，分子結(jié)構(gòu)圖的構(gòu)建主要是通過GaussView和ChemDraw 3D等繪圖軟件。利用軟件構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)圖時，一定要注意鍵長、鍵角、空間結(jié)構(gòu)和對稱性等方面的準(zhǔn)確性。

2 使抽象的概念形象化

高?；瘜W(xué)課程中的一些內(nèi)容是很抽象的，如無機(jī)化學(xué)中的雜化概念，有機(jī)化學(xué)中的構(gòu)象和對映異構(gòu)，物理化學(xué)中的過渡態(tài)，分析化學(xué)中的滴定原理和過程變化的解釋等。在講授這些抽象的內(nèi)容時，一些想象力不是很豐富的學(xué)生通常是很難接受的。如果我們利用Gaussian優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合多媒體的方式展示給學(xué)生，然后再解釋這些抽象概念，將可能收到更好的教學(xué)效果。

例如講授有機(jī)化學(xué)中手性構(gòu)型分子的R、S命名時(圖1)，對于手性碳原子化合物Cabcd，先根據(jù)手性碳原子所連接的4個原子或基團(tuán)的順序排列(Br>Cl>CH3>H), 然后把最后的H放在離觀察者眼睛最遠(yuǎn)的方向，其他3個基團(tuán)指向觀察者，學(xué)生在第一次接觸到這樣抽象的概念時是很難理解的。然而，如果在教學(xué)過程中利用Gaussian優(yōu)化后的結(jié)果(圖1(下))，結(jié)合分子結(jié)構(gòu)圖中的立體效果，可大大提高學(xué)生的理解效果。因此，利用此結(jié)果進(jìn)行教學(xué)，相對于圖1(上)的結(jié)構(gòu)式而言，學(xué)生的接受和理解效果將會更佳。

圖1 手性分子對映體構(gòu)型和R、S命名

再如在講授有機(jī)化學(xué)課程[2]中親核取代反應(yīng)雙分子歷程(SN2)時，以溴甲烷與NaOH反應(yīng)為例,反應(yīng)的整個過程是一步完成的，親核試劑從離去基團(tuán)的背后向碳進(jìn)攻。在反應(yīng)過程中，O—C鍵的形成和C—Br鍵的斷裂是同時進(jìn)行的，整個反應(yīng)經(jīng)過一個過渡態(tài)(圖2)。在這個知識點(diǎn)的講解中,要注意到溴代甲烷被親核試劑進(jìn)攻前、進(jìn)攻后及過渡態(tài)這3個狀態(tài)的分子立體結(jié)構(gòu)圖的變化。溴代甲烷上的3個氫原子在被—OH進(jìn)攻前后的變化好像雨傘在大風(fēng)中被吹得向外翻轉(zhuǎn)一樣。過渡態(tài)時碳原子是同時與OH-及Br-部分鍵合，進(jìn)攻試劑羥基中的氧原子、中心碳原子和離去基團(tuán)差不多在同一條直線上，而碳和其他3個氫原子則處在垂直于這條線的面上，—OH和Br在平面的兩邊。整個過程的理解不是很難，若在教學(xué)過程中利用GaussView 畫出整個過程變化的立體圖，以此進(jìn)行講授整個變化過程的立體變化，則能更形象地表現(xiàn)出這種“如翻轉(zhuǎn)的雨傘”的意思 (圖2中的虛線框)。相對于圖2(上)圖中的變化過程，圖2(下)可使學(xué)生更加直觀地觀察到反應(yīng)的整個過程。

3 顯示不同電子取代基電子分布情況

苯環(huán)是共軛體系，苯環(huán)中6個碳原子的π電子云分布都是一樣的。但是，當(dāng)苯環(huán)上有一個取代基時，就會改變苯環(huán)的π電子云分布，使分子極化。這可以利用Gaussian優(yōu)化出的輸出文件(.out)，在GaussView里顯示電荷的分布情況看出(圖3(a))。由圖3可看出當(dāng)苯環(huán)上沒有取代基時，碳的電荷值為-0.129，連有取代基—CH3、—NO2時，與取代基相連的碳原子的電荷值分別為0.177、0.271。由圖3可使學(xué)生清晰直觀地看出電荷分布情況，從而更好地理解分子的極性。另外，還可以從Gaussian優(yōu)化出的檢查點(diǎn)文件(.chk)分析優(yōu)化后分子前沿軌道的電子分布情況。如講解與苯環(huán)相連的取代基為推電子基時(圖3(b))，可使苯環(huán)的π電子云密度增加，從HOMO可以看出，—CH3的給電子能力使其電子云密度增加。反之，當(dāng)苯環(huán)上的取代基為拉電子基團(tuán)如—NO2、—COOH等，優(yōu)化后苯環(huán)HOMO的電子云密度將降低。這樣就可以把在苯環(huán)上引入不同取代基后對苯環(huán)本身電子云密度的影響清晰地講解出來，從而體現(xiàn)出Gaussian軟件在教學(xué)中的優(yōu)勢。另外還可以看出不同電子取代基對于LUMO軌道電子分布的影響。當(dāng)取代基為—CH3時，LUMO軌道電子的分布情況與沒有取代基時相似；而取代基為—NO2時，LUMO軌道的電子分布情況則受到較大的影響。

圖2 SN2反應(yīng)過程

圖3 不同取代基電荷和分子前沿軌道電子分布圖

4 解釋光譜的變化

Gaussian運(yùn)算的結(jié)果不僅可以在基礎(chǔ)化學(xué)課程的教學(xué)中應(yīng)用，而且在實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)中也可以用來解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果。例如武漢大學(xué)版《分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)》[3]中的利用鄰菲啰啉(Phen)吸光光度法測定鐵。在鄰菲啰啉與鐵作用前，其溶液為無色;與Fe2+作用生成穩(wěn)定的橘紅色絡(luò)合物Fe(Phen)32+。關(guān)于溶液顏色的變化，可以利用Gaussian計算的結(jié)果給出如下解釋：根據(jù)優(yōu)化后分子前線軌道HOMO和LUMO電子分布情況，繪制出如圖4(b)的前線軌道能級差圖。Phen與Fe2+作用前，能級差ΔE=ELUMO-EHOMO=0.178；與Fe2+生成配合物后，可以清晰地看出，其HOMO軌道的能量從-0.229增加到-0.078，而LUMO能級從-0.051降低到-0.054，它的變化可以忽略。因此配位前后ΔE由0.178減小到0.024，即作用前能級差是作用后的7.4倍。如果預(yù)先測定Phen溶液的吸收波長，再根據(jù)公式ΔE=hν，就可以大致預(yù)測與Fe2+作用后的最大吸收波長。從而從理論上給出溶液變色的解釋。這種理論的解釋對于普通高校高年級的學(xué)生來說并不難接受。

圖4 Phen與Fe2+配位前后前線軌道能量的變化(a) Phen和配合物Fe(Phen)32+；(b) 配體和配合物的能級差

綜上，將Gaussian軟件計算出的結(jié)果結(jié)合GaussView軟件提取計算結(jié)果的圖形應(yīng)用到高校的教學(xué)中。不僅對高校教師在講授抽象概念、反應(yīng)機(jī)理及解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等方面有很大幫助，而且還可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、創(chuàng)造力及科研能力。

[1] 劉曉東,胡宗球.大學(xué)化學(xué)，2006,21(5):34

[2] 曾昭瓊.有機(jī)化學(xué).第4版.北京:高等教育出版社,2004

[3] 武漢大學(xué).分析化學(xué)實(shí)驗(yàn).第4版.北京:高等教育出版社,2001