Gaussian09在有機化學教學中的應用

王譯偉 劉源 唐斌

摘要： 本文結合有機化學教學的特點，研究了Gaussian09在有機化學教學中的應用，提出在教學中應用該軟件能夠使抽象的理論形象化，極大地增強學生的學習積極性，更好地提高教學質量。

關鍵詞： Gaussian09有機化學教學應用

Gaussian是一個功能強大的量子化學綜合軟件包。其可執行程序可在不同型號的大型計算機，超級計算機，工作站和個人計算機上運行，并相應有不同的版本。Gaussian09是目前最新的版本，高斯功能的研究對象有：分子能量和結構、過渡態能量和結構、鍵和反應能量、分子軌道多重矩、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、核磁性質、極化率和超極化率、熱力學性質、反應路徑。計算可以對體系的基態或激發態執行，可以預測周期體系的能量、結構和分子軌道。因此，Gaussian可以作為功能強大的工具，用于研究許多化學領域的課題，例如取代基的影響，化學反應機理，勢能曲面和激發能，等等，在有機化合物的研究中廣泛使用。

有機化學是醫學課程中的重要基礎課程，為后續生物化學、生理學等專業課程的學習打下基礎。教學實踐發現，雖然學生在高中都有一定的有機化學知識，但是由于有機化學知識量大、信息抽象等特點，造成很多學生不能有效地掌握教學重點和難點。本文主要結合有機化學的課程特點，在教學中引入Gaussian09程序包及與之配套使用的GaussianView軟件，可以增強教學的生動活潑性，使學生能夠更好地從本質上掌握有機化學知識。

一、分子的幾何構型與穩定性

在有機化合物的學習中，我們發現分子的幾何構型可以有多種取向，但是在自然狀態下分子一般以最穩定的幾何構型大量存在，此時該構型能量也最低。我們認為在自然情況下分子主要以能量最低的形式存在。只有能量最低的構型才能具有代表性，其性質才能代表所研究體系的性質。我們使用GaussianView軟件構建要研究的分子的基本模型，在建模過程中，我們無法保證所建立的模型有最低的能量，所以所有研究工作的起點都是構型優化，要將所建立的模型優化到一個能量的極小點上。只有找到合理的能夠代表所研究體系的構型，才能保證其后所得到的研究結果有意義。通過Gaussian09程序優化結構得到的分子構型達到了收斂標準，就會得到一個穩定的幾何構型。我們可以利用GaussianView軟件讀取這個優化后穩定構型的各自幾何參數信息，如鍵長、鍵角、二面角等。學生可以通過自己構建簡單的有機分子模型，進行結構優化，讀取幾何構型信息，更加形象地掌握有機分子的幾何構型和穩定性。劉曉東等［１］曾采用Gaussian程序對順反二氟乙烯的穩定性進行了探究，在教學過程中，形象地向學生展示了順反二氟乙烯的穩定性不僅受空間位阻、靜電斥力大小影響，還與電子的離域效應有關。

二、反應機理的研究

有機化學反應機理研究的是反應物通過化學反應變成產物所經歷的全過程，而反應進行的途徑主要由分子本身的反應性能和進攻試劑的性能，以及反應條件等內外因決定。對數目龐大的各種表面上互不相關的有機反應，通過反應機理的研究，揭示出它們的實質關系，并用少數幾條原則將這些反應互相關聯起來，從而能深入系統地掌握反應內在的規律性。更重要的是可以根據反應機理選擇最適當的反應條件以提高所需產物的得率。目前，研究反應機理的可能性和方法主要是量子化學方法，而Gaussian程序是其中應用最為廣泛的軟件。

馮曉琴等［２］采用了Gaussian程序對芳烴硝化機理進行了模擬，從量子化學的角度確立了親電取代和單電子轉移的兩種反應機理，并通過GaussView界面，使學生對復雜的芳烴硝化機理的認識更加清晰，為進一步對芳烴硝化反應的研究建立了更系統的理論基礎。親電加成反應是有機化學教學的難點和重點內容，比如烯烴和鹵素的加成反應機制就可以用Gaussian程序來研究，溴與乙烯的加成反應，該反應途徑時設計成順式產物和反式產物兩個通道，計算結果表明順式反應產物的能量比反式產物高得多，從理論上明確地反映了該反應的產物是以反式產物為主，和實驗結果一致。

三、苯環的定位效應

苯環上已有取代基，在進行親電取代反應時，苯環上原有取代基會影響親電取代反應活性和第二個基團進入苯環的位置。我們用Gaussian程序來研究苯環的定位效應，外來基團易于進攻電子密度較高的位置。計算發現，未有取代基的苯上6個碳原子的Mulliken charge電荷分布在-0.128—-0.129之間，對C1上的H分別被-CH，-NO，-OH，-NH和-Cl取代的物質做了電子密度計算分析，其Mulliken charge數值見表1。從表1可以看出，C1上的H被-CH取代后的甲苯，C2的電子密度增加最大，為-0.182，這個位置都是鄰位，因此外來基團更容易進攻這個位置，發生親電取代反應，這與甲苯發生親電取代反應的主要產物為鄰位的實驗事實相一致，也從反應的實質原因上給學生展示了親電反應的原理，更為生動和客觀。從表1的數據，也可以進行類似的分析，解釋與實驗事實一致，-NO，-OH，-NH取代后，電子密度都增加了，使得苯環活化，親電反應更容易發生，根據各碳位置電子密度的增加幅度不同，可以發現，-NO為間位定位基，-OH和-NH為鄰對為定位基；以及-Cl取代后電子密度較取代前降低，導致苯環鈍化。

四、波譜分析

有機化合物的機構鑒定是有機化學基本知識的重要組成部分。20世紀50年代發展起來的波譜法，為有機化合物的結構鑒定帶來了很大方便。最常用的波譜包括紫外光譜、紅外光譜、核磁共振譜和質譜（通常稱為“四譜”）。Gaussian程序也可以計算出物質的波譜信息可以計算各種光譜和光譜特性。包括：IR和Raman；預共振Raman；紫外—可見；NMR；振動圓形二色性（VCD）；電子圓形二色性（ECD）；旋光色散（ORD）；諧性振—轉耦合；非諧性振動及振—轉耦合；g張量，以及其他的超精細光譜張量。已有的物質的實驗質譜信息與理論計算值對比后如果能夠很好地吻合，那么就可以運用該計算方法對類似的新化合物進行設計和性質研究。在一定程度上比實驗研究要節約大量的人力、物力和時間。

實踐表明，Gaussian程序是一種功能強大的量子化學計算軟件，使Gaussian09在有機化學教學中得到合理的應用，必將使學生對有機化學的許多基本知識產生更加清晰的認識，并能起到易學易懂的作用，從而達到提高教學質量的目的。

參考文獻：

［1］劉曉東，潘文慧，張素蘭.應用Gaussian程序對順反二氟乙烯穩定性的探究［J］.綿陽師范學院學報，2008，11，（27）:63.

［2］馮曉琴，任福德，曹端林.Gaussian量子化學模擬對芳烴硝化機理的探索，2008，1，（23）:37.