Chem 3D Ultra和Gaussian View軟件在結構化學教學中的應用

【摘 要】本文介紹了Chem 3D Ultra和Gaussian軟件的基本功能，并著重展示了Chem 3D Ultra在前線軌道理論和Gaussian View在分子光譜教學中的應用，從而解決了結構化學傳統教學中可視化較差、不夠形象直觀的缺點，使深奧、抽象的理論知識形象化，進而提高了教學效率.增加了教學質量。

【關鍵詞】結構化學 教學方法 計算機軟件

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）25-0053-02

結構化學是用現代物理化學實驗方法和量子力學原理，在原子—分子水平上研究物質分子構型與組成的相互關系及其結構與性能之間關系的一門科學。由于這門課數理推導多、概念抽象，好多學生在學習本課程時都有畏難情緒，學習此課程的自信心不足。隨著計算機技術及互聯網的進步，將計算機軟件用于輔助結構化學的教學日益受到老師們的重視。美國劍橋軟件公司研制的Chem 3D Ultra11.0是當前結構化學教學中常用的編輯軟件。Chem 3D Ultra11.0軟件可編輯各類十分復雜的結構化學中的結構式、檢查分子結構的合理性以及立體化學的空間表達，還可以精確表達有機物分子中指定官能團部分的多種光譜，并且還能繪制DNA的分子螺旋結構，預測分子的某些常見分子軌道。Gaussian是化學領域進行半經驗計算和從頭計算中使用最廣泛的量子化學軟件。Gaussian可用于研究分子能量和結構、化學鍵和反應能量、過渡態能量和結構、原子電荷和電勢、紅外和拉曼光譜、分子軌道、極化率和超極化率、振動頻率、核磁性質、反應路徑、熱力學性質等，是研究取代反應、反應機理、勢能面和激發態能量的有力工具。Gaussian View是專門為Gaussian用戶開發的，幫助建立輸入文件和查看輸出結果而設計的圖形用戶界面程序。

一 Chem 3D Ultra在前線分子軌道理論教學中的應用

前線分子軌道理論是日本理論化學家福井謙一成名的理論，這一理論將分子中的單電子波函數根據能量細分為不同能級的分子軌道，該理論認為有電子排布的、能量最高的分子軌道（即最高占據軌道HOMO）和沒有被電子占據的、能量最低的分子軌道（即最低未占軌道LUMO）是決定一個體系發生化學反應的關鍵。在以往的結構化學教學過程中，分子軌道主要由教師手繪，非常費時也不嚴謹。Chem 3D Ultra11.0經過計算模擬后可顯示全部分子軌道圖像，在教學中非常明了直觀。例如，在Chem 3D中首先可以方便地繪出乙烯分子的結構圖，從結構圖中很容易看出乙烯分子的6個原子處在同一平面上，屬于D2h分子點群。通過[Calculations]計算完以后，我們就可以通過[Surfaces]顯示如圖1的前線分子軌道圖，其中HOMO是p成鍵軌道，LUMO是p反鍵軌道。用Chem 3D軟件顯示出的分子軌道，學生很容易理解。用同樣的方法我們也可以方便地得到其他分子的軌道圖。

二 Gaussian View在分子光譜教學中的應用

分子的紅外光譜起源于分子的振動基態 與振動激發態 之間的躍遷。只有在躍遷的過程中有偶極矩變化

的躍遷，即 不為零的振動才會出現紅外光譜，

這稱為紅外活性。在振動過程中，偶極矩改變大者，其紅外吸收就強；偶極矩不改變者，就不出現紅外吸收，為非紅外活性。用Gaussian程序，在B3LYP/6-311++g（2d，2p）水平上優化得到H2O的最小能量結構，并且

* 榆林學院精品課程項目（編號：JP1302）、榆林學院發展專項資助項目（編號：HGY2015-3）

做FREQ頻率分析，然后用Gaussian View程序顯示，可得圖3，即H2O的紅外振動光譜圖。為了顯示H2O的3種紅外振動模式的動畫形式，首先用Gaussian View打開H2O的out文件，然后點擊[Results]→[Vibrations]→[Start]，即可顯示動畫形式。從動畫、圖2及圖3可以看出，對稱伸縮偶極矩變化不大，所以它的振動強度（Intensity）就非常小，其他兩個振動，振動強度比較大。非常直觀明了，學生通過看動畫很容易理解深奧的理論。

三 鍵級的計算

在結構化學教學中，我們常常通過對分子的結構進行分析來解釋或預測化學反應的性質，這也是結構化學的重要應用之一。比如在結構化學教學中求解得到的電荷密度、鍵級、自由價和分子圖等概念可以用來解釋分子的活性位置、說明化學反應的過程和機理，也可以用來解釋分子的動力學行為等。但如果我們要得到自由價、電荷密度和鍵級的值，首先要利用休克爾分子軌道理論法求解不飽和分子的薛定鄂方程，然后根據課本上的公式進行計算，整個過程非常復雜，也比較繁瑣，一般在課堂上由于時間較短很難做到。而Gaussian提供了簡易的計算程序，只要在優化好的分子上并加上關鍵詞iop（6/80=1）即可得到分子的Mayer鍵級。如圖4，就是在B3lyp/6

-311G*水平上優化好分子后得到的1，3-丁二烯的Mayer鍵級，從圖中可以看出，C1和C2及C3和C4之間的鍵級較大，而C2和C3之間的鍵級較小，從而可以解釋為什么1，3-丁二烯的加成反應發生在1，4位而不是2，3位；C1和C2的鍵長小于C2和C3的鍵長，等等。

四 總結

本文對Chem 3D Ultra在結構化學教學中的應用只做了部分介紹，其在教學中的應用遠不止本文所講，例如還可以利用該軟件顯示離域大π鍵；繪制實驗室裝置圖；顯示分子結構等等。Gaussian軟件在結構化學教學中的應用也遠不止以上所述，例如在講物理化學反應機理時，可以通過計算IRC來顯示反應歷程，Gaussian View軟件可以將整個反應過程動態地顯示出來，非常直觀。將計算化學軟件Chem 3D Ultra、Gaussian和Gaussian view引入結構化學教學，改變了傳統化學教學枯燥、單一的教學模式，將分子振動理論和軌道理論形象化，使抽象的化學知識變得容易掌握和較為直觀，并且營造了一個有趣快樂、形象生動的現代化教學環境，有效提高了學生的學習興趣和積極性，進而大大提高了課堂教學質量。同時還可以使學生較早地接觸到專業的科研工具，培養其科研興趣，能為接下來的畢業論文做一些基礎的理論工作。

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〔責任編輯：龐遠燕〕