科研和計算機模擬協同促進光譜教學的改革與實踐

張象涵　趙娜　王博　張帥

摘要：通過理論教學-科研轉化-Gaussian計算軟件分析的創新教學模式，探索了Gaussian軟件在光譜教學中的具體應用，對染料分子結構和紅外光譜、紫外可見吸收光譜及穩定性的關系進行了具體研究。同時，將科研項目融入教學實踐中，為課堂教學引入最新化學前沿進展和實驗方法，提高教師前沿知識應用轉化的能力。Gaussian軟件和科研協同教學方式，有效推進化學教學改革，開闊學生視野，激發學生科研興趣和積極性，促進教學水平和質量的飛躍。

關鍵詞：教學改革；Gaussian軟件；紅外光譜；紫外可見吸收光譜；穩定性

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）34-0084-02

紅外吸收光譜和紫外可見吸收光譜是現在實驗室最常用的物質定性、定量和結構解析手段之一。為了培養學生創新意識和科研能力，在光譜教學改革中，我們探索了一種“理論教學—科研轉化—Gaussian分析”的創新教學模式。筆者在近紅外有機分子探針的設計、制備和應用方面有深入的研究，應用Gaussian量子化學計算軟件對有機染料的光譜性能進行研究，結合GaussView軟件顯示分子構型、分子軌道形狀、振動光譜等功能，使教學深入淺出，能準確理解光學材料電子光譜的相關性質。其次，將科研成果引入課堂，使學生接觸前言領域，促進教學內容的及時更新，豐富教學內容的同時，激發學生的學習興趣和了解專業領域和社會前沿的最新進展。

一、科研融入課堂，高斯分析構型及紅外振動光譜

紅外光譜教學中，往往給學生展示各種分子的平面結構，需要學生較強的空間想象能力。首先我們以學院科研項目相關的花菁熒光染料融入課堂（商品級Cy5.5以及本課題組自行合成的五種染料），使教學內容能靈活與科研相結合。其次再將Gaussian量子化學計算軟件和GaussView軟件引入課堂，采用密度泛函理論DFT，在B3LYP/6–31G*+水平上，對六種染料分子的基態（S0）構型進行了全自由度幾何優化，頻率分析均無虛頻。利用GaussView軟件展示頻率分析結果，能將不同分子振動類型（即對稱和不對稱伸縮振動、面內搖擺和剪式振動、面外搖擺和扭曲振動）動態可視化，能更深入的理解分子振動能級躍遷產生紅外光譜，價電子躍遷產生吸收光譜的原理，區別不同振動類型和不同官能團產生紅外頻率的差別，提高學生的學習興趣和積極性。

二、科研轉化為實驗，高斯講解電子吸收光譜本質

分子受到能量激發導致分子的價電子由基態躍遷到高能量的激發態，這方面的教學涉及能量、能級、躍遷類型、共軛結構等有機化學基礎知識，教科書中的講解很難理解透徹。在可見分光光度相應實驗課程中，把科研成果轉化為配套實驗，將六種花菁染料配制成溶液，檢測其紫外-可見吸收光譜；再運用Gaussian計算電子光譜，讓學生通過直觀的圖形數字加深理解。溶劑對電子光譜的影響較復雜，由于溶劑和溶質的分子作用力，使得譜帶的精細結構變得模糊或消失，或者使得基態和激發態能量發生變化從而導致吸收峰發生藍移或紅移。教科書對溶劑效應的講解較模糊，我們運用Gaussian軟件中的PCM溶劑模型可以清晰的解釋溶劑效應。例如圖1計算得到D在真空環境中的垂直激發能為2.2037eV，最大吸收波長為562.62nm；在水中的垂直激發能為1.9405eV，最大吸收波長為639.5nm，這也與真實實驗在水中測得D的最大吸收波長643.5nm相接近。這是因為相比真空環境，溶劑分子和溶質分子的相互作用，以及分子間的氫鍵作用力，導致HOMO→LUMO垂直激發能減小，所以吸收波長發生了紅移。

三、科研引出學生興趣，高斯探究物質穩定性

化合物的穩定性是其應用的一個重要性能指標，光分解反應和氧化反應是主要影響光學材料穩定性的因素。在溶劑光譜實驗中，往往有學生提問為什么不同染料的穩定性不同，但是在教科書中只有對化合物構型之間穩定性的比較，如順反構型等，但是對不同分子結構穩定性機理方面幾乎無介紹。因此我們設計了染料穩定性試驗，以甲醇為溶劑配制六種花菁染料溶液，連續光照觀測其紫外-可見吸收光譜的變化以測其穩定性。化合物C極其不穩定，暴露于空氣中約5～10分鐘之內分解，與初始吸光度相比，光照八小時后吸光度下降百分比，六種花菁染料的穩定性順序為：C四、結論

Gaussian化學計算軟件的引入解決了分子結構和振動傳統教學中可視化差的缺點，深入淺出地解釋電子吸收光譜及物質穩定性與結構關系的本質。將科研成果中的先進技術融入到教堂教學中，使高校教學與科研有機地緊密結合，提高光譜理論教學和實驗教學的效果。構建科研與Gaussian協同促進的新型教學模式，推進教學改革，促進人才培養創新能力和科研能力。

參考文獻：

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