開展Gaussian程序應用教學的嘗試

魏東輝 宋傳君

摘要：Gaussian作為化學理論計算中應用最廣的程序，在諸多化學問題的研究和解決中得以大量應用，成功地解釋和預測了一些化學反應，已成為化學學科的科研教學人員必須掌握的量子化學計算程序之一。開展Gaussian程序應用教學，對于提升學生專業素養、科研水平具有重要的意義。

關鍵詞：Gaussian程序；教學實踐；應用教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）27-0162-02

Gaussian程序起源于上世紀七八十年代，當時計算機硬件條件很差，只能計算比較簡單的分子，且計算級別較低，所以幾乎不能應用于解決化學問題。隨著計算機硬件技術的發展和計算方法的不斷優化改良，到上世紀八九十年代，人們已經逐漸可以借助量子化學計算程序去對實驗中的化學體系進行模擬和研究。值得一提的是，1998年諾貝爾化學獎授予科恩和波普爾，以表彰他們在理論化學領域做出的重大貢獻。他們的工作使實驗和理論能夠共同協力探討分子體系的性質，引起整個化學領域經歷一場革命的變化，使化學不再是一門純粹的實驗科學。其中，波普爾正是Gaussian程序的原創者之一，此次得獎也是為Gaussian程序在世界范圍內被接受和認可奠定了基礎。Gaussian的版本從上世紀開始有Gaussian 70、Gaussian 80、Gaussian 90、Gaussian 98等一系列程序。進入21世紀，隨著Gaussian 98、Gaussian 03、Gaussian 09[1]等版本的持續更新和改進，Gaussian程序的功能也越來越強大，應用范圍也越來越廣。目前，Gaussian的主要功能包括：過渡態能量和結構、反應路徑、熱力學性質、分子軌道、鍵和反應能量、原子電荷和電勢、核磁性質、紅外和拉曼光譜、振動頻率、極化率和超極化率等，計算不僅可以對具體體系的基態進行計算，還可以對其激發態的結構和性質進行研究。另外，它還可以用來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。該程序近年來的高速發展和廣泛應用使其成為化學學科的科研教學人員必須掌握的工具之一。目前國內很多知名高校和科研院所都已經開展了Gaussian程序應用這門課程，并且作為相關專業本科生和研究生的必修課程。鑒于此，我院于2014年也開展了Gaussian程序應用作為研究生選修課程，這對于提高我院研究生專業素養和科研水平具有重要的意義。

一、Gaussian程序應用的參考教材選取

有很多關于Gaussian程序應用方面的書籍，包括中文的和英文的。針對這門課來說，我選擇的參考教材主要是Foresman和Frisch編著的《Exploring chemistry with electronic structure methods》[2]以及可在Gaussian官網下載的與其配套的例子。該書分為三個部分，分別是基本概念和技術（包括第一章計算模型、第二章單點能計算、第三章幾何優化、第四章 頻率分析）、計算化學方法（包括第五章基族的影響、第六章理論方法的選擇、第七章高精度計算）和應用部分（包括第八章研究反應和反應性、第九章激發態、第十章溶液中的反應）。我選擇此書的出發點是：它的內容從基礎到應用、從淺至深地介紹了Gaussian程序的主要功能和應用。書中的例子涉及分子能量和結構研究、過渡態的能量和結構研究、化學鍵以及反應的能量、振動頻率、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢、紅外和拉曼光譜、核磁、極化率和超極化率、熱力學性質、IRC反應途徑等計算，另外還舉例模擬了在氣相和溶液中的體系、模擬基態和激發態分子的結構及性質。這些具體例子能夠幫助從事化學及其相關領域的科研工作人員、教師和研究生等從不同的視角把握分子模型設計和計算模擬的策略、原則和方法，從而能夠讓研究人員全面了解Gaussian程序計算的模擬方法和應用實例。

二、Gaussian教學內容的選取

Gaussian程序主要是以分子力學和量子力學等為理論依據，借助計算機模擬進行化學問題研究的一門交叉學科。該課程教學涉及內容多、范圍廣，這就要求學生具有良好的數學、計算化學、結構化學、物理化學、有機化學、無機化學和計算機科學等眾多專業知識的積累。學習這門課有助于拓寬學生的知識面，培養學生綜合多種學科知識，解決實際復雜的化學問題的能力。然而這門課理論概念抽象，學生理解起來非常困難，教學難度也較大。選修這門課的學生主要來自物理化學專業和有機化學專業。對于物理化學專業的學生來說，他們的結構化學、計算化學和物理化學知識基礎較好，這門課的學習不是非常困難。然而對于有機化學專業的學生來說，這門課學起來就比較困難了，因為他們的計算化學、結構化學和計算機科學知識比較薄弱。如何將抽象的化學知識簡單化，形象化，幫助學生理解復雜的有機反應機理，提高學習積極性，這對老師的教學方法和方式有很高的要求。

針對不同化學專業學生的特點和他們將來要從事的職業，我更加注重實踐教學而不是抽象概念的講解和公式的推導。對于量子化學計算中涉及的一些算法學生只需了解，如果有學生對于基礎知識非常感興趣，我建議他們去聽量子力學和結構化學課程。在課堂上，我重點講解Gaussian程序的常用計算方法、思路和一些典型案例，以及如何運用這些方法解決科研中碰到的實際問題。比如講解什么是半經驗計算、什么是Hartree-Fock近似、什么是密度泛函理論、什么是分子力學算法等，講解他們的區別以及在不同情況下如何選擇不同的算法。此外，我還重點講解基于量化計算的分子結構（包括穩定態和過渡態）的優化，分子光譜的計算和反應機理研究。這些內容對于化學專業的學生來說都是非常有意義的，可以幫助他們后續的科研工作。為了激發學生的學習興趣，調動學生的自主性，讓學生積極參與到課堂的專題實驗交流活動，提高課堂教學的效果，我會教學生使用一些軟件圖形界面如Gaussview等，直接生動地展示和分析一些分子的三維結構，將抽象的化學分子通過色彩鮮艷的三維立體形象界面予以展示，并教會他們如何使用Gaussview建立分子模型和分析計算結果。在用Gaussview軟件建立模型的過程中，我首先對主工具欄里邊的元素工具和環工具等建模工具做了講解，然后再對編輯工具即鍵長、鍵角和二面角工具做了使用演示，另外還講了加H工具和原子消除工具的使用。事實上，上述的這幾個工具如果能掌握好，學生們基本上就能根據所學化學知識來建立相應的分子的三維結構模型。隨后，在課堂上我再演示如何用鼠標操作來旋轉、移動、縮放和疊加結構，如何用鼠標操作來改變分子的顯示形式和顏色，如何查看結果如能量數據，以及如何顯示分子的原子電荷和分子軌道性質等。等學生基本掌握了Gaussview的模型建立和結果分析工具，我會給他們講解如何將分子模型通過設置不同的關鍵詞來提交相應任務給Gaussian程序去執行，如結構優化的關鍵詞是OPT，頻率計算的關鍵詞是FREQ等。由于Gaussian的功能強大，授課時間有限，我們只介紹一些基本操作和簡單例子給學生。例如讓學生對鄰位、間位和對位的二取代苯進行在不同計算級別（如HF/6-31G（d，p）水平下）進行結構優化模擬，然后對其能量比較分析哪個異構體在氣相和液相下最穩定。對于反應機理，我會讓學生通過尋找一些簡單的常見化學反應如Diels-Alder反應、SN2親核取代反應的過渡態的構型來加深對反應通道的理解，通過IRC計算直觀的看出化學反應中分子結構的變化。此外，我還會講一些實例介紹光譜的預測，比如首先我們會在基態下用DFT方法優化發光分子的結構，然后對其進行TDDFT計算來預測其紫外吸收光譜和熒光光譜等發光性質，從而為功能分子的設計提供便利。最后，根據本院實際科研需要，我們會適當進行一些應用教學來滿足不同專業學生的需求。

三、開展Gaussian程序應用課程的前景展望

自然科學發展的歷史和規律表明，多學科的優勢交叉促進了最基本的微觀過程和最復雜的宏觀過程的統一認識。在這個信息大爆炸的時代，Gaussian這一量子化學計算程序應運而生并被廣泛認可和應用。它既要求使用者有一定的量子力學等數理基礎來理解計算流程，而且要求他們對于化學問題有深刻認識和獨特見解，屬于一門高度交叉的新興方法和工具，涉及應用化學、理論化學和計算機科學等眾多領域。目前，Gaussian程序已經成為理論化學計算中的常規方法之一，開展此門課程可以使科學研究人將其用于未來的反應機理研究、反應的立體和化學選擇性的解釋、化合物結構及其光譜等性質預測，并可指導設計小分子催化劑甚至新型催化反應，減少實驗上的盲目性和偶然性，從而達到節省人力、物力和財力的最終目的。

理論計算化學在近幾十年來取得了實質性進展，已從根本上改變了人們對于化學只是一門實驗科學的認知，它已經成為化學學科的一個重要組成部分。我國的理論計算研究發展迅速，化學學科正處于從單純實驗到以實驗和理論計算相輔相成轉變的關鍵時期，從專業發展的角度而言，開展理論計算化學相關課程如Gaussian程序應用具有非常廣闊的應用前景和發展空間。

參考文獻：

[1]Gaussian 09，Frisch，M.J.et al. Gaussian，Inc.，Wallingford CT，2009.

[2]Foresman，J.B.；Frisch，A Exploring Chemistry with Electronic Methods，2nd edn，Gaussian，Inc，Pittsburg PA，1996.