提高《高等無機化學(xué)》“群論”教學(xué)質(zhì)量的思考與嘗試—量子化學(xué)計算方法及其相關(guān)軟件的應(yīng)用

孟慶喜，朱樹華

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山東 泰安 271018)

《高等無機化學(xué)》是我校化學(xué)各專業(yè)的學(xué)位課，總學(xué)時為54，課程設(shè)置在研究生第一學(xué)期。《高等無機化學(xué)》課程的設(shè)置使學(xué)生更好地了解現(xiàn)代無機化學(xué)的前沿，即主要研究方向、方法及其發(fā)展趨勢，了解現(xiàn)代無機化學(xué)學(xué)科發(fā)展的思路，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)研究工作的能力[1-3]。

“群論”是《高等無機化學(xué)》的主要組成部分。群論是研究群的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用的數(shù)學(xué)理論，它廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生命科學(xué)等領(lǐng)域，現(xiàn)已發(fā)展成為近代化學(xué)理論研究的重要工具[4-5]。由于群論所涉及的內(nèi)容非常抽象、難懂，所以，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，我們將應(yīng)用量子化學(xué)計算方法及其相關(guān)模擬軟件，較為形象、具體地向?qū)W生展示群論教學(xué)內(nèi)容，促進群論的教與學(xué)，提高群論的教學(xué)質(zhì)量。

1 群論教學(xué)的主要內(nèi)容

群論教學(xué)的主要內(nèi)容為：對稱元素和對稱操作；群的概念；分子點群；分子偶極矩；分子旋光性；群論在化學(xué)中的應(yīng)用[1]。

2 量子化學(xué)計算方法及其相關(guān)軟件介紹

量子化學(xué)計算方法主要有半經(jīng)驗方法(semi-empirical method，如AM1、PM3等)、從頭算方法(Ab initio method，如HF、MP2等)、密度泛函方法(Density Functional theory，DFT，如B3LYP、M06、M06-2x等)、量子化學(xué)/分子力學(xué)組合方法(Quantum Mechanical/Molecular Mechanical simulations，QM/MM)等[6-7]。

計算模擬軟件主要有HyperChem 7.5、Gaussian 09、Turbomole、Materials Studio 6.0、AOMix等。作圖軟件主要有Origin 7.5、Gaussian View 5.0、ChemBioDraw Ultra 13.0、ChemBio3D Ultra 13.0等。

3 教學(xué)應(yīng)用實例

為了更形象、更直觀、更具體展示群論教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高群論的教學(xué)質(zhì)量，我們針對不同的教學(xué)內(nèi)容，利用量子化學(xué)計算方法、計算軟件及作圖軟件圖文并茂的呈現(xiàn)群論的教學(xué)內(nèi)容。具體應(yīng)用實例如下：

(1)簡單分子中對稱元素的分析，如圖1所示，通過Gaussian View 5.0軟件，可看到CH3Cl中C3旋轉(zhuǎn)軸即C-Cl鍵所在直線。

圖1 CH3Cl中C3旋轉(zhuǎn)軸(右圖為C-Cl鍵方向的俯視圖)

(2)分子點群的判定，可以通過視圖軟件分析(如圖1，可以分析得出CH3Cl的所有對稱元素，從而可以判定CH3Cl的分子點群)或Gaussian 09軟件計算得出。因此，可以應(yīng)用Gaussian 09軟件計算來驗證分子點群判定的正確與否。

(3)分子偶極矩的判定。我們認為分子偶極矩的判定主要有四種方法：以經(jīng)驗判定；簡單分子可以用鍵矩矢量加合近似得出；從群論即分子點群方面探討；Gaussian 09軟件計算得出。

(4)分子旋光性的判斷。HyperChem 7.5軟件可以顯示分子的R及S手性，也可以形象顯示某基團的變化引起的手性的變化。

(5)分子中各原子的空間坐標，即笛卡爾坐標(x,y,z)。我們可以通過HyperChem 7.5軟件和Gaussian View 5.0軟件得出分子CH3Cl中五個原子的笛卡爾坐標，分別為：C(-1.24100000，0.46000000，0.00000000)、Cl(0.41900000，-0.12600000，0.00000000)、H(-1.24100000，1.55000000，0.00000000)、H(-1.75400000，0.09700000，0.89000000)和H(-1.75400000，0.09700000，-0.89000000)。

(6)分子軌道組成的分析。Gaussian 09和AOMix軟件可以計算分析得出復(fù)雜分子中某一分子軌道的組成：即由哪些軌道、怎樣組成的這一分子軌道；Gaussian View 5.0軟件可以顯示這些分子軌道的圖形。銠配合物CpRh(H)(PhCO)(Me3SiCH=CH2)的幾條分子軌道的組成，如圖2所示(HOMO：最高占據(jù)分子軌道；LUMO：最低空軌道)。因此，通過模擬計算與圖形展示可以使學(xué)生了解復(fù)雜分子中一個分子軌道不再是簡單的兩個分子軌道疊加組合而成，而是由許多相關(guān)分子軌道組成，每個分子軌道所占成分大小不同，但總和為1。

HOMO：最高占據(jù)分子軌道；LUMO：最低空軌道。軌道組成所占比例小于4.9%的軌道全部省略。

圖2 銠配合物CpRh(H)(PhCO)(Me3SiCH=CH2)的幾條分子軌道的組成

4 結(jié)語

在《高等無機化學(xué)》“群論”部分教學(xué)過程中，我們嘗試應(yīng)用量子化學(xué)計算方法及其計算軟件，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，取得了比較好的教學(xué)效果。在以后的教學(xué)中，我們將嘗試新的教學(xué)方法，更好地促進在《高等無機化學(xué)》“群論”部分的教與學(xué)。

[1]陳慧蘭.高等無機化學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2005.

[2]辛 劍,王慧龍.高等無機化學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2010.

[3]鄧玉恒.《高等無機化學(xué)》課程體系的革新和優(yōu)化[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,32(s1):44-47.

[4]麥松威,周公度,李偉基.高等無機結(jié)構(gòu)化學(xué)[M].2版.北京:北京大學(xué)出版社, 2006.

[5]周宏立.群論與現(xiàn)代化學(xué)入門[M].北京:北京化學(xué)工業(yè)出版社,1988.

[6]林夢海.量子化學(xué)計算方法與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[7]王志中.現(xiàn)代量子化學(xué)計算方法[M].長春:吉林大學(xué)出版社,1998.