提高《高等無機化學》“群論”教學質量的思考與嘗試—量子化學計算方法及其相關軟件的應用

孟慶喜，朱樹華

(山東農業大學 化學與材料科學學院，山東 泰安 271018)

《高等無機化學》是我校化學各專業的學位課，總學時為54，課程設置在研究生第一學期。《高等無機化學》課程的設置使學生更好地了解現代無機化學的前沿，即主要研究方向、方法及其發展趨勢，了解現代無機化學學科發展的思路，培養學生發現問題、思考問題、解決問題的能力，培養學生從事科學研究工作的能力[1-3]。

“群論”是《高等無機化學》的主要組成部分。群論是研究群的結構及應用的數學理論，它廣泛應用于化學、物理、生命科學等領域，現已發展成為近代化學理論研究的重要工具[4-5]。由于群論所涉及的內容非常抽象、難懂，所以，為激發學生的學習興趣，增強學生的學習積極性，我們將應用量子化學計算方法及其相關模擬軟件，較為形象、具體地向學生展示群論教學內容，促進群論的教與學，提高群論的教學質量。

1 群論教學的主要內容

群論教學的主要內容為：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；群論在化學中的應用[1]。

2 量子化學計算方法及其相關軟件介紹

量子化學計算方法主要有半經驗方法(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/分子力學組合方法(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 教學應用實例

為了更形象、更直觀、更具體展示群論教學內容，激發學生的學習興趣，提高群論的教學質量，我們針對不同的教學內容，利用量子化學計算方法、計算軟件及作圖軟件圖文并茂的呈現群論的教學內容。具體應用實例如下：

(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旋轉軸即C-Cl鍵所在直線。

圖1 CH3Cl中C3旋轉軸(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生了解復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 結語

在《高等無機化學》“群論”部分教學過程中，我們嘗試應用量子化學計算方法及其計算軟件，激發了學生學習的興趣，取得了比較好的教學效果。在以后的教學中，我們將嘗試新的教學方法，更好地促進在《高等無機化學》“群論”部分的教與學。

[1]陳慧蘭.高等無機化學[M].北京:高等教育出版社,2005.

[2]辛 劍,王慧龍.高等無機化學[M].北京:高等教育出版社,2010.

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

[4]麥松威,周公度,李偉基.高等無機結構化學[M].2版.北京:北京大學出版社, 2006.

[5]周宏立.群論與現代化學入門[M].北京:北京化學工業出版社,1988.

[6]林夢海.量子化學計算方法與應用[M].北京:科學出版社,2004.

[7]王志中.現代量子化學計算方法[M].長春:吉林大學出版社,1998.