Chem 3D Ultra和Gaussian View軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)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(xué)中的應(yīng)用，從而解決了結(jié)構(gòu)化學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中可視化較差、不夠形象直觀的缺點(diǎn)，使深?yuàn)W、抽象的理論知識(shí)形象化，進(jìn)而提高了教學(xué)效率.增加了教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)化學(xué) 教學(xué)方法 計(jì)算機(jī)軟件

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2015）25-0053-02

結(jié)構(gòu)化學(xué)是用現(xiàn)代物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和量子力學(xué)原理，在原子—分子水平上研究物質(zhì)分子構(gòu)型與組成的相互關(guān)系及其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的一門科學(xué)。由于這門課數(shù)理推導(dǎo)多、概念抽象，好多學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)都有畏難情緒，學(xué)習(xí)此課程的自信心不足。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步，將計(jì)算機(jī)軟件用于輔助結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)日益受到老師們的重視。美國(guó)劍橋軟件公司研制的Chem 3D Ultra11.0是當(dāng)前結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中常用的編輯軟件。Chem 3D Ultra11.0軟件可編輯各類十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化學(xué)中的結(jié)構(gòu)式、檢查分子結(jié)構(gòu)的合理性以及立體化學(xué)的空間表達(dá)，還可以精確表達(dá)有機(jī)物分子中指定官能團(tuán)部分的多種光譜，并且還能繪制DNA的分子螺旋結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)分子的某些常見分子軌道。Gaussian是化學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算中使用最廣泛的量子化學(xué)軟件。Gaussian可用于研究分子能量和結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵和反應(yīng)能量、過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、原子電荷和電勢(shì)、紅外和拉曼光譜、分子軌道、極化率和超極化率、振動(dòng)頻率、核磁性質(zhì)、反應(yīng)路徑、熱力學(xué)性質(zhì)等，是研究取代反應(yīng)、反應(yīng)機(jī)理、勢(shì)能面和激發(fā)態(tài)能量的有力工具。Gaussian View是專門為Gaussian用戶開發(fā)的，幫助建立輸入文件和查看輸出結(jié)果而設(shè)計(jì)的圖形用戶界面程序。

一 Chem 3D Ultra在前線分子軌道理論教學(xué)中的應(yīng)用

前線分子軌道理論是日本理論化學(xué)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(shù)根據(jù)能量細(xì)分為不同能級(jí)的分子軌道，該理論認(rèn)為有電子排布的、能量最高的分子軌道（即最高占據(jù)軌道HOMO）和沒有被電子占據(jù)的、能量最低的分子軌道（即最低未占軌道LUMO）是決定一個(gè)體系發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵。在以往的結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)過程中，分子軌道主要由教師手繪，非常費(fèi)時(shí)也不嚴(yán)謹(jǐn)。Chem 3D Ultra11.0經(jīng)過計(jì)算模擬后可顯示全部分子軌道圖像，在教學(xué)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(jié)構(gòu)圖，從結(jié)構(gòu)圖中很容易看出乙烯分子的6個(gè)原子處在同一平面上，屬于D2h分子點(diǎn)群。通過[Calculations]計(jì)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(xué)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(xué)中的應(yīng)用

分子的紅外光譜起源于分子的振動(dòng)基態(tài) 與振動(dòng)激發(fā)態(tài) 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(dòng)才會(huì)出現(xiàn)紅外光譜，

這稱為紅外活性。在振動(dòng)過程中，偶極矩改變大者，其紅外吸收就強(qiáng)；偶極矩不改變者，就不出現(xiàn)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(yōu)化得到H2O的最小能量結(jié)構(gòu)，并且

* 榆林學(xué)院精品課程項(xiàng)目（編號(hào)：JP1302）、榆林學(xué)院發(fā)展專項(xiàng)資助項(xiàng)目（編號(hào)：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(dòng)光譜圖。為了顯示H2O的3種紅外振動(dòng)模式的動(dòng)畫形式，首先用Gaussian View打開H2O的out文件，然后點(diǎn)擊[Results]→[Vibrations]→[Start]，即可顯示動(dòng)畫形式。從動(dòng)畫、圖2及圖3可以看出，對(duì)稱伸縮偶極矩變化不大，所以它的振動(dòng)強(qiáng)度（Intensity）就非常小，其他兩個(gè)振動(dòng)，振動(dòng)強(qiáng)度比較大。非常直觀明了，學(xué)生通過看動(dòng)畫很容易理解深?yuàn)W的理論。

三 鍵級(jí)的計(jì)算

在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中，我們常常通過對(duì)分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析來解釋或預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)，這也是結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要應(yīng)用之一。比如在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中求解得到的電荷密度、鍵級(jí)、自由價(jià)和分子圖等概念可以用來解釋分子的活性位置、說明化學(xué)反應(yīng)的過程和機(jī)理，也可以用來解釋分子的動(dòng)力學(xué)行為等。但如果我們要得到自由價(jià)、電荷密度和鍵級(jí)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(jù)課本上的公式進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)過程非常復(fù)雜，也比較繁瑣，一般在課堂上由于時(shí)間較短很難做到。而Gaussian提供了簡(jiǎn)易的計(jì)算程序，只要在優(yōu)化好的分子上并加上關(guān)鍵詞iop（6/80=1）即可得到分子的Mayer鍵級(jí)。如圖4，就是在B3lyp/6

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

四 總結(jié)

本文對(duì)Chem 3D Ultra在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用只做了部分介紹，其在教學(xué)中的應(yīng)用遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)室裝置圖；顯示分子結(jié)構(gòu)等等。Gaussian軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用也遠(yuǎn)不止以上所述，例如在講物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理時(shí)，可以通過計(jì)算IRC來顯示反應(yīng)歷程，Gaussian View軟件可以將整個(gè)反應(yīng)過程動(dòng)態(tài)地顯示出來，非常直觀。將計(jì)算化學(xué)軟件Chem 3D Ultra、Gaussian和Gaussian view引入結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)，改變了傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)枯燥、單一的教學(xué)模式，將分子振動(dòng)理論和軌道理論形象化，使抽象的化學(xué)知識(shí)變得容易掌握和較為直觀，并且營(yíng)造了一個(gè)有趣快樂、形象生動(dòng)的現(xiàn)代化教學(xué)環(huán)境，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，進(jìn)而大大提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)還可以使學(xué)生較早地接觸到專業(yè)的科研工具，培養(yǎng)其科研興趣，能為接下來的畢業(yè)論文做一些基礎(chǔ)的理論工作。

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〔責(zé)任編輯：龐遠(yuǎn)燕〕