科研和計(jì)算機(jī)模擬協(xié)同促進(jìn)光譜教學(xué)的改革與實(shí)踐

張象涵　趙娜　王博　張帥

摘要：通過理論教學(xué)-科研轉(zhuǎn)化-Gaussian計(jì)算軟件分析的創(chuàng)新教學(xué)模式，探索了Gaussian軟件在光譜教學(xué)中的具體應(yīng)用，對染料分子結(jié)構(gòu)和紅外光譜、紫外可見吸收光譜及穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了具體研究。同時(shí)，將科研項(xiàng)目融入教學(xué)實(shí)踐中，為課堂教學(xué)引入最新化學(xué)前沿進(jìn)展和實(shí)驗(yàn)方法，提高教師前沿知識(shí)應(yīng)用轉(zhuǎn)化的能力。Gaussian軟件和科研協(xié)同教學(xué)方式，有效推進(jìn)化學(xué)教學(xué)改革，開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生科研興趣和積極性，促進(jìn)教學(xué)水平和質(zhì)量的飛躍。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；Gaussian軟件；紅外光譜；紫外可見吸收光譜；穩(wěn)定性

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室最常用的物質(zhì)定性、定量和結(jié)構(gòu)解析手段之一。為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和科研能力，在光譜教學(xué)改革中，我們探索了一種“理論教學(xué)—科研轉(zhuǎn)化—Gaussian分析”的創(chuàng)新教學(xué)模式。筆者在近紅外有機(jī)分子探針的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用方面有深入的研究，應(yīng)用Gaussian量子化學(xué)計(jì)算軟件對有機(jī)染料的光譜性能進(jìn)行研究，結(jié)合GaussView軟件顯示分子構(gòu)型、分子軌道形狀、振動(dòng)光譜等功能，使教學(xué)深入淺出，能準(zhǔn)確理解光學(xué)材料電子光譜的相關(guān)性質(zhì)。其次，將科研成果引入課堂，使學(xué)生接觸前言領(lǐng)域，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的及時(shí)更新，豐富教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和了解專業(yè)領(lǐng)域和社會(huì)前沿的最新進(jìn)展。

一、科研融入課堂，高斯分析構(gòu)型及紅外振動(dòng)光譜

紅外光譜教學(xué)中，往往給學(xué)生展示各種分子的平面結(jié)構(gòu)，需要學(xué)生較強(qiáng)的空間想象能力。首先我們以學(xué)院科研項(xiàng)目相關(guān)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(xué)內(nèi)容能靈活與科研相結(jié)合。其次再將Gaussian量子化學(xué)計(jì)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(tài)（S0）構(gòu)型進(jìn)行了全自由度幾何優(yōu)化，頻率分析均無虛頻。利用GaussView軟件展示頻率分析結(jié)果，能將不同分子振動(dòng)類型（即對稱和不對稱伸縮振動(dòng)、面內(nèi)搖擺和剪式振動(dòng)、面外搖擺和扭曲振動(dòng)）動(dòng)態(tài)可視化，能更深入的理解分子振動(dòng)能級躍遷產(chǎn)生紅外光譜，價(jià)電子躍遷產(chǎn)生吸收光譜的原理，區(qū)別不同振動(dòng)類型和不同官能團(tuán)產(chǎn)生紅外頻率的差別，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

二、科研轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)，高斯講解電子吸收光譜本質(zhì)

分子受到能量激發(fā)導(dǎo)致分子的價(jià)電子由基態(tài)躍遷到高能量的激發(fā)態(tài)，這方面的教學(xué)涉及能量、能級、躍遷類型、共軛結(jié)構(gòu)等有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，教科書中的講解很難理解透徹。在可見分光光度相應(yīng)實(shí)驗(yàn)課程中，把科研成果轉(zhuǎn)化為配套實(shí)驗(yàn)，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(yùn)用Gaussian計(jì)算電子光譜，讓學(xué)生通過直觀的圖形數(shù)字加深理解。溶劑對電子光譜的影響較復(fù)雜，由于溶劑和溶質(zhì)的分子作用力，使得譜帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)變得模糊或消失，或者使得基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量發(fā)生變化從而導(dǎo)致吸收峰發(fā)生藍(lán)移或紅移。教科書對溶劑效應(yīng)的講解較模糊，我們運(yùn)用Gaussian軟件中的PCM溶劑模型可以清晰的解釋溶劑效應(yīng)。例如圖1計(jì)算得到D在真空環(huán)境中的垂直激發(fā)能為2.2037eV，最大吸收波長為562.62nm；在水中的垂直激發(fā)能為1.9405eV，最大吸收波長為639.5nm，這也與真實(shí)實(shí)驗(yàn)在水中測得D的最大吸收波長643.5nm相接近。這是因?yàn)橄啾日婵窄h(huán)境，溶劑分子和溶質(zhì)分子的相互作用，以及分子間的氫鍵作用力，導(dǎo)致HOMO→LUMO垂直激發(fā)能減小，所以吸收波長發(fā)生了紅移。

三、科研引出學(xué)生興趣，高斯探究物質(zhì)穩(wěn)定性

化合物的穩(wěn)定性是其應(yīng)用的一個(gè)重要性能指標(biāo)，光分解反應(yīng)和氧化反應(yīng)是主要影響光學(xué)材料穩(wěn)定性的因素。在溶劑光譜實(shí)驗(yàn)中，往往有學(xué)生提問為什么不同染料的穩(wěn)定性不同，但是在教科書中只有對化合物構(gòu)型之間穩(wěn)定性的比較，如順反構(gòu)型等，但是對不同分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性機(jī)理方面幾乎無介紹。因此我們設(shè)計(jì)了染料穩(wěn)定性試驗(yàn)，以甲醇為溶劑配制六種花菁染料溶液，連續(xù)光照觀測其紫外-可見吸收光譜的變化以測其穩(wěn)定性。化合物C極其不穩(wěn)定，暴露于空氣中約5～10分鐘之內(nèi)分解，與初始吸光度相比，光照八小時(shí)后吸光度下降百分比，六種花菁染料的穩(wěn)定性順序?yàn)椋篊四、結(jié)論

Gaussian化學(xué)計(jì)算軟件的引入解決了分子結(jié)構(gòu)和振動(dòng)傳統(tǒng)教學(xué)中可視化差的缺點(diǎn)，深入淺出地解釋電子吸收光譜及物質(zhì)穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)關(guān)系的本質(zhì)。將科研成果中的先進(jìn)技術(shù)融入到教堂教學(xué)中，使高校教學(xué)與科研有機(jī)地緊密結(jié)合，提高光譜理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。構(gòu)建科研與Gaussian協(xié)同促進(jìn)的新型教學(xué)模式，推進(jìn)教學(xué)改革，促進(jìn)人才培養(yǎng)創(chuàng)新能力和科研能力。

參考文獻(xiàn)：

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