Gaussian 09軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

張瓊

摘要：無機(jī)化學(xué)教學(xué)中分子結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)容抽象，難以理解，是當(dāng)前無機(jī)化學(xué)教學(xué)中教學(xué)難點(diǎn)部分。論文以本課題組合成的三吡啶鋅配合物分子為例，利用Gaussian軟件彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，將抽象的分子結(jié)構(gòu)概念形象化，微觀結(jié)構(gòu)宏觀化，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件與無機(jī)化學(xué)教學(xué)的有效結(jié)合。

關(guān)鍵詞：Gaussian軟件；無機(jī)化學(xué)；三吡啶鋅配合物

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）22-0176-02

無機(jī)化學(xué)是研究化合物組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的科學(xué)[1]。化學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程中需要對物質(zhì)的構(gòu)效關(guān)系有著較為清晰的理解。在無機(jī)化學(xué)課程的分子結(jié)構(gòu)教學(xué)中就提到了分子軌道理論。該部分內(nèi)容存在著微觀、非可視化、概率學(xué)統(tǒng)計(jì)的特點(diǎn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中感到枯燥和晦澀，缺乏對物質(zhì)構(gòu)效關(guān)系的深刻理解。為了將抽象理論形象化，在無機(jī)化學(xué)分子結(jié)構(gòu)教學(xué)中引入Gaussian計(jì)算軟件，將大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

Gaussian是一個量子化學(xué)軟件包，它是目前應(yīng)用最廣泛的計(jì)算化學(xué)軟件之一[2]，Gaussian 09軟件是Gaussian系列電子結(jié)構(gòu)程序的最新版本，其主要功能包括分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電子排布、過渡態(tài)偶極矩及分子體積計(jì)算等。實(shí)際教學(xué)結(jié)果表明，在利用Gaussian軟件使抽象的教學(xué)內(nèi)容具體化以后，學(xué)生可以更加輕松地接受分子結(jié)構(gòu)課程中抽象的知識。

三吡啶分子含有三個N原子的螯合配體，已被廣泛地應(yīng)用到過渡金屬配合物的研究當(dāng)中[3，4]。基于取代基的電子分布的影響，三吡啶配合物有著特殊的氧化還原作用以及光學(xué)物理性質(zhì)，因此，三吡啶配合物被用在光化學(xué)上設(shè)計(jì)熒光器件或作為電光轉(zhuǎn)換的傳感器。d10電子構(gòu)型的鋅離子，不僅是生物相容性的元素，還是第二豐富的過渡金屬離子和人體必需的微量元素。三吡啶由于較好的剛性平面和穩(wěn)定性，以及較好的吸電子能力，作為芳香性的多雜環(huán)，與共軛體系相接時能有效地?cái)U(kuò)大電子離域范圍，有可能獲得雙光子行為良好的有機(jī)材料；另外它與鋅離子良好的螯合能力，易于應(yīng)用到復(fù)合材料的制備中?？傊拎や\配合物成為光電功能材料研究的重點(diǎn)對象之一。

本文運(yùn)用Gaussian 09軟件，以課題組合成的三吡啶鋅配合物為研究對象，對分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析分子能量和軌道，幫助學(xué)生更好地掌握分子結(jié)構(gòu)知識點(diǎn)。

一、構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)

對于要用Gaussian軟件研究的體系，首先要構(gòu)建計(jì)算文件的分子結(jié)構(gòu)圖，然后輸入Gaussian程序中計(jì)算。所構(gòu)建分子的合理性直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，獲得配合物分子的單晶結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。將獲得的單晶.cif文件在Gaussian view軟件中保存為.gif文件，保持晶體的原貌，并檢查導(dǎo)入的分子結(jié)構(gòu)。

通過Gaussian view軟件可以很清楚看到配合物分子中C、H、S、F、P、Zn原子位置的相互關(guān)系（圖1），學(xué)生可以更加直觀地觀察到微觀不可見的配合物分子結(jié)構(gòu)，增加對分子結(jié)構(gòu)的理解效果，增強(qiáng)了該部分內(nèi)容的可操作性。

二、三吡啶鋅配合物分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

三吡啶鋅分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化在Gaussian 09軟件運(yùn)行，采用B3LYP/genecp方法，C、H、S、F、P原子采用6-31G（d）優(yōu)化，Zn原子采用Lanl2dz機(jī)組優(yōu)化。優(yōu)化過程中未采用任何對稱性。在對軌道分析中，H代表最高占據(jù)軌道（HOMO），L代表最低空軌道（LUMO）。

從圖2可以看出，HOMO的主要成分主要集中在三吡啶及金屬Zn原子部分，LUMO主要集中在共軛烯鍵及苯環(huán)部分，電子云分布主要來自于H-3→LUMO，H-6→L+1，H-5→L+2。

在講解與三吡啶基團(tuán)相連的取代基為供電子基時（圖2 HOMO軌道），可使分子π電子云密度增加，與三吡啶基團(tuán)相連的金屬鋅離子具有拉電子效應(yīng)，優(yōu)化后分子的電子云密度降低（圖2 LUMO軌道）。這樣就可以把在分子中引入不同的供吸電子基團(tuán)對分子電子云密度的影響清晰地講解出來，從而體現(xiàn)出Gaussian軟件在無機(jī)化學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢。

三、結(jié)論

在無機(jī)化學(xué)分子結(jié)構(gòu)部分教學(xué)中存在著理解難度大、抽象性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過Gaussian軟件的引入能夠在教學(xué)過程中給學(xué)生提供更為形象的內(nèi)容，一方面可以讓學(xué)生通過理論計(jì)算掌握抽象的軌道能級、電子云分布等概念，另一方面也可以讓學(xué)生學(xué)會運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算軟件驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)無機(jī)化學(xué)的興趣，提高教學(xué)效率。

參考文獻(xiàn)：

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