乙醇分子內(nèi)及分子間脫水反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

聶小娃，楊文超，郭新聞

大連理工大學(xué)化工學(xué)院，精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024

近年來(lái)，以量子化學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)的計(jì)算化學(xué)已經(jīng)成為化學(xué)學(xué)科的一個(gè)重要分支，其已發(fā)展成為與實(shí)驗(yàn)化學(xué)相輔相成的重要工具。計(jì)算化學(xué)是化學(xué)、化工、材料等專業(yè)學(xué)生的專業(yè)特色課程之一，也是化學(xué)化工學(xué)科學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握量子化學(xué)理論和進(jìn)行分子及材料設(shè)計(jì)的入門(mén)課程。對(duì)其他專業(yè)的學(xué)生而言計(jì)算化學(xué)也是一項(xiàng)重要的技能和研究手段。目前，很多高校都已經(jīng)開(kāi)設(shè)獨(dú)立的計(jì)算化學(xué)課程或者將計(jì)算化學(xué)與大學(xué)化學(xué)教學(xué)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際運(yùn)用能力。計(jì)算化學(xué)具有形象化、易理解、靈活性、高效性等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)⒒瘜W(xué)教學(xué)中較為抽象的內(nèi)容變得生動(dòng)和具體，提高學(xué)生的課堂興趣和教學(xué)質(zhì)量。而且，教師可以借助各類計(jì)算軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬計(jì)算來(lái)輔助教學(xué)，開(kāi)展探究式教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)研究意識(shí)。

化學(xué)反應(yīng)機(jī)理在有機(jī)化學(xué)課程學(xué)習(xí)中是非常重要的內(nèi)容，也是學(xué)生較難理解的部分。通過(guò)探究化學(xué)反應(yīng)機(jī)理可以了解化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)，認(rèn)識(shí)和掌握化學(xué)反應(yīng)的基本規(guī)律，進(jìn)而有助于合成出新的有機(jī)化合物或者設(shè)計(jì)出新的有機(jī)反應(yīng)。因此，在有機(jī)反應(yīng)機(jī)理研究中采用計(jì)算化學(xué)方法是一種非常有效的手段。本文針對(duì)有機(jī)化學(xué)課程中的醇脫水反應(yīng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)面向高年級(jí)本科生的計(jì)算化學(xué)機(jī)理研究探索性實(shí)驗(yàn)，即：應(yīng)用高斯(Gaussian)計(jì)算軟件研究乙醇分子內(nèi)脫水制乙烯以及分子間脫水制乙醚的反應(yīng)歷程。具體教學(xué)內(nèi)容包括：(1) 反應(yīng)機(jī)理講解；(2) Gaussian 16及GaussView6.0計(jì)算軟件介紹；(3) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹；(4) 上機(jī)操作演示；(5) 數(shù)據(jù)處理和分析；(6) 問(wèn)題思考與討論。

1 反應(yīng)機(jī)理

乙醇脫水可以生成乙烯和乙醚，在熱力學(xué)上是吸熱反應(yīng)，因此提高反應(yīng)溫度有利于提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。在催化劑作用下，單分子乙醇在高溫下易發(fā)生分子內(nèi)脫水生成乙烯(方程1)，而雙分子乙醇在低溫下易發(fā)生分子間脫水生成乙醚(方程2)。分子內(nèi)脫水屬于單分子消去反應(yīng)，而分子間脫水屬于親核取代反應(yīng)。乙醇的消去反應(yīng)和成醚反應(yīng)都是在酸的作用下進(jìn)行，二者是并存和相互競(jìng)爭(zhēng)的。若能選擇合適的催化劑并控制好反應(yīng)條件，可以提高其中一種產(chǎn)物的選擇性。

2 實(shí)驗(yàn)軟件

高斯(Gaussian)是計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的計(jì)算軟件。Gaussian計(jì)算程序以量子力學(xué)基本理論作為基礎(chǔ)，致力于采用各種量子力學(xué)方法研究各類實(shí)際問(wèn)題。Gaussian可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)研究目標(biāo)體系的諸多性質(zhì)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，與之匹配使用的可視化圖形界面軟件GaussView的發(fā)布也為研究者提供了極大便利。本實(shí)驗(yàn)采用高斯軟件的最新版本Gaussian 16及GaussView 6.0[1]進(jìn)行乙醇脫水的計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

乙醇分子內(nèi)脫水屬于單分子消去反應(yīng)。在沒(méi)有催化劑作用下，乙醇甲基(―CH3)基團(tuán)上的一個(gè)H原子與其羥基(―OH)基團(tuán)發(fā)生消去反應(yīng)生成1分子乙烯和1分子水，如圖1a所示。相比之下，乙醇的分子間脫水屬于親核取代反應(yīng)，兩分子乙醇其中之一脫掉羥基(―OH)基團(tuán)，親核進(jìn)攻另一分子乙醇的氧原子，另一分子乙醇同時(shí)脫掉羥基上的H生成1分子乙醚和1分子水，如圖1b所示。

圖1 無(wú)催化劑時(shí)乙醇脫水反應(yīng)機(jī)理圖

固體酸分子篩是催化醇類脫水反應(yīng)的常用催化劑[2]。ZSM-5分子篩具有MFI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)由硅氧四面體構(gòu)成，骨架結(jié)構(gòu)由五元環(huán)組成，具有較好的熱穩(wěn)定性、耐酸性、親油疏水性和較高的水熱穩(wěn)定性。ZSM-5大多數(shù)的孔徑約為0.55 nm，屬于中孔分子篩，在擇形催化和酸催化等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用[3,4]。本實(shí)驗(yàn)采用包含5個(gè)Si原子(5T)的H-ZSM-5催化劑簇模型(其中1個(gè)Si原子被Al原子取代，產(chǎn)生的負(fù)電荷由1個(gè)H質(zhì)子來(lái)平衡從而形成B酸位點(diǎn))，用于研究乙醇的分子內(nèi)和分子間脫水反應(yīng)機(jī)理(圖2)[5,6]。通過(guò)計(jì)算模擬得到反應(yīng)能線圖，并與無(wú)催化劑時(shí)的反應(yīng)機(jī)理和能量路徑進(jìn)行對(duì)比，揭示H-ZSM-5分子篩催化劑對(duì)該反應(yīng)的微觀作用機(jī)制。此外，通過(guò)比較乙醇分子內(nèi)和分子間脫水反應(yīng)的活化能壘和反應(yīng)能，探討二者反應(yīng)性能差異的內(nèi)在原因。

圖2 H-ZSM-5分子篩催化乙醇脫水反應(yīng)機(jī)理圖

4 上機(jī)操作

4.1 無(wú)催化劑時(shí)乙醇脫水反應(yīng)

采用GaussView 6.0軟件構(gòu)建出反應(yīng)物乙醇分子、產(chǎn)物乙烯+水以及2個(gè)乙醇分子和產(chǎn)物乙醚+水的分子結(jié)構(gòu)，計(jì)算方法基于密度泛函理論(DFT)，選取雜化泛函B3LYP和6-31G(d,p)計(jì)算基組。將計(jì)算輸入文件提交到Gaussian 16計(jì)算程序上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算(關(guān)鍵詞：opt freq b3lyp/6-31g(d,p))，計(jì)算完成后將結(jié)果輸出文件在GaussView 6.0中進(jìn)行查看并記錄數(shù)據(jù)?；谝掖挤肿觾?nèi)和分子間脫水反應(yīng)的初態(tài)和終態(tài)，按照?qǐng)D1所示的反應(yīng)機(jī)理，沿著反應(yīng)方向構(gòu)建初始過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)，計(jì)算水平與結(jié)構(gòu)優(yōu)化相同，選用Berny算法進(jìn)行過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化(關(guān)鍵詞：opt=(calcfc,ts,noeigentest) freq b3lyp/6-31g(d,p))。

4.2 固體酸分子篩催化乙醇脫水反應(yīng)

首先進(jìn)行H-ZSM-5催化劑5T簇模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建甲醇吸附在H-ZSM-5的B酸中心上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；按照?qǐng)D2所示的協(xié)同和分步反應(yīng)機(jī)理，建立反應(yīng)中間體、過(guò)渡態(tài)以及吸附態(tài)產(chǎn)物的構(gòu)型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算H-ZSM-5催化乙醇分子內(nèi)和分子間脫水生成乙烯和乙醚的反應(yīng)歷程。計(jì)算方法與無(wú)催化劑時(shí)相同。協(xié)同和分步反應(yīng)機(jī)理中得到的所有優(yōu)化結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 H-ZSM-5分子篩催化乙醇脫水生成乙烯和乙醚協(xié)同及分步機(jī)理中的所有優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖(結(jié)構(gòu)圖與機(jī)理圖2相對(duì)應(yīng))

5 數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

5.1 乙醇分子內(nèi)與分子間脫水性能比較

乙醇分子內(nèi)脫水屬于單分子消去反應(yīng)，在沒(méi)有催化劑作用下，反應(yīng)溫度為室溫時(shí)(25 °C)，該反應(yīng)的活化能(過(guò)渡態(tài)能量-反應(yīng)態(tài)能量)計(jì)算結(jié)果為64.3 kcal·mol-1(1 kcal·mol-1= 4.186 kJ·mol-1)，反應(yīng)能(產(chǎn)物態(tài)能量-反應(yīng)態(tài)能量)為10.2 kcal·mol-1。相比之下，乙醇的分子間脫水屬于親核取代反應(yīng)，在沒(méi)有催化劑作用下，反應(yīng)溫度為室溫時(shí)(25 °C)，該反應(yīng)的活化能計(jì)算結(jié)果為69.9 kcal·mol-1，反應(yīng)能為-1.4 kcal·mol-1。比較分子內(nèi)脫水生成乙烯與分子間脫水生成乙醚反應(yīng)能量和能壘，表明乙烯的生成具有動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)，并且升高溫度更有利于生成乙烯。

5.2 固體酸H-ZSM-5分子篩催化劑的作用機(jī)制

5.2.1 乙醇分子內(nèi)脫水生成乙烯的反應(yīng)機(jī)理

(1) 協(xié)同機(jī)理。

乙醇分子內(nèi)脫水生成乙烯可按照協(xié)同機(jī)理[7]進(jìn)行，即B酸質(zhì)子進(jìn)攻吸附態(tài)乙醇的羥基O原子，消除一分子水；同時(shí)，乙醇甲基的一個(gè)C―H鍵斷裂，掉下的H與ZSM-5的骨架O原子結(jié)合還原B酸中心并形成吸附態(tài)乙烯；最終吸附態(tài)乙烯從分子篩B酸中心上脫除生成氣相乙烯產(chǎn)物，完成一個(gè)催化循環(huán)。室溫下(25 °C)，協(xié)同機(jī)理中乙醇脫水反應(yīng)的活化能計(jì)算結(jié)果為44.6 kcal·mol-1，反應(yīng)能為13.7 kcal·mol-1，能線圖見(jiàn)圖3a，結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)表1。

圖3 H-ZSM-5分子篩催化乙醇分子內(nèi)脫水生成乙烯反應(yīng)能線圖

(2) 分步機(jī)理。

首先，乙醇分子通過(guò)氫鍵作用吸附到H-ZSM-5的B酸中心上，吸附能為-9.3 kcal·mol-1。第二步是吸附態(tài)乙醇發(fā)生C―O鍵斷裂，與分子篩骨架氧作用形成乙氧基中間體(―OC2H5)和一分子水，室溫下(25 °C)，該步反應(yīng)活化能為50.8 kcal·mol-1。接下來(lái)乙氧基中間體發(fā)生脫氫生成乙烯，在這個(gè)過(guò)程中第一步反應(yīng)中脫掉的水會(huì)參與脫氫反應(yīng)，并在氫轉(zhuǎn)移過(guò)程中發(fā)揮重要作用[7]，室溫下(25 °C)，這一步的反應(yīng)能壘為25.2 kcal·mol-1。當(dāng)乙烯和H2O都從分子篩骨架上脫附離去后，H-ZSM-5的B酸中心被還原，從而完成一個(gè)完整的催化循環(huán)。分步機(jī)理反應(yīng)能線圖見(jiàn)圖3b，結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)表1，計(jì)算結(jié)果表明第一步乙醇脫水生成骨架乙氧基是總反應(yīng)的速控步驟。

(3) 機(jī)理比較。

通過(guò)理論計(jì)算闡明在固體酸H-ZSM-5分子篩催化劑的作用下乙醇分子內(nèi)脫水生成乙烯的基元反應(yīng)過(guò)程，結(jié)果表明協(xié)同機(jī)理是生成乙烯的優(yōu)勢(shì)能量路徑，其速控步驟能壘(44.6 kcal·mol-1)低于分步機(jī)理的速控步驟能壘(50.8 kcal·mol-1)。

5.2.2 乙醇分子間脫水生成乙醚的反應(yīng)機(jī)理

(1) 協(xié)同機(jī)理。

對(duì)于H-ZSM-5分子篩催化乙醇分子間脫水反應(yīng)，首先2分子乙醇吸附于催化劑表面的B酸中心，并與其形成氫鍵，而且2個(gè)乙醇分子之間也形成一個(gè)氫鍵。在接下來(lái)的反應(yīng)過(guò)程中，分子篩的B酸質(zhì)子轉(zhuǎn)移到一個(gè)乙醇分子的羥基(―OH)上，形成1分子H2O脫掉，同時(shí)生成的―CH2CH3基團(tuán)進(jìn)攻另一分子乙醇的氧原子形成過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)，同時(shí)羥基上脫除的H回到分子篩骨架氧位點(diǎn)重新形成B酸中心。在B酸中心還原的同時(shí)，生成吸附態(tài)乙醚。最終，吸附態(tài)乙醚再?gòu)姆肿雍YB酸中心上脫除生成氣相乙醚產(chǎn)物。在此過(guò)程中，所有化學(xué)鍵的斷裂和形成僅通過(guò)一步反應(yīng)協(xié)同進(jìn)行。室溫下(25 °C)，該反應(yīng)的活化能計(jì)算結(jié)果為61.8 kcal·mol-1，反應(yīng)能為4.8 kcal·mol-1，協(xié)同機(jī)理能線圖如圖4a所示，結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)表1。

圖4 H-ZSM-5分子篩催化乙醇分子間脫水生成乙醚反應(yīng)能線圖

(2) 分步機(jī)理。

表1給出了分步機(jī)理中所有狀態(tài)的最優(yōu)幾何構(gòu)型。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，路徑二[8](Path 2)乙醇先發(fā)生脫水生成乙氧基中間體的路徑在能量上更有利，這與乙醇分子內(nèi)脫水生成乙烯的分步反應(yīng)機(jī)理相同，其反應(yīng)活化能為50.8 kcal·mol-1。之后，另一分子乙醇通過(guò)氫鍵作用吸附于分子篩骨架氧上進(jìn)而與乙氧基發(fā)生反應(yīng)。在生成乙醚過(guò)程中，所形成的過(guò)渡態(tài)類似乙烯中間體結(jié)構(gòu)，反應(yīng)活化能為13.9 kcal·mol-1。當(dāng)乙醚和H2O都從分子篩骨架上脫附離去后，H-ZSM-5的B酸中心被還原，從而完成一個(gè)完整的催化循環(huán)。對(duì)于路徑一(Path 1)，首先兩分子乙醇通過(guò)氫鍵作用吸附在H-ZSM-5催化劑表面的B酸中心，且2個(gè)乙醇分子之間也形成一個(gè)氫鍵。與Path 2不同的是，在Path 1中首先經(jīng)歷吸附態(tài)乙醇脫水生成乙氧基中間體，其再與吸附在附近的另一分子乙醇反應(yīng)，最終生成吸附態(tài)乙醚同時(shí)還原H-ZSM-5的B酸中心。Path 1和Path 2的主要區(qū)別在于乙醇發(fā)生脫水反應(yīng)時(shí)另一分子乙醇是否發(fā)生共吸附，計(jì)算結(jié)果表明，另一分子乙醇的共吸附(Path 1)導(dǎo)致乙醇脫水反應(yīng)能壘有所增加(從50.8變?yōu)?6.6 kcal·mol-1)。圖4b為H-ZSM-5催化乙醇分子間脫水生成乙醚的分步機(jī)理能線圖。Path 1中，生成乙氧基中間體的能壘為56.6 kcal·mol-1，生成乙醚的能壘為7.7 kcal·mol-1。Path 2中，生成乙氧基中間體的能壘為50.8 kcal·mol-1，生成乙醚的能壘為13.9 kcal·mol-1。計(jì)算結(jié)果表明，Path 2為分步機(jī)理的能量?jī)?yōu)勢(shì)路徑，其中乙醇脫水生成乙氧基(―OC2H5)中間體是總反應(yīng)的速控步驟。

(3) 機(jī)理比較。

基于理論計(jì)算，闡明在固體酸H-ZSM-5分子篩催化劑的作用下乙醇分子間脫水生成乙醚的微觀反應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)分步機(jī)理中Path 2是生成乙醚的最優(yōu)能量路徑(速控步驟能壘50.8 kcal·mol-1)，即一分子乙醇先發(fā)生脫水形成乙氧基中間體，再吸附另一分子乙醇發(fā)生親核取代反應(yīng)生成乙醚的反應(yīng)能壘更低。

5.2.3 溫度對(duì)反應(yīng)活化能的影響

比較H-ZSM-5分子篩催化乙醇分子內(nèi)脫水生成乙烯與分子間脫水生成乙醚的最優(yōu)能量路徑和速率控制步驟(圖3a和4b)，表明乙烯的生成具有動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)。本文所研究的H-ZSM-5固體酸催化乙醇脫水屬于氣-固相催化反應(yīng)，因此根據(jù)文獻(xiàn)選取溫度為425-525 K范圍[8]計(jì)算不同溫度下速控步驟的反應(yīng)能壘，使用Shermo程序[9]計(jì)算吉布斯自由能(G)。結(jié)果如圖5a所示，發(fā)現(xiàn)升高溫度能夠提高乙烯的生成優(yōu)勢(shì)。此外，比較無(wú)催化劑與H-ZSM-5分子篩作為催化劑的兩種情況，無(wú)論是分子內(nèi)脫水還是分子間脫水，加催化劑反應(yīng)活化能都得到了明顯降低(圖5b)；但無(wú)論哪種情況，都是分子內(nèi)脫水生成乙烯更具動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)，尤其在H-ZSM-5作為催化劑的情況下。因此，通過(guò)反應(yīng)條件調(diào)控(如升高溫度)或選擇合適的催化劑(如固體酸催化劑)，可以顯著提高產(chǎn)物乙烯的選擇性。

圖5 (a) H-ZSM-5分子篩催化乙醇脫水速控步能壘隨溫度的變化；(b) 有無(wú)催化劑條件下乙醇脫水反應(yīng)能壘比較

通過(guò)本計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，從分子水平認(rèn)識(shí)醇分子內(nèi)和分子間脫水的微觀反應(yīng)機(jī)理，二者反應(yīng)速率差異的本質(zhì)(活化能不同)以及溫度對(duì)反應(yīng)的影響(熱力學(xué)性質(zhì))。理解H-ZSM-5分子篩作為固體酸催化劑在乙醇脫水中的微觀作用機(jī)制，一方面，催化劑參與了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，但是在反應(yīng)過(guò)程中并沒(méi)有被消耗；另一方面，催化劑的使用，顯著降低了反應(yīng)的活化能，加快反應(yīng)的進(jìn)行；而且，由于催化劑參與化學(xué)反應(yīng)，因此改變了由反應(yīng)物到產(chǎn)物的反應(yīng)路徑。

6 問(wèn)題思考與討論

(1) 催化劑通過(guò)改變化學(xué)反應(yīng)的途徑而改變化學(xué)反應(yīng)的速率，催化劑都是加快反應(yīng)的進(jìn)行嗎？

(2) 催化劑能不能決定化學(xué)反應(yīng)能否發(fā)生？能不能改變產(chǎn)物的質(zhì)量？

(3) 量子化學(xué)計(jì)算方法和基組有很多種類，在實(shí)際運(yùn)用中該如何合理選擇計(jì)算方法和基組？

(4) 采用Gaussian 16軟件和B3LYP/6-31G+(d,p)方法計(jì)算H2C＝O → H―C―O―H氫轉(zhuǎn)移異構(gòu)化反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)和正、逆反應(yīng)活化焓及活化吉布斯自由能(500 K)，并從動(dòng)力學(xué)角度討論該反應(yīng)是否容易發(fā)生？

7 教學(xué)安排

該實(shí)驗(yàn)是面向大三下或大四上本科生開(kāi)設(shè)的探索性計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)需6學(xué)時(shí)完成，具體為：(1) 簡(jiǎn)要介紹量子化學(xué)基礎(chǔ)(1課時(shí))；(2) 介紹Gaussian 16和GaussView 6.0軟件的使用方法、計(jì)算的基本原理、如何編制輸入文件以及如何查看計(jì)算結(jié)果(2課時(shí))；(3) 上機(jī)計(jì)算操作并完成數(shù)據(jù)的整理和圖表繪制(3課時(shí))。模型構(gòu)建的具體操作教師在授課過(guò)程中會(huì)進(jìn)行上機(jī)演示，學(xué)生跟著一起操作。數(shù)據(jù)處理及圖表繪制也是通過(guò)課上教師操作演示，學(xué)生跟著一起完成。課上沒(méi)有完成的同學(xué)可以課后觀看課程教學(xué)錄屏進(jìn)行完成。課后學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并通過(guò)討論完成思考題。在教學(xué)過(guò)程中，對(duì)于量子化學(xué)計(jì)算方法的細(xì)節(jié)和理論背景不作過(guò)多講解，注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，了解并掌握如何應(yīng)用成熟的計(jì)算化學(xué)軟件去研究一個(gè)具體的化學(xué)反應(yīng)。這種與大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)密切結(jié)合的計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不僅能夠?qū)⑾冗M(jìn)、前沿的科學(xué)研究手段融入到本科教學(xué)過(guò)程中，加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性和創(chuàng)新性，而且有助于引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生的探索研究意識(shí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，并能夠在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中鞏固基礎(chǔ)化學(xué)課程中學(xué)到的基本理論知識(shí)，提高學(xué)生的綜合能力。

8 實(shí)踐效果

筆者在計(jì)算化學(xué)課程教學(xué)中，一直堅(jiān)持將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有效結(jié)合，增加具體案例實(shí)踐訓(xùn)練在教學(xué)中的比例，解決計(jì)算化學(xué)課程內(nèi)容陳舊、實(shí)際應(yīng)用性不強(qiáng)、學(xué)生能力培養(yǎng)受限等問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了乙醇分子內(nèi)及分子間脫水反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算化學(xué)研究，課上通過(guò)教師的講解、示范和引導(dǎo)，大多數(shù)學(xué)生都能完成本實(shí)驗(yàn)，并且學(xué)生能夠?qū)W會(huì)運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算方法在一定程度上解決無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、化學(xué)工程等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域可能涉及的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和性質(zhì)性能等研究問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)積極思考、文獻(xiàn)查閱、分組討論以及上機(jī)操作，親自參與并完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。一方面，極大提高了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和課堂參與度，同時(shí)也能夠增加學(xué)生在未來(lái)工作中學(xué)以致用的自信心。通過(guò)這類計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，不但鞏固了學(xué)生對(duì)大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)課程知識(shí)的理解，還提高了他們對(duì)計(jì)算化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣和熱情，開(kāi)闊了學(xué)生的視野，并有機(jī)會(huì)讓不同專業(yè)方向的學(xué)生也能具有計(jì)算化學(xué)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，將來(lái)能夠有意識(shí)地將計(jì)算化學(xué)方法應(yīng)用到自己的科研工作中。實(shí)踐結(jié)果表明，所開(kāi)設(shè)的計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有很好的普適性和適用性，學(xué)生能夠較為順利地完成實(shí)驗(yàn)并且掌握一個(gè)用于科學(xué)研究的新技能，受到了學(xué)生的歡迎和好評(píng)。一些學(xué)生在大四下學(xué)期的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)和攻讀研究生階段繼續(xù)選擇與計(jì)算化學(xué)相關(guān)的研究課題，為今后科研工作的開(kāi)展鑒定重要基礎(chǔ)。