Gaussian软件在高校化学教学中的应用*

2011-09-26凡素华武海张文保

大学化学 2011年2期

凡素华武海张文保

(阜阳师范学院化学化工学院安徽阜阳 236041)

化学是一门以实验为基础的学科。化学专业的学生对所做实验的现象和结果应该从理论的角度给予分析和解释。这就要求学生很好地掌握理论课知识。然而，理论课中的一些内容和概念是比较抽象的，易使学生感觉困惑。作为一名高校教师，怎样才能在教学过程中使用较好的教学方式让学生对于一些抽象的概念理解起来更容易呢？多媒体的使用为教师提供了很好的平台。在教学过程中，教师可以借助很多软件(如ChemDraw,Origin,Flash,Gaussian等)与多媒体技术相结合以收到更好的教学效果。本文探索Gaussian计算软件在高校化学教学中的应用。

Gaussian是一个功能强大的量子化学计算软件包，Gaussian 03是Gaussian系列电子结构程序的最新版本。主要功能有对分子结构和能量、过渡态的能量和结构、化学键和反应能量、分子轨道、原子电荷和电势、红外和拉曼光谱等的计算。GaussView是Gaussian的图形用户界面，是设计与Gaussian配套使用的软件，主要用于观察分子、设置和提交Gaussian计算任务、显示Gaussian计算结果。因此，在GaussView的辅助下，Gaussian可应用于化学、化工、生物化学、物理化学等化学相关领域。

有关GaussView在化学教学中可以显示分子结构的键长、键角、红外光谱等用途，刘晓东等[1]已经给出介绍，在这里不再赘述。本文主要从以下几个方面介绍Gaussian在高校教学中的应用。

1 构建分子结构图的方法

对于要用Gaussian研究的体系，首先要构建输入文件的分子结构图，然后才可以调入到Gaussian程序中进行计算。所构建分子结构图的合理性将直接影响计算结果的准确性，所以，创建一个合理的分子结构图是Gaussian计算的重要环节。分子结构图通常可以通过晶体文件和绘图软件两种方法产生。可采用编写程序直接利用晶体数据产生分子结构图的方法，也可用ChemDraw 3D打开晶体数据的.cif文件，将构建好的分子结构图保存为.gjf文件，最后在GaussView中修改成自己想要的分子结构图。以晶体数据构建出的分子结构图可以很好地给出分子的初始构型，保持晶体的原貌。对于没有晶体数据的分子，若想利用Gaussian进行计算，分子结构图的构建主要是通过GaussView和ChemDraw 3D等绘图软件。利用软件构建分子结构图时，一定要注意键长、键角、空间结构和对称性等方面的准确性。

2 使抽象的概念形象化

高校化学课程中的一些内容是很抽象的，如无机化学中的杂化概念，有机化学中的构象和对映异构，物理化学中的过渡态，分析化学中的滴定原理和过程变化的解释等。在讲授这些抽象的内容时，一些想象力不是很丰富的学生通常是很难接受的。如果我们利用Gaussian优化后的结构图，结合多媒体的方式展示给学生，然后再解释这些抽象概念，将可能收到更好的教学效果。

例如讲授有机化学中手性构型分子的R、S命名时(图1)，对于手性碳原子化合物Cabcd，先根据手性碳原子所连接的4个原子或基团的顺序排列(Br>Cl>CH3>H), 然后把最后的H放在离观察者眼睛最远的方向，其他3个基团指向观察者，学生在第一次接触到这样抽象的概念时是很难理解的。然而，如果在教学过程中利用Gaussian优化后的结果(图1(下))，结合分子结构图中的立体效果，可大大提高学生的理解效果。因此，利用此结果进行教学，相对于图1(上)的结构式而言，学生的接受和理解效果将会更佳。

图1 手性分子对映体构型和R、S命名

再如在讲授有机化学课程[2]中亲核取代反应双分子历程(SN2)时，以溴甲烷与NaOH反应为例,反应的整个过程是一步完成的，亲核试剂从离去基团的背后向碳进攻。在反应过程中，O—C键的形成和C—Br键的断裂是同时进行的，整个反应经过一个过渡态(图2)。在这个知识点的讲解中,要注意到溴代甲烷被亲核试剂进攻前、进攻后及过渡态这3个状态的分子立体结构图的变化。溴代甲烷上的3个氢原子在被—OH进攻前后的变化好像雨伞在大风中被吹得向外翻转一样。过渡态时碳原子是同时与OH-及Br-部分键合，进攻试剂羟基中的氧原子、中心碳原子和离去基团差不多在同一条直线上，而碳和其他3个氢原子则处在垂直于这条线的面上，—OH和Br在平面的两边。整个过程的理解不是很难，若在教学过程中利用GaussView 画出整个过程变化的立体图，以此进行讲授整个变化过程的立体变化，则能更形象地表现出这种“如翻转的雨伞”的意思 (图2中的虚线框)。相对于图2(上)图中的变化过程，图2(下)可使学生更加直观地观察到反应的整个过程。

3 显示不同电子取代基电子分布情况

苯环是共轭体系，苯环中6个碳原子的π电子云分布都是一样的。但是，当苯环上有一个取代基时，就会改变苯环的π电子云分布，使分子极化。这可以利用Gaussian优化出的输出文件(.out)，在GaussView里显示电荷的分布情况看出(图3(a))。由图3可看出当苯环上没有取代基时，碳的电荷值为-0.129，连有取代基—CH3、—NO2时，与取代基相连的碳原子的电荷值分别为0.177、0.271。由图3可使学生清晰直观地看出电荷分布情况，从而更好地理解分子的极性。另外，还可以从Gaussian优化出的检查点文件(.chk)分析优化后分子前沿轨道的电子分布情况。如讲解与苯环相连的取代基为推电子基时(图3(b))，可使苯环的π电子云密度增加，从HOMO可以看出，—CH3的给电子能力使其电子云密度增加。反之，当苯环上的取代基为拉电子基团如—NO2、—COOH等，优化后苯环HOMO的电子云密度将降低。这样就可以把在苯环上引入不同取代基后对苯环本身电子云密度的影响清晰地讲解出来，从而体现出Gaussian软件在教学中的优势。另外还可以看出不同电子取代基对于LUMO轨道电子分布的影响。当取代基为—CH3时，LUMO轨道电子的分布情况与没有取代基时相似；而取代基为—NO2时，LUMO轨道的电子分布情况则受到较大的影响。

图2 SN2反应过程

图3 不同取代基电荷和分子前沿轨道电子分布图

4 解释光谱的变化

Gaussian运算的结果不仅可以在基础化学课程的教学中应用，而且在实验课程的教学中也可以用来解释实验现象和结果。例如武汉大学版《分析化学实验》[3]中的利用邻菲啰啉(Phen)吸光光度法测定铁。在邻菲啰啉与铁作用前，其溶液为无色;与Fe2+作用生成稳定的橘红色络合物Fe(Phen)32+。关于溶液颜色的变化，可以利用Gaussian计算的结果给出如下解释：根据优化后分子前线轨道HOMO和LUMO电子分布情况，绘制出如图4(b)的前线轨道能级差图。Phen与Fe2+作用前，能级差ΔE=ELUMO-EHOMO=0.178；与Fe2+生成配合物后，可以清晰地看出，其HOMO轨道的能量从-0.229增加到-0.078，而LUMO能级从-0.051降低到-0.054，它的变化可以忽略。因此配位前后ΔE由0.178减小到0.024，即作用前能级差是作用后的7.4倍。如果预先测定Phen溶液的吸收波长，再根据公式ΔE=hν，就可以大致预测与Fe2+作用后的最大吸收波长。从而从理论上给出溶液变色的解释。这种理论的解释对于普通高校高年级的学生来说并不难接受。