提高《高等无机化学》“群论”教学质量的思考与尝试—量子化学计算方法及其相关软件的应用

2018-03-10孟庆喜朱树华

山东化工 2018年1期

孟庆喜，朱树华

(山东农业大学化学与材料科学学院，山东泰安 271018)

《高等无机化学》是我校化学各专业的学位课，总学时为54，课程设置在研究生第一学期。《高等无机化学》课程的设置使学生更好地了解现代无机化学的前沿，即主要研究方向、方法及其发展趋势，了解现代无机化学学科发展的思路，培养学生发现问题、思考问题、解决问题的能力，培养学生从事科学研究工作的能力[1-3]。

“群论”是《高等无机化学》的主要组成部分。群论是研究群的结构及应用的数学理论，它广泛应用于化学、物理、生命科学等领域，现已发展成为近代化学理论研究的重要工具[4-5]。由于群论所涉及的内容非常抽象、难懂，所以，为激发学生的学习兴趣，增强学生的学习积极性，我们将应用量子化学计算方法及其相关模拟软件，较为形象、具体地向学生展示群论教学内容，促进群论的教与学，提高群论的教学质量。

1 群论教学的主要内容

群论教学的主要内容为：对称元素和对称操作；群的概念；分子点群；分子偶极矩；分子旋光性；群论在化学中的应用[1]。

2 量子化学计算方法及其相关软件介绍

量子化学计算方法主要有半经验方法(semi-empirical method，如AM1、PM3等)、从头算方法(Ab initio method，如HF、MP2等)、密度泛函方法(Density Functional theory，DFT，如B3LYP、M06、M06-2x等)、量子化学/分子力学组合方法(Quantum Mechanical/Molecular Mechanical simulations，QM/MM)等[6-7]。

计算模拟软件主要有HyperChem 7.5、Gaussian 09、Turbomole、Materials Studio 6.0、AOMix等。作图软件主要有Origin 7.5、Gaussian View 5.0、ChemBioDraw Ultra 13.0、ChemBio3D Ultra 13.0等。

3 教学应用实例

为了更形象、更直观、更具体展示群论教学内容，激发学生的学习兴趣，提高群论的教学质量，我们针对不同的教学内容，利用量子化学计算方法、计算软件及作图软件图文并茂的呈现群论的教学内容。具体应用实例如下：

(1)简单分子中对称元素的分析，如图1所示，通过Gaussian View 5.0软件，可看到CH3Cl中C3旋转轴即C-Cl键所在直线。

图1 CH3Cl中C3旋转轴(右图为C-Cl键方向的俯视图)

(2)分子点群的判定，可以通过视图软件分析(如图1，可以分析得出CH3Cl的所有对称元素，从而可以判定CH3Cl的分子点群)或Gaussian 09软件计算得出。因此，可以应用Gaussian 09软件计算来验证分子点群判定的正确与否。

(3)分子偶极矩的判定。我们认为分子偶极矩的判定主要有四种方法：以经验判定；简单分子可以用键矩矢量加合近似得出；从群论即分子点群方面探讨；Gaussian 09软件计算得出。

(4)分子旋光性的判断。HyperChem 7.5软件可以显示分子的R及S手性，也可以形象显示某基团的变化引起的手性的变化。

(5)分子中各原子的空间坐标，即笛卡尔坐标(x,y,z)。我们可以通过HyperChem 7.5软件和Gaussian View 5.0软件得出分子CH3Cl中五个原子的笛卡尔坐标，分别为：C(-1.24100000，0.46000000，0.00000000)、Cl(0.41900000，-0.12600000，0.00000000)、H(-1.24100000，1.55000000，0.00000000)、H(-1.75400000，0.09700000，0.89000000)和H(-1.75400000，0.09700000，-0.89000000)。

(6)分子轨道组成的分析。Gaussian 09和AOMix软件可以计算分析得出复杂分子中某一分子轨道的组成：即由哪些轨道、怎样组成的这一分子轨道；Gaussian View 5.0软件可以显示这些分子轨道的图形。铑配合物CpRh(H)(PhCO)(Me3SiCH=CH2)的几条分子轨道的组成，如图2所示(HOMO：最高占据分子轨道；LUMO：最低空轨道)。因此，通过模拟计算与图形展示可以使学生了解复杂分子中一个分子轨道不再是简单的两个分子轨道叠加组合而成，而是由许多相关分子轨道组成，每个分子轨道所占成分大小不同，但总和为1。