理论与计算化学在基础化学教学中的应用

李 慧

(北方民族大学 化学与化学工程学院，宁夏 银川 750021)

通过不断吸纳物理学和数学的理论成果，利用计算科学发展出的强大计算能力，构建用于研究化学过程的理论体系，逐步形成理论与计算化学学科体系。此学科从最初的以探索总结实验事实为主建立简单模型，发展至掌握化学变化定量规律，并逐渐成为发现有特定用途新物质的有效途径[1]。随着现代科技的迅速发展，理论与计算化学与数学、物理、材料、生命、计算科学、信息科学等领域的交叉合作，不断提高其计算精度与效率，使得理论计算和实验研究的联系越来越紧密；理论与计算化学在化学及相关学科的研究中应用也越来越广泛；在大学基础化学的教学中普及的必要性也越来越重要。

1 理论与计算化学在无机化学教学中的应用

在化学相关专业的基础教学中，针对初步接触无机化学的本科生而言，对化学键的理解 一直以单键、双键、三键作为评判化学键强弱的标准。而化学键实则是抽象的概念，是"将原子结合成物质世界的作用力"，没有存在于两个原子之间的连线，而是原子间共用电子的结果[2]，所以具象的表达原子间电子云的重叠对于理解化学键非常重要。例如在这部分基础课程教学的过程中以H2，O2，N2三个分子之间的范德华半径的重叠为例，通过理论计算从轨道的角度、电子云重叠的程度、共价键的贡献三个方面，向学生直观有效的展示原子间电子云重叠形成共价键。此外，在无机化学的教学中分子极性的学习也非常重要，并且是后续分析化学和有机化学的重要基础。教材中以偶极矩为标准对不同分子的极性进行量化，以H2O和CO2为例，H2O为极性分子，经过理论计算偶极矩为2.298 Debye，而非极性分子CO2的偶极矩为0.000 Debye，以直观的方式、具体的数据理解偶极距的存在[3]。

2 理论与计算化学在有机化学教学中的应用

化学反应机理是有机化学学科的重要研究领域之一，通过对反应机理的研究可以了解和掌握化学反应的规律，从而设计出新的有机反应，合成结构新颖的有机化合物，而理论计算化学在有机反应机理的验证中具有不可替代的作用，在本科教学中学生较难理解的部分也是有机反应机理部分。

首先，以有机化学中的烯醇互变为例[4]，如图1所示乙烯醇结构不稳定转化为乙醛。采用理论计算化学对烯醇互变的过程进行计算，过渡态中H原子转移生成乙醛，除过渡态结构的直观体现，从能量角度而言乙醛的能量比乙烯醇的自由能低-14.3 kcal/mol。这一实例可以较为直观的以自由能数值的差别让学生理解这一互变异构体相互转化的过程。

图1 烯醇互变反应过程中的反应物、过渡态、产物结构模型

其次以有机化学中的构象异构知识点为研究对象，对乙烷(C2H6)的C-C键旋转产生的重叠式和交叉式构象进行研究[5]。如图2所示，重叠式和交叉式结构在以C-C键为共线旋转轴旋转的过程中，重叠式结构的能量最高(波峰)，交叉式结构的能量最低(波谷)，旋转能垒为2.7 kcal/mol。通过理论计算与知识点的结合讲解，直观的反映出C2H6中的C-C键旋转产生的不同构象，以各种构象之间稳定性的差异，这部分内容也可以应用于正丁烷的构象异构、环己烷的船式/椅式构象异构的教学内容。

图2 乙烷交叉式和重叠式构象异构势能面图

3 理论与计算化学在物理化学教学中的应用

物理化学中的过渡态理论涉及反应路径中的反应物、活化络合物、产物，此外还有到反应活化能的概念，本部分以物理化学课程中动力学部分的CO与NO2的元反应为例[6]。首先采用量子化学方法对反应物和产物进行结构优化，随后进行过渡态的搜索，再此基础上进行反应内禀坐标的计算确认过渡态连接了反应物和产物结构。如图3所示，反应物CO和NO2经过活化络合物TS，O原子发生转移生成产物CO2和NO，以反应物CO和NO2的自由能能量之和为相对零点，过渡态的能量比相对零点的能量高33.4 kcal/mol，所以反应的活化能为33.4 kcal/mol，产物CO2和NO的相对能量之和为-56.8 kcal/mol；比较反应物和产物焓变为-58.1 kcal/mol，所以此反应为放热反应。整个过程的计算对学生学习理解过渡态理论、活化能、反应焓变都起到了非常有效的作用。

图3 CO与NO2元反应的自由能面图

4 相关软件

文中所有理论计算采用Gaussian09，GaussView，CYLview，ChemCraft，ChemOffice等计算和可视化绘图软件[7]，量子化学计算的方法为M06-2X[8]，基组为6-311G*[9]，所有计算条件为标准状况。

5 结语

在化学及相关专业本科生基础课的教学过程中，以上提及的知识点在基本理论的讲解过程中起到了关键的辅助作用，有效的加深对知识点具象的理解，说明理论与计算化学在基础教学中的应用非常必要[10]。今后在基础课程的讲解过程中我们会进一步结合理论计算，对基础知识点进行更加有效的讲解，将理论与计算化学于基础化学学科的教学进行更深入的结合。