Gaussian軟件在高?；瘜W教學中的應用*

凡素華 武海 張文保

(阜陽師范學院化學化工學院 安徽阜陽 236041)

化學是一門以實驗為基礎的學科?；瘜W專業的學生對所做實驗的現象和結果應該從理論的角度給予分析和解釋。這就要求學生很好地掌握理論課知識。然而，理論課中的一些內容和概念是比較抽象的，易使學生感覺困惑。作為一名高校教師，怎樣才能在教學過程中使用較好的教學方式讓學生對于一些抽象的概念理解起來更容易呢？多媒體的使用為教師提供了很好的平臺。在教學過程中，教師可以借助很多軟件(如ChemDraw,Origin,Flash,Gaussian等)與多媒體技術相結合以收到更好的教學效果。本文探索Gaussian計算軟件在高?；瘜W教學中的應用。

Gaussian是一個功能強大的量子化學計算軟件包，Gaussian 03是Gaussian系列電子結構程序的最新版本。主要功能有對分子結構和能量、過渡態的能量和結構、化學鍵和反應能量、分子軌道、原子電荷和電勢、紅外和拉曼光譜等的計算。GaussView是Gaussian的圖形用戶界面，是設計與Gaussian配套使用的軟件，主要用于觀察分子、設置和提交Gaussian計算任務、顯示Gaussian計算結果。因此，在GaussView的輔助下，Gaussian可應用于化學、化工、生物化學、物理化學等化學相關領域。

有關GaussView在化學教學中可以顯示分子結構的鍵長、鍵角、紅外光譜等用途，劉曉東等[1]已經給出介紹，在這里不再贅述。本文主要從以下幾個方面介紹Gaussian在高校教學中的應用。

1 構建分子結構圖的方法

對于要用Gaussian研究的體系，首先要構建輸入文件的分子結構圖，然后才可以調入到Gaussian程序中進行計算。所構建分子結構圖的合理性將直接影響計算結果的準確性，所以，創建一個合理的分子結構圖是Gaussian計算的重要環節。分子結構圖通?？梢酝ㄟ^晶體文件和繪圖軟件兩種方法產生?？刹捎镁帉懗绦蛑苯永镁w數據產生分子結構圖的方法，也可用ChemDraw 3D打開晶體數據的.cif文件，將構建好的分子結構圖保存為.gjf文件，最后在GaussView中修改成自己想要的分子結構圖。以晶體數據構建出的分子結構圖可以很好地給出分子的初始構型，保持晶體的原貌。對于沒有晶體數據的分子，若想利用Gaussian進行計算，分子結構圖的構建主要是通過GaussView和ChemDraw 3D等繪圖軟件。利用軟件構建分子結構圖時，一定要注意鍵長、鍵角、空間結構和對稱性等方面的準確性。

2 使抽象的概念形象化

高?；瘜W課程中的一些內容是很抽象的，如無機化學中的雜化概念，有機化學中的構象和對映異構，物理化學中的過渡態，分析化學中的滴定原理和過程變化的解釋等。在講授這些抽象的內容時，一些想象力不是很豐富的學生通常是很難接受的。如果我們利用Gaussian優化后的結構圖，結合多媒體的方式展示給學生，然后再解釋這些抽象概念，將可能收到更好的教學效果。

例如講授有機化學中手性構型分子的R、S命名時(圖1)，對于手性碳原子化合物Cabcd，先根據手性碳原子所連接的4個原子或基團的順序排列(Br>Cl>CH3>H), 然后把最后的H放在離觀察者眼睛最遠的方向，其他3個基團指向觀察者，學生在第一次接觸到這樣抽象的概念時是很難理解的。然而，如果在教學過程中利用Gaussian優化后的結果(圖1(下))，結合分子結構圖中的立體效果，可大大提高學生的理解效果。因此，利用此結果進行教學，相對于圖1(上)的結構式而言，學生的接受和理解效果將會更佳。

圖1 手性分子對映體構型和R、S命名

再如在講授有機化學課程[2]中親核取代反應雙分子歷程(SN2)時，以溴甲烷與NaOH反應為例,反應的整個過程是一步完成的，親核試劑從離去基團的背后向碳進攻。在反應過程中，O—C鍵的形成和C—Br鍵的斷裂是同時進行的，整個反應經過一個過渡態(圖2)。在這個知識點的講解中,要注意到溴代甲烷被親核試劑進攻前、進攻后及過渡態這3個狀態的分子立體結構圖的變化。溴代甲烷上的3個氫原子在被—OH進攻前后的變化好像雨傘在大風中被吹得向外翻轉一樣。過渡態時碳原子是同時與OH-及Br-部分鍵合，進攻試劑羥基中的氧原子、中心碳原子和離去基團差不多在同一條直線上，而碳和其他3個氫原子則處在垂直于這條線的面上，—OH和Br在平面的兩邊。整個過程的理解不是很難，若在教學過程中利用GaussView 畫出整個過程變化的立體圖，以此進行講授整個變化過程的立體變化，則能更形象地表現出這種“如翻轉的雨傘”的意思 (圖2中的虛線框)。相對于圖2(上)圖中的變化過程，圖2(下)可使學生更加直觀地觀察到反應的整個過程。

3 顯示不同電子取代基電子分布情況

苯環是共軛體系，苯環中6個碳原子的π電子云分布都是一樣的。但是，當苯環上有一個取代基時，就會改變苯環的π電子云分布，使分子極化。這可以利用Gaussian優化出的輸出文件(.out)，在GaussView里顯示電荷的分布情況看出(圖3(a))。由圖3可看出當苯環上沒有取代基時，碳的電荷值為-0.129，連有取代基—CH3、—NO2時，與取代基相連的碳原子的電荷值分別為0.177、0.271。由圖3可使學生清晰直觀地看出電荷分布情況，從而更好地理解分子的極性。另外，還可以從Gaussian優化出的檢查點文件(.chk)分析優化后分子前沿軌道的電子分布情況。如講解與苯環相連的取代基為推電子基時(圖3(b))，可使苯環的π電子云密度增加，從HOMO可以看出，—CH3的給電子能力使其電子云密度增加。反之，當苯環上的取代基為拉電子基團如—NO2、—COOH等，優化后苯環HOMO的電子云密度將降低。這樣就可以把在苯環上引入不同取代基后對苯環本身電子云密度的影響清晰地講解出來，從而體現出Gaussian軟件在教學中的優勢。另外還可以看出不同電子取代基對于LUMO軌道電子分布的影響。當取代基為—CH3時，LUMO軌道電子的分布情況與沒有取代基時相似；而取代基為—NO2時，LUMO軌道的電子分布情況則受到較大的影響。

圖2 SN2反應過程

圖3 不同取代基電荷和分子前沿軌道電子分布圖

4 解釋光譜的變化

Gaussian運算的結果不僅可以在基礎化學課程的教學中應用，而且在實驗課程的教學中也可以用來解釋實驗現象和結果。例如武漢大學版《分析化學實驗》[3]中的利用鄰菲啰啉(Phen)吸光光度法測定鐵。在鄰菲啰啉與鐵作用前，其溶液為無色;與Fe2+作用生成穩定的橘紅色絡合物Fe(Phen)32+。關于溶液顏色的變化，可以利用Gaussian計算的結果給出如下解釋：根據優化后分子前線軌道HOMO和LUMO電子分布情況，繪制出如圖4(b)的前線軌道能級差圖。Phen與Fe2+作用前，能級差ΔE=ELUMO-EHOMO=0.178；與Fe2+生成配合物后，可以清晰地看出，其HOMO軌道的能量從-0.229增加到-0.078，而LUMO能級從-0.051降低到-0.054，它的變化可以忽略。因此配位前后ΔE由0.178減小到0.024，即作用前能級差是作用后的7.4倍。如果預先測定Phen溶液的吸收波長，再根據公式ΔE=hν，就可以大致預測與Fe2+作用后的最大吸收波長。從而從理論上給出溶液變色的解釋。這種理論的解釋對于普通高校高年級的學生來說并不難接受。

圖4 Phen與Fe2+配位前后前線軌道能量的變化(a) Phen和配合物Fe(Phen)32+；(b) 配體和配合物的能級差

綜上，將Gaussian軟件計算出的結果結合GaussView軟件提取計算結果的圖形應用到高校的教學中。不僅對高校教師在講授抽象概念、反應機理及解釋實驗現象等方面有很大幫助，而且還可以很好地培養學生的觀察力、創造力及科研能力。

[1] 劉曉東,胡宗球.大學化學，2006,21(5):34

[2] 曾昭瓊.有機化學.第4版.北京:高等教育出版社,2004

[3] 武漢大學.分析化學實驗.第4版.北京:高等教育出版社,2001