苗體方

摘要： 本文介紹計(jì)算機(jī)及輔助軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，有助于學(xué)生理解抽象的概念，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)化學(xué)軟件

結(jié)構(gòu)化學(xué)是高等師范院?；瘜W(xué)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，其任務(wù)是使學(xué)生掌握微觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，獲得原子、分子及晶體結(jié)構(gòu)的基本理論、基礎(chǔ)知識(shí)，探索物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。它涉及面廣，內(nèi)容比較抽象，具有極強(qiáng)的理論性，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間思維能力，學(xué)生學(xué)習(xí)起來會(huì)有一定的難度。

隨著計(jì)算方法的發(fā)展及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，分子的許多微觀信息能以三維圖像的方式表現(xiàn)。一些功能強(qiáng)大的化學(xué)軟件能在原子和分子的水平上獲取分子的幾何結(jié)構(gòu)圖形及相關(guān)的電子結(jié)構(gòu)信息，若采用計(jì)算機(jī)輔助開設(shè)一些結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，一些抽象、難懂的概念就變得直觀、易于理解，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)結(jié)構(gòu)化學(xué)理論教學(xué)工作。

一、分子幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

隨著近代化學(xué)的發(fā)展，群論在化學(xué)上的應(yīng)用越來越廣泛。判斷分子的對(duì)稱性及分子的所屬點(diǎn)群是學(xué)好群論的基礎(chǔ)，但有些分子的對(duì)稱性對(duì)于學(xué)生很難判斷，要求學(xué)生具有較好的形象思維和空間想象力。如果借助分子的三維圖形模型，學(xué)生就很容易判斷分子對(duì)稱性，同時(shí)也能獲得分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。

本實(shí)驗(yàn)以丙烯和苯分子為例，可以用Gaussian98軟件，在B3LYP/6-31G*水平上，對(duì)丙烯和苯分子進(jìn)行優(yōu)化，獲得丙烯和苯分子的最穩(wěn)定幾何結(jié)構(gòu)。用GaussView軟件顯示分子的三維結(jié)構(gòu)，見圖1，學(xué)生可以清晰地看到丙烯和苯分子的圖形。學(xué)生也可以控制鼠標(biāo)，通過分子模型的旋轉(zhuǎn)、縮放和平移，從不同角度觀察分子的形狀和結(jié)構(gòu)，分子的對(duì)稱性、分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，很清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生腦海里。

二、分子軌道圖形

分子軌道理論是處理雙原子分子及多原子分子結(jié)構(gòu)的一種有效近似方法，是化學(xué)鍵理論的重要內(nèi)容，其應(yīng)用范圍非常廣泛。分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，分子軌道的對(duì)稱性影響著化學(xué)反應(yīng)的難易程度及反應(yīng)方向。因此確定分子軌道的組成，對(duì)了解分子的性質(zhì)及反應(yīng)歷程具有十分重要的意義。但如何把這些抽象的概念變?yōu)橹庇^、具體的圖形，可以借助于化學(xué)軟件顯示分子軌道的三維結(jié)構(gòu)。

本實(shí)驗(yàn)以丙烯分子為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，首先，在B3LYP/6-31G*水平上，對(duì)丙烯分子進(jìn)行優(yōu)化，獲得丙烯分子的最穩(wěn)定幾何結(jié)構(gòu)，用GaussView軟件顯示丙烯分子的分子軌道圖形，如圖2為丙烯分子的前線分子軌道：最高占據(jù)軌道（HOMO）和和最低空軌道（LUMO），通過分子軌道圖形，學(xué)生較容易判斷出各個(gè)原子對(duì)分子軌道貢獻(xiàn)的多少，貢獻(xiàn)多的是s軌道、p軌道、還是d軌道。同時(shí)可以看出：HOMO軌道主要由成鍵的p軌道貢獻(xiàn)，而LUMO主要由反鍵的p軌道貢獻(xiàn)。這些結(jié)果有利于學(xué)生判斷分子的性質(zhì)及光激發(fā)下的分子激發(fā)性質(zhì)。

三、原子靜電荷

通過化學(xué)軟件可以把分子中各原子的靜電荷計(jì)算出來，以丙烯分子為例，各碳原子帶負(fù)電荷，氫原子帶正電荷，整個(gè)分子的靜電荷為零。同時(shí)可以看出：雖然三個(gè)碳原子都帶負(fù)電荷，但C=C上的碳原子帶較少的負(fù)電荷，而甲基上的碳原子帶較多的負(fù)電荷。這些結(jié)果有利于學(xué)生理解一些有機(jī)分子進(jìn)行親核取代反應(yīng)或者加成反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理。

通過計(jì)算機(jī)輔助開設(shè)一些結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生初步學(xué)會(huì)系列Gaussian軟件的使用方法，能夠進(jìn)行一些分子的初步計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，更好地理解分子結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，加深對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)中一些理論的理解，有利于提高學(xué)生的分析問題、解決問題及科研創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐光憲，黎樂民.量子化學(xué)[M].科學(xué)出版社，1999.

[2]封繼康.基礎(chǔ)量子化學(xué)原理[M].高等教育出版社，1987.

淮北師范大學(xué)信息學(xué)院教研資助項(xiàng)目。