魏東輝 宋傳君

摘要：Gaussian作為化學(xué)理論計(jì)算中應(yīng)用最廣的程序，在諸多化學(xué)問題的研究和解決中得以大量應(yīng)用，成功地解釋和預(yù)測(cè)了一些化學(xué)反應(yīng)，已成為化學(xué)學(xué)科的科研教學(xué)人員必須掌握的量子化學(xué)計(jì)算程序之一。開展Gaussian程序應(yīng)用教學(xué)，對(duì)于提升學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)、科研水平具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：Gaussian程序；教學(xué)實(shí)踐；應(yīng)用教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）27-0162-02

Gaussian程序起源于上世紀(jì)七八十年代，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件條件很差，只能計(jì)算比較簡(jiǎn)單的分子，且計(jì)算級(jí)別較低，所以幾乎不能應(yīng)用于解決化學(xué)問題。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算方法的不斷優(yōu)化改良，到上世紀(jì)八九十年代，人們已經(jīng)逐漸可以借助量子化學(xué)計(jì)算程序去對(duì)實(shí)驗(yàn)中的化學(xué)體系進(jìn)行模擬和研究。值得一提的是，1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予科恩和波普爾，以表彰他們?cè)诶碚摶瘜W(xué)領(lǐng)域做出的重大貢獻(xiàn)。他們的工作使實(shí)驗(yàn)和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì)，引起整個(gè)化學(xué)領(lǐng)域經(jīng)歷一場(chǎng)革命的變化，使化學(xué)不再是一門純粹的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。其中，波普爾正是Gaussian程序的原創(chuàng)者之一，此次得獎(jiǎng)也是為Gaussian程序在世界范圍內(nèi)被接受和認(rèn)可奠定了基礎(chǔ)。Gaussian的版本從上世紀(jì)開始有Gaussian 70、Gaussian 80、Gaussian 90、Gaussian 98等一系列程序。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著Gaussian 98、Gaussian 03、Gaussian 09[1]等版本的持續(xù)更新和改進(jìn)，Gaussian程序的功能也越來越強(qiáng)大，應(yīng)用范圍也越來越廣。目前，Gaussian的主要功能包括：過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、反應(yīng)路徑、熱力學(xué)性質(zhì)、分子軌道、鍵和反應(yīng)能量、原子電荷和電勢(shì)、核磁性質(zhì)、紅外和拉曼光譜、振動(dòng)頻率、極化率和超極化率等，計(jì)算不僅可以對(duì)具體體系的基態(tài)進(jìn)行計(jì)算，還可以對(duì)其激發(fā)態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行研究。另外，它還可以用來預(yù)測(cè)周期體系的能量、結(jié)構(gòu)和分子軌道。因此，Gaussian可以作為功能強(qiáng)大的工具，用于研究許多化學(xué)領(lǐng)域的課題，例如取代基的影響，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，勢(shì)能曲面和激發(fā)能等。該程序近年來的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用使其成為化學(xué)學(xué)科的科研教學(xué)人員必須掌握的工具之一。目前國(guó)內(nèi)很多知名高校和科研院所都已經(jīng)開展了Gaussian程序應(yīng)用這門課程，并且作為相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的必修課程。鑒于此，我院于2014年也開展了Gaussian程序應(yīng)用作為研究生選修課程，這對(duì)于提高我院研究生專業(yè)素養(yǎng)和科研水平具有重要的意義。

一、Gaussian程序應(yīng)用的參考教材選取

有很多關(guān)于Gaussian程序應(yīng)用方面的書籍，包括中文的和英文的。針對(duì)這門課來說，我選擇的參考教材主要是Foresman和Frisch編著的《Exploring chemistry with electronic structure methods》[2]以及可在Gaussian官網(wǎng)下載的與其配套的例子。該書分為三個(gè)部分，分別是基本概念和技術(shù)（包括第一章計(jì)算模型、第二章單點(diǎn)能計(jì)算、第三章幾何優(yōu)化、第四章 頻率分析）、計(jì)算化學(xué)方法（包括第五章基族的影響、第六章理論方法的選擇、第七章高精度計(jì)算）和應(yīng)用部分（包括第八章研究反應(yīng)和反應(yīng)性、第九章激發(fā)態(tài)、第十章溶液中的反應(yīng)）。我選擇此書的出發(fā)點(diǎn)是：它的內(nèi)容從基礎(chǔ)到應(yīng)用、從淺至深地介紹了Gaussian程序的主要功能和應(yīng)用。書中的例子涉及分子能量和結(jié)構(gòu)研究、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)研究、化學(xué)鍵以及反應(yīng)的能量、振動(dòng)頻率、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢(shì)、紅外和拉曼光譜、核磁、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)、IRC反應(yīng)途徑等計(jì)算，另外還舉例模擬了在氣相和溶液中的體系、模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)分子的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。這些具體例子能夠幫助從事化學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的科研工作人員、教師和研究生等從不同的視角把握分子模型設(shè)計(jì)和計(jì)算模擬的策略、原則和方法，從而能夠讓研究人員全面了解Gaussian程序計(jì)算的模擬方法和應(yīng)用實(shí)例。

二、Gaussian教學(xué)內(nèi)容的選取

Gaussian程序主要是以分子力學(xué)和量子力學(xué)等為理論依據(jù)，借助計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行化學(xué)問題研究的一門交叉學(xué)科。該課程教學(xué)涉及內(nèi)容多、范圍廣，這就要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)、計(jì)算化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多專業(yè)知識(shí)的積累。學(xué)習(xí)這門課有助于拓寬學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生綜合多種學(xué)科知識(shí)，解決實(shí)際復(fù)雜的化學(xué)問題的能力。然而這門課理論概念抽象，學(xué)生理解起來非常困難，教學(xué)難度也較大。選修這門課的學(xué)生主要來自物理化學(xué)專業(yè)和有機(jī)化學(xué)專業(yè)。對(duì)于物理化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，他們的結(jié)構(gòu)化學(xué)、計(jì)算化學(xué)和物理化學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)較好，這門課的學(xué)習(xí)不是非常困難。然而對(duì)于有機(jī)化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，這門課學(xué)起來就比較困難了，因?yàn)樗麄兊挠?jì)算化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)比較薄弱。如何將抽象的化學(xué)知識(shí)簡(jiǎn)單化，形象化，幫助學(xué)生理解復(fù)雜的有機(jī)反應(yīng)機(jī)理，提高學(xué)習(xí)積極性，這對(duì)老師的教學(xué)方法和方式有很高的要求。

針對(duì)不同化學(xué)專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)和他們將來要從事的職業(yè)，我更加注重實(shí)踐教學(xué)而不是抽象概念的講解和公式的推導(dǎo)。對(duì)于量子化學(xué)計(jì)算中涉及的一些算法學(xué)生只需了解，如果有學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)非常感興趣，我建議他們?nèi)ヂ犃孔恿W(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)課程。在課堂上，我重點(diǎn)講解Gaussian程序的常用計(jì)算方法、思路和一些典型案例，以及如何運(yùn)用這些方法解決科研中碰到的實(shí)際問題。比如講解什么是半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算、什么是Hartree-Fock近似、什么是密度泛函理論、什么是分子力學(xué)算法等，講解他們的區(qū)別以及在不同情況下如何選擇不同的算法。此外，我還重點(diǎn)講解基于量化計(jì)算的分子結(jié)構(gòu)（包括穩(wěn)定態(tài)和過渡態(tài)）的優(yōu)化，分子光譜的計(jì)算和反應(yīng)機(jī)理研究。這些內(nèi)容對(duì)于化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說都是非常有意義的，可以幫助他們后續(xù)的科研工作。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性，讓學(xué)生積極參與到課堂的專題實(shí)驗(yàn)交流活動(dòng)，提高課堂教學(xué)的效果，我會(huì)教學(xué)生使用一些軟件圖形界面如Gaussview等，直接生動(dòng)地展示和分析一些分子的三維結(jié)構(gòu)，將抽象的化學(xué)分子通過色彩鮮艷的三維立體形象界面予以展示，并教會(huì)他們?nèi)绾问褂肎aussview建立分子模型和分析計(jì)算結(jié)果。在用Gaussview軟件建立模型的過程中，我首先對(duì)主工具欄里邊的元素工具和環(huán)工具等建模工具做了講解，然后再對(duì)編輯工具即鍵長(zhǎng)、鍵角和二面角工具做了使用演示，另外還講了加H工具和原子消除工具的使用。事實(shí)上，上述的這幾個(gè)工具如果能掌握好，學(xué)生們基本上就能根據(jù)所學(xué)化學(xué)知識(shí)來建立相應(yīng)的分子的三維結(jié)構(gòu)模型。隨后，在課堂上我再演示如何用鼠標(biāo)操作來旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放和疊加結(jié)構(gòu)，如何用鼠標(biāo)操作來改變分子的顯示形式和顏色，如何查看結(jié)果如能量數(shù)據(jù)，以及如何顯示分子的原子電荷和分子軌道性質(zhì)等。等學(xué)生基本掌握了Gaussview的模型建立和結(jié)果分析工具，我會(huì)給他們講解如何將分子模型通過設(shè)置不同的關(guān)鍵詞來提交相應(yīng)任務(wù)給Gaussian程序去執(zhí)行，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵詞是OPT，頻率計(jì)算的關(guān)鍵詞是FREQ等。由于Gaussian的功能強(qiáng)大，授課時(shí)間有限，我們只介紹一些基本操作和簡(jiǎn)單例子給學(xué)生。例如讓學(xué)生對(duì)鄰位、間位和對(duì)位的二取代苯進(jìn)行在不同計(jì)算級(jí)別（如HF/6-31G（d，p）水平下）進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬，然后對(duì)其能量比較分析哪個(gè)異構(gòu)體在氣相和液相下最穩(wěn)定。對(duì)于反應(yīng)機(jī)理，我會(huì)讓學(xué)生通過尋找一些簡(jiǎn)單的常見化學(xué)反應(yīng)如Diels-Alder反應(yīng)、SN2親核取代反應(yīng)的過渡態(tài)的構(gòu)型來加深對(duì)反應(yīng)通道的理解，通過IRC計(jì)算直觀的看出化學(xué)反應(yīng)中分子結(jié)構(gòu)的變化。此外，我還會(huì)講一些實(shí)例介紹光譜的預(yù)測(cè)，比如首先我們會(huì)在基態(tài)下用DFT方法優(yōu)化發(fā)光分子的結(jié)構(gòu)，然后對(duì)其進(jìn)行TDDFT計(jì)算來預(yù)測(cè)其紫外吸收光譜和熒光光譜等發(fā)光性質(zhì)，從而為功能分子的設(shè)計(jì)提供便利。最后，根據(jù)本院實(shí)際科研需要，我們會(huì)適當(dāng)進(jìn)行一些應(yīng)用教學(xué)來滿足不同專業(yè)學(xué)生的需求。

三、開展Gaussian程序應(yīng)用課程的前景展望

自然科學(xué)發(fā)展的歷史和規(guī)律表明，多學(xué)科的優(yōu)勢(shì)交叉促進(jìn)了最基本的微觀過程和最復(fù)雜的宏觀過程的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。在這個(gè)信息大爆炸的時(shí)代，Gaussian這一量子化學(xué)計(jì)算程序應(yīng)運(yùn)而生并被廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。它既要求使用者有一定的量子力學(xué)等數(shù)理基礎(chǔ)來理解計(jì)算流程，而且要求他們對(duì)于化學(xué)問題有深刻認(rèn)識(shí)和獨(dú)特見解，屬于一門高度交叉的新興方法和工具，涉及應(yīng)用化學(xué)、理論化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多領(lǐng)域。目前，Gaussian程序已經(jīng)成為理論化學(xué)計(jì)算中的常規(guī)方法之一，開展此門課程可以使科學(xué)研究人將其用于未來的反應(yīng)機(jī)理研究、反應(yīng)的立體和化學(xué)選擇性的解釋、化合物結(jié)構(gòu)及其光譜等性質(zhì)預(yù)測(cè)，并可指導(dǎo)設(shè)計(jì)小分子催化劑甚至新型催化反應(yīng)，減少實(shí)驗(yàn)上的盲目性和偶然性，從而達(dá)到節(jié)省人力、物力和財(cái)力的最終目的。

理論計(jì)算化學(xué)在近幾十年來取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，已從根本上改變了人們對(duì)于化學(xué)只是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)的認(rèn)知，它已經(jīng)成為化學(xué)學(xué)科的一個(gè)重要組成部分。我國(guó)的理論計(jì)算研究發(fā)展迅速，化學(xué)學(xué)科正處于從單純實(shí)驗(yàn)到以實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相輔相成轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，從專業(yè)發(fā)展的角度而言，開展理論計(jì)算化學(xué)相關(guān)課程如Gaussian程序應(yīng)用具有非常廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]Gaussian 09，F(xiàn)risch，M.J.et al. Gaussian，Inc.，Wallingford CT，2009.

[2]Foresman，J.B.；Frisch，A Exploring Chemistry with Electronic Methods，2nd edn，Gaussian，Inc，Pittsburg PA，1996.