Chem 3D Ultra和Gaussian View软件在结构化学教学中的应用

　　【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2015）25-0053-02

　　结构化学是用现代物理化学实验方法和量子力学原理，在原子―分子水平上研究物质分子构型与组成的相互关系及其结构与性能之间关系的一门科学。由于这门课数理推导多、概念抽象，好多学生在学习本课程时都有畏难情绪，学习此课程的自信心不足。随着计算机技术及互联网的进步，将计算机软件用于辅助结构化学的教学日益受到老师们的重视。美国剑桥软件公司研制的Chem 3D Ultra11.0是当前结构化学教学中常用的编辑软件。Chem 3D Ultra11.0软件可编辑各类十分复杂的结构化学中的结构式、检查分子结构的合理性以及立体化学的空间表达，还可以精确表达有机物分子中指定官能团部分的多种光谱，并且还能绘制DNA的分子螺旋结构，预测分子的某些常见分子轨道。Gaussian是化学领域进行半经验计算和从头计算中使用最广泛的量子化学软件。Gaussian可用于研究分子能量和结构、化学键和反应能量、过渡态能量和结构、原子电荷和电势、红外和拉曼光谱、分子轨道、极化率和超极化率、振动频率、核磁性质、反应路径、热力学性质等，是研究取代反应、反应机理、势能面和激发态能量的有力工具。Gaussian View是专门为Gaussian用户开发的，帮助建立输入文件和查看输出结果而设计的图形用户界面程序。

　　一 Chem 3D Ultra在前线分子轨道理论教学中的应用

　　前线分子轨道理论是日本理论化学家福井谦一成名的理论，这一理论将分子中的单电子波函数根据能量细分为不同能级的分子轨道，该理论认为有电子排布的、能量最高的分子轨道（即最高占据轨道HOMO）和没有被电子占据的、能量最低的分子轨道（即最低未占轨道LUMO）是决定一个体系发生化学反应的关键。在以往的结构化学教学过程中，分子轨道主要由教师手绘，非常费时也不严谨。Chem 3D Ultra11.0经过计算模拟后可显示全部分子轨道图像，在教学中非常明了直观。例如，在Chem 3D中首先可以方便地绘出乙烯分子的结构图，从结构图中很容易看出乙烯分子的6个原子处在同一平面上，属于D2h分子点群。通过[Calculations]计算完以后，我们就可以通过[Surfaces]显示如图1的前线分子轨道图，其中HOMO是p成键轨道，LUMO是p反键轨道。用Chem 3D软件显示出的分子轨道，学生很容易理解。用同样的方法我们也可以方便地得到其他分子的轨道图。

　　二 Gaussian View在分子光谱教学中的应用

　　分子的红外光谱起源于分子的振动基态 与振动激发态 之间的跃迁。只有在跃迁的过程中有偶极矩变化

　　的跃迁，即 不为零的振动才会出现红外光谱，

　　这称为红外活性。在振动过程中，偶极矩改变大者，其红外吸收就强；偶极矩不改变者，就不出现红外吸收，为非红外活性。用Gaussian程序，在B3LYP/6-311++g（2d，2p）水平上优化得到H2O的最小能量结构，并且

　　* 榆林学院精品课程项目（编号：JP1302）、榆林学院发展专项资助项目（编号：HGY2015-3）

　　做FREQ频率分析，然后用Gaussian View程序显示，可得图3，即H2O的红外振动光谱图。为了显示H2O的3种红外振动模式的动画形式，首先用Gaussian View打开H2O的out文件，然后点击[Results]→[Vibrations]→[Start]，即可显示动画形式。从动画、图2及图3可以看出，对称伸缩偶极矩变化不大，所以它的振动强度（Intensity）就非常小，其他两个振动，振动强度比较大。非常直观明了，学生通过看动画很容易理解深奥的理论。

　　三 键级的计算

　　在结构化学教学中，我们常常通过对分子的结构进行分析来解释或预测化学反应的性质，这也是结构化学的重要应用之一。比如在结构化学教学中求解得到的电荷密度、键级、自由价和分子图等概念可以用来解释分子的活性位置、说明化学反应的过程和机理，也可以用来解释分子的动力学行为等。但如果我们要得到自由价、电荷密度和键级的值，首先要利用休克尔分子轨道理论法求解不饱和分子的薛定鄂方程，然后根据课本上的公式进行计算，整个过程非常复杂，也比较繁琐，一般在课堂上由于时间较短很难做到。而Gaussian提供了简易的计算程序，只要在优化好的分子上并加上关键词iop（6/80=1）即可得到分子的Mayer键级。如图4，就是在B3lyp/6

　　-311G*水平上优化好分子后得到的1，3-丁二烯的Mayer键级，从图中可以看出，C1和C2及C3和C4之间的键级较大，而C2和C3之间的键级较小，从而可以解释为什么1，3-丁二烯的加成反应发生在1，4位而不是2，3位；C1和C2的键长小于C2和C3的键长，等等。

　　四 总结

　　本文对Chem 3D Ultra在结构化学教学中的应用只做了部分介绍，其在教学中的应用远不止本文所讲，例如还可以利用该软件显示离域大π键；绘制实验室装置图；显示分子结构等等。Gaussian软件在结构化学教学中的应用也远不止以上所述，例如在讲物理化学反应机理时，可以通过计算IRC来显示反应历程，Gaussian View软件可以将整个反应过程动态地显示出来，非常直观。将计算化学软件Chem 3D Ultra、Gaussian和Gaussian view引入结构化学教学，改变了传统化学教学枯燥、单一的教学模式，将分子振动理论和轨道理论形象化，使抽象的化学知识变得容易掌握和较为直观，并且营造了一个有趣快乐、形象生动的现代化教学环境，有效提高了学生的学习兴趣和积极性，进而大大提高了课堂教学质量。同时还可以使学生较早地接触到专业的科研工具，培养其科研兴趣，能为接下来的毕业论文做一些基础的理论工作。

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