Gaussian09在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王譯偉 劉源 唐斌

摘要： 本文結(jié)合有機(jī)化學(xué)教學(xué)的特點，研究了Gaussian09在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，提出在教學(xué)中應(yīng)用該軟件能夠使抽象的理論形象化，極大地增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更好地提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： Gaussian09有機(jī)化學(xué)教學(xué)應(yīng)用

Gaussian是一個功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包。其可執(zhí)行程序可在不同型號的大型計算機(jī)，超級計算機(jī)，工作站和個人計算機(jī)上運行，并相應(yīng)有不同的版本。Gaussian09是目前最新的版本，高斯功能的研究對象有：分子能量和結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、鍵和反應(yīng)能量、分子軌道多重矩、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、核磁性質(zhì)、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)路徑。計算可以對體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行，可以預(yù)測周期體系的能量、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，勢能曲面和激發(fā)能，等等，在有機(jī)化合物的研究中廣泛使用。

有機(jī)化學(xué)是醫(yī)學(xué)課程中的重要基礎(chǔ)課程，為后續(xù)生物化學(xué)、生理學(xué)等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，雖然學(xué)生在高中都有一定的有機(jī)化學(xué)知識，但是由于有機(jī)化學(xué)知識量大、信息抽象等特點，造成很多學(xué)生不能有效地掌握教學(xué)重點和難點。本文主要結(jié)合有機(jī)化學(xué)的課程特點，在教學(xué)中引入Gaussian09程序包及與之配套使用的GaussianView軟件，可以增強(qiáng)教學(xué)的生動活潑性，使學(xué)生能夠更好地從本質(zhì)上掌握有機(jī)化學(xué)知識。

一、分子的幾何構(gòu)型與穩(wěn)定性

在有機(jī)化合物的學(xué)習(xí)中，我們發(fā)現(xiàn)分子的幾何構(gòu)型可以有多種取向，但是在自然狀態(tài)下分子一般以最穩(wěn)定的幾何構(gòu)型大量存在，此時該構(gòu)型能量也最低。我們認(rèn)為在自然情況下分子主要以能量最低的形式存在。只有能量最低的構(gòu)型才能具有代表性，其性質(zhì)才能代表所研究體系的性質(zhì)。我們使用GaussianView軟件構(gòu)建要研究的分子的基本模型，在建模過程中，我們無法保證所建立的模型有最低的能量，所以所有研究工作的起點都是構(gòu)型優(yōu)化，要將所建立的模型優(yōu)化到一個能量的極小點上。只有找到合理的能夠代表所研究體系的構(gòu)型，才能保證其后所得到的研究結(jié)果有意義。通過Gaussian09程序優(yōu)化結(jié)構(gòu)得到的分子構(gòu)型達(dá)到了收斂標(biāo)準(zhǔn)，就會得到一個穩(wěn)定的幾何構(gòu)型。我們可以利用GaussianView軟件讀取這個優(yōu)化后穩(wěn)定構(gòu)型的各自幾何參數(shù)信息，如鍵長、鍵角、二面角等。學(xué)生可以通過自己構(gòu)建簡單的有機(jī)分子模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，讀取幾何構(gòu)型信息，更加形象地掌握有機(jī)分子的幾何構(gòu)型和穩(wěn)定性。劉曉東等［１］曾采用Gaussian程序?qū)樂炊蚁┑姆€(wěn)定性進(jìn)行了探究，在教學(xué)過程中，形象地向?qū)W生展示了順反二氟乙烯的穩(wěn)定性不僅受空間位阻、靜電斥力大小影響，還與電子的離域效應(yīng)有關(guān)。

二、反應(yīng)機(jī)理的研究

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究的是反應(yīng)物通過化學(xué)反應(yīng)變成產(chǎn)物所經(jīng)歷的全過程，而反應(yīng)進(jìn)行的途徑主要由分子本身的反應(yīng)性能和進(jìn)攻試劑的性能，以及反應(yīng)條件等內(nèi)外因決定。對數(shù)目龐大的各種表面上互不相關(guān)的有機(jī)反應(yīng)，通過反應(yīng)機(jī)理的研究，揭示出它們的實質(zhì)關(guān)系，并用少數(shù)幾條原則將這些反應(yīng)互相關(guān)聯(lián)起來，從而能深入系統(tǒng)地掌握反應(yīng)內(nèi)在的規(guī)律性。更重要的是可以根據(jù)反應(yīng)機(jī)理選擇最適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件以提高所需產(chǎn)物的得率。目前，研究反應(yīng)機(jī)理的可能性和方法主要是量子化學(xué)方法，而Gaussian程序是其中應(yīng)用最為廣泛的軟件。

馮曉琴等［２］采用了Gaussian程序?qū)Ψ紵N硝化機(jī)理進(jìn)行了模擬，從量子化學(xué)的角度確立了親電取代和單電子轉(zhuǎn)移的兩種反應(yīng)機(jī)理，并通過GaussView界面，使學(xué)生對復(fù)雜的芳烴硝化機(jī)理的認(rèn)識更加清晰，為進(jìn)一步對芳烴硝化反應(yīng)的研究建立了更系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。親電加成反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)教學(xué)的難點和重點內(nèi)容，比如烯烴和鹵素的加成反應(yīng)機(jī)制就可以用Gaussian程序來研究，溴與乙烯的加成反應(yīng)，該反應(yīng)途徑時設(shè)計成順式產(chǎn)物和反式產(chǎn)物兩個通道，計算結(jié)果表明順式反應(yīng)產(chǎn)物的能量比反式產(chǎn)物高得多，從理論上明確地反映了該反應(yīng)的產(chǎn)物是以反式產(chǎn)物為主，和實驗結(jié)果一致。

三、苯環(huán)的定位效應(yīng)

苯環(huán)上已有取代基，在進(jìn)行親電取代反應(yīng)時，苯環(huán)上原有取代基會影響親電取代反應(yīng)活性和第二個基團(tuán)進(jìn)入苯環(huán)的位置。我們用Gaussian程序來研究苯環(huán)的定位效應(yīng)，外來基團(tuán)易于進(jìn)攻電子密度較高的位置。計算發(fā)現(xiàn)，未有取代基的苯上6個碳原子的Mulliken charge電荷分布在-0.128—-0.129之間，對C1上的H分別被-CH，-NO，-OH，-NH和-Cl取代的物質(zhì)做了電子密度計算分析，其Mulliken charge數(shù)值見表1。從表1可以看出，C1上的H被-CH取代后的甲苯，C2的電子密度增加最大，為-0.182，這個位置都是鄰位，因此外來基團(tuán)更容易進(jìn)攻這個位置，發(fā)生親電取代反應(yīng)，這與甲苯發(fā)生親電取代反應(yīng)的主要產(chǎn)物為鄰位的實驗事實相一致，也從反應(yīng)的實質(zhì)原因上給學(xué)生展示了親電反應(yīng)的原理，更為生動和客觀。從表1的數(shù)據(jù)，也可以進(jìn)行類似的分析，解釋與實驗事實一致，-NO，-OH，-NH取代后，電子密度都增加了，使得苯環(huán)活化，親電反應(yīng)更容易發(fā)生，根據(jù)各碳位置電子密度的增加幅度不同，可以發(fā)現(xiàn)，-NO為間位定位基，-OH和-NH為鄰對為定位基；以及-Cl取代后電子密度較取代前降低，導(dǎo)致苯環(huán)鈍化。

四、波譜分析

有機(jī)化合物的機(jī)構(gòu)鑒定是有機(jī)化學(xué)基本知識的重要組成部分。20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的波譜法，為有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定帶來了很大方便。最常用的波譜包括紫外光譜、紅外光譜、核磁共振譜和質(zhì)譜（通常稱為“四譜”）。Gaussian程序也可以計算出物質(zhì)的波譜信息可以計算各種光譜和光譜特性。包括：IR和Raman；預(yù)共振Raman；紫外—可見；NMR；振動圓形二色性（VCD）；電子圓形二色性（ECD）；旋光色散（ORD）；諧性振—轉(zhuǎn)耦合；非諧性振動及振—轉(zhuǎn)耦合；g張量，以及其他的超精細(xì)光譜張量。已有的物質(zhì)的實驗質(zhì)譜信息與理論計算值對比后如果能夠很好地吻合，那么就可以運用該計算方法對類似的新化合物進(jìn)行設(shè)計和性質(zhì)研究。在一定程度上比實驗研究要節(jié)約大量的人力、物力和時間。

實踐表明，Gaussian程序是一種功能強(qiáng)大的量子化學(xué)計算軟件，使Gaussian09在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中得到合理的應(yīng)用，必將使學(xué)生對有機(jī)化學(xué)的許多基本知識產(chǎn)生更加清晰的認(rèn)識，并能起到易學(xué)易懂的作用，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉曉東，潘文慧，張素蘭.應(yīng)用Gaussian程序?qū)樂炊蚁┓€(wěn)定性的探究［J］.綿陽師范學(xué)院學(xué)報，2008，11，（27）:63.

［2］馮曉琴，任福德，曹端林.Gaussian量子化學(xué)模擬對芳烴硝化機(jī)理的探索，2008，1，（23）:37.