Gaussian 09軟件在結構化學教學中的應用

張瓊

摘要：無機化學教學中分子結構部分的內容抽象，難以理解，是當前無機化學教學中教學難點部分。論文以本課題組合成的三吡啶鋅配合物分子為例，利用Gaussian軟件彌補傳統教學方式的不足，將抽象的分子結構概念形象化，微觀結構宏觀化，實現現代計算機軟件與無機化學教學的有效結合。

關鍵詞：Gaussian軟件；無機化學；三吡啶鋅配合物

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）22-0176-02

無機化學是研究化合物組成、結構、性質和變化規律的科學[1]?；瘜W相關專業學生在學習該課程中需要對物質的構效關系有著較為清晰的理解。在無機化學課程的分子結構教學中就提到了分子軌道理論。該部分內容存在著微觀、非可視化、概率學統計的特點。學生在學習的過程中感到枯燥和晦澀，缺乏對物質構效關系的深刻理解。為了將抽象理論形象化，在無機化學分子結構教學中引入Gaussian計算軟件，將大大提高學生的學習效率。

Gaussian是一個量子化學軟件包，它是目前應用最廣泛的計算化學軟件之一[2]，Gaussian 09軟件是Gaussian系列電子結構程序的最新版本，其主要功能包括分子結構優化、電子排布、過渡態偶極矩及分子體積計算等。實際教學結果表明，在利用Gaussian軟件使抽象的教學內容具體化以后，學生可以更加輕松地接受分子結構課程中抽象的知識。

三吡啶分子含有三個N原子的螯合配體，已被廣泛地應用到過渡金屬配合物的研究當中[3，4]?；谌〈碾娮臃植嫉挠绊?，三吡啶配合物有著特殊的氧化還原作用以及光學物理性質，因此，三吡啶配合物被用在光化學上設計熒光器件或作為電光轉換的傳感器。d10電子構型的鋅離子，不僅是生物相容性的元素，還是第二豐富的過渡金屬離子和人體必需的微量元素。三吡啶由于較好的剛性平面和穩定性，以及較好的吸電子能力，作為芳香性的多雜環，與共軛體系相接時能有效地擴大電子離域范圍，有可能獲得雙光子行為良好的有機材料；另外它與鋅離子良好的螯合能力，易于應用到復合材料的制備中?？傊?，三吡啶鋅配合物成為光電功能材料研究的重點對象之一。

本文運用Gaussian 09軟件，以課題組合成的三吡啶鋅配合物為研究對象，對分子進行結構優化，分析分子能量和軌道，幫助學生更好地掌握分子結構知識點。

一、構建分子結構

對于要用Gaussian軟件研究的體系，首先要構建計算文件的分子結構圖，然后輸入Gaussian程序中計算。所構建分子的合理性直接影響計算結果的準確性，因此，獲得配合物分子的單晶結構顯得尤為重要。將獲得的單晶.cif文件在Gaussian view軟件中保存為.gif文件，保持晶體的原貌，并檢查導入的分子結構。

通過Gaussian view軟件可以很清楚看到配合物分子中C、H、S、F、P、Zn原子位置的相互關系（圖1），學生可以更加直觀地觀察到微觀不可見的配合物分子結構，增加對分子結構的理解效果，增強了該部分內容的可操作性。

二、三吡啶鋅配合物分子的結構優化

三吡啶鋅分子的結構優化在Gaussian 09軟件運行，采用B3LYP/genecp方法，C、H、S、F、P原子采用6-31G（d）優化，Zn原子采用Lanl2dz機組優化。優化過程中未采用任何對稱性。在對軌道分析中，H代表最高占據軌道（HOMO），L代表最低空軌道（LUMO）。

從圖2可以看出，HOMO的主要成分主要集中在三吡啶及金屬Zn原子部分，LUMO主要集中在共軛烯鍵及苯環部分，電子云分布主要來自于H-3→LUMO，H-6→L+1，H-5→L+2。

在講解與三吡啶基團相連的取代基為供電子基時（圖2 HOMO軌道），可使分子π電子云密度增加，與三吡啶基團相連的金屬鋅離子具有拉電子效應，優化后分子的電子云密度降低（圖2 LUMO軌道）。這樣就可以把在分子中引入不同的供吸電子基團對分子電子云密度的影響清晰地講解出來，從而體現出Gaussian軟件在無機化學教學中的優勢。

三、結論

在無機化學分子結構部分教學中存在著理解難度大、抽象性強等特點。通過Gaussian軟件的引入能夠在教學過程中給學生提供更為形象的內容，一方面可以讓學生通過理論計算掌握抽象的軌道能級、電子云分布等概念，另一方面也可以讓學生學會運用量子化學計算軟件驗證試驗結果，極大地激發學生學習無機化學的興趣，提高教學效率。

參考文獻：

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