酚酞指示劑變色原理的計算化學實驗研究

賈智慧，邢惠萍，李玉虎

陜西師范大學材料科學與工程學院，西安 710119

1 引言

酚酞是一種最常見的酸堿指示劑，其變色反應是典型的有機化學反應，也是無機化學課程的基本內容。盡管在中學、大學化學教材定性描述酚酞指示劑遇堿顯示紅色，在酸性溶液中不顯色[1–3]，重點強調變色反應的pH范圍。由于缺乏定量、直觀的信息，學生通常不能全面理解，往往采用死記硬背的機械記憶方式予以學習。在重視創造力和革新的“新工科”背景下，如何在不增加學生線下基礎課時的基礎上，通過挖掘宏觀現象背后化學反應的微觀本質來培養學生知識學習、思維鍛煉、能力提高等綜合目標，讓老的知識在這個飛速發展的時代展現新的活力，是目前化學實驗教學改革探究的新方向。

2013年諾貝爾化學獎表彰美國三位科學家Martin Karplus,Michael Levitt和Arieh Warshel在開發多尺度復雜化學系統模型方面所做的貢獻，評選委員會發表的聲明“如今對化學家來說，電腦同試管一樣重要，計算機對真實生命的模擬已成為當今化學領域中大部分新研究成果成功的關鍵因素”肯定了理論與計算化學在化學學科中的作用。近年來，以量子化學計算為基礎的計算化學作為闡明反應機理的重要方法，逐步與大學化學教學相結合開展探究式教學模式[4–6]，有助于學生加深對化學基本概念和基礎理論的理解，將化學教學中較為抽象的內容變得生動和具體，提高學生的課堂興趣和教學質量。

本文針對無機化學課程中最基礎的酚酞指示劑變色反應，設計了一個面向化學專業大三年級本科生的計算化學機理研究探索性實驗，在縮短學生集中線下課時的同時(學生可利用課余時間在個人計算機(Personal Computer，PC)上自主完成)，形成“課堂-微課題-翻轉課堂”的科創培育模式，激發學生的學習興趣，培養學生舉一反三的科研創新能力。本論文應用高斯(Gaussian)程序研究酚酞變色反應歷程，通過變色前后紫外-可見吸收光譜變化的宏觀現象，引導學生從幾何結構、自然布居分析(Natural Population Analysis，NPA)電荷及自然鍵軌道(Natural Bond Orbital，NBO)多個微觀角度來理解酚酞變色反應機理，引導學生感悟計算方法中嚴密的邏輯關系，并增加數據可視化、獲取原子尺度信息，有利于提高學生分析解決問題能力、科學研究能力與動手實踐能力，對學生后續的課程學習及日后從事科研工作都有所幫助，為高端技術人才培養提供基礎支撐。具體教學內容包括：(1)反應機理講解；(2)Gaussian 09及GaussView 6.0計算軟件介紹；(3)實驗內容；(4)上機操作；(5)數據處理和分析；(6)問題思考與討論。

2 實驗軟件

高斯程序是計算化學領域應用最普及的程序，它可以進行各種類型的從頭算(Ab initio)、半經驗(Semi-empirical)和密度泛函理論(Density Functional Theory，DFT)計算，能夠預測分子和化學反應的諸多性質，因此具有廣闊的應用前景[7]。此外，與之匹配的GaussView軟件在建模方面非常便利，而且有PC機版本，初學者很容易使用。本實驗采用Gaussian 09及GaussView 6.0軟件進行酚酞變色反應的計算化學實驗研究。

3 實驗內容

圖1給出了酚酞指示劑的變色反應。在酸性和中性條件下，酚酞分子結構的中心碳原子為sp3雜化，連接中心碳原子的四條共價鍵非共平面。酚酞分子是兩個苯酚基團連接在異苯并呋喃酮上，分子中包含三個共軛小體系，無法吸收可見光，因此呈無色[8,9]。在堿性條件下，酚酞分子結構的中心碳原子為sp2雜化，連接中心碳原子的三條共價鍵共平面。酚酞分子發生開環生成醌式結構的二價負離子，該堿性結構是大共軛體系，容易吸收可見光，因此呈紅色[8,9]。

圖1 酚酞指示劑的變色反應

4 上機操作

先前文獻給出了酚酞分子在中性、酸性和堿性條件下的幾何結構[10]，即中性和酸性條件下酚酞分子結構為內酯式結構，堿性條件下酚酞分子結構為醌式結構。本實驗首先采用GaussView 6.0軟件構建酚酞分子，選取B3LYP/6-31+g(d,p)方法對氣相酚酞分子進行構型優化和頻率計算。通過振動頻率分析確認優化后的酚酞分子無虛頻，即最穩定分子幾何構型。在氣相優化幾何構型的基礎上，選用極化連續介質模型(Polarizable Continuum Model，PCM)考慮了溶劑化效應。通過設置電荷和多重度來區分中性、酸性和堿性的溶劑化效應，中性條件下電荷和多重度分別設置為0和1；酸性條件下電荷和多重度分別設置為1和1；堿性條件下電荷和多重度分別設置為-2和1。所有量子化學計算使用Gaussian 09程序完成[11]，自然鍵軌道分析使用Multiwfn程序完成[12]。

5 數據結果及分析

5.1 紫外-可見吸收光譜

鑒于B3LYP泛函并不是一個可靠的計算電子激發態方法，本文采用TD-CAM-B3LYP方法計算電子激發態，獲取酚酞分子在中性、酸性和堿性條件下的紫外-可見吸收光譜。圖2給出了TD-CAMB3LYP/6-31+G(d,p)方法獲得的酚酞分子在不同條件下的紫外-可見吸收光譜。中性條件下酚酞分子最大吸收峰的位置在248.8 nm，位于紫外區，第一激發能和振子強度分別為3.7812 eV和0.1145。酸性條件下酚酞分子最大吸收峰的位置在271.6 nm，位于紫外區，第一激發能和振子強度分別為2.8330 eV和0.0490。如上所述，中性和酸性條件下的最大吸收峰均不在可見光區，因此酚酞指示劑呈無色。堿性條件下酚酞分子最大吸收峰的位置在540.6 nm，位于可見光區，與實驗值540.0 nm接近。第一激發能和振子強度分別為2.2976 eV和1.2521。與中性和酸性條件相比，堿性條件下最大吸收峰位置發生了明顯紅移，有利于吸收可見光，因此酚酞指示劑呈紅色。堿性條件下酚酞分子紫外-可見吸收光譜發生紅移的主要原因是堿式結構具有較大的共軛體系。以下筆者將主要從幾何結構、自然布居分析電荷和自然鍵軌道三個方面解釋酚酞分子從中性/酸性到堿性結構共軛性增大的原因。

圖2 酚酞分子的紫外-可見吸收光譜

5.2 幾何結構

圖3給出了酚酞分子優化后的幾何構型。中性條件下酚酞分子的中心碳原子與鄰近碳原子的C―C鍵長分別為1.532(C1―C2)、1.528(C1―C8)和1.525 ?(C1―C14)(1 ?=0.1 nm)，具有典型的碳碳單鍵特征。苯酚基團中C―C鍵長約為1.400 ?，C―O鍵長約為1.370 ?。異苯并呋喃酮中C20―O1和C20＝O2鍵長分別為1.363和1.218 ?。酸性條件下，C1―C2、C1―C8和C1―C14鍵長幾乎不變。苯酚基團中與C2和C8相連的C―C鍵伸長了約0.020 ?，而毗鄰的C―C鍵縮短了約0.020 ?，C―O鍵也縮短了約0.030 ?。異苯并呋喃酮中C20―O1鍵伸長了0.011 ?，C20＝O2鍵長幾乎不變。上述結果表明，酸性條件對酚酞分子的幾何結構影響較小。堿性條件下異苯并呋喃酮中C1―O1鍵斷裂生成醌式結構。與中性結構相比，C1―C2、C1―C8和C1―C14鍵長均會有不同程度的縮短，其中C1―C2和C1―C8鍵長縮短最多(～0.100 ?)，其介于典型的碳碳單鍵和雙鍵之間。醌式結構中的C―C鍵長為1.435 ?，其要比相應中性條件下的C―C鍵伸長約0.030 ?，C＝C和C＝O鍵長分別為1.373和1.270 ?，它們要比相應中性條件下的C―C和C―O鍵縮短約0.020和0.100 ?。羧酸根中的C20―O1和C20―O2鍵長幾乎相等(～1.265 ?)。上述結果表明，堿性條件對酚酞分子的幾何結構影響較大，與中性和酸性結構相比，堿性結構的共軛效應明顯增強。

圖3 B3LYP/6-31+g(d,p)理論水平上酚酞分子液相優化后的幾何構型

5.3 NPA電荷

表1給出了酚酞分子結構的中心碳原子及其附近原子的NPA電荷。中性條件下，中心碳原子的NPA電荷為0.248e(C1)，與其相連三個碳原子的NPA電荷分別為-0.087e(C2)、-0.094e(C8)和-0.007e(C14)。異苯并呋喃酮中C20、O1和O2原子的NPA電荷分別為0.801e、-0.550e和-0.576e。苯酚基團中O3和O4原子的NPA電荷均為-0.708e。酸性條件下，中心碳原子C1的NPA電荷為0.236e，其比相應中性條件下的C1原子電荷減少了0.012e。C2和C8原子的NPA電荷分別減少了0.066e和0.108e，而C14原子的NPA電荷增加了0.023e。異苯并呋喃酮中C20原子的NPA電荷幾乎不變，O1和O2原子的NPA電荷分別減少了0.016e和0.046e。苯酚基團中O3和O4原子的NPA電荷減少約0.08e。上述結果表明，酸性條件不利于氧原子電荷的積累。堿性條件下，中心碳原子C1的NPA電荷為0.127e，其比相應中性條件下的C1原子電荷減少0.121e。主要原因是C1―O1鍵斷裂后，高電負性的O1原子對低電負性的C1原子作用減弱，使得C1原子電荷減少。與中性分子的電荷相比，C2、C8和C14原子的NPA電荷均有不同程度的增加，其中C2原子的NPA電荷增加最多(0.077e)。異苯并呋喃酮中C20原子的NPA電荷由中性的0.801e減少到堿性的0.749e，O1和O2原子的NPA電荷由中性的-0.550e和-0.576e增加到堿性的-0.747e和-0.764e。苯酚基團中O3和O4原子的NPA電荷增加約0.01e。上述結果表明堿性條件有利于氧原子電荷的積累。

表1 酚酞分子中部分原子的NPA電荷

5.4 NBO分析

使用二階微擾理論對酚酞分子在中性、酸性和堿性條件下所有可能的給體-受體軌道進行了NBO分析。通過離域化穩定能E(2)的大小來評估每一個給體軌道(Donor NBO(1))與每一個受體軌道(Acceptor NBO(2))相互作用的強弱。如圖4所示，中性條件下酚酞分子中苯酚基團的C12―C11反鍵軌道與C9―C10反鍵軌道之間有強相互作用，兩個軌道重疊相對應的離域化穩定能為984.39 kJ?mol-1。與中性條件類似，酸性條件下苯酚基團中C4―C5反鍵軌道與C2―C3反鍵軌道之間有強相互作用，兩個軌道重疊相對應的離域化穩定能為691.37 kJ?mol-1。上述結果表明中性條件引起的電子離域使酚酞分子具有更大的穩定性。堿性條件下醌式結構中C5＝O3反鍵軌道與C3＝C4反鍵軌道之間有強相互作用，兩個軌道重疊相對應的離域化穩定能為814.68 kJ?mol-1。從π*C5＝O3到π*C3＝C4的電荷轉移有助于共軛體系增大。

6 問題思考與討論

(1)量子化學計算方法有很多種類，如何選取一種適合于目標體系的研究方法？

(2)其他溶劑化模型(如Minnesota Solvation model,SMD)對酚酞的第一激發能和振子強度有何影響？

7 教學安排

本實驗是面向大三年級本科生開設的探索性計算化學實驗。需8學時完成，包含：(1)簡要介紹量子化學基礎(1課時)，線上講授微觀粒子的運動特征、量子力學基本假設和箱中粒子的薛定諤方程及其解；(2)介紹GaussView 6.0軟件的使用方法，輸入文件的編制(2學時)，即完整的輸入文件應包括命令行、計算執行命令行、標題行、電荷、多重度和分子坐標；(3)介紹Gaussian 09程序的使用方法，如何調用Gaussian 09程序來進行任務計算(1學時)；(4)如何閱讀高斯計算的輸出文件(1課時)，每個Link對應不同的部分，如Link 101讀入輸入文件，Link 202判斷體系對稱性，Link 301產生基組信息。教師邊講解邊上機演示，并錄制實驗視頻，以便課后復習查閱；(5)根據學生掌握量子化學基礎知識的基本情況來編排小組，每個小組5–7人為宜，并設置兩名組長。在充分理解本實驗知識內容的基礎上，完成問題思考與討論部分提出的兩個問題，并讓學生嘗試自主完成拓展實驗——甲基橙的變色反應實驗(2課時)；(6)角色翻轉。各小組錄制實驗視頻，選出一名學生講解，并通過反應模型的搭建、酚酞分子的構建、輸入文件的編寫、高斯程序的調用、紫外-可見吸收光譜的繪制等指標來進行小組間的互評(1課時)，將互評結果上傳教學平臺，教師進行評閱。教學安排中(1)–(4)是線上課堂完成，(5)–(6)是線下微課題-翻轉課堂完成。

8 實踐效果

學生綜合能力的培養是“以學生為中心”教育理念的實質。如何引導學生在學習特定基礎知識的同時提升自身的綜合素質是課程教學改革探索的方向。通過在課堂中不斷嘗試研究型教學、問題導向型教學等多種教學模式的改革探索，兼顧化學的基礎性、前沿性和交叉性，理論與實踐相結合，結合教師科學研究中的內容、技術和方法，引導學生學習和實踐新內容和新方法，促進了學生解決實際問題以及創新能力的培養[13,14]。

本實驗課將量子化學與無機化學實驗融合，以最基礎的酚酞變色反應的理論計算化學為切入點，一方面引導學生利用先進、前沿的科學研究手段探究宏觀現象背后更深層的微觀機制，通過補充交叉領域的背景知識或前沿進展，激發學生探索意識，開拓創新思維；另一方面培養學生的學習遷移能力，不斷提升學生自主思考和舉一反三的應用實踐能力，通過進行課堂分組的知識拓展，鍛煉學生查閱文獻自主學習能力、自主探究能力、團隊協作能力、表達能力和實踐能力。實踐結果表明，該計算化學實驗課不占用線下教學時間，學習時間靈活，具有較好的普適性，學生能夠順利地完成實驗并且小組高效協作，受到了學生好評。本實驗教學方法的探究打通從被動的常規知識學習到主動科研探索訓練的本科生培養環節，形成“課堂-微課題-翻轉課堂”的人才科創培育模式，有望在教學改革與科研創新方面均取得較好成效。