Gaussian软件在波谱分析教学中的应用
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目前高校对于波谱分析的教学难点[3] 有: 第一是涉及到电子结构和杂化轨道以及过渡态这些概念的 时候, 书本只有静态的图片, 学生没有直观的感受; 第二是课 时很少, 教师没有足够的时间去给学生反复强调重难点知识。 此时辅助量子化学软件 Gaussian 其强大功能就派上了用场。
2 量子化学软件在波谱分析教学中的使用
两种对映体的振动圆二色谱 VCD 光谱谱图如图 4 所示, 明 显可以看出两者的区别, 两者关于水平线即 x 轴成对称。
2. 1 手性对映体轨道与光谱计算
通过 Gaussian 计算了两种手性对映体的红外光谱、 VCD 光 谱和 ECD 光谱以及其 HOMO 与 LUMO, 可以发现其 VCD 光谱 和 ECD 光谱明显的也具有镜像对称的特性。 其分子结构图与立 体结构图分别如图 2, 3 所示, 两图之间具有一一对应关系。
Key words: spectrum Analysis; Gaussian
1 Gaussian 软件简介
近些年, 计算机模拟技术进展迅速, 各种模拟软件如雨后 春笋一样如 Gaussian 和 Gamess 等, 给实验工作者提供了诸多 的方便。 但是大多数软件的运行环境主要环境是 Linux 操作系 统, 给实验工作者的学习造成了一定的困难。 Gaussian 软件是 横跨 Windows 系统和 Linux 系统两个系统的强大的量子化学软 件, 其可以计算红外光谱、 拉曼光谱、 VCD 光谱以及 ECD 光 谱等, 同时能够预测化学反应的过渡态的几何结构与性质。 其 输入文件比较简单, 适合初学者快速上手。 目前已经有大量的 教研论文研究怎么在课堂中引入 Gaussian 软件用于有机化学等 相关课程的信息化教学[1 - 2] 。 波谱分析课程与基础有机化学相 比, 波谱分析课程需要掌握紫外光谱、 红外光谱等各种光谱的 性质的深度分析, 而各种测试仪器比较贵重, 因此将 Gaussian 软件引入波谱分析课程更加迫切, 会显著提高学生对于课程内 容的理解, 并且其成本相比于实验低廉很多。 只要学生拥有一
参考文献
[1] 白云霞,覃程荣,宋雪萍,等 . 基于 Gaussian 量子化学计算的波谱 分析课程教学探索[ J] . 轻工科技, 2019,35(12) :32-33.
[2] 张琼,吴杰颖 . Gaussian09 软件在配合物紫外可见吸收光谱教学中 的应用[ J] . 赤峰学院学报( 自然科学版) ,2018,34(9) :53-54.
图 9 SN2 反应的始结构 Fig. 9 Initial structure of SN2 reaction
图 7 13 C NMR 光谱 Fig. 7 13 C NMR spectra
初始结构中 SN2 方向的 C-H 长度为 1. 82 Å, 同时 C-Cl 长 度为 1. 86 Å。 因为我们采用的是 berny 方法寻找过渡态, 所以 初始结构的长度与角度对于寻找到正确的过渡态至关重要。 最 终寻找到的过渡态唯一虚频为-621 cm-1 左右, 振动方向朝着 反应进行的方向, 预示着过渡态的搜寻完全正确。
∗ 基金项目: 安徽医科大学临床医学院教研项目(2020XJ007) 。 第一作者: 朱玉俊(1984-) , 男, 讲师, 主要从事量子化学理论计算。
台电脑, 就能重现课本上那些需要花费很多才能得到的谱图。
图 1 Gaussview 软件的界面 Fig. 1 The interface of Gaussview Gaussian 的御用建模环境 Gaussview 建模简单方便, 占用的
图 8 两种对映体的 HOMO 与 LUMO Fig. 8 HOMO and LUMO of two products
以上的光谱结果和轨道结果对于书本上显示的静态谱图是 有益补充, 能够给学生以非常直观的感受, 让其更加深入理解 课本内容。
2. 2 过渡态搜索
卤代烃的 SN2 取代反应是一类典型的反应, 通过 Gaussian 计算可以揭示出过渡态的距离与结构。 Gaussian 软件给我们提
摘 要: 使用 Gaussian 软件对波谱分析课程中两种手性对映体进行了计算, 分析了其红外光谱、 VCD 光谱和 ECD 光谱以及
其 HOMO 与 LUMO 的特点, 发现其红外光谱中碳氧双键和单键的振动与对应峰值契合, 并且其 VCD 和 ECD 光谱关于 x 轴相互对 称。 HOMO 和 LUMO 的分布也有不同的特点, HOMO 分布在所有原子上, 而 LUMO 只分布在苯并吡咯上。 然后论文分析了 SN2 取 代反应怎么寻找过渡态要注意的细节, 是书本静态图片的有益补充。
第 49 卷第 13 期
朱玉俊, 等: Gaussian 软件在波谱分析教学中的应用
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供的寻找过渡态的方法有 berny 以及 QST2 和 QST3。 我们优化 过渡态结构采用 berny 方法, 计算中不需要计算本征值, 同时 必须在关键词里计算频率。 最终过渡态结构必须有一个虚频, 预示着反应朝着虚频这个方向进行。
图 5 两种对映体的 VCD 光谱谱图对比 Fig. 5 VCD spectra of two products
电子圆二色谱 ECD 是手性化合物紫外吸收的 CD 谱, 与 VCD 的区别是 VCD 更多的是分子内振动转动能级跃迁所导致, 而 ECD 光谱更多的是分子内电子跃迁所导致。 两种手性对映异 构体的 ECD 光谱也是关于 x 轴对称的, 与 VCD 光谱的特性保 持了一致, 反映出其手性结构的特点。
第 49 卷第 13 期 2021 年 7 月
广 州 化 工 Guangzhou Chemical Industry
Байду номын сангаас
Vol. 49 No. 13 Jul. 2021
教学园地
Gaussian 软件在波谱分析教学中的应用∗
朱玉俊1, 武亚南1, 赵宇培2
(1 安徽医科大学临床医学院, 安徽 合肥 230012; 2 常州大学石油化工学院, 江苏省绿色催化材料与技术重点实验室, 江苏 常州 213164)
图 2 两种手性对映异构体的分子结构图 Fig. 2 Molecular structure of two kinds of chiral products
图 3 两种对映体的立体结构 Fig. 3 Spatial structures of two chiral products 两种对映体的红外光谱几乎没有差别, 表示红外光谱在区 分对映体结构上派不上用场, 必须要用圆二色谱也就是 CD 谱 和旋光谱等。 但是典型的官能团振动频率还是非常明显的, 比 如说碳氧双键在 1800 cm-1 处的伸缩振动, 碳氢单键在 3200 cm-1 处的伸缩振动都是此类官能团的特征振动[4] 。 Gaussview 能够 对不同振动强度处的具体官能团振动进行可视化, 使得学生对 于红外光谱峰与具体的官能团振动之间的联系更为了解。
3 结 语
虽然 Gaussian 软件在波谱分析的辅助教学中取得了丰硕的 成果, 但是仍然存在着一些不可忽视的问题, 比如说(1) 学生 基础和学习能力各有不同, 对制定统一的教学目标有难度。 (2) Gaussian 使用虽然可以使用个人电脑, 但是 Gaussian 教学 仍然需要在机房进行, 因此制约了后期开展活动的多样性。 (3) 学生感兴趣的分子往往分子量很大, 因此需要 Linux 系统和 超级计算机, 经费未必能够完全支持第二课堂开展此类的计算 任务。
关键词: 波谱分析; Gaussian
中图分类号: O641. 1
文献标志码: A
文章编号: 1001-9677(2021)013-0151-03
Application of Gaussian Software in Spectral Analysis Teaching∗
ZHU Yu-jun1 , WU Ya-nan1 , ZHAO Yu-pei2 (1 Clinic Medical College of Anhui Medical University, Anhui Hefei 230012; 2 School of Petroleum and chemical Engineering, Changzhou University, Jiangsu Key Laboratory of Advanced Catalytic Materials
图 4 两种对映体的红外光谱谱图对比 Fig. 4 IR spectra of two products
图 6 两种对映体的 ECD 光谱谱图对比 Fig. 6 ECD spectra of two products
13 C NMR 的分布区域比较宽, 分辨能力高。 对比不同参照 物下的13 C 的化学位移, 可以发现其值变化不大。 其中与 O 连 接的碳原子的化学位移都比较大, 明显是因为氧原子的电负性 比较大, 吸电子能力比较强, 降低了碳周围的电子云密度, 屏 蔽效应降低, 共振吸收峰移向低场, 化学位移会变大。
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广 州 化 工
2021 年 7 月
硬盘空间 不 大, 不 过 美 中 不 足 的 是 Gaussview 界 面 只 能 提 供 Gaussian 的总功能的四分之一左右, 大量的高级功能需要手写 关键词才能在 Gaussian 里面实现。 Gaussview 的界面如图 1 所 示, 界面功能能够实现构筑分子, 向 Gaussian 投递简单任务等 基本功能, 计算得到的结果文件也可以通过该软件观察分子轨 道和波谱图。
and Technology, Jiangsu Changzhou 213164, China)
Abstract: Gaussian software was used to calculate two kinds of chiral enantiomers in the course of Spectrum Analysis. The infrared spectrum, VCD spectrum, ECD spectrum, as well as the characteristics of HOMO and LUMO, were analyzed. It was found that the vibration of carbon and oxygen double bond and single bond in the infrared spectrum were consistent with the corresponding peak value, and VCD and ECD spectra were symmetric with respect to X -axis. And HOMO and LUMO were distributed differently, HOMO was distributed on all the atoms, and LUMO was distributed only on benzopyrrole. How to find the transition state of SN2 substitution reaction was analyzed in detail, which was a useful supplement to the still pictures in the book.
最高占据轨道 HOMO 和最低非占据轨道 LUMO[5] 能够系 统地说明两种对映体在其结构的什么原子附近能够给出电子, 什么原子附近能够接收电子。 通过比对图 5 显示的 HOMO 与 LUMO 的分布, 可以看出 HOMO 在分子的所有原子的位置都存 在, 但是 LUMO 更多的处于苯并吡咯部分结构上, 表明苯并吡 咯部分结构更容易接受给电子物质给出的电子。
2 量子化学软件在波谱分析教学中的使用
两种对映体的振动圆二色谱 VCD 光谱谱图如图 4 所示, 明 显可以看出两者的区别, 两者关于水平线即 x 轴成对称。
2. 1 手性对映体轨道与光谱计算
通过 Gaussian 计算了两种手性对映体的红外光谱、 VCD 光 谱和 ECD 光谱以及其 HOMO 与 LUMO, 可以发现其 VCD 光谱 和 ECD 光谱明显的也具有镜像对称的特性。 其分子结构图与立 体结构图分别如图 2, 3 所示, 两图之间具有一一对应关系。
Key words: spectrum Analysis; Gaussian
1 Gaussian 软件简介
近些年, 计算机模拟技术进展迅速, 各种模拟软件如雨后 春笋一样如 Gaussian 和 Gamess 等, 给实验工作者提供了诸多 的方便。 但是大多数软件的运行环境主要环境是 Linux 操作系 统, 给实验工作者的学习造成了一定的困难。 Gaussian 软件是 横跨 Windows 系统和 Linux 系统两个系统的强大的量子化学软 件, 其可以计算红外光谱、 拉曼光谱、 VCD 光谱以及 ECD 光 谱等, 同时能够预测化学反应的过渡态的几何结构与性质。 其 输入文件比较简单, 适合初学者快速上手。 目前已经有大量的 教研论文研究怎么在课堂中引入 Gaussian 软件用于有机化学等 相关课程的信息化教学[1 - 2] 。 波谱分析课程与基础有机化学相 比, 波谱分析课程需要掌握紫外光谱、 红外光谱等各种光谱的 性质的深度分析, 而各种测试仪器比较贵重, 因此将 Gaussian 软件引入波谱分析课程更加迫切, 会显著提高学生对于课程内 容的理解, 并且其成本相比于实验低廉很多。 只要学生拥有一
参考文献
[1] 白云霞,覃程荣,宋雪萍,等 . 基于 Gaussian 量子化学计算的波谱 分析课程教学探索[ J] . 轻工科技, 2019,35(12) :32-33.
[2] 张琼,吴杰颖 . Gaussian09 软件在配合物紫外可见吸收光谱教学中 的应用[ J] . 赤峰学院学报( 自然科学版) ,2018,34(9) :53-54.
图 9 SN2 反应的始结构 Fig. 9 Initial structure of SN2 reaction
图 7 13 C NMR 光谱 Fig. 7 13 C NMR spectra
初始结构中 SN2 方向的 C-H 长度为 1. 82 Å, 同时 C-Cl 长 度为 1. 86 Å。 因为我们采用的是 berny 方法寻找过渡态, 所以 初始结构的长度与角度对于寻找到正确的过渡态至关重要。 最 终寻找到的过渡态唯一虚频为-621 cm-1 左右, 振动方向朝着 反应进行的方向, 预示着过渡态的搜寻完全正确。
∗ 基金项目: 安徽医科大学临床医学院教研项目(2020XJ007) 。 第一作者: 朱玉俊(1984-) , 男, 讲师, 主要从事量子化学理论计算。
台电脑, 就能重现课本上那些需要花费很多才能得到的谱图。
图 1 Gaussview 软件的界面 Fig. 1 The interface of Gaussview Gaussian 的御用建模环境 Gaussview 建模简单方便, 占用的
图 8 两种对映体的 HOMO 与 LUMO Fig. 8 HOMO and LUMO of two products
以上的光谱结果和轨道结果对于书本上显示的静态谱图是 有益补充, 能够给学生以非常直观的感受, 让其更加深入理解 课本内容。
2. 2 过渡态搜索
卤代烃的 SN2 取代反应是一类典型的反应, 通过 Gaussian 计算可以揭示出过渡态的距离与结构。 Gaussian 软件给我们提
摘 要: 使用 Gaussian 软件对波谱分析课程中两种手性对映体进行了计算, 分析了其红外光谱、 VCD 光谱和 ECD 光谱以及
其 HOMO 与 LUMO 的特点, 发现其红外光谱中碳氧双键和单键的振动与对应峰值契合, 并且其 VCD 和 ECD 光谱关于 x 轴相互对 称。 HOMO 和 LUMO 的分布也有不同的特点, HOMO 分布在所有原子上, 而 LUMO 只分布在苯并吡咯上。 然后论文分析了 SN2 取 代反应怎么寻找过渡态要注意的细节, 是书本静态图片的有益补充。
第 49 卷第 13 期
朱玉俊, 等: Gaussian 软件在波谱分析教学中的应用
153
供的寻找过渡态的方法有 berny 以及 QST2 和 QST3。 我们优化 过渡态结构采用 berny 方法, 计算中不需要计算本征值, 同时 必须在关键词里计算频率。 最终过渡态结构必须有一个虚频, 预示着反应朝着虚频这个方向进行。
图 5 两种对映体的 VCD 光谱谱图对比 Fig. 5 VCD spectra of two products
电子圆二色谱 ECD 是手性化合物紫外吸收的 CD 谱, 与 VCD 的区别是 VCD 更多的是分子内振动转动能级跃迁所导致, 而 ECD 光谱更多的是分子内电子跃迁所导致。 两种手性对映异 构体的 ECD 光谱也是关于 x 轴对称的, 与 VCD 光谱的特性保 持了一致, 反映出其手性结构的特点。
第 49 卷第 13 期 2021 年 7 月
广 州 化 工 Guangzhou Chemical Industry
Байду номын сангаас
Vol. 49 No. 13 Jul. 2021
教学园地
Gaussian 软件在波谱分析教学中的应用∗
朱玉俊1, 武亚南1, 赵宇培2
(1 安徽医科大学临床医学院, 安徽 合肥 230012; 2 常州大学石油化工学院, 江苏省绿色催化材料与技术重点实验室, 江苏 常州 213164)
图 2 两种手性对映异构体的分子结构图 Fig. 2 Molecular structure of two kinds of chiral products
图 3 两种对映体的立体结构 Fig. 3 Spatial structures of two chiral products 两种对映体的红外光谱几乎没有差别, 表示红外光谱在区 分对映体结构上派不上用场, 必须要用圆二色谱也就是 CD 谱 和旋光谱等。 但是典型的官能团振动频率还是非常明显的, 比 如说碳氧双键在 1800 cm-1 处的伸缩振动, 碳氢单键在 3200 cm-1 处的伸缩振动都是此类官能团的特征振动[4] 。 Gaussview 能够 对不同振动强度处的具体官能团振动进行可视化, 使得学生对 于红外光谱峰与具体的官能团振动之间的联系更为了解。
3 结 语
虽然 Gaussian 软件在波谱分析的辅助教学中取得了丰硕的 成果, 但是仍然存在着一些不可忽视的问题, 比如说(1) 学生 基础和学习能力各有不同, 对制定统一的教学目标有难度。 (2) Gaussian 使用虽然可以使用个人电脑, 但是 Gaussian 教学 仍然需要在机房进行, 因此制约了后期开展活动的多样性。 (3) 学生感兴趣的分子往往分子量很大, 因此需要 Linux 系统和 超级计算机, 经费未必能够完全支持第二课堂开展此类的计算 任务。
关键词: 波谱分析; Gaussian
中图分类号: O641. 1
文献标志码: A
文章编号: 1001-9677(2021)013-0151-03
Application of Gaussian Software in Spectral Analysis Teaching∗
ZHU Yu-jun1 , WU Ya-nan1 , ZHAO Yu-pei2 (1 Clinic Medical College of Anhui Medical University, Anhui Hefei 230012; 2 School of Petroleum and chemical Engineering, Changzhou University, Jiangsu Key Laboratory of Advanced Catalytic Materials
图 4 两种对映体的红外光谱谱图对比 Fig. 4 IR spectra of two products
图 6 两种对映体的 ECD 光谱谱图对比 Fig. 6 ECD spectra of two products
13 C NMR 的分布区域比较宽, 分辨能力高。 对比不同参照 物下的13 C 的化学位移, 可以发现其值变化不大。 其中与 O 连 接的碳原子的化学位移都比较大, 明显是因为氧原子的电负性 比较大, 吸电子能力比较强, 降低了碳周围的电子云密度, 屏 蔽效应降低, 共振吸收峰移向低场, 化学位移会变大。
152
广 州 化 工
2021 年 7 月
硬盘空间 不 大, 不 过 美 中 不 足 的 是 Gaussview 界 面 只 能 提 供 Gaussian 的总功能的四分之一左右, 大量的高级功能需要手写 关键词才能在 Gaussian 里面实现。 Gaussview 的界面如图 1 所 示, 界面功能能够实现构筑分子, 向 Gaussian 投递简单任务等 基本功能, 计算得到的结果文件也可以通过该软件观察分子轨 道和波谱图。
and Technology, Jiangsu Changzhou 213164, China)
Abstract: Gaussian software was used to calculate two kinds of chiral enantiomers in the course of Spectrum Analysis. The infrared spectrum, VCD spectrum, ECD spectrum, as well as the characteristics of HOMO and LUMO, were analyzed. It was found that the vibration of carbon and oxygen double bond and single bond in the infrared spectrum were consistent with the corresponding peak value, and VCD and ECD spectra were symmetric with respect to X -axis. And HOMO and LUMO were distributed differently, HOMO was distributed on all the atoms, and LUMO was distributed only on benzopyrrole. How to find the transition state of SN2 substitution reaction was analyzed in detail, which was a useful supplement to the still pictures in the book.
最高占据轨道 HOMO 和最低非占据轨道 LUMO[5] 能够系 统地说明两种对映体在其结构的什么原子附近能够给出电子, 什么原子附近能够接收电子。 通过比对图 5 显示的 HOMO 与 LUMO 的分布, 可以看出 HOMO 在分子的所有原子的位置都存 在, 但是 LUMO 更多的处于苯并吡咯部分结构上, 表明苯并吡 咯部分结构更容易接受给电子物质给出的电子。