Gaussian03程序结构优化在教学中的应用

第３２卷第６期２０１０年１１月
泰山学院学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＡＩＳＨＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
Ｖ０１．３２ＮＯ．６
Ｎｏｖ．２０１０
Ｇａｕｓｓｉａｎ０３程序结构优化在教学中的应用
程学礼，赵燕云
（泰山学院化学与环境科学系，山东泰安２７１０２１）
［摘要］本文选取两个实例以讨论Ｇａｕｓｓｉａｎ０３结构优化在大学化学教学中的应用．让Ｇａｕｓｓｉａｎ软件包走进大学化学课堂，必将使学生对许多基本理论产生更加清晰的认识，提高学生学习的兴趣．
［关键词］Ｇａｕｓｓｉａｎ０３；Ｎ２０４；ＴＥＭＰＯ
【中图分类号】０６—３９［文献标识码］Ａ［文章编号］１６７２—２５９０（２０１０）０６一０１０４－０３
Ｇａｕｓｓｉａｎ软件是一种功能强大的量子化学计算软件，界面友好，便于操作，已被广泛应用．把量子化学应用到化学教学中去，可以解决教学中的许多难题，克服传统教学中可视化差、形象不够直观的缺点，使深奥、抽象的理论知识形象化、简单化，在有限的学时内增加教学容量和信息量，提高教学质量¨。

２１．化学主干课程如无机化学、有机化学、结构化学等有许多学生难理解的地方，借助于Ｇａｕｓｓｉａｎ系列量子化学工具和ＧａｕｓｓＶｉｅｗ等软件ｂ。

６Ｊ，可以更好地理解化合物的结构，方便地获得更多的化学信息，防止由经验造成的对问题理解的偏差¨Ｊ．本文选取２例，用Ｇａｕｓｓｉａｎ０３程序包内置的密度泛函Ｂ３ＬＹＰ方法优化结构，该方法证明是可靠的哺‘９】，有很好的精度，并节省大量机时．
１Ｎ０２的结构
众所周知，ＮＯ：容易二聚，而且二聚之后的Ｎ—Ｎ键长约１７５ｐｍ，大于普通的Ｎ—Ｎ单键的键长¨引．Ｂ３ＬＹＰ／６—３１１＋＋Ｇ凇牛基组水平上的计算结果表明，由于Ｎ—Ｎ的自由旋转，二聚后Ｎ：Ｏ。

有两种主要构型（如图ｌ所示），其中扭曲构型１的Ｎ—Ｎ键长为１７９．３ｐｍ，更接近实验值．平面构型２的Ｎ—Ｎ键长为１８０．９ｐｍ，比扭曲构型长，这说明不能有效地形成共轭百键，两个ＮＯ：单元的位阻效应占主导优势．从Ｎ：０。

的扭曲构型和平面构型的ＨＯＭＯ和ＬＵＭＯ轨道图（如图２）看出，在Ｎ—Ｎ键间，叮『键相互作用占一定比重，其相互作用为仃相互作用，而不是盯作用．从图２看，扭曲构型虽然避开了位阻效应，但无论ＨＯＭＯ轨道还是ＬＵＭＯ轨道都有一定的订反键作用；而平面构型的ＨＯＭＯ轨道主要为竹反键轨道（ＬＵＭＯ轨道完全是订成键轨道），抵消了共轭效应，因此Ｎ—Ｎ比扭曲构型反而有所拉长．从能量上看，平面构型能扭曲构型低２４．９９ｌｄ／ｍｏｌ，因此平面构型稍占优势．
图ｌＮ：０。

的扭曲构型和平面构型（键长和键角分别以ｐｍ和。

为单位）
［收稿日期］２０１０—０９—１３
［作者简介］程学礼（１９７５一），男，山东新泰人，泰山学院化学与环境科学系副教授
第６期程学礼等：Ｇａｕｓｓｉａｎ０３程序结构优化在教学中的应用１０５
图２Ｎ２０。

的扭曲构型和平面构型的ＨＯＭＯ和ＬＵＭＯ轨道图
电荷布居是把电子密度分散到原子核和化学键上的一种数学方法．因没有直接的物理性质与之相对应，在实验上原子电荷难以测定…１．而Ｇａｕｓｓｉａｎ０３软件为我们提供了计算的平台．图３为Ｎ：Ｏ。

平面构型和扭曲构型的ＥＳＰ图．
图３Ｎ２０。

平面构型和扭曲构型的ＥＳＰ图
２ＴＥＭＰＯ结构
２，２，６，６一四甲基哌啶一ｌ一氧基自由基（２，２，６，６一ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌｐｉｐｅｒａｄｉｎｅ一１一ｏｘｙｌ，ＴＥＭＰＯ）是一种重要的有机试剂和医药中间体，可以作为高分子聚合反应的阻聚剂，也是重要的氧化剂．在普通有机化学教材中，它常被表示为平面结构图（如图４），容易使学生产生误解．这Ｂ３ＬＹＰ／６—３１Ｇ木牛基组水平上的优化结果表明，它应为立体结构，正如环己烷有船式结构和椅式两种空间结构一样．实际上，９个碳原子均为ｓｐ３杂化，不可能形成平面的六元环．
图４ＴＥＭＰＯ的结构表示（键长以ｐｍ为单位．键角以。

为单位）
在同样基组水平上，我们模拟了ＴＥＭＰＯ的红外频率．图５为ＧａｕｓｓＶｉｅｗ显示的频谱．频率分析表明，在３０３２。

３１６３ｃｍ‘１之间为各个Ｃ—Ｈ的伸缩振动及其组合；在１０７３～１５３３ｃｍ。

１之间主要为各Ｈ—Ｃ—Ｈ单元的平面剪切振动，而没有出现明显的Ｎ—Ｏ、Ｃ—Ｎ和各Ｃ—Ｃ键的伸缩振动，由此可以很容易地判断其存在．
１０６泰山学院学报第３２卷
图５Ｂ３ＬＹＰ／６—３１Ｇ・・基组水平上模拟的ＴＥＭＰＯ红外光谱图（频率和强度分别以ｃｍ“和ｋｍ／ｍｏｌ为单位）
３结束语
把Ｇａｕｓｓｉａｎ程序应用于化学教学中，这样不仅可以更加形象生动地理解化学问题，而且还可以更深入地理解化学问题的本质，防止由经验造成的对问题理解的偏差．本文选取两个实例加以说明：一个是学生对无机化学教材中ＮＯ：二聚成Ｎ：Ｏ。

后Ｎ—Ｎ键大于普通Ｎ—Ｎ键的问题不容易理解，二是会误认为有机合成过程中氧化剂２，２，６，６一四甲基哌啶一１一氧基自由基为平面结构．在用Ｇａｕｓｓｉａｎ０３内置的密度泛函Ｂ３ＬＹＰ方法优化结构的基础上，我们用立体图展示了其结构，并获得了其前线轨道、频率等数据．让Ｇａｕｓｓｉａｎ系列软件走进大学化学课堂，必将使学生对许多基本理论产生更加清晰的认识，提高学生学习的兴趣．
［参考文献］
［１］程学礼．对过碳酸根离子结构问题的探讨［Ｊ］．泰山学院学报，２００７，（３）：９９—１０２．
［２］程学礼，赵燕云．Ｇａｎｓｓｉａｎ程序在化学教学中的应用［Ｊ］．泰山学院学报，２００７，２９（６），１００—１０３．
［３］梁雪，王一波．用Ｇａｕｓｓｉａｎ／ＧａｕｓｓＶｉｅｗ辅助结构化学实验教学［Ｊ］．贵州大学学报（自然科学版），２００８，（３）：３２８—３３０．
［４］冯晓琴，任福德，曹端林．Ｇａｎｓｓｉａｎ量子化学模拟对芳烃硝化机理的探索［Ｊ］．大学化学，２００８，２３（１）：３７—３９．
［５］邓萍，蒋启华．Ｇａｎｓｓｉａｎ软件在取代苯亲电取代反应教学中的应用［Ｊ］．中国现代教育装备，２０１０，（５）：５３—５５．
［６］王后雄，谭英．Ｇａｕｓｓｉａｎ９８在有机化学教学中的应用［Ｊ］．大学化学，２００５，２０（２）：３６—３８．
［７］刘晓东，潘文慧，张素兰．应用Ｇａｕｓｓｉａｎ程序对顺反二氟乙烯稳定性的探究［Ｊ］．绵阳师范学院学报，２００８，２７（１１）：６３—６４．［８］Ｃｈｅａｇｘ．Ｌ．，ＺｈａｏＹ．Ｙ．，ＴａｎｇＫ．，ＷａｎｇＪ．Ｈ．，“ｕＹ．Ｊ．ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＲｅａｃｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＮ２０＋ＣＯＣａｔａｌｙｚｅｄｂｙＩｒ＋ａｎｄＣｏ＋［Ｊ］．Ｊ．Ｍ０１．Ｓｔｎｌｃｔ．：ＴＨＥＯＣＨＥＭ，２０１０，９４５：５３—５６．
［９］ＺｈａｏＹ．Ｙ．，ＣｈｅｎｇＸ．Ｌ．，ＬｉＬ．Ｑ．，ＬｉＺ．ＡＭｅｃｈａｎｉｓｔｉｃＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＣ—ＣｂｏｎｄＣｌｅａｖａｇｅｏｆＲ—ＣＮｂｙＣａｔｉｏｎｉｃＲｈ（ＩＩＩ）ａｎｄＩｒ（ｍ）［Ｊ］．Ｊ．Ｍ０１．Ｓｍｌｃｔ．：ＴＨＥＯＣＨＥＭ，２０１０，９４１：６６—７０．
［１０］北京师范大学无机化学教研室．无机化学（第四版）［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００３．
［１１］ＣｈｅａｇＸ．Ｌ．，ＺｈａｏＹ．Ｙ．，ＬｉＦ．，ＬｉＬ．Ｑ．。

ＴａｏＸ．Ｊ．ＲｅａｃｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅＭｕｈｉ—ｃｈａｎｎｅｌＤｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎＲｅａｃｔｉｏｎｓｏｆ１一Ｐｅｎｔｅ－ｎｙｌＦｒｅｅＲａｄｉｃａｌｓ［ｊ］．Ｃｈｉｎ．Ｊ．Ｃｈｅｍ．，２００８，２６（１）：４４—５０．
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｗｉｔｈＧａｕｓｓｉａｎ０３ＰａｃｋａｇｅｓｉｎＣｈｅｍｉｓｔｒｙＴｅａｃｈｉｎｇ
ＣＨＥＮＧＸｕｅ—ｌｉ，ＺＨＡＯＹａｎ—ｙｕｎ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅ，ＴａｉｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｉｈｎ，２７１０２１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅｓｅｌｅｃｔｅｄ２ｅｘａｍｐｌｅｓｔｏｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｗｉｔｈＧａｕｓｓｉａｎ０３ｐｒｏｇｒａｍｐａｃｋａｇｅｓｉｎｃｏｌｌｅｇｅｃｈｅｍｉｓｔｒｙｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｔｈｅｓｅｋｉｎｄｓｏｆｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃａｎｇｒｅａｔｌｙｅｎｒｉｃｈｔｈｅｃｌａｓｓｒｏｏｍｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｇａｕｓｓｉａｎｐａｃｋａｇｅｓｅｎｔｅｒｉｎｇｉｎｔｏｃｏｌｌｅｇｅｃｈｅｍｉｓｔｒｙｃｌａｓｓｅｓｗｉｌｌｎｅｃｅｓｓａｒｉｌｙｍａｋｅｍａｎｙｆｕｎ－ｄａｍｅｎｔａｌｔｈｅｏｒｉｅｓｃｌｅａｒｅｒａｎｄｉｍｐｍｖｅｔｈｅｓｔｕｄｙｐａｓｓｉｏｎｏｆｃｏｌｌｅｇｅｓｔｕｄｅｎｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｇａｕｓｓｉａｎ０３；Ｎ２０４；ＴＥＭＰＯ。