Gaussian09在有机化学教学中的应用

王译伟 刘源 唐斌

摘要： 本文结合有机化学教学的特点，研究了Gaussian09在有机化学教学中的应用，提出在教学中应用该软件能够使抽象的理论形象化，极大地增强学生的学习积极性，更好地提高教学质量。

关键词： Gaussian09有机化学教学应用

Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包。其可执行程序可在不同型号的大型计算机，超级计算机，工作站和个人计算机上运行，并相应有不同的版本。Gaussian09是目前最新的版本，高斯功能的研究对象有：分子能量和结构、过渡态能量和结构、键和反应能量、分子轨道多重矩、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径。计算可以对体系的基态或激发态执行，可以预测周期体系的能量、结构和分子轨道。因此，Gaussian可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能，等等，在有机化合物的研究中广泛使用。

有机化学是医学课程中的重要基础课程，为后续生物化学、生理学等专业课程的学习打下基础。教学实践发现，虽然学生在高中都有一定的有机化学知识，但是由于有机化学知识量大、信息抽象等特点，造成很多学生不能有效地掌握教学重点和难点。本文主要结合有机化学的课程特点，在教学中引入Gaussian09程序包及与之配套使用的GaussianView软件，可以增强教学的生动活泼性，使学生能够更好地从本质上掌握有机化学知识。

一、分子的几何构型与稳定性

在有机化合物的学习中，我们发现分子的几何构型可以有多种取向，但是在自然状态下分子一般以最稳定的几何构型大量存在，此时该构型能量也最低。我们认为在自然情况下分子主要以能量最低的形式存在。只有能量最低的构型才能具有代表性，其性质才能代表所研究体系的性质。我们使用GaussianView软件构建要研究的分子的基本模型，在建模过程中，我们无法保证所建立的模型有最低的能量，所以所有研究工作的起点都是构型优化，要将所建立的模型优化到一个能量的极小点上。只有找到合理的能够代表所研究体系的构型，才能保证其后所得到的研究结果有意义。通过Gaussian09程序优化结构得到的分子构型达到了收敛标准，就会得到一个稳定的几何构型。我们可以利用GaussianView软件读取这个优化后稳定构型的各自几何参数信息，如键长、键角、二面角等。学生可以通过自己构建简单的有机分子模型，进行结构优化，读取几何构型信息，更加形象地掌握有机分子的几何构型和稳定性。刘晓东等［１］曾采用Gaussian程序对顺反二氟乙烯的稳定性进行了探究，在教学过程中，形象地向学生展示了顺反二氟乙烯的稳定性不仅受空间位阻、静电斥力大小影响，还与电子的离域效应有关。

二、反应机理的研究

有机化学反应机理研究的是反应物通过化学反应变成产物所经历的全过程，而反应进行的途径主要由分子本身的反应性能和进攻试剂的性能，以及反应条件等内外因决定。对数目庞大的各种表面上互不相关的有机反应，通过反应机理的研究，揭示出它们的实质关系，并用少数几条原则将这些反应互相关联起来，从而能深入系统地掌握反应内在的规律性。更重要的是可以根据反应机理选择最适当的反应条件以提高所需产物的得率。目前，研究反应机理的可能性和方法主要是量子化学方法，而Gaussian程序是其中应用最为广泛的软件。

冯晓琴等［２］采用了Gaussian程序对芳烃硝化机理进行了模拟，从量子化学的角度确立了亲电取代和单电子转移的两种反应机理，并通过GaussView界面，使学生对复杂的芳烃硝化机理的认识更加清晰，为进一步对芳烃硝化反应的研究建立了更系统的理论基础。亲电加成反应是有机化学教学的难点和重点内容，比如烯烃和卤素的加成反应机制就可以用Gaussian程序来研究，溴与乙烯的加成反应，该反应途径时设计成顺式产物和反式产物两个通道，计算结果表明顺式反应产物的能量比反式产物高得多，从理论上明确地反映了该反应的产物是以反式产物为主，和实验结果一致。

三、苯环的定位效应

苯环上已有取代基，在进行亲电取代反应时，苯环上原有取代基会影响亲电取代反应活性和第二个基团进入苯环的位置。我们用Gaussian程序来研究苯环的定位效应，外来基团易于进攻电子密度较高的位置。计算发现，未有取代基的苯上6个碳原子的Mulliken charge电荷分布在-0.128—-0.129之间，对C1上的H分别被-CH，-NO，-OH，-NH和-Cl取代的物质做了电子密度计算分析，其Mulliken charge数值见表1。从表1可以看出，C1上的H被-CH取代后的甲苯，C2的电子密度增加最大，为-0.182，这个位置都是邻位，因此外来基团更容易进攻这个位置，发生亲电取代反应，这与甲苯发生亲电取代反应的主要产物为邻位的实验事实相一致，也从反应的实质原因上给学生展示了亲电反应的原理，更为生动和客观。从表1的数据，也可以进行类似的分析，解释与实验事实一致，-NO，-OH，-NH取代后，电子密度都增加了，使得苯环活化，亲电反应更容易发生，根据各碳位置电子密度的增加幅度不同，可以发现，-NO为间位定位基，-OH和-NH为邻对为定位基；以及-Cl取代后电子密度较取代前降低，导致苯环钝化。

四、波谱分析

有机化合物的机构鉴定是有机化学基本知识的重要组成部分。20世纪50年代发展起来的波谱法，为有机化合物的结构鉴定带来了很大方便。最常用的波谱包括紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱和质谱（通常称为“四谱”）。Gaussian程序也可以计算出物质的波谱信息可以计算各种光谱和光谱特性。包括：IR和Raman；预共振Raman；紫外—可见；NMR；振动圆形二色性（VCD）；电子圆形二色性（ECD）；旋光色散（ORD）；谐性振—转耦合；非谐性振动及振—转耦合；g张量，以及其他的超精细光谱张量。已有的物质的实验质谱信息与理论计算值对比后如果能够很好地吻合，那么就可以运用该计算方法对类似的新化合物进行设计和性质研究。在一定程度上比实验研究要节约大量的人力、物力和时间。

实践表明，Gaussian程序是一种功能强大的量子化学计算软件，使Gaussian09在有机化学教学中得到合理的应用，必将使学生对有机化学的许多基本知识产生更加清晰的认识，并能起到易学易懂的作用，从而达到提高教学质量的目的。

参考文献：

［1］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，2008，11，（27）:63.

［2］冯晓琴，任福德，曹端林.Gaussian量子化学模拟对芳烃硝化机理的探索，2008，1，（23）:37.