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开展Gaussian程序应用教学的尝试

魏东辉,宋传君

（郑州大学化学与分子工程学院,河南郑州450001）

摘要：Gaussian作为化学理论计算中应用最广的程序,在诸多化学问题的研究和解决中得以大量应用,成功地解释和预测了一些化学反应,已成为化学学科的科研教学人员必须掌握的量子化学计算程序之一.开展Gaussian程序应用教学,对于提升学生专业素养、科研水平具有重要的意义.

关键词：Gaussian程序；教学实践；应用教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）27-0162-02

作者简介：魏东辉（1983-）,男（汉族）,河南许昌人,讲师,博士,研究方向：理论与计算化学.

Gaussian程序起源于上世纪七八十年代,当时计算机硬件条件很差,只能计算比较简单的分子,且计算级别较低,所以几乎不能应用于解决化学问题.随着计算机硬件技术的发展和计算方法的不断优化改良,到上世纪十年代,人们已经逐渐可以借助量子化学计算程序去对实验中的化学体系进行模拟和研究.值得一提的是,1998年诺贝尔化学奖授予科恩和波普尔,以表彰他们在理论化学领域做出的重大贡献.他们的工作使实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质,引起整个化学领域经历一场革命的变化,使化学不再是一门纯粹的实验科学.其中,波普尔正是Gaussian程序的原创者之一,此次得奖也是为Gaussian程序在世界范围内被接受和认可奠定了基础.Gaussian的版本从上世纪开始有Gaussian 70、Gaussian 80、Gaussian 90、Gaussian 98等一系列程序.

进入21世纪,随着Gaussian 98、Gaussian 03、Gaussian09[1]等版本的持续更新和改进,Gaussian程序的功能也越来越强大,应用范围也越来越广.目前,Gaussian的主要功能包括：过渡态能量和结构、反应路径、热力学性质、分子轨道、键和反应能量、原子电荷和电势、核磁性质、红外和拉曼光谱、振动频率、极化率和超极化率等,计算不仅可以对具体体系的基态进行计算,还可以对其激发态的结构和性质进行研究.另外,它还可以用来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.该程序近年来的高速发展和广泛应用使其成为化学学科的科研教学人员必须掌握的工具之一.目前国内很多知名高校和科研院所都已经开展了Gaussian程序应用这门课程,并且作为相关专业本科生和研究生的必修课程.鉴于此,我院于2014年也开展了Gaussian程序应用作为研究生选修课程,这对于提高我院研究生专业素养和科研水平具有重要的意义.

一、Gaussian程序应用的参考教材选取

有很多关于Gaussian程序应用方面的书籍,包括中文的和英文的.针对这门课来说,我选择的参考教材主要是Forean和Frisch编著的《Exploring chemistrywith electronic structure methods》[2] 以及可在Gaussian下载的与其配套的例子.该书分为三个部分,分别是基本概念和技术（包括第一章计算模型、第二章单点能计算、第三章几何优化、第四章频率分析）、计算化学方法（包括第五章基族的影响、第六章理论方法的选择、第七章高精度计算）和应用部分（包括第八章研究反应和反应性、第九章激发态、第十章溶液中的反应）.我选择此书的出发点是：它的内容从基础到应用、从浅至深地介绍了Gaussian程序的主要功能和应用.书中的例子涉及分子能量和结构研究、过渡态的能量和结构研究、化学键以及反应的能量、振动频率、分子轨道、偶极矩和多极矩、原子电荷和电势、红外和拉曼光谱、核磁、极化率和超极化率、热力学性质、IRC反应途径等计算,另外还举例模拟了在气相和溶液中的体系、模拟基态和激发态分子的结构及性质.这些具体例子能够帮助从事化学及其相关领域的科研工作人员、教师和研究生等从不同的视角把握分子模型设计和计算模拟的策略、原则和方法,从而能够让研究人员全面了解Gaussian程序计算的模拟方法和应用实例.

二、Gaussian教学内容的选取

Gaussian程序主要是以分子力学和量子力学等为理论依据,借助计算机模拟进行化学问题研究的一门交叉学科.该课程教学涉及内容多、范围广,这就要求学生具有良好的数学、计算化学、结构化学、物理化学、有机化学、无机化学和计算机科学等众多专业知识的积累.学习这门课有助于拓宽学生的知识面,培养学生综合多种学科知识,解决实际复杂的化学问题的能力.然而这门课理论概念抽象,学生理解起来非常困难,教学难度也较大.选修这门课的学生主要来自物理化学专业和有机化学专业.对于物理化学专业的学生来说,他们的结构化学、计算化学和物理化学知识基础较好,这门课的学习不是非常困难.然而对于有机化学专业的学生来说,这门课学起来就比较困难了,因为他们的计算化学、结构化学和计算机科学知识比较薄弱.如何将抽象的化学知识简单化,形象化,帮助学生理解复杂的有机反应机理,提高学习积极性,这对老师的教学方法和方式有很高的要求.

针对不同化学专业学生的特点和他们将来要从事的职业,我更加注重实践教学而不是抽象概念的讲解和公式的推导.对于量子化学计算中涉及的一些算法学生只需了解,如果有学生对于基础知识非常感兴趣,我建议他们去听量子力学和结构化学课程.在课堂上,我重点讲解Gaussian程序的常用计算方法、思路和一些典型案例,以及如何运用这些方法解决科研中碰到的实际问题.比如讲解什么是半经验计算、什么是Hartree-Fock近似、什么是密度泛函理论、什么是分子力学算法等,讲解他们的区别以及在不同情况下如何选择不同的算法.此外,我还重点讲解基于量化计算的分子结构（包括稳定态和过渡态）的优化,分子光谱的计算和反应机理研究.这些内容对于化学专业的学生来说都是非常有意义的,可以帮助他们后续的科研工作.为了激发学生的学习兴趣,调动学生的自主性,让学生积极参与到课堂的专题实验交流活动,提高课堂教学的效果,我会教学生使用一些软件图形界面如Gaussview等,直接生动地展示和分析一些分子的三维结构,将抽象的化学分子通过色彩鲜艳的三维立体形象界面予以展示,并教会他们如何使用Gaussview建立分子模型和分析计算结果.在用Gaussview软件建立模型的过程中,我首先对主工具栏里边的元素工具和环工具等建模工具做了讲解,然后再对编辑工具即键长、键角和二面角工具做了使用演示,另外还讲了加H工具和原子消除工具的使用.事实上,上述的这几个工具如果能掌握好,学生们基本上就能根据所学化学知识来建立相应的分子的三维结构模型.随后,在课堂上我再演示如何用鼠标操作来旋转、移动、缩放和叠加结构,如何用鼠标操作来改变分子的显示形式和颜色,如何查看结果如能量数据,以及如何显示分子的原子电荷和分子轨道性质等.等学生基本掌握了Gaussview的模型建立和结果分析工具,我会给他们讲解如何将分子模型通过设置不同的关键词来提交相应任务给Gaussian程序去执行,如结构优化的关键词是OPT,频率计算的关键词是FREQ等.由于Gaussian的功能强大,授课时间有限,我们只介绍一些基本操作和简单例子给学生.例如让学生对邻位、间位和对位的二取代苯进行在不同计算级别（如HF/6-31G（d,p）水平下）进行结构优化模拟,然后对其能量比较分析哪个异构体在气相和液相下最稳定.对于反应机理,我会让学生通过寻找一些简单的常见化学反应如Diels-Alder反应、SN2亲核取代反应的过渡态的构型来加深对反应通道的理解,通过IRC计算直观的看出化学反应中分子结构的变化.此外,我还会讲一些实例介绍光谱的预测,比如首先我们会在基态下用DFT方法优化发光分子的结构,然后对其进行TDDFT计算来预测其紫外吸收光谱和荧光光谱等发光性质,从而为功能分子的设计提供便利.最后,根据本院实际科研需要,我们会适当进行一些应用教学来满足不同专业学生的需求.

三、开展Gaussian程序应用课程的前景展望

自然科学发展的历史和规律表明,多学科的优势交叉促进了最基本的微观过程和最复杂的宏观过程的统一认识.在这个信息大爆炸的时代,Gaussian这一量子化学计算程序应运而生并被广泛认可和应用.它既要求使用者有一定的量子力学等数理基础来理解计算流程,而且要求他们对于化学问题有深刻认识和独特见解,属于一门高度交叉的新兴方法和工具,涉及应用化学、理论化学和计算机科学等众多领域.目前,Gaussian程序已经成为理论化学计算中的常规方法之一,开展此门课程可以使科学研究人将其用于未来的反应机理研究、反应的立体和化学选择性的解释、化合物结构及其光谱等性质预测,并可指导设计小分子催化剂甚至新型催化反应,减少实验上的盲目性和偶然性,从而达到节省人力、物力和财力的最终目的.

理论计算化学在近几十年来取得了实质性进展,已从根本上改变了人们对于化学只是一门实验科学的认知,它已经成为化学学科的一个重要组成部分.我国的理论计算研究发展迅速,化学学科正处于从单纯实验到以实验和理论计算相辅相成转变的关键时期,从专业发展的角度而言,开展理论计算化学相关课程如Gaussian程序应用具有非常广阔的应用前景和发展空间.

参考文献：

[1]Gaussian 09,Frisch,M.J.et al. Gaussian,Inc.,WallingfordCT,2009.

[2]Forean,J.B.；Frisch,A Exploring Chemistry with ElectronicMethods,2nd edn,Gaussian,Inc,Pittsburg PA,1996.

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