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量子化學(xué)應(yīng)用范文第1篇

摘要：本文針對(duì)大學(xué)化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，從四個(gè)方面探討了量子化學(xué)計(jì)算軟件在大學(xué)化學(xué)教學(xué)的應(yīng)用實(shí)例。運(yùn)用形象直觀的量子化學(xué)軟件，結(jié)合多媒體教學(xué)手段，將枯燥、深?yuàn)W、抽象的化學(xué)知識(shí)和概念以一種形象、生動(dòng)、直觀、立體的形式呈現(xiàn)出來(lái)，幫助學(xué)生建立形象思維，使學(xué)生進(jìn)入一種喜聞樂(lè)見(jiàn)、生動(dòng)活潑的學(xué)習(xí)氛圍，從而開(kāi)拓學(xué)生思路，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。結(jié)果表明，該方法對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣具有顯著的促進(jìn)作用，取得了良好的教學(xué)效果，同時(shí)也豐富了大學(xué)化學(xué)課程的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：量子化學(xué)；密度泛函理論；計(jì)算化學(xué)；Gaussian 09

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）50-0176-04

傳統(tǒng)的化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，它的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了幾千年的時(shí)間。發(fā)展至今，化學(xué)科學(xué)已經(jīng)成為了包含有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)、分析化學(xué)、實(shí)驗(yàn)化學(xué)、理論化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、精細(xì)化學(xué)、材料化學(xué)等眾多子學(xué)科的中心學(xué)科。在大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)理論的教學(xué)中，涉及很多抽象的化學(xué)知識(shí)和概念，比如原子、分子及晶體結(jié)構(gòu)等，無(wú)法通過(guò)肉眼進(jìn)行直接觀測(cè)，而且微觀結(jié)構(gòu)難以用宏觀模型進(jìn)行科學(xué)的描述。傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難滿足學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的需求，這就需要引入新型的先進(jìn)教學(xué)方法和手段。上個(gè)世紀(jì)20年代開(kāi)始形成了一門新的化學(xué)子學(xué)科――量子化學(xué)。量子化學(xué)是用量子力學(xué)原理研究原子、分子和晶體的電子層結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵理論、分子間作用力、化學(xué)反應(yīng)理論、各種光譜、波譜和電子能譜的理論，以及無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物、生物大分子和各種功能材料的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的科學(xué)[1]。理論與計(jì)算化學(xué)能滲透到化學(xué)領(lǐng)域的很多方面，與其他學(xué)科交叉，并形成了很多分支學(xué)科，例如：物理化學(xué)方面，我們可以通過(guò)量子化學(xué)方法計(jì)算分子的熱力學(xué)性質(zhì)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、光譜性質(zhì)、固體的化學(xué)成鍵性質(zhì)等，從而形成了量子電化學(xué)、量子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等子學(xué)科；在有機(jī)化學(xué)方面，可以通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算預(yù)測(cè)異構(gòu)體的相對(duì)穩(wěn)定性、反應(yīng)中間體性質(zhì)、反應(yīng)機(jī)理與譜學(xué)性質(zhì)（NMR，ESR…）等，因而衍生了量子有機(jī)化學(xué)；在分析化學(xué)方面，可以借助于計(jì)算化學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)光譜的解析等；無(wú)機(jī)化學(xué)方面，可以進(jìn)行過(guò)渡金屬化合物的成鍵性質(zhì)的解析等，并形成了量子無(wú)機(jī)化學(xué)；在生物化學(xué)領(lǐng)域中，也可以通過(guò)理論計(jì)算研究生物分子活性中心結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)環(huán)境效應(yīng)、酶與底物相互作用等，并逐漸產(chǎn)生了量子生物化學(xué)。隨著計(jì)算量子化學(xué)方法與計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，本世紀(jì)有望在復(fù)雜體系的精確量子化學(xué)計(jì)算研究方面取得較大進(jìn)展，從而更好地從微觀角度去理解和預(yù)測(cè)宏觀化學(xué)現(xiàn)象。本文通過(guò)四個(gè)教學(xué)實(shí)例，運(yùn)用形象直觀的量子化學(xué)軟件，結(jié)合多媒體教學(xué)手段，將枯燥、深?yuàn)W、抽象的化學(xué)知識(shí)和概念以一種形象、生動(dòng)、直觀、立體的形式呈現(xiàn)出來(lái)，幫助學(xué)生建立形象思維，使學(xué)生進(jìn)入一種喜聞樂(lè)見(jiàn)、生動(dòng)活潑的學(xué)習(xí)氛圍，從而開(kāi)拓學(xué)生思路，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。結(jié)果表明，該方法對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣具有顯著的促進(jìn)作用，取得了良好的教學(xué)效果，同時(shí)也豐富了大學(xué)化學(xué)課程的教學(xué)方法。

一、常用量子化學(xué)軟件Gaussian/GaussView簡(jiǎn)介

Gaussian軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系統(tǒng)中運(yùn)行，是在半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算中使用最為廣泛的計(jì)算化學(xué)軟件之一。該軟件可以計(jì)算分子的能量和結(jié)構(gòu)、鍵和反應(yīng)能量、分子軌道、原子電荷和電勢(shì)、振動(dòng)頻率、紅外和拉曼光譜、核磁性質(zhì)、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)路徑等。該軟件的量子化學(xué)計(jì)算可以對(duì)體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行，可以預(yù)測(cè)周期體系的能量，結(jié)構(gòu)和分子道。因此，Gaussian可以作為功能強(qiáng)大的工具，用于研究許多化學(xué)領(lǐng)域的課題，例如取代基的影響、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、勢(shì)能曲面和激發(fā)能等等，因此我們可以從微觀角度去理解和預(yù)測(cè)很多宏觀的化學(xué)性質(zhì)及現(xiàn)象。Gaussian計(jì)算軟件經(jīng)常與相應(yīng)的可視化軟件GaussView連用。目前Gaussian軟件的最新版本是Gaussian 09[2]。

二、量子化學(xué)理論及軟件在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

1.分子穩(wěn)定性預(yù)測(cè)。1，3-丁二烯分子中的碳-碳單鍵能夠自由旋轉(zhuǎn)，因而理論上可以形成順式和反式異構(gòu)體。那么兩種異構(gòu)體的熱力學(xué)穩(wěn)定性如何？我們可以通過(guò)理論計(jì)算給出合理的預(yù)測(cè)。運(yùn)用密度泛函理論（density functional theory，DFT），在B3LYP/6-31G*水平，我們分別優(yōu)化了順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的幾何結(jié)構(gòu)，并做了頻率分析。頻率計(jì)算無(wú)虛頻，說(shuō)明所得到的順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯均為最小點(diǎn)。圖1給出了B3LYP/6-31G*優(yōu)化得到的順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的幾何結(jié)構(gòu)和相對(duì)應(yīng)的分子的能量。理論計(jì)算結(jié)果表明，相對(duì)于順式1，3丁二烯的能量，反式1，3-丁二烯的能量大約低3.55 kcal/mol，所以反式1，3丁二烯的熱力學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)，這就解釋了為什么實(shí)驗(yàn)上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)順式-1，3丁二烯構(gòu)象的存在。

2.分子的紅外吸收光譜和振動(dòng)模式。將一束不同波長(zhǎng)的紅外射線照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長(zhǎng)的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的獨(dú)有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對(duì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。紅外光譜法的工作原理是由于振動(dòng)能級(jí)不同，化學(xué)鍵具有不同的頻率。因此，通過(guò)理論上的頻率計(jì)算，就可以相應(yīng)地得到分子的紅外吸收光譜，并可以與實(shí)驗(yàn)得到的紅外光譜進(jìn)行比較。以最常見(jiàn)的H2O為例，基于水分子穩(wěn)定點(diǎn)，通過(guò)DFT理論，在B3LYP/6-31G*水平計(jì)算了H2O分子的頻率，并得到了相應(yīng)的紅外光譜圖。如圖2所示，在計(jì)算的水分子的紅外光譜圖中，一共有三個(gè)吸收峰，理論值與實(shí)驗(yàn)值（括號(hào)內(nèi)的數(shù)值）是一致的。并且按照波數(shù)從小到大，分別對(duì)應(yīng)H2O分子中O-H鍵的三種振動(dòng)模式，分別是剪式振動(dòng)，對(duì)稱性伸縮振動(dòng)，非對(duì)稱的伸縮振動(dòng)模式。通過(guò)理論計(jì)算和圖形界面的動(dòng)畫演示，有利于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)紅外光譜的理解。

3.苯的前線分子軌道。分子軌道理論是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容之一。分子軌道理論是指當(dāng)原子組合成分子時(shí)，原來(lái)專屬于某個(gè)原子的電子將在整個(gè)分子范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，其軌道也不再是原來(lái)的原子軌道，而成為整個(gè)分子所共有的分子軌道。關(guān)于分子軌道的概念非常抽象，單純從理論和數(shù)學(xué)的角度學(xué)生難以理解[3，4]。如果能夠結(jié)合量子化學(xué)軟件將分子軌道圖形化，有助于學(xué)生深入理解該理論。以苯分子的分子軌道計(jì)算為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明量子化學(xué)在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。苯分子中有6個(gè)碳原子，6個(gè)π電子。這6個(gè)π電子雜化成6個(gè)π型分子軌道，其中三個(gè)成鍵軌道三個(gè)反鍵軌道。圖3是通過(guò)Gaussian 09軟件，在B3LYP/6-31G*水平計(jì)算得到苯分子的所有π型軌道，并通過(guò)GaussView可視化軟件，將這6個(gè)π軌道顯示出來(lái)。從圖3中可以看出，這6個(gè)π型分子軌道的節(jié)面數(shù)分別是0，1，2或3。這6個(gè)π型軌道共有四個(gè)能級(jí)，節(jié)面為1和2的分子軌道，分別有兩個(gè)簡(jiǎn)并能級(jí)。

4.溶劑化顯色效應(yīng)的模擬及其機(jī)理解釋。溶劑分子能引起溶質(zhì)吸收帶的位置，強(qiáng)度，甚至譜線形狀的變化[5]。這種現(xiàn)象稱為溶劑化顯色現(xiàn)象。在從微觀結(jié)構(gòu)研究溶劑對(duì)噻吩類化合物結(jié)構(gòu)及性能影響方面，理論計(jì)算起著越來(lái)越重要的作用。圖4（a）展示了含時(shí)密度泛函（TD-DFT）方法計(jì)算得到的齊聚噻吩的吸收光譜圖，譜線按Lorentzian線形展開(kāi)，從氣相到強(qiáng)極性的水溶液，聚噻吩的吸收光譜發(fā)生了紅移現(xiàn)象，與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。根據(jù)Frank-Condon原理，垂直激發(fā)通常伴隨著電荷的重新分布，因此激發(fā)過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致溶質(zhì)偶極矩和能量發(fā)生變化?；诖?，我們采用完全活性空間自洽場(chǎng)方法（complete active space self-consistent field）CASSCF（12，10）/6-31G*方法分別計(jì)算了二噻吩氣相與溶液中基態(tài)和第一單重激發(fā)態(tài)的能量。如圖4（b）所示，隨著溶劑極性的增加，基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量均隨著溶劑極性增加而降低，但是激發(fā)態(tài)的能量降低的比基態(tài)的能量降低的要多一些，從而從本質(zhì)上解釋了噻吩吸收光譜發(fā)生紅移的原因[6]。

運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算軟件Gaussian 09和可視化軟件GaussView，結(jié)合多媒體技術(shù)，將大學(xué)化學(xué)教學(xué)中抽象難懂的化學(xué)知識(shí)以一種形象、直觀、易于理解的形式呈現(xiàn)出來(lái)，有利于學(xué)生更加深入形象地理解化學(xué)知識(shí)，還能提高學(xué)習(xí)效率，對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣具有顯著的促M(fèi)作用，取得了良好的教學(xué)效果，同時(shí)也豐富了大學(xué)化學(xué)課程教學(xué)的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]Lewars，E. Computational Chemistry-Introduction to the Theory and Applications of Molecular and Quantum Mechanics，Kluwer Acadamic Publishers：New York，Boston，Dordrecht，London，Moscow，2004：1-5.

[2]Frisch，M. J. et al.，Gaussian 09，Revision A. 02，Gaussian，Inc.，Wallingford，CT，2009.

[3]李延偉，姚金環(huán)，楊建文，申玉芬，鄒正光.量子化學(xué)計(jì)算軟件在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2012，（5）.

[4]劉楊先.量子化學(xué)Gaussian軟件在“燃燒學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].課程教材改革，2012，（19）：41-42.

量子化學(xué)應(yīng)用范文第2篇

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)化學(xué)；教學(xué)改革；互動(dòng)教學(xué)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是我國(guó)高等學(xué)?；瘜W(xué)專業(yè)的必修課程，內(nèi)容涉及量子化學(xué)，分子對(duì)稱性，配位化學(xué)和晶體學(xué)基礎(chǔ)等部分。該課程內(nèi)容抽象，知識(shí)系統(tǒng)龐雜，數(shù)理推導(dǎo)較多，學(xué)習(xí)曲線陡峭，不少學(xué)生因此存在著畏難情緒。然而正如詩(shī)詞所言，無(wú)限風(fēng)光在險(xiǎn)峰，學(xué)好這門課程不僅有助于理解其它化學(xué)課程的內(nèi)容，也是為進(jìn)一步在本專業(yè)深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。[1]在當(dāng)前深化本科教育教學(xué)改革的背景下，如何將結(jié)構(gòu)化學(xué)課程上好，真正做到讓老師強(qiáng)起來(lái)，學(xué)生忙起來(lái)，效果實(shí)起來(lái)，筆者在此對(duì)授課以來(lái)的問(wèn)題和解決方法進(jìn)行總結(jié)。

1重視數(shù)理，夯實(shí)基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的一大難點(diǎn)在于數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，譬如量子化學(xué)部分完全使用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述核心知識(shí)，而對(duì)于化學(xué)專業(yè)的同學(xué)，數(shù)學(xué)一直是軟肋，于是極容易產(chǎn)生厭學(xué)和畏難情緒。[2-4]針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，很多老師采取的解決方法是淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，重點(diǎn)介紹推導(dǎo)后的結(jié)論和意義，但我們?cè)谑谡n過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)這樣的授課方式效果欠佳，因?yàn)榛A(chǔ)不牢，課程的學(xué)習(xí)只能是空中樓閣、風(fēng)中沙塔，很多同學(xué)在課程結(jié)束后還是無(wú)法對(duì)物理圖像有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)和把握。紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行，筆者認(rèn)為與其淡化數(shù)學(xué)，不如嚴(yán)格要求，把數(shù)學(xué)學(xué)到位。偉大的思想家恩格斯說(shuō)過(guò)：“任何一門科學(xué)的真正完善在于數(shù)學(xué)工具的廣泛應(yīng)用。”正是因?yàn)閿?shù)學(xué)和物理的引入，才讓化學(xué)擺脫了煉金術(shù)的桎梏而成為一門科學(xué)。因此我們?cè)谑谡n時(shí)自始至終強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的重要性，在涉及數(shù)學(xué)內(nèi)容較多的章節(jié)，提前講授將要用到的數(shù)學(xué)工具并布置作業(yè)，每章節(jié)結(jié)束后將重要的公式和結(jié)論進(jìn)行串講并配合習(xí)題進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，要求所以學(xué)生每學(xué)完一個(gè)章節(jié)就做思維導(dǎo)圖及時(shí)總結(jié)復(fù)習(xí)，將重要公式進(jìn)行總結(jié)歸納制作公式索引表格。盡管提升了學(xué)習(xí)的難度，但學(xué)生對(duì)于推導(dǎo)的結(jié)果和物理意義理解的更加準(zhǔn)確和深入，記憶也更加牢固，鍛煉了學(xué)生的邏輯思維和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

2理清主線，合理增負(fù)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程內(nèi)容主要涉及量子化學(xué)基礎(chǔ)，分子對(duì)稱性，配位化學(xué)以及晶體學(xué)基礎(chǔ)。盡管這四個(gè)部分知識(shí)彼此之間較為獨(dú)立，但所表達(dá)的核心思想是一致的，即結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)也反映著結(jié)構(gòu)。目前授課內(nèi)容主要存在問(wèn)題是：量子化學(xué)部分各章節(jié)之間主線不夠明確；配位化學(xué)部分和專業(yè)無(wú)機(jī)化學(xué)課程內(nèi)容有重疊；晶體學(xué)基礎(chǔ)部分，結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)容介紹較多而相關(guān)的性質(zhì)介紹較少。針對(duì)這些問(wèn)題，我們對(duì)課程的授課內(nèi)容進(jìn)行了合理的補(bǔ)充和刪減。首先，對(duì)于量子化學(xué)部分，我們?cè)谑谡n一開(kāi)始給出課程的故事主線，即量子力學(xué)的誕生背景，量子力學(xué)基本假設(shè)，簡(jiǎn)單模型的量子力學(xué)處理方法，氫原子薛定諤方程的求解過(guò)程及解的物理意義，以及針對(duì)于多電子原子和多原子分子的近似方法。這條主線清晰明確，在每一章節(jié)開(kāi)始時(shí)，我們對(duì)之前的內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要回顧，幫助學(xué)生理清了各章節(jié)的邏輯關(guān)系，在學(xué)期末復(fù)習(xí)課時(shí)對(duì)每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行展開(kāi)復(fù)習(xí)，進(jìn)行鞏固。配位化學(xué)部分，對(duì)于和無(wú)機(jī)化學(xué)有重疊的部分，我們通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂的方式簡(jiǎn)要復(fù)習(xí)，同時(shí)突出結(jié)構(gòu)化學(xué)的重點(diǎn)，即分子軌道理論在配位化學(xué)的應(yīng)用，著重介紹了配體群軌道這個(gè)新概念，以及不同配位幾何構(gòu)型下配體群軌道和中心原子如何依據(jù)對(duì)稱性進(jìn)行線性組合的方式，同時(shí)介紹了金屬配合物作為均相催化劑催化反應(yīng)的常見(jiàn)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，我們還將科研中的一些問(wèn)題引入課堂討論，如金屬氮賓體和金屬氧化物的電子結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生通過(guò)知識(shí)解決實(shí)際科研問(wèn)題，真正做到科研反哺教學(xué)。晶體學(xué)部分除了介紹基本知識(shí)以外，補(bǔ)充介紹了能帶理論，態(tài)密度等概念，并介紹了導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體在電子結(jié)構(gòu)上的差異，這些基礎(chǔ)知識(shí)有利于化學(xué)專業(yè)的同學(xué)在材料化學(xué)方向進(jìn)行科研工作打下基礎(chǔ)。盡管課程在深度和廣度上都有所增加，但不少同學(xué)都表示感受到了挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)所帶來(lái)獲得感和高階樂(lè)趣。

3反客為主，多元考核

傳統(tǒng)理論課授課方式，采用幻燈片講述授課，學(xué)生被動(dòng)填鴨式學(xué)習(xí)，效果較差，也不利于學(xué)生培養(yǎng)綜合能力。針對(duì)這些問(wèn)題，我們開(kāi)始嘗試翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法來(lái)提高學(xué)生參與性，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，表達(dá)能力，獨(dú)立思考，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，這些都是未來(lái)創(chuàng)新型人才所具有的重要特質(zhì)。翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)容主要涉及三個(gè)方面，一個(gè)是結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中難度較低的幾個(gè)章節(jié)，如雙原子分子電子結(jié)構(gòu)，分子對(duì)稱性，配位化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)等章節(jié)，各章節(jié)的總結(jié)復(fù)習(xí)以及研究性課題，教師提供慕課資源，書籍資料和分子建模軟件，讓所有學(xué)生統(tǒng)一準(zhǔn)備，課堂上抽簽進(jìn)行講解，在授課過(guò)程中，要求其他小組必須提問(wèn)，教師在課程結(jié)束時(shí)對(duì)各小組所準(zhǔn)備的課件進(jìn)行補(bǔ)充點(diǎn)評(píng)，我們也將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)納入了考核評(píng)價(jià)，提高了課程總結(jié)筆記，課堂提問(wèn)，翻轉(zhuǎn)課堂課件等分?jǐn)?shù)項(xiàng)的比例。翻轉(zhuǎn)課堂授課方式有效的活躍了課堂氣氛，提高了課堂參與度，也增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和思辨精神。

量子化學(xué)應(yīng)用范文第3篇

化學(xué)鍵是理解有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)，有機(jī)化學(xué)中最常見(jiàn)的是σ鍵和π鍵，借助于GAMESS－US的計(jì)算結(jié)果可清楚地從三維空間立體顯示σ鍵和π鍵的形成過(guò)程。圖1是乙烷中的兩個(gè)碳原子在最小基基組下相距不同距離時(shí)所對(duì)應(yīng)的分子軌道的圖像，從圖中可明顯看出當(dāng)碳原子相距為3倍平衡鍵長(zhǎng)(3Re)時(shí)，兩個(gè)碳原子上的sp3雜化軌道不能有效重疊成鍵;當(dāng)碳原子間距離靠近為2Re時(shí)，兩個(gè)碳原子的sp3雜化軌道能夠部分重疊形成弱的σ鍵;當(dāng)碳原子間距離靠近到Re時(shí)，兩個(gè)sp3雜化軌道可最大重疊形成穩(wěn)定的沿鍵軸呈圓柱形對(duì)稱的σ鍵。圖2則顯示了乙烯中兩個(gè)碳原子上的2pz軌道從相距3Re逐漸靠近到Re按“肩并肩”方式形成成鍵π和反鍵π*軌道的過(guò)程。從圖2可明顯看出，π軌道在乙烯平面上的電子云密度為零，而通過(guò)兩個(gè)位相相反的2pz軌道組合形成的反鍵π*軌道，原子間電子云密度明顯降低。

2構(gòu)象的演示

構(gòu)象是有機(jī)化學(xué)中的一個(gè)基本概念，一般是在講述烷烴的時(shí)候引入。這里以正丁烷中C2－C3單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)為例來(lái)說(shuō)明如何通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算直觀解釋構(gòu)象以及構(gòu)象間的相互轉(zhuǎn)換這些概念。圖3是正丁烷在6－31G(d)基組下繞中心C2－C3旋轉(zhuǎn)不同角度并限制性優(yōu)化得到的不同構(gòu)象的能量曲線。圖中同時(shí)給出了各典型構(gòu)象的相對(duì)能量及其立體分子結(jié)構(gòu)。從圖中所標(biāo)示的分子結(jié)構(gòu)的球棍模型可以明顯看出，在二面角為180°(反交叉式)時(shí)，丁烷的兩個(gè)甲基相聚最遠(yuǎn)，整個(gè)分子能量最低;而在二面角為60°(順交叉式)時(shí)兩個(gè)甲基的相互排斥使能量升高大約4．2kJ/mol，兩者都處于勢(shì)能曲線上的極小值點(diǎn)，都是較穩(wěn)定的構(gòu)象。從反交叉式轉(zhuǎn)換到順交叉式需要越過(guò)15．3kJ/mol的勢(shì)壘。而另外的全重疊式和部分重疊式構(gòu)象由于甲基相距太近，排斥能較大使得它們處于能量曲線上的極大值點(diǎn)，因此是不穩(wěn)定構(gòu)象。我們還可以利用頻率計(jì)算得到的各構(gòu)象相對(duì)自由能根據(jù)玻爾茲曼公式近似計(jì)算室溫下各構(gòu)象所占的比例。

3反應(yīng)機(jī)理的演示

有機(jī)反應(yīng)機(jī)理是有機(jī)化學(xué)的重要組成部分，也可以說(shuō)是理解和掌握基本有機(jī)反應(yīng)的基礎(chǔ)。但是有機(jī)反應(yīng)機(jī)理普遍較為抽象，對(duì)于剛接觸到有機(jī)反應(yīng)的學(xué)生而言顯得難以掌握。若能夠以動(dòng)畫的形式來(lái)直觀化整個(gè)反應(yīng)過(guò)程，顯然有助于學(xué)生對(duì)反應(yīng)機(jī)理的理解。這里我們以有機(jī)化學(xué)里常見(jiàn)的雙分子親核取代(SN2)反應(yīng)和(氫遷移反應(yīng)來(lái)說(shuō)明如何通過(guò)計(jì)算化學(xué)來(lái)動(dòng)畫圖示整個(gè)反應(yīng)歷程。3．1SN2反應(yīng)圖4顯示的是6－31+G(d)基組下由內(nèi)稟內(nèi)坐標(biāo)(IRC)方法計(jì)算得到的SN2反應(yīng)F－+CH3ClCH3F+Cl－整個(gè)反應(yīng)歷程［6］。從IRC計(jì)算得到的反應(yīng)路徑可以很直觀地闡明整個(gè)反應(yīng)過(guò)程:F－從C－Cl鍵背面進(jìn)攻C原子，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)－和中心C原子的距離逐漸接近;與此同時(shí)，原來(lái)的C－Cl鍵的鍵長(zhǎng)逐漸拉長(zhǎng);在反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)，C原子近似采用sp2雜化，和三個(gè)氫原子形成一個(gè)近似平面的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)－和Cl－分別位于這個(gè)平面的兩側(cè)，F(xiàn)和C以及C和Cl均是靠弱的σ鍵聯(lián)系在一起，隨后F－進(jìn)一步靠近和C形成F－C鍵，Cl－離去最后形成自由的Cl－。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程可以制作成一個(gè)動(dòng)畫進(jìn)行直觀演示，活化能的數(shù)據(jù)也可直接從反應(yīng)混合物和過(guò)渡態(tài)的相對(duì)能量差得到。3．2σ遷移反應(yīng)σ遷移反應(yīng)屬于周環(huán)反應(yīng)的一種，和有機(jī)化學(xué)中大多數(shù)離子型或者自由基反應(yīng)機(jī)理不同，σ遷移反應(yīng)一般是通過(guò)環(huán)狀過(guò)渡態(tài)協(xié)同完成。這里我們以1，3－戊二烯的［1，5］σ氫遷移反應(yīng)為例，說(shuō)明通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果所展示的整個(gè)協(xié)同反應(yīng)歷程(圖5)。從IRC計(jì)算得到的結(jié)果可以直觀重現(xiàn)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程:甲基上的氫逐漸向端基的烯基碳原子靠近，形成一個(gè)六元環(huán)過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)，隨后舊的碳?xì)滏I逐漸斷裂、新碳?xì)滏I生成，最后形成產(chǎn)物。

4紅外光譜的指認(rèn)

量子化學(xué)應(yīng)用范文第4篇

在重點(diǎn)院校中，學(xué)生素質(zhì)相對(duì)較高，數(shù)學(xué)、物理學(xué)習(xí)能力普遍較強(qiáng)，對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的作用與地位認(rèn)識(shí)也相對(duì)較好，可能較少存在結(jié)構(gòu)化學(xué)“無(wú)用”的觀念;而在地方高校的化學(xué)專業(yè)學(xué)生中，有相當(dāng)一部分學(xué)生存在認(rèn)識(shí)誤區(qū)，特別是有一些不考結(jié)構(gòu)化學(xué)的考研學(xué)生和畢業(yè)后將從事中學(xué)教學(xué)的學(xué)生具有“結(jié)構(gòu)化學(xué)無(wú)用”的思想。作為教師，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到這一問(wèn)題的嚴(yán)重性。通過(guò)這幾年的實(shí)踐證明提高學(xué)生認(rèn)識(shí)，堅(jiān)定學(xué)習(xí)信心，對(duì)消除學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)“無(wú)用”的觀念以及畏難的心理是很必要和有效的。因此，在開(kāi)課之前必須詳細(xì)介紹該課程在整個(gè)化學(xué)中所處的地位和作用，闡明學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要意義。

注重對(duì)量子化學(xué)發(fā)展史和研究結(jié)構(gòu)

化學(xué)的科學(xué)方法的介紹任何一門學(xué)科都有其發(fā)生和發(fā)展的過(guò)程，學(xué)習(xí)知識(shí)時(shí)若不從歷史中尋找借鑒，就易把知識(shí)當(dāng)成是“終極真理”而死記硬背，不求甚解。因此，在傳授知識(shí)的同時(shí)，應(yīng)該介紹量子化學(xué)發(fā)展史，學(xué)習(xí)科學(xué)家勇于探索的精神，由師生共同創(chuàng)造一種嶄新的價(jià)值理念。例如普朗克(M．Planck)的“離經(jīng)叛道”的假設(shè);德布羅意(deBroglie)波的提出是類比法的成功典范，戴維遜(C．Davisson)-革末(L．H．Germer)的因禍得福;狄拉克(Dirac)、薛定諤(E．Schrdinger)的異曲同工———薛定諤用數(shù)學(xué)形式開(kāi)辟出量子力學(xué)的新體系;另外，還有一個(gè)德國(guó)物理學(xué)家海森堡提出一個(gè)矩陣力學(xué)體系，薛定諤用的是微積分形式，海森堡用的是代數(shù)形式;湯姆遜(Thomson)父子的珠聯(lián)壁合———父親發(fā)現(xiàn)了電子，兒子又證實(shí)了電子是波，父子二人在物理學(xué)方面進(jìn)行接力研究，在科學(xué)史上傳為美談。還有徐光憲的巧妙規(guī)則，唐敖慶的獨(dú)辟蹊徑等［2］?？茖W(xué)的先驅(qū)是勇敢的探索者，他們常常在黑暗中摸索前進(jìn)，他們的精神值得我們敬佩。學(xué)生聽(tīng)到和看到這些史實(shí)，無(wú)不浮想聯(lián)翩，對(duì)優(yōu)化思維結(jié)構(gòu)，激發(fā)科學(xué)壯志都有潛移默化的作用。在傳授理論知識(shí)的同時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)抽象思維和用數(shù)學(xué)工具處理問(wèn)題，并運(yùn)用類比、模擬的科學(xué)方法［3］，寓科學(xué)方法于教學(xué)內(nèi)容中。類比方法是提出和建立科學(xué)假說(shuō)的重要方法。例如德布羅意假設(shè)是在光的波粒二象性思想啟發(fā)下，提出電子等實(shí)物微粒也具有波動(dòng)性，他當(dāng)時(shí)推導(dǎo)固然復(fù)雜些，從科學(xué)方法論的角度講，由光的波粒二象性到實(shí)物微粒的波粒二象性是一種類比推理。類比是利用兩個(gè)或兩類對(duì)象之間在某些方面的相似或相同，推出它們?cè)谄渌矫嬉部赡芟嗨苹蛳嗤乃季S方法，是一種由特殊到特殊、由此及彼的過(guò)程。類比可以提供重要線索，啟迪思想，是發(fā)展科學(xué)知識(shí)的一種有效的試探方法。還有薛定諤受物質(zhì)波假說(shuō)的啟發(fā)，引出了電子運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)方程，他走的也是依賴類比的“近路”。許多化學(xué)問(wèn)題的解決有賴于類比方法的使用，而類比方法的使用有可能形成簡(jiǎn)捷的思維路徑。使學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的同時(shí)，得到方法論的啟迪。在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生追蹤量子化學(xué)發(fā)展的足跡，不失時(shí)機(jī)地揭示其中的科學(xué)方法，更清楚地了解各種知識(shí)理論的相對(duì)合理性及有待完善的地方。這樣使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不僅可以獲得化學(xué)知識(shí)，而且能學(xué)習(xí)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神。

通過(guò)改進(jìn)課程教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

使用多種教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生的理論思維能力與創(chuàng)新能力，是結(jié)構(gòu)化學(xué)課教學(xué)的重要目的。課堂教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的主要和基本的學(xué)習(xí)形式。課堂教學(xué)質(zhì)量的高低與課堂教學(xué)方法的運(yùn)用有很大關(guān)系。以前我們采用的是“一言堂”的教學(xué)方式，這種教學(xué)方法壓抑了學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的積極性和主動(dòng)性，因此，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容靈活地采用不同的教學(xué)方法是提高結(jié)構(gòu)化學(xué)課教學(xué)質(zhì)量的重要手段。結(jié)構(gòu)化學(xué)雖是理論性較強(qiáng)的學(xué)科，但與其他學(xué)科一樣，來(lái)源于對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析、思考，且要通過(guò)實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)其結(jié)論正確與否，內(nèi)容博大精深，集科學(xué)性、思想性于一體，并具有前沿性。結(jié)構(gòu)化學(xué)教師必須重視對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)方法的研究，針對(duì)不同教學(xué)內(nèi)容采取不同的教學(xué)方法，更好地提高教學(xué)質(zhì)量。我們采用的教學(xué)方法主要有:啟發(fā)式教學(xué)、互動(dòng)式教學(xué)、討論式教學(xué)、對(duì)話式教學(xué)、模型教學(xué)和專題式教學(xué)，并布置小論文，開(kāi)展學(xué)生的科技活動(dòng)。如在課程討論時(shí)將學(xué)生分成幾個(gè)學(xué)習(xí)小組，針對(duì)不同主題進(jìn)行討論，并在課堂上交流。把個(gè)體作業(yè)學(xué)習(xí)與大組討論交流結(jié)合起來(lái)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。如布置“超分子結(jié)構(gòu)”為主題的小論文，許多學(xué)生通過(guò)期刊和網(wǎng)絡(luò)收集了大量與超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)有關(guān)的信息，從不同角度撰寫了心得體會(huì)和小論文，有的學(xué)生還發(fā)表了自己的設(shè)想和見(jiàn)解。課程教學(xué)討論不僅豐富了學(xué)生的知識(shí)，而且也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。利用多媒體輔助教學(xué)在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段，可以加大信息量。我們使用幻燈片和CAI課件，通過(guò)圖、文、聲、像等手段，把抽象的理論變成具體的形象，讓學(xué)生在直觀、生動(dòng)的學(xué)習(xí)中加深對(duì)理論的理解。目前，我們研制的結(jié)構(gòu)化學(xué)CAI課件已連續(xù)使用幾屆，受到學(xué)生的好評(píng)。例如講授等徑球密堆積時(shí)，無(wú)論用黑板繪圖或圓球模型展示表現(xiàn)得都不夠清楚，現(xiàn)在用多媒體課件，動(dòng)態(tài)演示等徑球一層層的排列方式，效果很明顯。必修課與選修課相結(jié)合在上好必修課的同時(shí)，開(kāi)設(shè)量子化學(xué)、波譜學(xué)、化學(xué)中的數(shù)學(xué)方法等選修課，理論與實(shí)踐相結(jié)合，以科學(xué)方法啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思想。以科研促教學(xué)從專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的結(jié)構(gòu)上看，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是基礎(chǔ)課和專業(yè)課的樞紐課程，是介于本科生學(xué)習(xí)和畢業(yè)論文之間承上啟下的課程。結(jié)構(gòu)化學(xué)課程理論性強(qiáng)，但實(shí)踐性也很重要，有些知識(shí)一直影響到學(xué)生的碩士、博士學(xué)位論文［4］。因此，科研進(jìn)教學(xué)、教學(xué)促科研的雙向互動(dòng)就顯得很重要。結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容基本是20世紀(jì)的科研成果。我們發(fā)揮科研背景優(yōu)勢(shì)，在教學(xué)中不斷將當(dāng)前的科研成果融入教學(xué)，以使課堂內(nèi)容具有豐富性、代表性、創(chuàng)造性和啟發(fā)性，能跟上時(shí)代前進(jìn)的步伐。在開(kāi)展第二課堂活動(dòng)中，通過(guò)設(shè)計(jì)專題科研實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能有更多機(jī)會(huì)加入到自身科研之中，有時(shí)間和空間從事自己有興趣的課題研究;通過(guò)使用Origin，Chemistry3D等軟件制作分子結(jié)構(gòu)及其軌道圖;利用Gaussian98以及GaussView等專業(yè)軟件開(kāi)展分子設(shè)計(jì)與量子化學(xué)計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)與理解自洽場(chǎng)運(yùn)算原理、原子軌道、分子軌道及其能量電荷分布、熱化學(xué)性質(zhì)、簡(jiǎn)諧振動(dòng)、對(duì)稱性等相關(guān)知識(shí)。在科研過(guò)程中，學(xué)生有了正確的科研方向和學(xué)習(xí)目的，能有針對(duì)性地查閱最新資料，及時(shí)了解學(xué)科前沿，從而改變了被動(dòng)學(xué)習(xí)的局面。

量子化學(xué)應(yīng)用范文第5篇

在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)中設(shè)置課程論文作為激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)和課程評(píng)價(jià)的手段。引導(dǎo)學(xué)生將課堂學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)化學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于課程論文研究中，達(dá)到學(xué)以致用效果。論文指導(dǎo)過(guò)程中，注意學(xué)生創(chuàng)新思維模式的培育，教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)放在課程論文研究的過(guò)程上，同時(shí)注意培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)道德，全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】 結(jié)構(gòu)化學(xué) 課程論文 創(chuàng)新思維

《結(jié)構(gòu)化學(xué)》是理科院?；瘜W(xué)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)理論專業(yè)課。這門課程以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)邏輯推導(dǎo)為基礎(chǔ)，建立比較抽象的理論概念，學(xué)生一般感到難學(xué)難懂。因此，學(xué)生易缺乏學(xué)習(xí)的積極性，影響到教學(xué)效果。根據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)，我們?cè)诮虒W(xué)中，設(shè)置課程論文作為激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)和評(píng)價(jià)教學(xué)效果的手段。對(duì)此， 我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中， 在掌握學(xué)生基本學(xué)習(xí)情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)本課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)特點(diǎn)，設(shè)置與教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求相適應(yīng)的，注重理論研究和解釋實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的課程論文題目，引導(dǎo)學(xué)生嘗試應(yīng)用結(jié)構(gòu)化學(xué)/量子化學(xué)的理論計(jì)算結(jié)果來(lái)解釋化學(xué)實(shí)驗(yàn)，深入了解分子結(jié)構(gòu)和理論性質(zhì)，揭示其內(nèi)在規(guī)律性。從而在應(yīng)用理論的過(guò)程中加深對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得較好的教學(xué)效果。

1 設(shè)置課程論文的重要性

與其他化學(xué)專業(yè)課程不同，《結(jié)構(gòu)化學(xué)》的內(nèi)容主要是抽象理論，缺乏合適的配套實(shí)驗(yàn)對(duì)所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行加深、拓寬和鞏固。該門課程的對(duì)象一般是大學(xué)三年級(jí)學(xué)生，具有相當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)專業(yè)知識(shí)。設(shè)置課程論文可以讓學(xué)生在搜尋研究對(duì)象或者范圍時(shí)，對(duì)以前專業(yè)知識(shí)進(jìn)行回顧和分析，思考大學(xué)一年級(jí)以來(lái)學(xué)習(xí)的知識(shí)是否存在可以采用結(jié)構(gòu)化學(xué)理論解釋的地方，引發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)、原理和現(xiàn)象進(jìn)行思考，在自由選擇題目范圍的情況下，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣。在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程論文研究時(shí)，注意講述一般科學(xué)研究的方法和步驟及科學(xué)工作者所應(yīng)當(dāng)具備的科學(xué)道德，全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程論文撰寫時(shí)，著重講授一般論文的寫作格式，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，提高學(xué)生的書面表達(dá)能力，形成一定論文寫作規(guī)范。這對(duì)于一般理工科學(xué)生尤其重要。設(shè)置的課程論文同時(shí)為四年級(jí)畢業(yè)論文研究階段所需要的邏輯思維和論文寫作打下基礎(chǔ)。

2 理論化學(xué)計(jì)算軟件的講授

讓學(xué)生進(jìn)行課程論文研究，首先必須先教導(dǎo)學(xué)生使用理論化學(xué)的計(jì)算軟件，讓計(jì)算軟件成為學(xué)生進(jìn)行課程論文研究的工具，所以教師本身需要對(duì)該類軟件非常熟悉，同時(shí)具備利用該類軟件進(jìn)行科學(xué)研究的能力和經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)教師的教學(xué)和科研能力有較高的要求。在眾多量子化學(xué)理論計(jì)算軟件中，HyperChem比較適合一般學(xué)生使用?？梢暬浖股?yuàn)W的理論計(jì)算結(jié)果形象化、直觀化進(jìn)行表達(dá)，讓學(xué)生好學(xué)易懂，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，適合用來(lái)作為課程論文研究的計(jì)算軟件。在實(shí)際教學(xué)中，我們只需要1學(xué)時(shí)就能教會(huì)學(xué)生有關(guān)HyperChem的基本操作和應(yīng)用于簡(jiǎn)單的理論計(jì)算。譚君［1］介紹了HyperChem軟件的一些使用操作和特點(diǎn)，這里不再重復(fù)敘述。

3 科學(xué)研究思維和步驟的指導(dǎo)

授之以魚不若授之以漁，所以我們?cè)谡n堂上，教導(dǎo)學(xué)生一般的科學(xué)研究思維和步驟。課堂上以苯環(huán)上親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律作為計(jì)算例子，采用Hyperchem軟件計(jì)算各原子電荷并解釋定位規(guī)律的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。眾所周知，苯環(huán)上的取代基分為鄰對(duì)位定位基和間位定位基兩類。這里選擇了氨基和甲醛基分別作為鄰對(duì)位定位基和間位定位基兩類代表，通過(guò)計(jì)算其量子化學(xué)指數(shù)，討論其計(jì)算結(jié)果，從理論上解釋定位效應(yīng)。

首先分析影響親電反應(yīng)的因素。一般認(rèn)為碳原子的電子云密度是主要因素，所以我們可以通過(guò)計(jì)算苯環(huán)上的碳原子電荷來(lái)解析親電反應(yīng)規(guī)律。

在Hyperchem構(gòu)造并以PM3分別計(jì)算氨基苯和苯甲醛，按display中的labels，選定charge項(xiàng)，在分子中顯示各碳原子的電荷分布。

電荷分布顯示氨基苯上鄰位和對(duì)位的C原子帶負(fù)電荷，分別為-0.191和-0.169，均大于間位C原子電荷（-0.05），所以對(duì)于氨基苯來(lái)說(shuō)，親電基團(tuán)會(huì)首先進(jìn)攻鄰位和對(duì)位。而在苯甲醛的情況恰好相反，間位C原子電荷為最負(fù)，為-0.119。親電基團(tuán)會(huì)首先進(jìn)攻間位。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果和討論，應(yīng)用原子電荷的規(guī)律變化很好地解釋了親電取代定位規(guī)則。

轉(zhuǎn)貼于 　　4 擬定結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算題目

自由選擇題目范圍，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣，教學(xué)中，我們?cè)O(shè)定以下方向（題目）：

① 藥物分子的結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系

通過(guò)對(duì)分子的結(jié)構(gòu)計(jì)算，討論結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系，尋找分子活性中心和主要影響活性的因素。

② 化學(xué)反應(yīng)原理與規(guī)律解釋

以理論方法計(jì)算和解釋常見(jiàn)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物與規(guī)律，如丁二烯的加成反應(yīng)。

③ 分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

計(jì)算出分子的量化指數(shù)，尋找量化指數(shù)與分子性質(zhì)的關(guān)系，如HOMO、LUMO與顏色的關(guān)系。

④ 光譜的移動(dòng)

研究分子結(jié)構(gòu)與光譜移動(dòng)的關(guān)系，如分子中的鍵長(zhǎng)的變化直接影響紅外吸收峰的移動(dòng)。

⑤ 分子的結(jié)構(gòu)/構(gòu)型/構(gòu)象

以理論方法研究分子的結(jié)構(gòu)、具體構(gòu)型和構(gòu)象。

⑥ 分子間的相互作用

分子間的作用一般為氫鍵和范德華作用，與化合鍵作用相比，屬于弱作用，是生物大分子主要相互作用。

5 論文指導(dǎo)與創(chuàng)新思維模式的培育

創(chuàng)新思維的特征是求同與求異的統(tǒng)一、發(fā)散與收斂思維的統(tǒng)一、敏銳的直覺(jué)與理論思維的統(tǒng)一。課程論文布置下去以后，學(xué)生在對(duì)課題的思考會(huì)有許多新的問(wèn)題和新的想法，我們要鼓勵(lì)學(xué)生在對(duì)新的問(wèn)題進(jìn)行創(chuàng)新思維。安排課程討論，將學(xué)生的想法在課堂上討論，尊重學(xué)生的新想法，引導(dǎo)學(xué)生將課堂學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)化學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于課程論文研究中。

具有獨(dú)立思考判斷能力是學(xué)生創(chuàng)新思維模式的主要表現(xiàn)。傳統(tǒng)教師講、學(xué)生聽(tīng)的缺乏互動(dòng)的教學(xué)模式已表現(xiàn)出許多弊端，影響了學(xué)生獨(dú)立思考和動(dòng)手的素質(zhì)及其能力的形成。學(xué)生自己選題，成為培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考判斷能力跨出的第一步，也是重要的一步。獨(dú)立開(kāi)展課程論文研究，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考判斷能力。因此，教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)放在課程論文研究的過(guò)程上，而非結(jié)論。教會(huì)學(xué)生從抽象的數(shù)理推導(dǎo)中評(píng)選出適合個(gè)體所需的條件。同時(shí)，學(xué)生只有具備獨(dú)立的思考判斷能力和獲取知識(shí)的能力，才能在終身教育過(guò)程中面對(duì)日新月異的世界，不斷實(shí)現(xiàn)知識(shí)的更新［2］。

【參考文獻(xiàn)】

1 譚君. HyperChem 在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用. 重慶教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，17(6):20～22.