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摘要：無机化学教学中分子结构部分的内容抽象，难以理解，是当前无机化学教学中教学难点部分。论文以本课题组合成的三吡啶锌配合物分子为例，利用Gaussian软件弥补传统教学方式的不足，将抽象的分子结构概念形象化，微观结构宏观化，实现现代计算机软件与无机化学教学的有效结合。
关键词：Gaussian软件；无机化学；三吡啶锌配合物
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）22-0176-02
无机化学是研究化合物组成、结构、性质和变化规律的科学[1]。化学相关专业学生在学习该课程中需要对物质的构效关系有着较为清晰的理解。在无机化学课程的分子结构教学中就提到了分子轨道理论。该部分内容存在着微观、非可视化、概率学统计的特点。学生在学习的过程中感到枯燥和晦涩，缺乏对物质构效关系的深刻理解。为了将抽象理论形象化，在无机化学分子结构教学中引入Gaussian计算软件，将大大提高学生的学习效率。
Gaussian是一个量子化学软件包，它是目前应用最广泛的计算化学软件之一[2]，Gaussian 09软件是Gaussian系列电子结构程序的最新版本，其主要功能包括分子结构优化、电子排布、过渡态偶极矩及分子体积计算等。实际教学结果表明，在利用Gaussian软件使抽象的教学内容具体化以后，学生可以更加轻松地接受分子结构课程中抽象的知识。
三吡啶分子含有三个N原子的螯合配体，已被广泛地应用到过渡金属配合物的研究当中[3，4]。基于取代基的电子分布的影响，三吡啶配合物有着特殊的氧化还原作用以及光学物理性质，因此，三吡啶配合物被用在光化学上设计荧光器件或作为电光转换的传感器。d10电子构型的锌离子，不仅是生物相容性的元素，还是第二丰富的过渡金属离子和人体必需的微量元素。三吡啶由于较好的刚性平面和稳定性，以及较好的吸电子能力，作为芳香性的多杂环，与共轭体系相接时能有效地扩大电子离域范围，有可能获得双光子行为良好的有机材料；另外它与锌离子良好的螯合能力，易于应用到复合材料的制备中。总之，三吡啶锌配合物成为光电功能材料研究的重点对象之一。
本文运用Gaussian 09软件，以课题组合成的三吡啶锌配合物为研究对象，对分子进行结构优化，分析分子能量和轨道，帮助学生更好地掌握分子结构知识点。
一、构建分子结构
对于要用Gaussian软件研究的体系，首先要构建计算文件的分子结构图，然后输入Gaussian程序中计算。所构建分子的合理性直接影响计算结果的准确性，因此，获得配合物分子的单晶结构显得尤为重要。将获得的单晶.cif文件在Gaussian view软件中保存为.gif文件，保持晶体的原貌，并检查导入的分子结构。
通过Gaussian view软件可以很清楚看到配合物分子中C、H、S、F、P、Zn原子位置的相互关系（图1），学生可以更加直观地观察到微观不可见的配合物分子结构，增加对分子结构的理解效果，增强了该部分内容的可操作性。
二、三吡啶锌配合物分子的结构优化
三吡啶锌分子的结构优化在Gaussian 09软件运行，采用B3LYP/genecp方法，C、H、S、F、P原子采用6-31G（d）优化，Zn原子采用Lanl2dz机组优化。优化过程中未采用任何对称性。在对轨道分析中，H代表最高占据轨道（HOMO），L代表最低空轨道（LUMO）。
从图2可以看出，HOMO的主要成分主要集中在三吡啶及金属Zn原子部分，LUMO主要集中在共轭烯键及苯环部分，电子云分布主要来自于H-3→LUMO，H-6→L 1，H-5→L 2。
在讲解与三吡啶基团相连的取代基为供电子基时（图2 HOMO轨道），可使分子π电子云密度增加，与三吡啶基团相连的金属锌离子具有拉电子效应，优化后分子的电子云密度降低（图2 LUMO轨道）。这样就可以把在分子中引入不同的供吸电子基团对分子电子云密度的影响清晰地讲解出来，从而体现出Gaussian软件在无机化学教学中的优势。
三、结论
在无机化学分子结构部分教学中存在着理解难度大、抽象性强等特点。通过Gaussian软件的引入能够在教学过程中给学生提供更为形象的内容，一方面可以让学生通过理论计算掌握抽象的轨道能级、电子云分布等概念，另一方面也可以让学生学会运用量子化学计算软件验证试验结果，极大地激发学生学习无机化学的兴趣，提高教学效率。
参考文献：
[1]宋天佑，无机化学[M].第3版，高等教育出版社，2015：183-217.
[2]ZhengQ.HeG.S.Prasad P.N.Novel two--absorbing，1，10-phenanthroline-containing π-conjugated chromophores and their nickel（II） chelated complexes with quenched emissions[J].J.Mater.Chem.2005，15，579-587.
[3]Mishra A，Ma C-Q，Bauerle P.Functional oligothiophenes：molecular design for
multidimensional nanoarchitectures and their applications[J].Chem Rev，2009，（109）：1141-1276.
[4]Zhang Q.Tian X H，Hu Z J，Brommesson C，Wu J Y，Zhou H P，Li S L，Yang J X，Sun Z Q，Tian Y P and Uvdal K，A Series of Zn（II） Terpyridine Complexes with Enhanced Two-Photon-Excited Fluorescence for in Vitro and in Vivo Bioimaging，J.Mater.Chem.B，2015，（3）：7213-7221.
关键词：Gaussian软件；无机化学；三吡啶锌配合物
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）22-0176-02
无机化学是研究化合物组成、结构、性质和变化规律的科学[1]。化学相关专业学生在学习该课程中需要对物质的构效关系有着较为清晰的理解。在无机化学课程的分子结构教学中就提到了分子轨道理论。该部分内容存在着微观、非可视化、概率学统计的特点。学生在学习的过程中感到枯燥和晦涩，缺乏对物质构效关系的深刻理解。为了将抽象理论形象化，在无机化学分子结构教学中引入Gaussian计算软件，将大大提高学生的学习效率。
Gaussian是一个量子化学软件包，它是目前应用最广泛的计算化学软件之一[2]，Gaussian 09软件是Gaussian系列电子结构程序的最新版本，其主要功能包括分子结构优化、电子排布、过渡态偶极矩及分子体积计算等。实际教学结果表明，在利用Gaussian软件使抽象的教学内容具体化以后，学生可以更加轻松地接受分子结构课程中抽象的知识。
三吡啶分子含有三个N原子的螯合配体，已被广泛地应用到过渡金属配合物的研究当中[3，4]。基于取代基的电子分布的影响，三吡啶配合物有着特殊的氧化还原作用以及光学物理性质，因此，三吡啶配合物被用在光化学上设计荧光器件或作为电光转换的传感器。d10电子构型的锌离子，不仅是生物相容性的元素，还是第二丰富的过渡金属离子和人体必需的微量元素。三吡啶由于较好的刚性平面和稳定性，以及较好的吸电子能力，作为芳香性的多杂环，与共轭体系相接时能有效地扩大电子离域范围，有可能获得双光子行为良好的有机材料；另外它与锌离子良好的螯合能力，易于应用到复合材料的制备中。总之，三吡啶锌配合物成为光电功能材料研究的重点对象之一。
本文运用Gaussian 09软件，以课题组合成的三吡啶锌配合物为研究对象，对分子进行结构优化，分析分子能量和轨道，帮助学生更好地掌握分子结构知识点。
一、构建分子结构
对于要用Gaussian软件研究的体系，首先要构建计算文件的分子结构图，然后输入Gaussian程序中计算。所构建分子的合理性直接影响计算结果的准确性，因此，获得配合物分子的单晶结构显得尤为重要。将获得的单晶.cif文件在Gaussian view软件中保存为.gif文件，保持晶体的原貌，并检查导入的分子结构。
通过Gaussian view软件可以很清楚看到配合物分子中C、H、S、F、P、Zn原子位置的相互关系（图1），学生可以更加直观地观察到微观不可见的配合物分子结构，增加对分子结构的理解效果，增强了该部分内容的可操作性。
二、三吡啶锌配合物分子的结构优化
三吡啶锌分子的结构优化在Gaussian 09软件运行，采用B3LYP/genecp方法，C、H、S、F、P原子采用6-31G（d）优化，Zn原子采用Lanl2dz机组优化。优化过程中未采用任何对称性。在对轨道分析中，H代表最高占据轨道（HOMO），L代表最低空轨道（LUMO）。
从图2可以看出，HOMO的主要成分主要集中在三吡啶及金属Zn原子部分，LUMO主要集中在共轭烯键及苯环部分，电子云分布主要来自于H-3→LUMO，H-6→L 1，H-5→L 2。
在讲解与三吡啶基团相连的取代基为供电子基时（图2 HOMO轨道），可使分子π电子云密度增加，与三吡啶基团相连的金属锌离子具有拉电子效应，优化后分子的电子云密度降低（图2 LUMO轨道）。这样就可以把在分子中引入不同的供吸电子基团对分子电子云密度的影响清晰地讲解出来，从而体现出Gaussian软件在无机化学教学中的优势。
三、结论
在无机化学分子结构部分教学中存在着理解难度大、抽象性强等特点。通过Gaussian软件的引入能够在教学过程中给学生提供更为形象的内容，一方面可以让学生通过理论计算掌握抽象的轨道能级、电子云分布等概念，另一方面也可以让学生学会运用量子化学计算软件验证试验结果，极大地激发学生学习无机化学的兴趣，提高教学效率。
参考文献：
[1]宋天佑，无机化学[M].第3版，高等教育出版社，2015：183-217.
[2]ZhengQ.HeG.S.Prasad P.N.Novel two--absorbing，1，10-phenanthroline-containing π-conjugated chromophores and their nickel（II） chelated complexes with quenched emissions[J].J.Mater.Chem.2005，15，579-587.
[3]Mishra A，Ma C-Q，Bauerle P.Functional oligothiophenes：molecular design for
multidimensional nanoarchitectures and their applications[J].Chem Rev，2009，（109）：1141-1276.
[4]Zhang Q.Tian X H，Hu Z J，Brommesson C，Wu J Y，Zhou H P，Li S L，Yang J X，Sun Z Q，Tian Y P and Uvdal K，A Series of Zn（II） Terpyridine Complexes with Enhanced Two-Photon-Excited Fluorescence for in Vitro and in Vivo Bioimaging，J.Mater.Chem.B，2015，（3）：7213-7221.