量子化学计算在大学有机化学教学中的应用和实践

量子化学计算通过对具体分子进行系统的理论分析和计算,能比较准确和形象地反映分子的稳定性、化学反应机理等基本化学问题。以1-丙基-4-氯环己烷结构稳定性判断和硼氢化钠还原4-丙基环己酮机理解析为例,探讨了量子化学计算在大学有机化学教学中的应用。量子化学计算在大学有机化学教学中的使用有助于学生了解分子结构和理解化学反应机理,丰富课堂教学的形式,增强课堂教学的生动性,激发学生的学习兴趣。     

晶面上化学吸附的量子化学计算新方法

在金属单晶表面的化学吸附和催化行为的研究,对较有说服力地建立催化剂活性中心模型和建立催化机理具有重要意义。而在金属单晶表面上的化学吸附和催化转化的量子化学计算,则是这种与“真实”催化体系平行研究的一个组成部分。表面量子化学的理论处理,大体有两种近似模型,即从固体能带理论出发的半无限晶体模型与从分子轨道理论出发的     

乙醇分子内及分子间脱水反应机理的计算化学实验研究

介绍了一个面向大三下或大四上本科生的计算化学探索性实验。通过研究乙醇分子内及分子间脱水反应机理,从分子水平理解醇脱水反应过程中酸催化剂的作用机制和反应的能量路径。通过本实验,使学生初步掌握量子化学计算通用软件高斯(Gaussian)的使用方法,掌握结构优化、频率计算、过渡态搜索等基本计算操作,并学会采用量子化学计算手段来研究化学反应的基本过程,为将来科研工作打下重要基础。     

量子化学计算辅助化学教学的探索与实践

量子化学的发展不仅为化学教学提供了形象而生动的教学案例,而且也为化学概念和现象提供了具体可视化的解释。以“科研教学互动”为核心,通过具体的量子化学前沿成果辅助教学应用实例、量子化学计算软件辅助教学等方面阐述了量子化学计算在大学化学教学中的应用前景。这种将量子化学计算与化学教学相结合的教育方式,将对化学课程的发展、化学教学的改革及学生科研创新能力的培养起到推动作用。     

前言

放射化学是研究放射性物质及其辐射效应的一门化学分支学科。现代放射化学主要包括核能放射化学、环境放射化学、放射性药物化学、放射分析化学、放射性元素化学及核化学等。 放射化学是19世纪末随着放射性和放射性核素的发现而诞生的一门学科。正由于核化学和放射化学的贡献, 发现了核裂变现象,从而开创了核科学时代的到来。近年来,核化学和放射化学的发展已经为国家安全、 社会和经济进步、 能源需求、人类健康、环境保护以及科学发展等做出了巨大贡献。例如在基础科学方面,与核物理学家合作将元素周期表扩展了近1/3,提出了锕系理论等。全世界现有能源的1/6来自核能, 全球具有一定规模的医院都设有核医。放射化学的特点表明,它不仅是一种重要的和不可取代的核方法,而且是一门极具生命力的前沿科学。放射化学的三大推动力是：国家需求, 基础研究, 学科交叉。它不仅蕴含着大量既有重要科学意义、又能满足国家重大需求的科学问题,而且与其他学科交叉,产生了许多新的学科生长点。     

分子间弱相互作用的计算——构建氢键、卤键势能面

介绍一个面向大三下学期本科生的计算化学实验。通过量子化学计算对比研究两种分子间弱相互作用——氢键和卤键的势能面,使学生对势能面的概念及两种弱相互作用的区别有一定的直观认识。通过实际上机操作,初步了解Gaussian、Gaussview及Origin等计算化学相关软件的使用,并深入理解结构化学及计算化学课程中所学的理论知识。     

分子及团簇的分子动力学模拟——介绍一个计算化学实验

分子动力学方法在化学及相关学科研究中的重要地位日趋凸显,但在本科化学实验中鲜有涉及,现有计算化学实验多侧重量子化学方法对分子性质的计算。为普及分子动力学模拟这一有力工具,同时帮助学生理解分子的动态行为,本文以丙氨酸二肽模型分子为例设计了一个简单的分子动力学模拟实验。通过本实验学生能初步掌握分子动力学模拟的基本原理、流程和分析方法,同时加深对物理化学中势能面等抽象概念的理解。本实验即可作为单独设课的计算化学实验的内容,亦可在物理化学实验中作为拓展实验开设。     

分子的酸碱性质与氢键强度之间关系的探讨*——介绍一个计算化学实验

介绍一个面向高年级本科生的计算化学实验。通过利用量子化学计算,确定嘧啶碱基的酸碱性质以及它们与水分子之间的相互作用能,构建氢键复合物分子间相互作用与分子酸碱性之间的定量关系,使学生对分子的酸碱性、分子间相互作用、分子识别之间的关系有一定的直观认识。该实验有助于学生梳理课堂学到的碎片化知识,提升学生逻辑分析及创新能力。     

量子化学模型方法在机械力化学中的应用

机械力化学作为一种无需溶剂的绿色化学技术得到广泛关注。然而,机械力化学反应机制需要从原子和分子尺度上深入理解力诱导的化学反应。在过去的20年中,量子化学模型方法在机械力化学机理研究中得到广泛应用,高精度量化计算可得到外力下变形分子的几何结构、能量、过渡态等诸多性质。本文介绍了目前机械力化学领域的主流量子化学模型的基本原理,同时也关注了这些模型方法在软件上的具体实现,并借助典型的案例阐述了量子化学模型在解释机械力化学机理中的作用与价值。     

典型超分子体系在放射化学领域的应用

本文主要通过评述两类超分子体系和离子印迹聚合物对重要金属离子的分离研究,阐明超分子化学在放射化学领域的重要应用。第一类超分子体系所含的主体分子有冠醚、杯芳烃、杯芳冠醚等大环化合物。第二类超分子体系主要有反胶束、微乳液和液膜。离子印迹聚合物通过超分子的识别功能实现对离子的选择性分离,而在液膜分离技术中,超分子的输运功能得到了很好的诠释。本文还对超分子化学在放射化学领域的应用前景作了分析展望。     

量子化学现状和展望(上)

量子化学是应用量子力学的原理和方法解决化学问题的一门科学,它包括基础研究和应用研究两个方面。在基础量子化学方面,主要是建立了三种化学键理论,也就是分子轨道理论、价键理论和配位场理论,以及创建了多种计算方法,包括从头算方法和各种半经验方法,例如HMO、EHMO、CNDO与X_α方法等。在应用量子化学方面,过去主要是稳定态分子及其有关性质的研究,近年来激发态分子,催化与表面化学,微观反应动力学,生物大分子与药物大分子的计算正在逐渐增多。量子化学的发展过程是与合成化学、结构化学的发展密切结合的,并且相互促进。本文对上述内容作一简要介绍。     

主族元素AB4型含氧酸根的成键分析——推荐一个研究型计算化学实验

介绍了一个面向高年级本科生的研究型计算化学实验。主族元素AB4型含氧酸根是无机和结构化学理论课程中讨论化学键类型的例子,然而其结果却存在争议。本实验利用常用量子化学软件,通过计算化学方法分析化学成键,验证猜测,并得出结论。旨在通过本实验,锻炼学生对量子化学计算方法的运用,进而加深对化学基础知识的理解。     

计算化学在认识吸附现象中的应用*

吸附是重要的表面物理化学现象,其在工业实践及生活中有较多的应用。随着量子化学理论的发展及计算机技术的不断突破,采用计算化学的方法研究物质结构及化学反应已经变为现实,本文着重讲述如何采用计算化学方法研究吸附现象,在分子原子层次对吸附现象的本质进行模拟研究。     

拓扑量子方法及其在含C＝O和N＝O化合物性能估算中的应用

综合量子化学与拓扑化学知识, 提出了构建Y＝O (Y表示C, N)键拓扑量子键邻接矩阵的方法. 利用该矩阵特征根和量子化学原理, 计算了表征分子轨道能量、原子电荷和键级等的拓扑量子参数. 将这些参数对含C＝O, N＝O基团的有机分子的紫外吸收能量、红外伸缩振动频率和醛酮C＝O上的亲核加成反应速率等性质进行定量结构-性质相关, 得到的模型均具有良好的估算能力.     

多金属偶合体系的量子化学计算及其应用

多核配合物内顺磁离子间磁相互作用的量子化学计算配合物化学和量子化学的一个具有挑战性的课题，本文综述了近年多金属偶合体系的量子化学计算及其应用。     

甲醛分子的结构和性质的计算化学研究——介绍一个计算化学实验

介绍一个为化学专业本科生设计的、运用通用量子化学软件Gaussian和GaussView完成的计算化学实验.实验内容包括最基本的构型优化、频率计算和电子结构分析.旨在通过本实验,使学生初步掌握用量子化学计算方法研究分子结构和性质的基本过程,并能在将来的科研工作中学以致用.     

量子化学计算在有机化合物核磁共振教学中的应用

用量子化学方法计算化合物的核磁共振数据并与实验数据进行比较已经广泛应用于复杂天然产物构型的确定。以核磁共振教学为例,介绍量子化学计算在有机化合物波谱解析教学中的具体应用。通过计算核磁共振氢谱和碳谱的化学位移值,辅助解析分子结构,帮助学生对电子的分布、原子核的化学环境等有更直观的认识,有利于学生理解核磁共振的本质,有效提高学生的学习兴趣和积极性。同时,让学生了解量子化学计算在核磁共振中的应用,了解化学研究的前沿手段,开阔学生视野,培养学生解决实际问题的能力。     

过渡金属络合催化活性顺序的量子化学研究(Ⅱ)——对氮分子的活化

化学模拟生物固氮仍然是当代化学学科的重大基础课题之一,其中心也仍然是探索过渡金属对氮分子的络合活化规律。本文试图用自己建立的以HMO为主,并揉合EHMO、CNDO的量子化学方法研究过渡金属对氮分子的活化问题。1计算方法和结果对氮分子络合活化的计算方法与乙烯分子相似。     

Gaussview在化学教学中的一些应用

Gaussian量子化学计算程序包是美国Gaussian公司开发的一个功能强大的量子化学综合软件包。可执行各类不同精度的分子轨道计算(包括Hartree-Fock水平从头算(HF)、Post-HF从头算、密度泛函理论(DFT)以及多种半经验量子化学方法),进行分子和化学反应性质的理论预测。目前已成为国     

杂苯C5H5X（X=N,P,As,Sb,Bi）芳香性的核独立化学位移（NICS）与异构体稳定化能（ISE）研究

应用量子化学方法,通过核独立化学位移(NICS)和异构体稳定化能(ISE)的计算,研究了苯及第五主族元素取代杂苯分子C5H5X(X=N,P,As,Sb,Bi)的芳香性与稳定性.局域轨道定位函数局部最大值的计算结果表明,分子中C—X成键强度与实验稳定性顺序一致.从头算与密度泛函理论对分子的化学位移计算结果各异,计算值与实验值相关分析表明,Hartree-Fock方法对所研究体系的NICS比密度泛函理论具有更好的相关性.在分子环平面上方0.8～0.9处的NICS是芳香性判据的最佳选择,由自然定域分子轨道分解NICS最大处的zz张量值,结果显示π键对分子的芳香性起主要贡献.异构体稳定化能与NICS(max)的zz张量及π键(NICS(max)zzπ)均有很好的相关性,可以表征杂苯分子C5H5X全局芳香性,其顺序为:苯>吡啶>磷杂苯>砷杂苯>锑杂苯>铋杂苯.特别地,对这类分子π轨道的研究发现不包含X原子的π轨道将产生异常大的π键芳香性,这一现象可为分子磁性设计提供理论指导.