近年來,計(jì)算模擬是比較熱門的研究領(lǐng)域,將計(jì)算模擬軟件應(yīng)用到課堂教學(xué)中也取得了一定的教學(xué)成果.本課題主要研究思路如下:首先在"有機(jī)化學(xué)"課堂上引進(jìn)新型的計(jì)算模擬軟件Material Studio（MS）,教師講解有機(jī)化學(xué)知識(shí)點(diǎn)、MS軟件的原理、使用方法及使用MS軟件解決科學(xué)問題等,然后學(xué)生采用MS軟件分組探索及教師輔助的方法解決在"有機(jī)化學(xué)"學(xué)習(xí)中遇到的疑難問題及其他科研問題.將計(jì)算模擬軟件應(yīng)用到教師的"教"及學(xué)生的"學(xué)"之中,不僅有助于學(xué)生理解復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與機(jī)理,更重要的是,學(xué)生的探索性能力也得到了有效的提升. 

【文章來源】：綿陽師范學(xué)院學(xué)報(bào). 2020,39(08)

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

局域態(tài)密度圖(a)環(huán)己烷，和(b)苯．

學(xué)生們首先對(duì)苯和苯胺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖3所示.然后他們對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的苯及苯胺進(jìn)行了Mulliken布居電荷的計(jì)算，結(jié)果如表1所示.通過表1中的布居電荷分析發(fā)現(xiàn)苯環(huán)中所有碳原子和氫原子電荷幾乎相等，說明所有的C原子都是等價(jià)的，這也和苯環(huán)形成一個(gè)離域的大π體系的結(jié)論一致[7].但是通過布局電荷發(fā)現(xiàn)在苯胺中電荷密度最大的是N原子，與N原子相連的C原子居然帶了正電荷，因此說明-NH2不僅能和苯環(huán)形成p…π共軛效應(yīng)，而且還具有吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，此時(shí)帶電量最多的N原子會(huì)作為親核試劑進(jìn)攻CH3COCl中非�；顫姷聂驶颊x子，形成乙酰苯胺(產(chǎn)物1).同時(shí)，學(xué)生對(duì)三種產(chǎn)物的總能量進(jìn)行了分析，能量越低，產(chǎn)物越穩(wěn)定.產(chǎn)物1的總能為-2204.06 Kcal/mol，產(chǎn)物2和產(chǎn)物3的總能分別為-2193.81 Kcal/mol和-2198.92 Kcal/mol，因此從能量方面分析也可以發(fā)現(xiàn)苯胺與乙酰氯發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物應(yīng)該是乙酰苯胺.

1930年德國化學(xué)家Hückel指出，成環(huán)的化合物具有平面的離域體系，且π電子數(shù)滿足4n+2規(guī)則時(shí)，則這些環(huán)狀化合物具有類似苯環(huán)的芳香性.因此，在課堂上教師給學(xué)生講解環(huán)丙烯正離子、環(huán)戊二烯負(fù)離子、環(huán)庚三烯負(fù)離子等離子具有的π電子數(shù)分別為為2、6和10個(gè)，且均滿足環(huán)狀閉合的離域體系，因此這些環(huán)狀離子具有芳香性[7].在課堂上教師還詳細(xì)講解了環(huán)丙烯和環(huán)丙烯正離子的區(qū)別，環(huán)丙烯正離子具有芳香性，環(huán)丙烯不具有芳香性.這是因?yàn)榄h(huán)丙烯中C1原子是sp3雜化，沒有空的p軌道，因此不能和C2、C3原子的兩個(gè)p軌道形成的π電子構(gòu)成離域體系(圖1).而在環(huán)丙烯正離子中C1原子是sp2雜化，有一個(gè)空的p軌道，雖然此空軌道上沒有電子，但仍然可以和C2、C3原子構(gòu)成p…π共軛的離域體系，因此環(huán)丙烯正離子具有芳香性.對(duì)于這個(gè)知識(shí)點(diǎn)學(xué)生們是可以理解的，但學(xué)生對(duì)于什么是離域體系，為什么環(huán)丙烯正離子空的p軌道和C2、C3原子的p軌道能夠形成大的離域體系存在很大的疑問.因此，在學(xué)習(xí)了MS軟件中的差分電荷密度和Mulliken電荷等相關(guān)理論知識(shí)之后，學(xué)生們采用上述兩種方法自行解釋了環(huán)丙烯正離子具有離域π電子的原因，且觀察到了形象生動(dòng)的電子云圖，對(duì)滿足4n+2電子的環(huán)狀閉合體系具有芳香性這個(gè)知識(shí)點(diǎn)有了更深的理解.分子中各原子差分電荷密度(deformation density)是原子之間電子云密度的差值，顏色越亮的區(qū)域表示電子云密度越大.紅色區(qū)域電子云密度較大，藍(lán)色區(qū)域電子云密度較小[8].學(xué)生們首先對(duì)環(huán)丙烯和環(huán)丙烯正離子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了幾何優(yōu)化，然后計(jì)算了兩個(gè)構(gòu)型的差分電荷密度，如圖1所示.通過差分電荷密度分析發(fā)現(xiàn)環(huán)丙烯中各原子電子云密度是不相同的，C1電子云密度最小，如圖1a所示.而環(huán)丙烯正離子中C1、C2、C3原子電子云分布均勻，形成一個(gè)大的離域體系，如圖1b所示.Mulliken布居電荷分布可以更明確地觀察到分子中各原子之間的電荷分布狀態(tài)[9].通過Mulliken布居電荷發(fā)現(xiàn)，環(huán)丙烯正離子所有的C原子中電荷均是0.120 e,H原子電荷均是0.213 e.而在環(huán)丙烯中C1為-0.233 e,C2和C3為-0.057 e,H4和H5為0.092 e,H6和H7為0.087 e.C2和C3,H6和H7電荷相同，說明C2和C3之間形成了一個(gè)π電子體系，C2和C3與C1電荷不同，說明它們之間未構(gòu)成離域的電子體系.這些結(jié)果也與分電荷密度結(jié)果相吻合.

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3409890