氯乙烯表面静电势和静电势极..._推荐一个计算化学基础实验_程学礼.pdf

山东化工收稿日期:20220810基金项目:2021 年泰安市教育科学研究专项课题“双减”背景下基于教学质量提升的项目式学习模式研究(课题编号:TJK202106ZX029);泰山学院 2019 年度教师教育研究专项一般课题 中学生化学核心素养培养研究;泰山学2020 年院教学改革课题 新工科背景下以工程认证为指导的应用型课程教学改革研究与实践 以泰山学院化学工程与工艺专业为例(项目编号:ZH202022);泰山学院 2022 年度教师教育研究专项课题 基于大概念下核心素养为导向的初中化学整体教学模式 项目式学习实践研究作者简介:程学礼，教授，理学博士，研究方向:理论与计算化学。氯乙烯表面静电势和静电势极值点的展示:推荐一个计算化学基础实验程学礼，赵燕云，张建平，宋玉冰，张超(泰山学院 化学化工学院，山东 泰安271000)摘要:预测卤代烯烃的亲核和亲电反应位点是重要的有机化学基本理论。静电势及其极值点是传统实验无法观测的物理量，对揭示分子间静电相互作用、反应位点等方面具有重要意义。基于 M062X/def2TZVP 水平上优化的氯乙烯结构，用 Multiwfn 38(dev)和 VMD192绘制了分子表面静电势平面填色图并展示了静电势极值点，预测了亲核反应和亲电反应优先发生的位点，证实了与 Cl 原子相邻的H 原子附近为静电势极大值点(9665 kJ/mol)，更容易被亲核试剂进攻。本实验不依赖仪器和药品，成本低廉，操作简便且易于重复。关键词:氯乙烯;表面静电势;静电势极值点;反应位点中图分类号:O64文献标识码:A文章编号:1008021X(2023)03004804Exhibiting the Surface Electrostatic Potentials and Electrostatic Extrema ofVinyl Chloride:A Comprehensive Experiment of Computational ChemistryCheng Xueli，Zhao Yanyun，Zhang Jianping，Song Yubing，Zhang Chao(School of Chemistry and Chemical Engineering，Taishan University，Taian271000，China)Abstract:How to predict the nucleophilic and electrophilic reaction sites of halogenated olefins is an important topic in organicchemistrySurface electrostatic potentials and their electrostatic extrema are unobservable by traditional experiments，but of greatsignificance in revealing intermolecular electrostatic interactions and reaction sitesBased on the optimized molecular structures ofvinyl chloride at M062X/def2TZVP level，this innovative experiment exhibits the molecular surface electrostatic potentials andelectrostatic extrema by Multiwfn 3 8(dev)and VMD 1 9 2，and demonstrates that the global electrostatic maximum(2210 kcal/mol)is located at the H atom close to the Cl atom，where is apt to be attacked by nucleophilic agentsThis techniquedoes not depend on apparatus and chemical agents，so has noticeable advantages over traditional experiments like low cost，goodoperability and high repeatabilityKey words:vinyl chloride;surface electrostatic potential;electrostatic extrema;reaction site静电势对于考察分子表面电荷分布和分子间静电相互作用、预测反应位点和分子性质等方面具有重要意义，近年来被广为使用1。Multiwfn2 各版本是由北京科音自然科学研究中心卢天博士开发的功能强大的免费波函数分析软件，是分析分子静电势的强有力工具。将 Multiwfn 和免费的可视化程序VMD3 相结合可以绘制静电势着色的分子范德华表面图并展示静电势极值点，但操作过程相对繁复，个别使用者绘图效率较低。为了最大程度地简化步骤，可通过批处理文件和绘图脚本极其便利地绘制分子表面静电势。有关通过批处理文件和绘图脚本展示氯乙烯表面静电势和静电势极值点的方法可参阅卢天博士专门撰写的题为使用 Multiwfn+VMD 快速地绘制静电势着色的分子范德华表面图和分子间穿透图(http:/bbskeinscicom/thread1108011html)的帖子。工科专业化学基础课课堂教学课时偏少，导致学生对基础知识和化学基本原理的理解和掌握不够。用 Multiwfn 和 VMD软件绘制分子表面静电势和静电势极值点可以用直观的可视化的方式展示化学基础知识，非常适合设计为本科生实验，让学生掌握用分子表面静电势预测分子的亲核和亲电反应位点，描述分子间静电相互作用。2018 年 9 月 10 日在北京召开的全国教育大会强调了学校的美育育人功能，要求构建德智体美劳全面培养的教育体系，并对大中小学提出了德智体美劳“五育”并举的新要求。2019年 6 月 中共中央国务院关于深化教育教学改革 全面提高义务教育质量的意见 以政策文件的形式明确要求“坚持 五育 并举，全面发展素质教育”。对化学相关专业学生进行美育教育，展现化学中的美，也应当成为大学化学课堂教学的重要内容。本文设计了绘制分子表面静电势的本科化学实验，用 Gaussian09 优化氯乙烯分子结构，并用 Multiwfn 和 VMD 绘制表面静电势着色图和展示静电势极值点，通过批处理文件和绘图脚本可使步骤最大程度地简化，使得初学者也能很容易地绘制非常漂亮的静电势着色图。在绘制分子表面静电势时，使用了电子排斥积分库 LIBETA4。1实验部分11实验目的(1)让学生学会使用 Gaussian 09、Multiwfn 和 VMD 等常用计算化学软件;(2)掌握结构优化和分子表面静电势的绘制;84SHANDONG CHEMICAL INDUSTY2023 年第 52 卷DOI:10.19319/ki.issn.1008-021x.2023.03.069第 3 期(3)寻找氯乙烯分子的静电势极值点;(4)预测氯乙烯分子亲核和亲电反应优先发生的位点，为揭示反应原理和反应实质提供依据;(5)通过直观展现和定量计算，帮助工科学生深度理解化学反应的微观实质。12实验原理文献经常用分子表面静电势预测分子的亲核和亲电反应位点，描述分子间静电相互作用，通过不同颜色展现不同表面区域静电势的相对大小，使分子表面静电势的分布一目了然。分子表面一般都用 Bader 定义的范德华表面，即电子密度为0001 e/Bohr3的 等 值 面。只 要 提 供 所 需 的 输 入 数 据(如Gaussian 产生的检查点文件)，分子表面静电势可用包括GaussView、VMD 等许多程序绘制。本实验介 绍 的 是 通 过Multiwfn 定量分析分子表面，结合 VMD 绘制分子表面静电势图，步骤相对步骤较多，但是优点十分显著，可以在分子表面上显示出静电势极值点位置，可以十分灵活地调节显示效果。13计算软件本实验用 GaussView 和 Gaussian 09 构建和优化分子，用免费软件 Multiwfn 38(dev)2 和 VMD 1923 计算和展示氯乙烯表面静电势和静电势极值点。14计算方法Gaussian 系列软件是最常用的量子化学计算软件包，与GaussView 结合可以方便地构建分子结构并进行优化，是量子化学计算的入门级软件。本文用 GaussView 构建分子结构，选取 Gaussian 09 D01 在 M062X/def2TZVP 水平上优化氯乙烯结构并获得所需参数。2008 年提出的 Minnesota 泛函 M062X 泛函56 在计算主族元素体系的热力学参数方面表现优异，并能很好地描述弱相互作用;3 基组 def2TZVP7 能够保证获得足够精确的计算结果。接着，用免费软件 Multiwfn 38(dev)2 和VMD 1923 计算和展示氯乙烯表面静电势和静电势极值点。15实验步骤151构建氯乙烯的初猜结构打开 GaussView，连续点击 2 次 Group Fragment，再点击Vinyl，在 图 形 界 面 构 建 乙 烯 分 子;连 续 2 次 点 击 ElementFragment，选择 Cl 原子并把一个 H 原子替换为 Cl，成功搭建氯乙烯的初猜结构。保存为 Gaussian 输入文件，如 D:CH2CHClCH2CHClgjf。152优化结构用记事本打开 CH2CHClgjf 文件，去掉原子坐标后面的数字，用 Freq 关键词进行频率验证，指定计算方法和基组:%chk=D:CH2CHClCH2CHClchk#opt M062X/def2TZvp freqTitle Card equired0 1C1055 226 760601 577 900000 000 00C0270 689 240601 577 900000 000 00H1648 811 761525 615 900000 000 00H1648 842 760322 436 100000 022 00H0864 305 241525 591 900000 026 00Cl1221 924 270879 216 450000 030 45启动 Gaussian 09，打 开 编 辑 好 的 输 入 文 件 并 运 行。Gaussian 09 在当前目录下产生 2 个同名的输出文件 CH2CHClout 和检查点(Check point)文件 CH2CHClchk。用 GaussView508打开输出文件 CH2CHCl out，查看最低振动频率约为399 cm1，无虚频，证实为所期望的构型且为稳定结构。在Gaussian 09 主界面依次点击 UtilitiesFormChk，把 CH2CHClchk 转化为格式化的检查点文件(Formatted check point file)CH2CHClfch，将其复制到 Multiwfn 38(dev)可执行文件所在目录下并重命名为 1fch，以便用 Multiwfn 38(dev)计算表面静电势和静电势极值点。实验过程结束，关闭程序。2数据处理21用 GaussView 绘制表面静电势一般来说，只要提供所需的输入数据(如 Gaussian 产生的检查点文件)，可用包括 GaussView、VMD 等许多程序绘制分子表面静电势。用 GaussView 打开 CH2CHClfch(或 CH2CHClchk)，依次点击 esultsSurfaces/Contours，打开 Surfaces andContours 界面，点击第一排 Cube ActionsNew Cube 打开Generate C