科研和计算机模拟协同促进光谱教学的改革与实践
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）34-0084-02
红外吸收光谱和紫外可见吸收光谱是现在实验室最常用的物质定性、定量和结构解析手段之一。为了培养学生创新意识和科研能力，在光谱教学改革中，我们探索了一种“理论教学―科研转化―Gaussian分析”的创新教学模式。笔者在近红外有机分子探针的设计、制备和应用方面有深入的研究，应用Gaussian量子化学计算软件对有机染料的光谱性能进行研究，结合GaussView软件显示分子构型、分子轨道形状、振动光谱等功能，使教学深入浅出，能准确理解光学材料电子光谱的相关性质。其次，将科研成果引入课堂，使学生接触前言领域，促进教学内容的及时更新，丰富教学内容的同时，激发学生的学习兴趣和了解专业领域和社会前沿的最新进展。
一、科研融入课堂，高斯分析构型及红外振动光谱
红外光谱教学中，往往给学生展示各种分子的平面结构，需要学生较强的空间想象能力。首先我们以学院科研项目相关的花菁荧光染料融入课堂（商品级Cy5.5以及本课题组自行合成的五种染料），使教学内容能灵活与科研相结合。其次再将Gaussian量子化学计算软件和GaussView软件引入课堂，采用密度泛函理论DFT，在B3LYP/6?C31G*+水平上，对六种染料分子的基态（S0）构型进行了全自由度几何优化，频率分析均无虚频。利用GaussView软件展示频率分析结果，能将不同分子振动类型（即对称和不对称伸缩振动、面内摇摆和剪式振动、面外摇摆和扭曲振动）动态可视化，能更深入的理解分子振动能级跃迁产生红外光谱，价电子跃迁产生吸收光谱的原理，区别不同振动类型和不同官能团产生红外频率的差别，提高学生的学习兴趣和积极性。
二、科研转化为实验，高斯讲解电子吸收光谱本质
分子受到能量激发导致分子的价电子由基态跃迁到高能量的激发态，这方面的教学涉及能量、能级、跃迁类型、共轭结构等有机化学基础知识，教科书中的讲解很难理解透彻。在可见分光光度相应实验课程中，把科研成果转化为配套实验，将六种花菁染料配制成溶液，检测其紫外-可见吸收光谱；再运用Gaussian计算电子光谱，让学生通过直观的图形数字加深理解。溶剂对电子光谱的影响较复杂，由于溶剂和溶质的分子作用力，使得谱带的精细结构变得模糊或消失，或者使得基态和激发态能量发生变化从而导致吸收峰发生蓝移或红移。教科书对溶剂效应的讲解较模糊，我们运用Gaussian软件中的PCM溶剂模型可以清晰的解释溶剂效应。例如图1计算得到D在真空环境中的垂直激发能为2.2037eV，最大吸收波长为562.62nm；在水中的垂直激发能为1.9405eV，最大吸收波长为639.5nm，这也与真实实验在水中测得D的最大吸收波长643.5nm相接近。这是因为相比真空环境，溶剂分子和溶质分子的相互作用，以及分子间的氢键作用力，导致HOMO→LUMO垂直激发能减小，所以吸收波长发生了红移。
三、科研引出学生兴趣，高斯探究物质稳定性
化合物的稳定性是其应用的一个重要性能指标，光分解反应和氧化反应是主要影响光学材料稳定性的因素。在溶剂光谱实验中，往往有学生提问为什么不同染料的稳定性不同，但是在教科书中只有对化合物构型之间稳定性的比较，如顺反构型等，但是对不同分子结构稳定性机理方面几乎无介绍。因此我们设计了染料稳定性试验，以甲醇为溶剂配制六种花菁染料溶液，连续光照观测其紫外-可见吸收光谱的变化以测其稳定性。化合物C极其不稳定，暴露于空气中约5～10分钟之内分解，与初始吸光度相比，光照八小时后吸光度下降百分比，六种花菁染料的稳定性顺序为：C Gaussian化学计算软件的引入解决了分子结构和振动传统教学中可视化差的缺点，深入浅出地解释电子吸收光谱及物质稳定性与结构关系的本质。将科研成果中的先进技术融入到教堂教学中，使高校教学与科研有机地紧密结合，提高光谱理论教学和实验教学的效果。构建科研与Gaussian协同促进的新型教学模式，推进教学改革，促进人才培养创新能力和科研能力。
