用计算化学方法研究苯、甲苯、硝基苯的亲电取代反应特性

用计算化学方法研究苯、甲苯、硝基苯的亲电取代反应特性 湖南师范大学化学化工学院 College of Chemistry and Chemical Engineering Hunan Normal University 物理化学实验报告 实验目: 用计算化学方法研究苯、甲 苯、硝基苯的亲电取代反应特性 姓 名: 谢丹 学号: 2013140208 年 级: 13级 班级: 化学2班 实验日期: 2015年4月29日 一、 实验目的 (1)掌握常用计算化学软件(Gaussian03)的使用方法，并用之设计模型，模拟计算目标体系的相关性质。 (2)掌握计算结果的处理方法, 并用之解释相关化学问题。 二、 实验基本原理 Gaussian03程序是利用高性能计算机解薛定鄂方程，通过自洽场( Self-Consistent Field，SCF)收敛计算为目标体系寻找合格的波函数，进而计算体系的能量。在用户设置计算方法，计算基组以及计算任务等关键词之后，经过一系列内部程序计算后(如图6.70-1所示)，输出计算结果的一些重要信息。如分子结构，轨道能量，轨道对称性等。 图6.70-1 Gaussian03的计算过程图示 在计算有对称性的体系时，Gaussian03计算能通过对称操作，大幅度减少计算量。例如计算对称性为D的苯，计算量只有全局分子计算量的1/6。 6h GaussView可以把Gaussian 03的计算结果和计算过程可视化。如果计算过程中，我们保存了中间文件(即.chk文件)，在GaussView中我们就可以打开.chk文件，显示出电子分布的三维立体结构。 物质的各种性质都可以体现在其波函数中。当苯上连有供电子基团—甲基(-CH)，3或拉电子基团—硝基(-NO)时，会明显影响其波函数，从而苯、甲苯以及硝基苯的计算2 结果会体现出各种差异。 三、 仪器和试剂 仪器: 个人电脑 软件: Gaussian03 GaussView 四、 实验操作步骤和注意事项 (1)安装Gaussian03 和GaussView (2)打开GaussView软件 ? 选择“builder”中的“Ring Fragment”(如图6.70-2中a), 选择苯环做当前片段“Current Fragment”, 在任务栏中单击左键，建立苯分子模型。 a d e c b f 图6.70-2 GaussView窗口说明 ? 点击菜单中“symmetrize”(如图6.70-2中b)，把苯分子模型对称化。此时，苯分子的对称性为D。 6h ? 选择菜单中“Calculate”里的“Gaussian„”，弹出“Gaussian Calculation Setup”对话框。按照表6.70-1中说明进行设置。 表6.70-1 计算条件设置和一些重要解释 Optimization Job Type (作业任务) Ground State, DFT, Default Spin, B3LYP Method (方法) 6-31G(d) Basis set(基组) 0, singlet Charge, Spin (电荷，多重度) 是指自己给文件取的名字, 建议计算苯的时候取名“benzene”,甲苯取名Title “toluene”，硝基苯取名“nirobenzene” %chk=D:/…/benzene.chk(计算甲苯时用toluene命名,硝基苯时用 nirobenzene命名) Link 0 %mem=64MB %nproc=1 ? 点击“Submit”，Save 输入文件(input file)。提交作业后，程序自动启动Gaussian03程序进行计算。 ? 计算完后，重新创建一个任务栏“Create Molgroup”(如图6.70-2中c)，建立一个苯分子以后，选择“builder”中的“R-group Fragment” (如图6.70-2中d)，选择硝基，当前片段变成硝基后，单击苯分子上的一个H原子，硝基就取代了这个H。 ? 重复???的操作，对硝基苯进行优化计算。 ? 重复????的操作，对甲苯进行优化计算。 注意事项: (1)单分子计算是模拟标况下气态的分子状态，周围没有其他分子作用。 (2)Gaussian03以及GaussView 不识别中文, 任何相关文件或文件夹不能用中文命名。 (3)一台电脑上不能同时计算两个作业。 五、 原始数据 电荷(苯) 电荷(甲苯) 电荷(硝基苯) 原子 -0.206 0.885 -1.358 C1 -0.206 0.746 -0.715 C2 -0.206 -0.603 0.156 C3 -0.206 0.047 -0.504 C4 -0.206 -0.603 0.152 C5 -0.206 0.746 -0.776 C6 六、 数据处理 电荷(苯) 电荷(甲苯) 电荷(硝基苯) 原子 -0.206 0.885 -1.358 C1 -0.206 0.746 -0.715 C2 -0.206 -0.603 0.156 C3 -0.206 0.047 -0.504 C4 -0.206 -0.603 0.152 C5 -0.206 0.746 -0.776 C6 苯环上C原子的电荷呈一正一负地分布 结论: 官能团对苯环上C原子的电荷分布产生较大影响 七、 实验结果与讨论 (1)若计算之前没有把分子对称化(symmetrize),优化计算时间和结果会有什么变化, 答:优化计算所需的时间较长，结果会存在些小误差。 (2) 改变计算方法(method), 计算结果会有什么变化? 答:选择不同的计算方法，因为计算原理不同，计算结果的精确度不同。 八、 老师评注 评分 签名