用计算化学方法研究苯、甲苯、硝基苯的亲电取代反应特性.doc

湖南师范大学化学化工学院College of Chemistry and Chemical EngineeringHunan Normal University物理化学实验报告实验题目： 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D6h的苯，计算量只有全局分子计算量的1/6。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（-CH3），或拉电子基团硝基（-NO2）时，会明显影响其波函数，从而苯、甲苯以及硝基苯的计算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。bfecda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D6h。 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Job Type （作业任务）OptimizationMethod （方法）Ground State, DFT, Default Spin, B3LYPBasis set（基组）6-31G(d)Charge, Spin (电荷，多重度)0, singletTitle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“toluene”，硝基苯取名“nirobenzene”Link 0%chk=D:/benzene.chk（计算甲苯时用toluene命名,硝基苯时用nirobenzene命名）%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、 原始数据记录原子电荷（苯）电荷（甲苯）电荷（硝基苯）C1-0.2060.885-1.358C2-0.206-0.7150.746C3-0.2060.156-0.603C4-0.206-0.5040.047C5-0.2060.152-0.603C6-0.206-0.7760.746六、 数据处理原子电荷（苯）电荷（甲苯）电荷（硝基苯）C1-0.2060.885-1.358C2-0.206-0.7150.746C3-0.2060.156-0.603C4-0.206-0.5040.047C5-0.2060.152-0.603C6-0.206-0.7760.746结论：苯环上C原子的电荷呈一正一负地分布官能团对苯环上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