李 琳，楊寶華，張愛華

（首都醫(yī)科大學(xué)燕京醫(yī)學(xué)院，北京 101300）

0 引 言

喹啉和異喹啉互為同分異構(gòu)體，是基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)中2個(gè)重要的、含有一個(gè)雜原子的、六元雜環(huán)苯并體系.二者的基本化學(xué)性質(zhì)是吡啶和苯的結(jié)合體，苯環(huán)上容易發(fā)生芳香親電取代反應(yīng)，而吡啶環(huán)上容易發(fā)生芳香親核取代反應(yīng)，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示.二者分子中苯環(huán)與吡啶環(huán)上所有π電子形成一個(gè)相互重疊的大π體系，但由于氮（N）原子的存在，整個(gè)體系的電子重疊不均勻，引起環(huán)上不同原子的電子密度分布不均勻，導(dǎo)致不同原子發(fā)生芳香親電取代或親核取代反應(yīng)，且發(fā)生同種取代反應(yīng)時(shí)存在明顯的區(qū)域選擇性[1-2].因此，在喹啉和異喹啉的教學(xué)中，存在化學(xué)反應(yīng)類型和位點(diǎn)多，僅進(jìn)行文字講解時(shí)，學(xué)生對結(jié)構(gòu)和反應(yīng)位點(diǎn)的區(qū)域選擇性理解不透徹，容易出現(xiàn)理解混亂，因此，有必要開展直觀形象的可視化教學(xué)，幫助學(xué)生理解二者的性質(zhì).

圖1 分子結(jié)構(gòu)

Gaussian軟件是一個(gè)專業(yè)的量子化學(xué)計(jì)算軟件，可以完成氣相和液相條件下，分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、分子軌道計(jì)算、化學(xué)反應(yīng)和光譜學(xué)等諸多方面的計(jì)算工作[3].目前許多教師也將Gaussian軟件運(yùn)用到化學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)教學(xué)工作中.如周輝和鄧萍[4]利用Gaussian軟件幫助學(xué)生對二甲苯分子的空間結(jié)構(gòu)、振動模式的指認(rèn)與吸收峰的歸屬等有更感性的認(rèn)識，既促進(jìn)了學(xué)生理解紅外光譜的本質(zhì)，又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性；侯彥君等[5]利用Gaussian軟件研究了分子紅外光譜計(jì)算、振動模式指認(rèn)以及同位素取代在分子振動光譜中的應(yīng)用，幫助學(xué)生深入思考同位素取代對紅外特征吸收峰的影響；劉佳等[6]利用Gaussian軟件模擬了幾種溶劑對溶質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與紅外光譜造成的影響，深化學(xué)生對溶劑效應(yīng)本質(zhì)的認(rèn)識，加深了對紅外光譜中溶劑效應(yīng)的理解；王光琴等[7]闡述了Gaussian軟件在太赫茲（tera hertz，THz）光譜模擬方面的研究情況；茍高章等[8]利用Gaussian軟件幫助學(xué)生了解手性分子的三維空間結(jié)構(gòu)、電子圓二色譜的理解及歸屬等；趙一丹和廖奕[9]借助 Gaussian軟件對氫氣（H2）分子進(jìn)行了勢能面掃描，描繪了其能量曲線，比較了價(jià)鍵法和分子軌道法計(jì)算得到的H2電子云分布，將復(fù)雜的線性變分法解波函數(shù)簡單化.可見，Gaussian軟件在教學(xué)中的有效應(yīng)用，豐富了教學(xué)手段，有利于教學(xué)重難點(diǎn)的突破，提高教學(xué)質(zhì)量.

Multiwfn軟件是波函數(shù)分析程序，通過波函數(shù)分析方法對化學(xué)問題進(jìn)行分析，利用交互式的操作，獲取對研究化學(xué)問題有益的信息[10].韓曉剛和廖奕[11]將Multiwfn和Gaussian軟件結(jié)合應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)，通過分析三重態(tài)H2分子拉伸過程的定域化軌道指示函數(shù)的填色圖和電子密度差等值線圖，說明了H2分子的電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn).

與Multiwfn軟件相比，Gaussian軟件在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用較多，而目前尚無基于二者的有關(guān)喹啉和異喹啉的可視化教學(xué)研究的論文.為了直觀形象地解釋二者性質(zhì)的異同，并用于課堂教學(xué)，解決實(shí)際教學(xué)中存在的難點(diǎn)，本文嘗試?yán)貌煌椒ㄌ接戉彤愢男再|(zhì)差異[12].利用密度泛函理論（density functional theory，DFT）、等化學(xué)屏蔽表面（iso?chemical shielding surfaces，ICSS）、電子定域化函數(shù)（electron localization function，ELF）和 Mulliken布居分析方法對二者的性質(zhì)進(jìn)行可視化分析.

1 ICSS法

1996 年，Schleyer等[13]提出核獨(dú)立化學(xué)位移（nucleus?independent chemical shifts，NICS）理論，是目前應(yīng)用的比較廣泛的表征具有各種環(huán)狀離域電子的化合物芳香性的磁性依據(jù).采用量子化學(xué)的方法計(jì)算分子的絕對屏蔽值，用于分析化合物是否具有芳香性.NICS計(jì)算的是特定點(diǎn)上或一條線上磁屏蔽值的變化，或研究特定平面上磁屏蔽值的分布，常用指標(biāo)包括計(jì)算環(huán)幾何中心位置的NICS（0）值、計(jì)算環(huán)平面上下0.1 nm位置的NICS（1）值和垂直于環(huán)平面（ZZ）方向的 NICS_ZZ值等[13-14].當(dāng)外磁場導(dǎo)致的體系共軛環(huán)上的環(huán)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場對外磁場有屏蔽作用時(shí)，會削弱外磁場強(qiáng)度，屏蔽值是正值，NICS取屏蔽值的相反數(shù)，為負(fù)值，體系為芳香性體系；當(dāng)體系環(huán)電流的感應(yīng)磁場和外磁場方向相同，對外磁場起去屏蔽作用，會加強(qiáng)外磁場強(qiáng)度，屏蔽值為負(fù)值，NICS為正值，體系為反芳香性體系.NICS值越負(fù)，表明該位置對外磁場屏蔽程度越大，該環(huán)具有的芳香性越強(qiáng)；NICS值越正，說明對外磁場的去屏蔽程度越大，反芳香性越強(qiáng)；NICS值接近于0，則認(rèn)為該體系無芳香性.

ICSS是在三維層面展現(xiàn)空間不同位置的磁屏蔽值[15]，故在符號取值上與NICS值符號相反.收集三維空間不同位置的磁屏蔽張量信息繪制成ICSS圖像，使得ICSS與無法可視化的NICS方法相比，以圖像化的形式，直觀展現(xiàn)體系的化學(xué)性質(zhì).

本文繪制喹啉和異喹啉的ICSS的等值面圖和等值線圖所用的方法，與文獻(xiàn)[16]中描述蒽和菲ICSS值所用的方法一致.

1.1 ICSS等值面

在ICSS等值面圖上，ICSS值變化時(shí)，可以得到屏蔽和去屏蔽區(qū)域不同的ICSS等值面，隨著ICSS值增大，去屏蔽的等值面會明顯收縮直至斷開，然后屏蔽值小的區(qū)域會出現(xiàn)孔洞，從而展現(xiàn)出分子中不同位置的屏蔽能力.

喹啉的ICSS等值面如圖2所示.當(dāng)ICSS=11.0 ppm和 ICSS_ZZ=28.0 ppm（1.0 ppm=1.0×10-6）時(shí)，苯環(huán)的等值面被覆蓋得較明顯，吡啶環(huán)的等值面中心開始出現(xiàn)凹陷；當(dāng)ICSS=11.5 ppm時(shí)，吡啶環(huán)上的孔洞明顯比苯環(huán)上的孔洞大；當(dāng)ICSS_ZZ=29.0 ppm時(shí)，吡啶環(huán)上明顯存在孔洞，而苯環(huán)還是被屏蔽值較大的等值面覆蓋.說明苯環(huán)和吡啶環(huán)的等值面明顯不同，苯環(huán)對外磁場的屏蔽能力更強(qiáng)，芳香性比吡啶環(huán)更顯著.

圖2 喹啉的等化學(xué)屏蔽表面（ICSS）等值面

異喹啉的ICSS等值面如圖3所示.當(dāng)ICSS=11.0 ppm時(shí)，吡啶環(huán)稍有凹陷；當(dāng)ICSS=11.5 ppm時(shí)，苯環(huán)和吡啶環(huán)均出現(xiàn)明顯的孔洞，但吡啶環(huán)上的孔洞明顯更大；當(dāng)ICSS_ZZ=28.0 ppm時(shí)，二者的等值面均被覆蓋的較明顯；當(dāng)ICSS_ZZ=29.0 ppm時(shí)，在吡啶環(huán)上出現(xiàn)了明顯的孔洞，而苯環(huán)上還是被屏蔽值較大的等值面覆蓋著.可知，苯環(huán)和吡啶環(huán)的等值面明顯不同，苯環(huán)對外磁場的屏蔽能力更強(qiáng)，與喹啉一致，苯環(huán)的芳香性也比吡啶環(huán)更顯著.

圖3 異喹啉的ICSS等值面

分析ICSS等值面，在喹啉和異喹啉分子中，苯環(huán)上的ICSS屏蔽值比吡啶環(huán)上大，苯環(huán)的電子云密度略高一些.因此，苯環(huán)的芳香性比吡啶環(huán)強(qiáng).

1.2 ICSS_ZZ等值線

ICSS_ZZ屏蔽值的大小與色彩刻度的深度呈正相關(guān)，即紅色越深的區(qū)域，ICSS屏蔽值越大.喹啉和異喹啉的ICSS_ZZ等值線如圖4所示.在喹啉的環(huán)平面上方0.1 nm處，所有C原子附近紅色深淺不同，說明不同C原子附近ICSS值不同，也間接表明π電子分布并不均勻.如果不考慮苯環(huán)和吡啶環(huán)共用的碳碳鍵（C—C），除了吡啶環(huán)上N1的屏蔽值較大以外，其他C原子的屏蔽值幾乎都比苯環(huán)上C原子的屏蔽值小，尤其與N1相鄰的C2原子的屏蔽值明顯更小.這說明吡啶環(huán)上N原子的電子密度較大，而C原子，尤其與N原子鄰近的C原子的電子密度較低，吡啶環(huán)電子密度集中在N原子附近，電子離域程度不如苯環(huán)，使得吡啶環(huán)的芳香性降低.這與喹啉的苯環(huán)易于發(fā)生硝化、磺化和鹵代反應(yīng)等親電取代反應(yīng)，而吡啶環(huán)上的C原子，尤其是與N原子相鄰的C原子更易發(fā)生親核取代反應(yīng)的性質(zhì)一致；而N原子屏蔽值大，電子密度大，易于結(jié)合質(zhì)子，顯堿性[1-2].

與喹啉類似，在異喹啉環(huán)平面上方0.1 nm處，不同C原子ICSS值亦不同，π電子分布不均勻.吡啶環(huán)在N2原子處出現(xiàn)了較高的屏蔽值，而C原子的屏蔽值比苯環(huán)上C原子的屏蔽值小，吡啶環(huán)上電子的離域程度稍差，芳香性比苯環(huán)的芳香性弱.因此，異喹啉的吡啶環(huán)上也易于發(fā)生親核取代反應(yīng)，苯環(huán)上易于發(fā)生親電取代反應(yīng)；而N原子屏蔽值大，電子密度大，也易于結(jié)合質(zhì)子，顯堿性.

從以上分析可知，ICSS等值面和等值線圖的優(yōu)勢各不相同.ICSS等值面圖在分析喹啉和異喹啉分子不同環(huán)的屏蔽值及芳香性差異時(shí)，直觀方便；而ICSS等值線圖在分析不同原子上的屏蔽值更具優(yōu)勢，且其可間接地分析電子密度是否分布均勻，從而探討不同原子的反應(yīng)活性.

2 ELF法

ELF 是 Becke和 Edgecombe[17]與 Jordi等[18]提出的表征電子定域性特征的實(shí)空間函數(shù)，是量子化學(xué)領(lǐng)域中研究電子結(jié)構(gòu)特征的重要工具，其能展現(xiàn)三維實(shí)空間中不同位置的電子定域程度.ELF方法在三維空間對電子云密度選取等值面的值不同時(shí)，得到不同的等值面范圍.ELF值的范圍為0～1.ELF等值面的值越大，其等值面內(nèi)的空間區(qū)域就越小，隨著ELF值的增大，各個(gè)原子的離域空間最終都會被斷開，形成每個(gè)原子相對獨(dú)立的電子云區(qū)域.ELF值與物質(zhì)的芳香性關(guān)系為：在ELF值較低時(shí)，出現(xiàn)獨(dú)立的區(qū)域，等值面包圍的區(qū)域小，電子分散程度低，在該區(qū)域離域范圍小，芳香性弱；在ELF值較高時(shí)，出現(xiàn)獨(dú)立的區(qū)域，等值面包圍的區(qū)域大，電子在等值面內(nèi)分散程度大，在該區(qū)域離域性好，區(qū)域穩(wěn)定性高，即電子能夠穩(wěn)定地在該區(qū)域內(nèi)離域，芳香性強(qiáng)[12，19-21].

喹啉和異喹啉的芳香性質(zhì)主要是由π電子多中心離域引起，因此，計(jì)算時(shí)僅考慮對芳香性質(zhì)有貢獻(xiàn)價(jià)值的π電子，得到ELF?π值圖.二者的ELF?π二分點(diǎn)數(shù)值圖的操作步驟與文獻(xiàn)[16]一致.

2.1 ELF?π等值面

增加ELF?π等值面數(shù)值，會逐漸展現(xiàn)出喹啉和異喹啉體系不同環(huán)上鍵斷開能力差異（即能體現(xiàn)出芳香性差異）.不同ELF?π值時(shí)喹啉和異喹啉的等值面如圖5所示.當(dāng)ELF?π=0.70時(shí)，喹啉的吡啶環(huán)上C9—N1鍵發(fā)生斷裂，基本不參與共軛體系，而苯環(huán)沒有出現(xiàn)斷鍵；當(dāng) ELF?π=0.75時(shí)，其等值面在C9—C10、C9—C8、C10—C5、C10—C4和 C9—N1鍵處均斷開，整個(gè)喹啉分子斷裂成4個(gè)域，包括苯環(huán)和吡啶環(huán)上的2個(gè)π電子4中心離域結(jié)構(gòu)和C9、C10上2個(gè)單原子域.由以上分析可知，在ELF?π值較低時(shí)，喹啉的吡啶環(huán)首先發(fā)生斷裂，說明喹啉中苯環(huán)比吡啶環(huán)的等值面包圍的區(qū)域大，電子離域程度大，且芳香性更強(qiáng).

圖5 不同ELF?π時(shí)等值面

當(dāng)ELF?π=0.70時(shí)，異喹啉的苯環(huán)和吡啶環(huán)上的等值面還是各自連通的，但C3—N2鍵連接緊密程度降低，說明吡啶六元環(huán)在等值面數(shù)值更低時(shí)會首先斷開；當(dāng) ELF?π=0.75時(shí)，C9—C8、C9—C10、C10—C5、C10—C4、C9—C1及C3—N2鍵均斷開，異喹啉的苯環(huán)上包含了1個(gè)顯著的4中心離域結(jié)構(gòu)，而吡啶環(huán)上孤立的域更多，這些均體現(xiàn)了苯環(huán)上的π電子離域程度明顯高于吡啶環(huán)，因此，芳香性比吡啶環(huán)強(qiáng)，這一點(diǎn)與喹啉是一致的.

2.2 ELF?π二分點(diǎn)數(shù)值

為了更精確地得到原子形成相對獨(dú)立的電子云區(qū)域時(shí)，化學(xué)鍵剛好斷開的ELF值，利用ELF?π拓?fù)浞治龅玫洁彤愢腅LF?π二分點(diǎn)數(shù)值如圖6所示 .喹啉分子中，C9—C10、C9—C8、C10—C5、C10—C4、C9—N1和 C2—N1的ELF?π二分點(diǎn)數(shù)值分別約為 0.73、0.74、0.74、0.75、0.65和 0.93，其中吡啶環(huán)上C9—N1發(fā)生斷裂的二分點(diǎn)值最小，即最易發(fā)生鍵斷裂，其比苯環(huán)上C—C斷裂數(shù)值均低.與苯環(huán)相比，吡啶環(huán)的電子離域程度更低，且芳香性更弱 .異喹啉分子中，C9—C10、C9—C8、C10—C5、C9—C1、C10—C4、C3—N2和 C1—N2的二分點(diǎn)數(shù)值分別約為 0.73、0.74、0.74、0.75、0.73、0.71和 0.94，其中吡啶環(huán)中C3—N2發(fā)生斷裂的二分點(diǎn)數(shù)值最小.與喹啉類似，吡啶環(huán)的芳香性更弱.

圖6 ELF?π拓?fù)浞治龅亩贮c(diǎn)數(shù)值

3 Mulliken布居分析

原子電荷是描述化學(xué)體系中電荷分布最簡單、最直觀的方式之一.Mulliken布居是Mulliken提出的計(jì)算電荷在分子中各組成原子之間分布情況的方法，分析分子的原子電荷及電荷在各原子軌道上的分布等情況[22].芳香性物質(zhì)的親電取代反應(yīng)易發(fā)生在電子云密度大的原子上，而親核取代反應(yīng)易發(fā)生在電子云密度小的原子上，因此，喹啉和異喹啉分子中，電荷越負(fù)（或越正）的原子越有可能吸引親電（或親核）試劑進(jìn)攻，而發(fā)生親電（或親核）取代反應(yīng)[23-25].由于喹啉和異喹啉都是含有苯環(huán)和吡啶環(huán)的體系，π電子及相應(yīng)的π軌道與其反應(yīng)活性關(guān)系最為密切.因此，可排除σ電子的影響，僅利用π軌道Mulliken電子布居數(shù)和π電子密度預(yù)測喹啉和異喹啉的性質(zhì)[19].

啟動Multiwfn軟件，繪制出利用Mulliken布居分析計(jì)算的等值面值為0.035時(shí)，喹啉和異喹啉的π電子密度等值面，詳細(xì)如圖7所示.喹啉和異喹啉上N原子的π電子密度明顯較大，但不同C原子上的π電子密度差異不大.計(jì)算不同原子的Mulliken電子布居數(shù)，喹啉分子中，N1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8原子的Mulliken電子布居數(shù)分別為1.088、0.962、0.996、0.990、1.030、0.988、0.989和 0.972；異喹啉分子中，C1、N2、C3、C4、C5、C6、C7和C8原子的Mulliken電子布居數(shù)分別為 0.975、1.093、0.993、1.012、1.019、0.975、0.995和1.001.

圖7 Mulliken布居分析的π電子密度等值面

因?yàn)椴煌珻原子的π電子數(shù)差異不大，所以電子密度等值面圖不能清晰地展示出其電子密度的差異.因此，繪制了分子平面上方0.1 nm處的π電子密度填色圖（圖8），可用于直觀地分析喹啉和異喹啉發(fā)生芳香親電和親核取代反應(yīng)的可能位點(diǎn).由π電子密度的色彩刻度可知，喹啉分子中，與其他C原子相比，C2和C4原子的橘色范圍小、顏色淺，說明這2個(gè)位置的電子密度明顯比其他位置的電子密度低，即C2和C4位置易發(fā)生芳香親核取代反應(yīng)；與C4原子相比，C2原子的橘色范圍更小、顏色更淺，說明C2比C4原子的電子密度更低，即C2位置更易發(fā)生芳香親核取代反應(yīng).這與計(jì)算的Mulliken電子布居數(shù)是一致的，C2原子的Mulliken電子布居數(shù)為0.962，是喹啉分子中最小的.這一結(jié)果與文獻(xiàn)中喹啉的芳香親核取代反應(yīng)易發(fā)生在吡啶環(huán)C2和C4原子上，且C2原子的取代產(chǎn)物多于C4原子的取代產(chǎn)物的結(jié)論一致[1].對應(yīng)C5原子的Mulliken電子布居數(shù)為1.030，是C原子中Mulliken電子布居數(shù)最大的，說明C5原子的電子密度最大，可知喹啉的親電取代反應(yīng)最易發(fā)生在苯環(huán)上，并且容易生成C5原子上的取代產(chǎn)物，也與文獻(xiàn)的結(jié)論一致[1].

圖8 Mulliken布居分析的π電子密度填色

異喹啉分子中，與其他C原子相比，C1原子的橘色范圍最小，顏色最淺，Mulliken電子布居數(shù)為0.975，是吡啶環(huán)原子中電子密度最小的，是最易發(fā)生親核取代反應(yīng)的位置.這與文獻(xiàn)中描述異喹啉的親核取代反應(yīng)主要在C1原子上發(fā)生、幾乎沒有C3位置產(chǎn)物的結(jié)論一致[1].對應(yīng)C5原子的Mulliken電子布居數(shù)為1.019，是所有C原子中電子密度最大的，是親電取代反應(yīng)最易發(fā)生的位點(diǎn).

對于喹啉和異喹啉分子中的N原子而言，其橘色范圍均是最大且顏色最深.二者N原子的Mulliken電子布居數(shù)分別為1.088和1.093，均為最大值，說明其電子密度均最大，易接受質(zhì)子或與Lewis酸配位，顯示堿性.而與喹啉分子中的N原子相比，異喹啉分子中N原子的Mulliken電子布居數(shù)略大，說明其電子密度略大，更易吸引質(zhì)子，這與異喹啉的堿性比喹啉的堿性略強(qiáng)也一致[1-2].

4 結(jié)束語

本文將Gaussain和Multiwfn軟件結(jié)合，采用IC?SS、ELF和Mulliken布居分析等方法對喹啉和異喹啉的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了可視化分析，且相關(guān)結(jié)果直觀地解釋了二者的化學(xué)性質(zhì).結(jié)果表明，Gaussain和Multiwfn軟件結(jié)合可清楚地展示喹啉和異喹啉中苯環(huán)的芳香性均強(qiáng)于吡啶環(huán)，親電取代反應(yīng)易于發(fā)生在苯環(huán)上，親核取代反應(yīng)易發(fā)生在吡啶環(huán)上，并很好地解釋了喹啉和異喹啉的化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn)，與文獻(xiàn)的結(jié)論一致[1-2].這一可視化分析結(jié)果使基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)中有關(guān)芳香雜環(huán)化合物喹啉和異喹啉的教學(xué)過程實(shí)現(xiàn)可視化成為可能，為學(xué)生掌握和理解其芳香性和反應(yīng)位點(diǎn)提供了輔助依據(jù)，同時(shí)為具有芳香性的雜環(huán)化合物的教學(xué)提供思路和借鑒，使學(xué)生對基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)芳香雜環(huán)化合物的化學(xué)反應(yīng)原理和基本理論產(chǎn)生更加深入的認(rèn)識，有效地提高教學(xué)質(zhì)量.可視化教學(xué)是對教材內(nèi)容有益的深化和補(bǔ)充，在教學(xué)實(shí)踐中合理地利用化學(xué)軟件輔助教學(xué)，可以為理解化學(xué)問題提供更多的方法和手段，有助于學(xué)生直觀形象地理解化學(xué)問題，理解物質(zhì)的本質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.