借助Multiwfn实现物理化学性质描述符的可视化：以单环B5N5为例

doi:10.3866/PKU.DXHX202303079

大学化学 >> 2023, Vol. 38 >> Issue (11): 301-308.doi: 10.3866/PKU.DXHX202303079

借助Multiwfn实现物理化学性质描述符的可视化：以单环B₅N₅为例

程学礼¹^,*(), 赵燕云¹, 李峰²^,*(), 杨永娟¹, 韩建梅¹

¹ 泰山学院化学化工学院, 山东泰安 271000
² 泰山学院物理与电子工程学院, 山东泰安 271000

收稿日期:2023-03-27 录用日期:2023-04-28 发布日期:2023-11-21
通讯作者: 程学礼,李峰 E-mail:x_cheng@tsu.edu.cn;fenglitsu@163.com
基金资助:
泰山学院2022年度教师教育研究专项课题(JY-01-202210);2021年泰安市教育科学研究专项课题(TJK202106ZX029);泰山学院第14批教改课题(JG202119)

Visualizing the Descriptors of the Physical and Chemical Properties of Monocyclic B₅N₅ Using Multiwfn

Xueli Cheng¹^,*(), Yanyun Zhao¹, Feng Li²^,*(), Yongjuan Yang¹, Jianmei Han¹

¹ School of Chemistry and Chemical Engineering, Taishan University, Tai'an 271000, Shandong Province, China
² School of Physics and Electronic Engineering, Taishan University, Tai'an 271000, Shandong Province, China

Received:2023-03-27 Accepted:2023-04-28 Published:2023-11-21
Contact: Xueli Cheng, Feng Li E-mail:x_cheng@tsu.edu.cn;fenglitsu@163.com

摘要/Abstract

摘要：

借助化学软件实现物理化学性质描述符的可视化能够极大地丰富课堂教学的内容，展现化学中的美。本文基于分子轨道绘制了仅由π电子贡献的定域化轨道定位函数(LOL-π)填色图、电子定域化函数(ELF)和扫描隧道显微镜(STM)图像，用表面静电势、平均局部离子化能(ALIE)、局部电子亲合能(LEA)可视化了分子表面反应位点，并用相互作用区域指示函数(IRI)和非键作用(NCI)函数分析揭示了B₅N₅单环的成键情况和弱相互作用，是把科研成果应用于课堂教学的典型范例。

关键词: 物理化学性质描述符可视化, M06-2X-D3, 分子轨道, 表面静电势, 亲电/亲核位点, IRI

Abstract:

Using Multiwfn, a free wavefunction analyzer, visualization of the descriptors of physical and chemical properties can greatly enrich the classroom-teaching contents, and will present the elegance of chemistry. In the current study, color-filled maps of localized-orbital locator (LOL) purely obtained through π electrons (LOL-π), electron localization function (ELF) color maps, and scanning tunnel microscope (STM) images were created based on the molecular orbitals of monocyclic B₅N₅. Additionally, molecular surface electrostatic potential, average local ionization energy (ALIE), and local electron affinity (LEA) were employed to visualize the reactive sites of B₅N₅. Interaction region indicator (IRI) and noncovalent interaction (NCI) analyses were performed and discussed to reveal the bonding and weak interactions in this material. The proposed study is a typical paragon for the usefulness of chemical software in facilitating the teaching of science in classrooms.

Key words: Visualization of the descriptors of physical and chemical properties, M06-2X-D3, Molecular orbital, Surface electrostatic potential, Electrophilic/nucleophilic reaction site, IRI

程学礼, 赵燕云, 李峰, 杨永娟, 韩建梅. 借助Multiwfn实现物理化学性质描述符的可视化：以单环B₅N₅为例[J]. 大学化学, 2023, 38(11): 301-308.

Xueli Cheng, Yanyun Zhao, Feng Li, Yongjuan Yang, Jianmei Han. Visualizing the Descriptors of the Physical and Chemical Properties of Monocyclic B₅N₅ Using Multiwfn[J]. University Chemistry, 2023, 38(11): 301-308.

链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202303079

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2023/V38/I11/301

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参考文献 30

1	马雪香, 刘成卜, 张冬菊. 大学化学, 2022, 37 (12),2112089.
2	王慧婷, 石小飞, 魏东辉. 大学化学, 2023, 38 (2),266.
3	Lu, T.; Chen, F. J. Comput. Chem 2012, 33 (5),580. doi: 10.1002/jcc.22885
4	Humphrey, W.; Dalke, A.; Schulten, K. J. Mol. Graph 1996, 14 (1),33. doi: 10.1016/0263-7855(96)00018-5
5	Legault, C. Y. CYLview 1.0b; Université de Sherbrooke: Sherbrooke, Quebec, Canada, 2009.
6	Portmann, S.; Lüthi, H. P. Chimia 2000, 54 (12),766. doi: 10.2533/chimia.2000.766
7	程学礼, 赵燕云, 左健, 禚林海, 孙媛媛. 大学化学, 2023, 38 (11),318.
8	Kaiser, K.; Scriven, L. M.; Schulz, F.; Gawel, P.; Gross, L.; Anderson, H. L. Science 2019, 365 (6459),1299. doi: 10.1126/science.aay1914
9	Zhang, D.; Xiong, Q.; Chang, K. Nanoscale Adv 2020, 2 (10),4421. doi: 10.1039/D0NA00270D
10	Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; et al. Gaussian 09, Revision D. 01; Gaussian Inc. : Wallingford, CT, USA, 2013.
11	Cheng, X. Chem. Phys 2021, 541, 111047. doi: 10.1016/j.chemphys.2020.111047
12	Liu, Z.; Lu, T.; Chen, Q. Carbon 2020, 165, 468. doi: 10.1016/j.carbon.2020.04.099
13	Cheng, X.; Zhang, X.; Zhao, Y.; Zhuo, L. Chem. Phys. Lett 2023, 821, 140476. doi: 10.1016/j.cplett.2023.140476
14	Steinmann, S. N.; Mo, Y.; Corminboeuf, C. Phys. Chem. Chem. Phys 2011, 13 (46),20584. doi: 10.1039/c1cp21055f
15	Gonthier, J. F.; Steinmann, S. N.; Roch, L.; Ruggi, A.; Luisier, N.; Severin, K.; Corminboeuf, C. Chem. Commun 2012, 48 (74),9239. doi: 10.1039/c2cc33886f
16	Becke, A. D.; Edgecombe, K. E. J. Chem. Phys 1990, 92 (9),5397. doi: 10.1063/1.458517
17	卢天, 陈飞武. 物理化学学报, 2011, 27 (12),2786.
18	Tersoff, J.; Hamann, D. R. Phys. Rev. Lett 1983, 50 (25),1998. doi: 10.1103/PhysRevLett.50.1998
19	Tersoff, J.; Hamann, D. R. Phys. Rev. B 1985, 31 (2),805. doi: 10.1103/PhysRevB.31.805
20	卢天, 陈飞武. 物理化学学报, 2012, 28 (1),1.
21	Zhao, Y.; Cheng, X.; Nie, K.; Han, Y.; Li, J. Comput. Theor. Chem 2021, 1203, 113329. doi: 10.1016/j.comptc.2021.113329
22	Cheng, X.; Li, F.; Zhao, Y.; Cheng, X.; Nie, K.; Han, Y.; Yang, Y. J. Phys. Org. Chem 2022, 35 (12),e4420. doi: 10.1002/poc.4420
23	Sobereva@北京科音. 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. [2022-12-28]. http://bbs.keinsci.com/thread-11080-1-1.html
24	Murray, J. S.; Politzer, P. WIREs Comput. Mol. Sci 2017, 7 (6),e1326. doi: 10.1002/wcms.1326
25	Suresh, C. H.; Remya, G. S.; Anjalikrishna, P. K. WIREs Comput. Mol. Sci 2022, 12 (5),e1601. doi: 10.1002/wcms.1601
26	Lu, T.; Chen, Q. Chem. - Methods 2021, 1 (5),231. doi: 10.1002/cmtd.202100007
27	Cheng, X.; Zhao, Y.; Liu, J.; Sun, J.; Miao, Y.; Ling, B. ChemistrySelect 2023, 8 (11),e202204696.
28	Johnson, E. R.; Keinan, S.; Mori-Sánchez, P.; Contreras-García, J.; Cohen, A. J.; Yang, W. J. Am. Chem. Soc 2010, 132 (18),6498.
29	Lu, T.; Chen, Q. J. Comput. Chem 2022, 43 (8),539.
30	Sobereva@北京科音. 使用IRI方法图形化考察化学体系中的化学键和弱相互作用. [2022-12-28]. http://bbs.keinsci.com/thread-23457-1-1.html.

[1]	梁丞天, 郑博源, 方宁. 第38届中国化学奥林匹克(初赛)配位化学试题解析[J]. 大学化学, 2025, 40(8): 394 -400 .
[2]	刘吉英, 李泽华, 张文静, 魏东辉. C₆H₆与B₁₂H₁₂^2-的分子轨道和核独立化学位移计算——推荐一个普适性的计算化学实验[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 186 -192 .
[3]	徐菁涵, 汪洋, 魏东辉. 绘制π分子轨道的切面等值线图[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 23 -29 .
[4]	杨丽君. 结构化学可视化教学提升学生理解力的思考与实践[J]. 大学化学, 2025, 40(10): 295 -302 .
[5]	王文亮, 王渭娜, 王素凡, 刘峰毅, 盛天, 周涛, 魏南. “站得高、讲得透、看得远”是讲好课的基本功——以结构化学课堂教学为例[J]. 大学化学, 2025, 40(1): 353 -361 .
[6]	高雨, 王晓晓, 李莹莹, 陈胜利. 橄榄石型材料离子-电子耦合转移过程中的分子轨道理论描述和计算研究[J]. 大学化学, 2024, 39(12): 369 -377 .
[7]	张驰, 邬苏其, 刘岸, 张卫, 魏霄. TBL教学法在无机化学教学中的应用——化学“101计划”无机化学课程教学设计案例[J]. 大学化学, 2024, 39(10): 89 -95 .
[8]	凡维, 钱旭清, 王宇轩, 杨佳璐, 张孙秋骏, 王信凝, 韩俊骁, 鹿成龙, 张冬菊. 环辛四烯的结构、芳香性及其异构化反应[J]. 大学化学, 2024, 39(1): 351 -358 .
[9]	刘峰毅, 钟怡, 王渭娜, 王文亮. 多参考态从头算方法在结构化学教学中的应用探索：以第二周期同核双原子分子为例[J]. 大学化学, 2023, 38(9): 308 -312 .
[10]	宋哲轩, 胡阳, 吴翔钰, 谢静. 对“应用量子化学计算理解溶剂对CH₃O⁻/CH₃S⁻亲核性的影响”的思考与拓展[J]. 大学化学, 2023, 38(9): 280 -286 .
[11]	刘子豪. 分子轨道理论概念：基础与拓展[J]. 大学化学, 2023, 38(5): 335 -340 .
[12]	许家喜, 麻远. 溴与不同取代C＝C双键反应的机理和立体选择性[J]. 大学化学, 2023, 38(2): 109 -115 .
[13]	薛镇镇, 潘杰, 王国明. PBL教学法在结构化学休克尔分子轨道理论教学中的应用[J]. 大学化学, 2023, 38(12): 274 -278 .
[14]	侯秀芳, 任雨欣, 董文卓. 单环共轭多烯的结构与芳香性研究[J]. 大学化学, 2022, 37(6): 2108007 - .
[15]	许文华, 李安阳, 岳可芬. 主族元素AB₄型含氧酸根的成键分析——推荐一个研究型计算化学实验[J]. 大学化学, 2022, 37(2): 2108101 - .

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