陳迪明 ，王曉杰

(鄭州輕工業(yè)大學 河南省表界面科學重點實驗室，河南 鄭州 450002)

Materials Studio是由美國Accelrys公司開發(fā)的專業(yè)集三維視圖建模、分子動力學模擬、量子化學計算、模擬與計算結果分析等功能為一身的軟件，軟件內嵌入了多種分子建模與理論模擬計算的工具[1-3]。該軟件被廣泛的應用于化學與材料科學方面，可以模擬分析有機化學反應中的焓變與活化能、藥物分子的代謝動力學與氫鍵作用以及超分子化學中的主客體相互作用等。同時它還可以處理其他軟件保存的圖形及數據表格等。

大學有機化學是高等院校化學、藥學、能源動力、食品、材料等專業(yè)開設的第二門專業(yè)基礎課程，其以無機化學中元素化學知識為基礎，有機化合物的結構、電子分布與反應活性為研究內容，深入揭示了有機化合物的自身結構特點與反應活性之間的規(guī)律，是一門實踐性與應用性較強的自然科學課程。全面系統(tǒng)地學習有機化學基本概念、基本理論與實踐操作是學生進一步掌握其它相關課程的根本與基礎，同時也有利于培養(yǎng)學生發(fā)現問題、分析問題與解決問題的能力。與此同時，有機化學也是化學、藥學與食品等專業(yè)的考研必選課程之一，因此學好有機化學不僅僅有利于學生掌握本科期間的相關知識，也有利于學生順利通過研究生考試入學考試。由于有機化學課程中化合物種類與反應類型繁多、化合物立體結構性強等特點，學生普遍反應有機化學是一門較難掌握的課程，主要體現在聽不懂、記不住、想不出。仔細研究其原因在于學生之前接觸的無機化學主要局限于平面的反應式與結構式，缺乏對有機化合物立體結構的想象與反應規(guī)律的探究，因而缺乏對有機化學深層次的理解與反應規(guī)律的探索。

在有機化學隨堂教學中引入Material Studio軟件，通過分子建模、構象旋轉、分子模擬、理論計算等手段幫助學生理解有機化學中涉及的化合物立體構型、分子軌道、電荷密度、和反應機理等方面問題，可以加深學生對問題的理解與認識，增強了與學生的互動，開啟了學生自主探索學習的道路，提高他們三維分子結構的空間想象能力與分析有機物電荷分布的能力，從而提高學生學習有機化學的興趣，進而獲得良好的課堂教學效果。在此，本文結合有機化學教學大綱和實例，簡單介紹Material Studio軟件在大學有機化學可視化教學中的應用。

1 有機化合物異構體模型的演示

有機化學教學大綱要求學生能夠準確區(qū)分和畫出有機化合物的不同構型、構象和立體異構，例如丁烷的交叉式與重疊式。環(huán)己烷的椅式與船式，以及費歇爾投影式與紐曼投影式之間的轉換。此外，許多學生對于一些含有孤對電子以及由空間張力引起的手性有機化合物的立體模型表示難以理解。這些知識點涉及到三維空間模型，傳統(tǒng)的平面式教學方法不但讓學生感覺聽不懂、記不住，而且不能培養(yǎng)他們在頭腦中建立清晰的三維分子模型的能力。利用Material Studio軟件內的Materials Visualizer模塊實現不同分子模型的構筑，直觀表達化合物構象、構型及手性的變化，還可借助其攜帶的計算模塊獲得分子的空間最優(yōu)化幾何構型。因此借助Material Studio軟件，可輕易繪制和演示一些有機分子的立體異構體，如環(huán)己烷的椅式與船式、丁烷的重疊式與交叉式以及順反十氫萘的三維分子結構。

a.環(huán)己烷的椅式與船式 b.丁烷的重疊式與交叉式 c.反式十氫萘與順式十氫萘

手性的學習在有機化學中是非常重要的一個知識點。在醫(yī)藥化學上，我們把一對對映異構體中具有較高的藥理親和力或活性的異構體稱為Eutomer，而具有較低的藥理親和力或活性的異構體被稱為Distomer。然而，如果立體異構體中，有的生理效應正好有害生命，這會造成重大的悲劇。對于手性藥物的介紹，最經典的范例當屬反應停事件。我們可以利用Material Studio軟件中的Move To功能，將一對反應停藥物的外消旋體重疊在一起，讓學生充分的了解到兩個化合物結構上的不同之處(圖2)。

圖2 手性化合物重疊后的結構

2 電荷分布的計算與反應位點預測

有機化學反應的本質為舊的化學鍵的斷裂與新的化學鍵的生成，按照其反應類型可以分為涉及到正負電荷的極性反應、協(xié)同反應與自由基反應三大類型。其中極性反應占據了有機化學反應的絕大多數反應類型，例如我們在有機化學中較早接觸到的親核親電取代與親核親電加成反應等。這些反應的本質是負電荷試劑與缺電荷試劑的重組以及電荷的重新流動分配。因此，了解有機化合物中的電荷分布對于理解其反應活性與預測其反應可能發(fā)生的位點具有至關重要的作用。Material Studio軟件中包含了多種電荷計算的方法，例如Qeq方法、Mulliken電荷以及ESP電荷等計算方法。Material Studio軟件通過建模、優(yōu)化分子結構、選擇合適的模塊與算法，計算分析后可以直觀的展現有機化合物的電荷分布，從而幫助學生快速確定化學反應的活性位置以及反應機理走向，促進學生理解一些教學重點和難點。例如在芳香烴的親電取代定位規(guī)則的教學中，我們從書本上了解到甲氧基是鄰對位定位基，那么對于具有甲氧基取代的苯環(huán)上面的電荷分布書本上并沒給予具體的數值。我們在教學的過程中利用Material Studio軟件中的DMOL3模塊，計算任務選擇幾何優(yōu)化，同時在布居分析中勾選ESP電荷。計算結果如圖3a所示，苯甲醚上的鄰對位碳原子的電荷分別為-0.388e與-0.249e，而其鄰位上的碳原子的電荷僅僅為-0.005e。當發(fā)生苯環(huán)上的親電加成時，親電試劑優(yōu)先與負電荷大的碳原子發(fā)生作用，因此優(yōu)先與苯環(huán)上的鄰對位上的碳原子發(fā)生作用。當苯環(huán)上的取代基為硝基時，計算得到的鄰間對位碳原子的電荷分別為-0.07、-0.126、-0.096 e(圖3b)。因此可以推測硝基苯在發(fā)生苯環(huán)上的親電加成時主要發(fā)生在苯環(huán)的間位碳上。

a.苯甲基 b.硝基苯

對于含有取代基的D-A反應，我們同樣可以利用電荷計算的方法來推測其可能的環(huán)加成反應區(qū)域選擇性。例如圖4兩個含有取代基的二烯體與親二烯體，我們通過Material Studio軟件中的DMOL3模塊計算得到其雙烯體上的兩個端基碳的電荷分別為0.189e與-0.289e，而親雙烯體兩端碳原子的電荷分別為-0.363e與-0.235e。按照有機化學反應中的電荷流動規(guī)律，親雙烯體上的缺電子的碳應該與雙烯體上的富電子碳原子成鍵，進而得到鄰位取代基的產物，這與課本上給出的反應規(guī)律是相互一致的。

圖4 D-A反應示意圖

3 有機化學中周環(huán)反應的旋轉方向解釋

在周環(huán)反應中，我們學習到當π電子數為4n時加熱為順旋，光照為對旋。當π電子數為4n+2時加熱為對旋，光照為順旋。為了使學生對該知識點實現充分的理解，我們利用Material Studio軟件計算了兩個具有不同π電子數烯烴的HOMO與LUMO，計算結果如圖5所示。根據伍德沃德-霍夫曼規(guī)則，只有波函數相同的兩個軌道相互重疊才能成鍵。在圖5中，具有相同波函數的軌道以相同顏色表示，當在加熱的條件下時，發(fā)生反應的電子位于丁烯最高占據軌道上(HOMO)，其兩端碳的波函數是處于相反的位置，因此需要發(fā)生順旋才能讓具有相同波數的軌道發(fā)生重疊。當反應條件為光照時，最高占據軌道上的電子躍遷到最低空軌道上(LUMO)，而LUMO上兩端的碳原子具有相同的波函數，因此需要發(fā)生對旋即可讓具有相同波數的軌道發(fā)生重疊。同理，計算顯示己烯的HOMO兩端碳原子的波函數具有相同的相位，而LUMO兩端碳原子的波函數具有相反的相位，因此在加熱的條件下為對旋，光照條件下為順旋。

圖5 丁烯與己烯的分子軌道示意圖

4 結論

將可視化軟件Material Studio引入到有機化學的課堂教學中，將平面化的分子結構轉變?yōu)槿S的結構模型，提高了學生的空間想象能力與分析能力，同時也豐富了教學手段與教學形式。一方面，通過靈活的軟件操作展示有機化合物的立體結構模型，動態(tài)、直觀地展示化合物的三維空間結構與電荷分布，克服以往只能依靠平面畫圖與空間想象學習有機化學這一缺點，極大地提升了學生學習有機化學的熱情；另一方面，通過教學大綱和計算實例的結合應用，使學生對有機反應的本質規(guī)律有了更加深刻的了解，同時也鼓勵學生利用所學到的知識去分析以后遇到的問題，提高學生的有機化實踐能力和分析問題的水平，從而達到提升教學質量的目的。