計算機化學軟件在大學有機化學教學中的應用研究

鄭 燕，孫文新

（煙臺職業(yè)學院 a.化學系；b大學生創(chuàng)業(yè)園，山東 煙臺 264670）

計算機化學軟件在大學有機化學教學中的應用研究

鄭 燕a，孫文新b

（煙臺職業(yè)學院 a.化學系；b大學生創(chuàng)業(yè)園，山東 煙臺 264670）

為了能夠準確地反映一些基本的化學問題，比如穩(wěn)定性、反應機理等等，需要對分子進行分析，就涉及到理論分析和計算問題，因此計算機化學得到了較快的發(fā)展.這些計算機化學軟件具有其獨特的性質，可以實現(xiàn)人機的交互，并且可展示具有形象直觀等特點.筆者從具體的教學案例入手，在化學教學中，利用計算機化學軟件，豐富課堂的教學內容，活躍課堂學習氣氛，提高了學生對學習化學的熱情，課堂教學的效果顯著.

計算機；化學軟件；有機化學；應用

0 引言

計算機技術為很多領域的發(fā)展帶來了機會，在化學研究領域，越來越多的專業(yè)計算機軟件投入了使用.這些軟件的使用，可以通過符號或者化學結構式對化學反應等進行形象表達，這些符號是屬于平面的傳統(tǒng)符號，但是正是這些符號和化學結構式能夠表達研究對象的所有化學信息.也可以描述化學微觀世界，化學微觀世界較為深奧，使用計算機軟件能夠很好地揭示[1].因為這兩個優(yōu)點，計算機軟件不僅在科研界廣泛應用，而且也成為大學化學教學中廣受歡迎的工具之一，甚至成為了必不可少的教學工具.傳統(tǒng)的化學教學手段主要是掛圖、模型以及幻燈片，該種教學手段的缺點在于不能夠生動地闡述所要講述的化學問題，而計算機軟件化學教學方法則能夠很好地解決這一問題，將化學軟件同多媒體結合起來，生動地展示所要講述的內容，將一些較為抽象的問題具體化、簡單化，從而降低教學的難度，學生在理解抽象的化學問題時，不再像使用傳統(tǒng)方法那樣困難，而能夠從簡單具體的步驟開始了解，提高他們對化學學習的興趣，促使他們不斷深入了解化學微觀世界.

目前為止，市場上流行多種化學軟件，而其中較常使用的計算化學軟件有3類，分別是Caussian公司開發(fā)的Caussian 03，HyperCube公司開發(fā)的HyperChem和CambridgeSoft公司開發(fā)的ChemOffice[2].筆者主要從實際教學案例出發(fā)，對計算機化學軟件在大學有機化學教學中的應用進行簡要闡述，并針對化學軟件設計的相關問題進行探討.

1 對于分子立體模型的顯示

在傳統(tǒng)的有機化學教學中，關于分子的立體結構的講解，僅僅只是靠分子結構式來展示，但是由于不夠形象直觀，對于學生來說分子的立體結構仍舊晦澀難懂，學生很難想象出其結構，從而無法理解.但是有機化合物的分子的結構又是教學的重點，它的立體幾何構成關系到分子的反應機理以及物理、化學性質等.隨著現(xiàn)代技術的演進，有很多軟件可以對分子的立體結構進行模擬演示，教師可以利用它進行輔助教學，從而讓學生能夠直觀清晰地認識到分子的結構模式.比如ChemOffice，Hyperchem，Gaussian 03等關于化學輔助教學軟件，都可以通過3D技術實現(xiàn)分子立體結構的模擬演示，對于分子的各種模型結構都能進行模擬，比如球棍模型、金屬鍵模型以及Sticks模型等[3].這類軟件不僅可以加強學生對于分子結構的了解，還能提高學生的空間思維能力及想象力.

比如說在針對乙烷分子的構象的教學時，可以以Gaussian 03軟件來輔助教學，通過對它的操作，可以想象分子的構象，并能將其與分子的能量進行關聯(lián).其具體操作如下：第一步，建立一個乙烷分子的模型，并對其分子結構進行優(yōu)化.第二步，為了360度旋轉C-C，就要對H4-C3-C2-H1進行二面角改變.第三步，輸入Scan來對整個旋轉過程的勢能曲線進行掃描.第四步，從C-C旋轉曲線分析分子勢能構象的變化規(guī)律，與勢能曲線的最低點相對應的構象就是穩(wěn)定構象，也可稱為交叉型構象；而與勢能曲線的最高點相對應的構象就是重疊型構象.教師在進行教學時，還可以通過設計課件來輔助，將這些構象截圖，制成一個動態(tài)的畫面，并將這些圖設置得與勢能曲線走勢同步進行，這樣學生就能通過這些動畫非常清楚明了的掌握乙烷的各種構象與其相對應的勢能的關系.

2 對于有機物特性的分析

對于有機化合物的某些特性，比如物理、化學特性，相關的化學輔助軟件都能進行模擬和預測，以幫助學生實現(xiàn)形象直觀的了解.例如在針對分子軌道的理論學習時，可以輔助相關的化學軟件來克服以往的教學難點問題，借助化學輔助軟件來幫助學生理解抽象的知識理論，讓學生通過清楚地觀察分子的軌道形狀達到理解掌握HOMO等概念.這樣將抽象的理論知識轉化為形象的知識的辦法，不僅減輕了教師的教學負擔，還降低了學生理解的困難，可以一目了然地觀察掌握分子軌道的立體形狀.另外還可以通過Hyperchem軟件來實現(xiàn)對分子軌道的繪制，還包括對其能級呈現(xiàn)圖的繪制，其具體操作步驟如下：首先建立一個分子模型，并對其進行適當?shù)膬?yōu)化.第二，通過Compute下面的Orbitals選項來自動生成該分子的軌道及能級示意圖.第三，在生成的示意圖上隨機選擇一條軌道，來對其進行立體模型顯示.這種直觀、層次效果明顯的立體圖示充分展現(xiàn)了共軛π鍵的立體結構，有助于學生提高學習效率.

對于有機化合物的結構基本參數(shù)及相應的物理化學特性的分析，也可以通過相關的化學輔助軟件來實現(xiàn).例如，針對乙酰水楊酸特性的學習，就可以利用ChemOffice軟件來輔助，其具體操作步驟如下：第一步，先通過ChemDraw來描繪一個分子結構式.第二步，通過點擊View菜單下的選項來讓其計算出相應的化合物的臨界壓力、臨界溫度、臨界體積、沸點、熔點、分子量、亨利常數(shù)、生成熱等等[4].其詳細情況見圖1.

圖1 關于乙酰水楊酸的特性常數(shù)示意圖

3 對于反應機理的演示

在有機化學教學中，化合物的有機反應也是重點，其機理及所造成的影響非常復雜，種類也非常多，非常抽象難懂，通常學生很難對其進行深入的把握了解.但是對于它的學習掌握有助于學生對今后合成工藝及合理方法的選擇，提高學生的科研能力，因此有機反應的學習對學生來說具有重大意義.Gaussian 03軟件的出現(xiàn)很好地解決了這一問題，讓學生可以輕松了解、掌握這一理論.例如，針對雙分子親核反應的學習，其具體操作步驟是：第一步，先建立相應的CH3CL+BR-和CH3CL+Br-的分子模型，并對其進行優(yōu)化.第二步，通過使用QST2來相關反應的形態(tài)，并對關鍵詞進行相應的計算設計.第三步，通過計算IRC來呈現(xiàn)分子結構及能量在反應過程中的變化規(guī)律.通過軟件對其反應的演示，可以觀察到，親核試劑、離去基團、中心碳原子之間的演變，當親核試劑繞過離去基團而慢慢接近中心碳原子后，就會形成Br―C，當離去基團離中心碳原子越來越遠后，那么C―Cl也會慢慢的呈現(xiàn)斷裂現(xiàn)象.并且將引起中心碳原子發(fā)生相應的轉變，其中的氫原子會根據(jù)離去基團的方向出現(xiàn)偏轉情況.當上述所描述的反應進行到過渡的狀態(tài)時，那么中心碳原子結構就會出現(xiàn)變化，主要是呈現(xiàn)sp2雜化現(xiàn)象，并且其將與離去基團和親核試劑處于同一條直線上，另外的原子或者是基團也將出現(xiàn)在垂直于這條線的平面上.到最后，離去基團完全離開其他原子，而獨立出來成為獨立產物，而親核試劑將與中心碳原子結合形成鍵.這些過程都是可以通過GaussView軟件的形象演示而觀察到的，這種化學輔助軟件的使用，對于學生的學習效果起到了極大的提高作用，學生可以因此比較深入地了解掌握過渡態(tài)的概念以及有機反應原理.

4 對于分子光譜的模擬

關于有機化合物的分子光譜特征的學習，可促使學生能夠更加靈活地以分子的視角來分析物質世界.在現(xiàn)代社會，科學家們要實現(xiàn)對于分子光譜的分析了解，通常是通過現(xiàn)代儀器對有機物的分子結構進行準確的分析來實現(xiàn)，但是這類儀器卻不易在現(xiàn)實課堂中引用測試.而Gaussian 03軟件就可以在課堂上輕松地實現(xiàn)對分子光譜的模擬和預測[5]，例如在針對有機分子紅外光譜及振動模式的學習時就可引用該軟件，其具體操作步驟如下：第一步，先建立并優(yōu)化相應的分子模型.第二步，通過Freq關鍵詞來對該分子的振動頻率表進行計算.第三步，找出相應的計算結果輸出的文件并打開.第四步，點擊Vibrations選項，任意選擇一個彈出的分子振動頻率，通過Start就能得到相應的振動模式額音頻，而該分子化合物的紅外光譜圖可以通過點擊Spectrum得出.這樣通過動畫直觀地展示化合物的振動，獲得相應的紅外光譜等，對于學生來說，是十分容易學習掌握的.

另外，通過ChemOffice軟件還可以對有機化物的質荷比及核磁共振譜圖進行預測和模擬.例如，對于苯內酮的模擬預測，其具體操作步驟如下：第一步，先在ChemDraw中建立相應的分子結構，并對其進行優(yōu)化.第二步，通過點擊Predict 1H NMR Shifts來導出1H NMR譜圖以及相應的化學位移表格.第三步，通過點擊 Show Analysis Windows來得到相應的化合物的質荷比.學生通過觀察該軟件的預測顯示，更加容易掌握該內容，從而提高學習效率.

5 結束語

如今的化學輔助教學軟件種類繁多，功能各異，對于學生的學習來說具有莫大的輔助作用，因此也被廣泛地引用到大學的化學課堂.這些計算機化學軟件具有其獨特的性質，可以實現(xiàn)人機的交互，并且其結果展示具有形象直觀等特點.通過上述化學軟件在課堂上使用的概述，可以發(fā)現(xiàn)恰當?shù)厥褂孟嚓P的輔助軟件進行教學，不僅可以提高學生的學習效率，而且對于學生的素質的培養(yǎng)，幫助學生鍛煉空間思維能力、想象力以及提高學生今后工作中的科研和教學能力都有不可忽視的作用.但是市場上的教學輔導軟件質量參差不齊，如果盲目引用質次軟件，反而會影響到學習效果.因此要根據(jù)實際需要，恰當選擇適合的教學輔助軟件對學生進行教學，才能起到事半功倍的效果.

[1]段紀東，趙桂貞，蘇桂田，等.利用多媒體技術模擬有機化學反應過程[J].計算機與應用化學，2009，12（11)：23-26.

[2]徐順，張勇，趙曉洋，等.常用化學軟件多媒體教學軟件的開發(fā)研究[J].計算機與應用化學，2010，13（5）：45-48.

[3]劉曉東，胡宗球.GaussView在化學教學中的一些應用[J].大學化學，2009，9（5）：34-37.

[4]鄭文銳.計算化學在化學化工中的應用[J].上?；?010，10（1）：12-16.

[5]徐順，張勇，趙曉洋，等.常用化學軟件多媒體教學軟件的開發(fā)研究[J].計算機與應用化學，2009，9（12）：34-45.

（責任編輯 李健飛）

The Application of Chemistry Computer Software to College Teaching in Organic Chemistry

ZHENG Yana，SUN Wen-xinb
（a.Department of Chemistry；b.College Students Pioneering Park，Yantai Vocational College，Yantai，Shandong 264670，China）

In order to give more accurate response to some basic chemical problems，such as stability，reaction mechanism and so on，the molecular needs to be analyzed.It relates to the theoretical analysis and calculation，so the computer chemistry has developed rapidly.The computational chemistry software has its unique properties，and it can achieve human-computer interaction，showing vividness and intuitiveness，etc.In this paper，the authors start from the concrete teaching case analysis，and in chemistry teaching，show them how to make good use of computer chemistry software so as to improve the actual effect of classroom teaching，enrich the teaching contents in class，animate the classroom atmosphere and enhance students’enthusiasm of learning chemistry

computer；chemistry software；organic chemistry；application

G6420；TP39141

：A

：1673-1972（2014）03-0122-03

2014-01-16

鄭燕（1962-），女，山東威海人，副教授，主要從事化學教學論研究.