MS分子模擬軟件在有機(jī)化學(xué)立體異構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用*

鄭 倩，潘 睿,向 卉，何書引

(1 四川師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610066；2 重慶德普外國語學(xué)校，重慶 400000；3 成都美視國際學(xué)校，四川 成都 610042)

在高中有機(jī)化學(xué)中，立體異構(gòu)涉及了有機(jī)物分子微觀結(jié)構(gòu)在三維空間的立體式呈現(xiàn)，是有機(jī)化學(xué)概念的重要組成部分，涵蓋了有機(jī)物分子的構(gòu)型異構(gòu)與構(gòu)象異構(gòu)，是鋸架式，費(fèi)歇爾投影式、紐曼式等有機(jī)物立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式的概念基礎(chǔ)。其教學(xué)目的是促進(jìn)學(xué)生對(duì)有機(jī)物立體結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，是從三維空間理解分子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)行為及化學(xué)性質(zhì)相互關(guān)系，掌握有機(jī)立體化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的重要理論基礎(chǔ)[1]。

然而，在前置教學(xué)章節(jié)中，關(guān)于有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的特征僅從平面二維的角度(比如：路易斯構(gòu)造式、短線構(gòu)造式、鍵線構(gòu)造式或縮簡構(gòu)造式)使學(xué)生有了初步認(rèn)識(shí)，并未涉及相關(guān)結(jié)構(gòu)的三維空間立體呈現(xiàn)。在后續(xù)有機(jī)物立體異構(gòu)的教學(xué)中，如果延續(xù)二維平面圖片結(jié)合文字解釋的教學(xué)方式，常常會(huì)使學(xué)生難以在頭腦中形成立體的三維空間模型，并產(chǎn)生概念上的理解模糊及辨析困難。在課堂教學(xué)中，常用到的實(shí)體分子球棍模型雖然能夠在一定程度上幫助學(xué)生對(duì)構(gòu)型異構(gòu)中的順反異構(gòu)及光學(xué)異構(gòu)進(jìn)行認(rèn)知和理解，但該模型局限于其具有的靜態(tài)性特征，對(duì)于對(duì)立體異構(gòu)中的構(gòu)象異構(gòu)則不便于進(jìn)行C-C單鍵的連續(xù)性轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也不能對(duì)構(gòu)象進(jìn)行勢能數(shù)據(jù)的計(jì)算。同樣，為廣大化學(xué)教師所熟悉的ChemSketch、ChemWindow、Gaussian等教學(xué)輔助軟件雖然能夠?qū)崿F(xiàn)分子構(gòu)象動(dòng)態(tài)的連續(xù)性可視化演示及離散的能量計(jì)算，但由于其構(gòu)象與勢能數(shù)據(jù)不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的一一關(guān)聯(lián)與對(duì)應(yīng)演示，對(duì)消除反應(yīng)中有關(guān)立體化學(xué)的定性、定量反應(yīng)機(jī)理缺乏必要的直接性和直觀性的解析[2]。

Material Studio(MS) 是由世界領(lǐng)先的BIOVIA計(jì)算科學(xué)公司開發(fā)研制出的一款分子模擬計(jì)算軟件，在集合了量子力學(xué)(Quantum Mechanics)、分子力學(xué)(Molecular Mechanics)、分子動(dòng)力學(xué)(Molecular Dynamics)和蒙特卡洛(Monte Carlo)等多種計(jì)算理論的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了微觀原子、分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出分子能量變化的動(dòng)力學(xué)軌跡并進(jìn)行可視化分析。該軟件在360°全景分子結(jié)構(gòu)展示的基礎(chǔ)上，增添了連續(xù)性的動(dòng)畫演示及與之一一對(duì)應(yīng)的勢能表征曲線譜圖，使化合物分子三維立體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從抽象、晦澀的文字語言解釋到直觀、形象的連續(xù)性動(dòng)態(tài)演示的轉(zhuǎn)變，并從定性、定量的角度進(jìn)行了完整呈現(xiàn)，增添了直接性、直觀性的機(jī)理解析[3-4]。

基于有機(jī)化學(xué)立體異構(gòu)的知識(shí)點(diǎn)所需，本文以教材中典型的2-溴丁烷化合物為例，依次介紹MS軟件中所涉及的3個(gè)功能模塊：Visualizer、Forcite以及Conformers在分子空間構(gòu)象及E2消除反應(yīng)中定性、定量的可視化教學(xué)輔助應(yīng)用。

1 MS軟件相關(guān)功能模塊介紹

1.1 Visualizer

Visualizer提供的是MS軟件圖形化界面，也是整個(gè)平臺(tái)的核心，其功能包括：搭建、調(diào)整各類三維可視的分子結(jié)構(gòu)模型，在建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的二維、 三維顯示并給出相關(guān)矢量圖[5]。

1.2 Forcite

Forcite是分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序，用于對(duì)單個(gè)分子及分子三維聚集體系的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能量計(jì)算，并對(duì)分子體系的結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱力學(xué)性質(zhì)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)以及統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析[5]。

1.3 Conformers

Conformers是以多種力場為基礎(chǔ)，高效搜索各類分子(包括環(huán)狀分子)構(gòu)象的計(jì)算程序，用于建立分子構(gòu)象與其能量、偶極矩及回轉(zhuǎn)半徑之間的關(guān)系，在有機(jī)物反應(yīng)機(jī)理、催化等諸多研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用性[5]。

2 MS軟件在有機(jī)化學(xué)立體異構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 分子的構(gòu)建與優(yōu)化

打開MS軟件File功能菜單，創(chuàng)建一個(gè)空白項(xiàng)目名稱為2BB project，選擇3D Atomistic Document 新建一個(gè)結(jié)構(gòu)性文件，命名為2BB.xsd，如圖1a所示。在當(dāng)前創(chuàng)建文件的窗口中，使用工具欄中的sketch工具繪制2BB分子結(jié)構(gòu)(此部分操作與chemsketch相同，便于上手)，繪制完成后點(diǎn)擊clean按鈕對(duì)該分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始的分子鍵長及鍵角的自動(dòng)調(diào)整，如圖1右所示。

圖1 2BB分子結(jié)構(gòu)的文件創(chuàng)建及化學(xué)結(jié)構(gòu)在MS 軟件中的繪制

從軟件界面的頂端打開Modules菜單，選擇Forcite模塊下的Calculation選項(xiàng)，在對(duì)話框中用鼠標(biāo)點(diǎn)擊Setup，在隨即跳出Task下拉列表中選中Dynamics選項(xiàng)，依次進(jìn)行運(yùn)算時(shí)間、步長及結(jié)構(gòu)輸出的設(shè)定。設(shè)定完成后，關(guān)閉對(duì)話框，點(diǎn)擊run運(yùn)行，此時(shí)軟件開始執(zhí)行分子動(dòng)力學(xué)能量優(yōu)化運(yùn)算。在軟件運(yùn)算過程中，當(dāng)前窗口會(huì)自動(dòng)跳出分子結(jié)構(gòu)能量及程序計(jì)算優(yōu)化的動(dòng)態(tài)變化曲線。當(dāng)計(jì)算結(jié)束，在窗口的左端樹形文件圖中會(huì)隨即生成新的文件夾 2BB Forcite Dynamics，其中包含了在優(yōu)化過程中的所有軌跡運(yùn)行文件及優(yōu)化后的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，用于后續(xù)構(gòu)象的能量計(jì)算。

2.2 分子的空間構(gòu)象及勢能計(jì)算

由于有機(jī)物分子構(gòu)象是通過C-C單鍵旋轉(zhuǎn)所形成原子或原子團(tuán)在空間的相對(duì)位置差異，因此在軟件構(gòu)建的分子結(jié)構(gòu)中，可以通過考察關(guān)鍵位置單鍵的扭轉(zhuǎn)(torsion)來確定其在空間自由旋轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的可能構(gòu)象數(shù)及其勢能的高低。以2BB.xsd 分子結(jié)構(gòu)為當(dāng)前活動(dòng)窗口，從菜單Modules下拉菜單中選擇Conformers計(jì)算模塊，打開Conformers 中的Calculation 對(duì)話框，點(diǎn)擊Torsions 按鈕，在跳出的表格中列出了2BB分子中經(jīng)過C-C單鍵旋轉(zhuǎn)所形成的扭轉(zhuǎn)角，如圖2左所示。在本文的示例分子中，勾取C-C-C-C(1)扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行構(gòu)象勢能計(jì)算，其位置對(duì)應(yīng)于圖2b中的虛線所示。

圖2 2BB分子C-C單鍵旋轉(zhuǎn)形成的扭轉(zhuǎn)角C-C-C-C(1)

在顯示選中的藍(lán)色C-C-C-C(1)扭轉(zhuǎn)角設(shè)置區(qū)域設(shè)置輸出步長Steps值為60，其余對(duì)應(yīng)設(shè)置由軟件自行更新完成，關(guān)閉對(duì)話框后，點(diǎn)擊Run開始運(yùn)行構(gòu)象及勢能的計(jì)算程序。

當(dāng)上述運(yùn)算程序完成后，軟件將自動(dòng)生成一個(gè)名為2BB Conformers Calculation的新文件夾。打開該文件夾，找到名為2BB.std的文檔，雙擊后在當(dāng)前軟件窗口的左側(cè)會(huì)出現(xiàn)列表，從左至右依次顯示出構(gòu)象名、扭轉(zhuǎn)角度數(shù)及對(duì)應(yīng)的勢能值。選中旋轉(zhuǎn)角度數(shù)及對(duì)應(yīng)的勢能值所屬列，單擊菜單欄中的Quick Plot生成圖表按鈕，則會(huì)出現(xiàn)如圖3的扭轉(zhuǎn)角度與勢能曲線圖，其中橫坐標(biāo)為2BB形成不同構(gòu)象中C-C-C-C(1)扭轉(zhuǎn)角的度數(shù)，縱坐標(biāo)為其對(duì)應(yīng)的勢能值。

2.3 鹵代烷E2消除反應(yīng)中優(yōu)勢構(gòu)象的確定

在圖3曲線中依次分布扭轉(zhuǎn)角度數(shù)及所對(duì)應(yīng)的勢能值大小，雙擊選中曲線中的任意點(diǎn)，則軟件自動(dòng)在左側(cè)列表中以藍(lán)色區(qū)域顯示該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的C-C-C-C(1)扭轉(zhuǎn)角度數(shù)及其能量值，雙擊列表中藍(lán)色區(qū)域的構(gòu)象名稱，在當(dāng)前窗口自動(dòng)跳出該扭轉(zhuǎn)角度數(shù)所對(duì)應(yīng)的2BB瞬時(shí)構(gòu)象三維立體圖示，移動(dòng)鼠標(biāo)，該構(gòu)象隨即可進(jìn)行360°可控的全景展示。

根據(jù)勢能曲線分布高低，在圖3中依次出現(xiàn)了三個(gè)相對(duì)極大值點(diǎn)D、E和F，對(duì)應(yīng)的構(gòu)象分別是frame 2，frame 4和frame 6。要形成這三種構(gòu)象，2-溴丁烷分子需要更多的能量進(jìn)行扭轉(zhuǎn)且翻越相應(yīng)能壘，勢必會(huì)造成一定的困難導(dǎo)致其構(gòu)象形成的概率較低。同時(shí)，在曲線中出現(xiàn)的三個(gè)勢能相對(duì)極小值點(diǎn)A、B和C點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的構(gòu)象分別是frame 1，frame 3和frame 5，其勢能相對(duì)較低且為負(fù)值，表明這三種構(gòu)象相對(duì)較穩(wěn)定。

在圖3中，選擇曲線中的極小值點(diǎn)A，在列表中藍(lán)色區(qū)域標(biāo)識(shí)出該極小值所對(duì)應(yīng)的構(gòu)象所具有的相關(guān)數(shù)據(jù)，其對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度為-172.45°，勢能為-9.73 kcal/mol，基于空間位阻及能量的考量可得出frame 1是最穩(wěn)定的構(gòu)象。單擊該構(gòu)象名frame 1，則在當(dāng)前窗口跳出該勢能所對(duì)應(yīng)的三維立體構(gòu)象，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的2-溴丁烷構(gòu)象位于反式共平面，該構(gòu)象經(jīng)E2消除反應(yīng)得到產(chǎn)物為反-2-丁烯。

圖3 2BB分子中C-C-C-C(1)扭轉(zhuǎn)角度數(shù)及其勢能曲線圖

與此類似，在曲線中選擇另兩個(gè)相對(duì)極小值點(diǎn)B和C，重復(fù)進(jìn)行上述操作，在當(dāng)前窗口跳出對(duì)應(yīng)的三維立體構(gòu)象分別為frame 3和frame 5，對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度分別為-76.45°和61.55°，勢能分別為-8.67和-6.00 kcal/mol，其能量相較frame 1更高且同樣需翻越相應(yīng)的能壘進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致其形成的概率相對(duì)較低。經(jīng)觀察，frame 3和frame 5構(gòu)象中兩個(gè)甲基位于順式共平面，經(jīng)E2消除反應(yīng)得到產(chǎn)物為順-2-丁烯。

結(jié)合文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)所測得的結(jié)果：2-溴丁烷采用E2消除反應(yīng)中生成的反-2-丁烯和順-2-丁烯產(chǎn)量比例約為3:1，如圖4[6]所示。由此驗(yàn)證了在2-溴丁烷E2消除反應(yīng)中，反式共平面、勢能最低的frame 1構(gòu)象是優(yōu)勢構(gòu)象。

圖4 2-溴丁烷中E2消除反應(yīng)及產(chǎn)物比例

3 結(jié) 語

MS分子模擬軟件相較其他類型信息化教學(xué)工具的突出優(yōu)勢在于：基于360°全景分子結(jié)構(gòu)的展示，實(shí)現(xiàn)分子瞬時(shí)構(gòu)象的能量計(jì)算并增添連續(xù)性的動(dòng)畫演示及與之一一對(duì)應(yīng)的勢能表征曲線譜圖，能夠?qū)⒂袡C(jī)物分子的組成-結(jié)構(gòu)-能量相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有效的關(guān)聯(lián)及整合，在增加直觀性的同時(shí)，幫助學(xué)生深入理解與辨析有機(jī)物的分子構(gòu)型、分子構(gòu)象等易混淆概念，深化物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的化學(xué)本質(zhì)相關(guān)性，為學(xué)生后續(xù)掌握有機(jī)立體化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，從三維空間理解分子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)行為及化學(xué)性質(zhì)的相互關(guān)系提供有效的教學(xué)輔助作用。