利用化學(xué)計(jì)算軟件強(qiáng)化中學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)手性結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和理解

劉智建

【摘要】學(xué)生在學(xué)習(xí)有機(jī)化合物的立體手性結(jié)構(gòu)時(shí)很難理解，本文利用高斯化學(xué)軟件模擬和計(jì)算得到了天冬氨酸兩個(gè)對(duì)映體的三維立體結(jié)構(gòu)圖和手性光學(xué)性質(zhì)。軟件在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，使得抽象的知識(shí)直觀化、形象化，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。

【關(guān)鍵字】高中化學(xué)? ?手性結(jié)構(gòu)? ?化學(xué)計(jì)算模擬

【中圖分類號(hào)】G633.8? ??【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? ??【文章編號(hào)】1992-7711（2020）10-117-01

近年來(lái)，隨著信息科學(xué)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化教學(xué)手段越來(lái)越豐富，它對(duì)提高課堂的教學(xué)效率有日益重要的作用。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)已經(jīng)深入到化學(xué)課程的的各個(gè)環(huán)節(jié)。一些專業(yè)化學(xué)軟件如ChemDraw， ，GaussView和Gaussian等也應(yīng)用于日常的教學(xué)中。在高中化學(xué)有機(jī)化學(xué)部分，提到了部分有機(jī)分子具有手性的性質(zhì)，可是很多學(xué)生難以理解這類化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給教學(xué)帶來(lái)了很多困難。

手性是一種立體化學(xué)，很多有機(jī)小分子具有手性是因?yàn)槠浜惺中蕴荚樱中蕴荚拥臉?biāo)志通常是其連接有四個(gè)不同的原子或官能團(tuán)，含有一個(gè)手性碳原子的有機(jī)小分子通常具有兩種不同的空間排列，其中一種成為左旋異構(gòu)體，另一種為右旋異構(gòu)體，兩個(gè)異構(gòu)體在空間具有鏡像對(duì)稱的關(guān)系。就像我們的左手和右手的關(guān)系一樣，將左手放到鏡子前面，我們?cè)阽R子里看到的形狀和右手完全一致。手性分子發(fā)展至今，一直受到人們普遍的關(guān)注，手性化學(xué)的意義也變得越來(lái)越重大。尤其是，手性化學(xué)在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和生命科學(xué)領(lǐng)域具有特別的重要性。

天冬氨酸是一種常見(jiàn)的氨基酸，它具有一個(gè)手性碳原子，有兩種對(duì)映異構(gòu)體（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸（結(jié)構(gòu)如圖1所示），其中（R）-天冬氨酸具有甜味而（S）-天冬氨酸具有苦味。本文以天冬氨酸為教學(xué)實(shí)例，利用高斯化學(xué)軟件GaussView 5.0和Gaussian 09模擬計(jì)算了（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)得到了能量最低的狀態(tài)，并計(jì)算得到了它們的比旋光度 。

一 、天冬氨酸對(duì)映異構(gòu)體結(jié)構(gòu)的模擬

由于手性化學(xué)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容十分抽象，涉及結(jié)構(gòu)對(duì)稱性等概念，需要很強(qiáng)的空間想象力。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中感到難度較大、枯燥乏味。對(duì)學(xué)生而言就是一個(gè)難以理解的問(wèn)題。授課教師如果能借助于Gaussian 09與GaussView 5.0 等量子化學(xué)計(jì)算軟件，給學(xué)生示范由原子搭建成分子，并對(duì)搭建的分子構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，計(jì)算出化合物的比旋光度，從而使學(xué)生更好地理解手性結(jié)構(gòu)的特征、對(duì)映異構(gòu)體的概念和空間結(jié)構(gòu)的差異以及對(duì)稱性的概念。下面以天冬氨酸為例進(jìn)行說(shuō)明，具體的結(jié)果和分析方法如下：

（一）結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用GaussView 5.0分別搭建（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的結(jié)構(gòu)，然后采用Gaussian 09軟件包中的密度泛函理論方法，在B3LYP水平下以6-31G為基組對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面優(yōu)化。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的分子用GaussView 5.0打開可查看結(jié)構(gòu)，在窗口中拖動(dòng)鼠標(biāo)可實(shí)現(xiàn)分子360度自由旋轉(zhuǎn)，但無(wú)論兩個(gè)異構(gòu)體（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的結(jié)構(gòu)怎樣旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)分子結(jié)構(gòu)不會(huì)完全重疊。這很好的讓學(xué)生可以直觀觀察到手性分子的特征，即手性分子的兩種對(duì)映異構(gòu)體在空間是鏡像對(duì)稱且無(wú)法完全重疊，兩個(gè)分子雖然具有相似的結(jié)構(gòu)，但從空間立體化學(xué)上來(lái)說(shuō)不是同一個(gè)分子。除此之外學(xué)生還可以從得到的計(jì)算輸出文件中獲得分子的各種數(shù)據(jù)，比如鍵長(zhǎng)、鍵角等。

（二）計(jì)算比旋光度

手性分子通常具有的特異的光學(xué)活性——旋光性（optical activity），它是一種使偏振面旋轉(zhuǎn)的性能，利用旋光儀可測(cè)量其偏轉(zhuǎn)的角度，稱為旋光度α或比旋光度[α]，化合物的左旋異構(gòu)體和右旋異構(gòu)體的旋光度絕對(duì)值相同但符號(hào)相反。1815年，Jean-Baptiste Biot首次觀察到這一現(xiàn)象，并引起了廣泛的關(guān)注。1848年，Louis Pasteur利用假定手性分子引起介質(zhì)的光學(xué)活性，解釋了手性形成的機(jī)制。

首先搭建（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的結(jié)構(gòu)模型，再利用Gaussian 09采用上述方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)，接著采用Gaussian 09軟件包中的密度泛函理論方法，在B3LYP水平下以6-31G為基組以#polar=optrot B3LYP/6-31G為關(guān)鍵詞對(duì)這兩個(gè)物質(zhì)的比旋光度進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。從得到（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的比旋光度計(jì)算輸出文件中查找[alpha]D=，可得出（R）-天冬氨酸比旋光度的計(jì)算結(jié)果為 +111.88，（S）-天冬氨酸為-111.88。說(shuō)明對(duì)映異構(gòu)體具有相反的手性光學(xué)特性。對(duì)比文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值的誤差較大，這是由于文獻(xiàn)報(bào)道實(shí)驗(yàn)測(cè)量（R）-或（S）-天冬氨酸比旋光度是在6mol/L鹽酸溶液中進(jìn)行。眾所周知，氨基與鹽酸會(huì)生成銨鹽結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值存在著明顯差別。

二、結(jié)論

本文利用當(dāng)今有機(jī)化學(xué)量化計(jì)算的高斯軟件模擬了手性天冬氨酸對(duì)映體的三維空間結(jié)構(gòu)，并對(duì)（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的比旋光度進(jìn)行了精確計(jì)算。通過(guò)Gaussian程序的分析和計(jì)算，使學(xué)生更好地理解了手性的概念、手性分子的結(jié)構(gòu)特征和手性分子的光學(xué)特性。讓學(xué)生易學(xué)易懂，提高了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量?？梢?jiàn)Gaussian軟件走進(jìn)中學(xué)化學(xué)課堂，使抽象理論的形象化、直觀化，可以大大增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的興趣，提高教學(xué)的效率。隨著科技的飛速發(fā)展，不斷完善的Gaussian程序及相關(guān)軟件，將在化學(xué)教學(xué)和科學(xué)研究中的作用也將不斷增加。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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[3] 梁錦霞， Gaussian09 軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用：優(yōu)化分子的結(jié)構(gòu)[J].廣東化工， 2017， 44（15）： 287- 288.