Material Studio軟件在大學(xué)有機(jī)化學(xué)可視化教學(xué)中的應(yīng)用

陳迪明 ，王曉杰

(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 河南省表界面科學(xué)重點(diǎn)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(xué)模擬、量子化學(xué)計算、模擬與計算結(jié)果分析等功能為一身的軟件，軟件內(nèi)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(yīng)用于化學(xué)與材料科學(xué)方面，可以模擬分析有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中的焓變與活化能、藥物分子的代謝動力學(xué)與氫鍵作用以及超分子化學(xué)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(shù)據(jù)表格等。

大學(xué)有機(jī)化學(xué)是高等院?；瘜W(xué)、藥學(xué)、能源動力、食品、材料等專業(yè)開設(shè)的第二門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其以無機(jī)化學(xué)中元素化學(xué)知識為基礎(chǔ)，有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)、電子分布與反應(yīng)活性為研究內(nèi)容，深入揭示了有機(jī)化合物的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與反應(yīng)活性之間的規(guī)律，是一門實踐性與應(yīng)用性較強(qiáng)的自然科學(xué)課程。全面系統(tǒng)地學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)基本概念、基本理論與實踐操作是學(xué)生進(jìn)一步掌握其它相關(guān)課程的根本與基礎(chǔ)，同時也有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的能力。與此同時，有機(jī)化學(xué)也是化學(xué)、藥學(xué)與食品等專業(yè)的考研必選課程之一，因此學(xué)好有機(jī)化學(xué)不僅僅有利于學(xué)生掌握本科期間的相關(guān)知識，也有利于學(xué)生順利通過研究生考試入學(xué)考試。由于有機(jī)化學(xué)課程中化合物種類與反應(yīng)類型繁多、化合物立體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)等特點(diǎn)，學(xué)生普遍反應(yīng)有機(jī)化學(xué)是一門較難掌握的課程，主要體現(xiàn)在聽不懂、記不住、想不出。仔細(xì)研究其原因在于學(xué)生之前接觸的無機(jī)化學(xué)主要局限于平面的反應(yīng)式與結(jié)構(gòu)式，缺乏對有機(jī)化合物立體結(jié)構(gòu)的想象與反應(yīng)規(guī)律的探究，因而缺乏對有機(jī)化學(xué)深層次的理解與反應(yīng)規(guī)律的探索。

在有機(jī)化學(xué)隨堂教學(xué)中引入Material Studio軟件，通過分子建模、構(gòu)象旋轉(zhuǎn)、分子模擬、理論計算等手段幫助學(xué)生理解有機(jī)化學(xué)中涉及的化合物立體構(gòu)型、分子軌道、電荷密度、和反應(yīng)機(jī)理等方面問題，可以加深學(xué)生對問題的理解與認(rèn)識，增強(qiáng)了與學(xué)生的互動，開啟了學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)的道路，提高他們?nèi)S分子結(jié)構(gòu)的空間想象能力與分析有機(jī)物電荷分布的能力，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的興趣，進(jìn)而獲得良好的課堂教學(xué)效果。在此，本文結(jié)合有機(jī)化學(xué)教學(xué)大綱和實例，簡單介紹Material Studio軟件在大學(xué)有機(jī)化學(xué)可視化教學(xué)中的應(yīng)用。

1 有機(jī)化合物異構(gòu)體模型的演示

有機(jī)化學(xué)教學(xué)大綱要求學(xué)生能夠準(zhǔn)確區(qū)分和畫出有機(jī)化合物的不同構(gòu)型、構(gòu)象和立體異構(gòu)，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(fèi)歇爾投影式與紐曼投影式之間的轉(zhuǎn)換。此外，許多學(xué)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(jī)化合物的立體模型表示難以理解。這些知識點(diǎn)涉及到三維空間模型，傳統(tǒng)的平面式教學(xué)方法不但讓學(xué)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(nèi)的Materials Visualizer模塊實現(xiàn)不同分子模型的構(gòu)筑，直觀表達(dá)化合物構(gòu)象、構(gòu)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(gòu)型。因此借助Material Studio軟件，可輕易繪制和演示一些有機(jī)分子的立體異構(gòu)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(jié)構(gòu)。

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(xué)習(xí)在有機(jī)化學(xué)中是非常重要的一個知識點(diǎn)。在醫(yī)藥化學(xué)上，我們把一對對映異構(gòu)體中具有較高的藥理親和力或活性的異構(gòu)體稱為Eutomer，而具有較低的藥理親和力或活性的異構(gòu)體被稱為Distomer。然而，如果立體異構(gòu)體中，有的生理效應(yīng)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(jīng)典的范例當(dāng)屬反應(yīng)停事件。我們可以利用Material Studio軟件中的Move To功能，將一對反應(yīng)停藥物的外消旋體重疊在一起，讓學(xué)生充分的了解到兩個化合物結(jié)構(gòu)上的不同之處(圖2)。

圖2 手性化合物重疊后的結(jié)構(gòu)

2 電荷分布的計算與反應(yīng)位點(diǎn)預(yù)測

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)為舊的化學(xué)鍵的斷裂與新的化學(xué)鍵的生成，按照其反應(yīng)類型可以分為涉及到正負(fù)電荷的極性反應(yīng)、協(xié)同反應(yīng)與自由基反應(yīng)三大類型。其中極性反應(yīng)占據(jù)了有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的絕大多數(shù)反應(yīng)類型，例如我們在有機(jī)化學(xué)中較早接觸到的親核親電取代與親核親電加成反應(yīng)等。這些反應(yīng)的本質(zhì)是負(fù)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(jī)化合物中的電荷分布對于理解其反應(yīng)活性與預(yù)測其反應(yīng)可能發(fā)生的位點(diǎn)具有至關(guān)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(jié)構(gòu)、選擇合適的模塊與算法，計算分析后可以直觀的展現(xiàn)有機(jī)化合物的電荷分布，從而幫助學(xué)生快速確定化學(xué)反應(yīng)的活性位置以及反應(yīng)機(jī)理走向，促進(jìn)學(xué)生理解一些教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。例如在芳香烴的親電取代定位規(guī)則的教學(xué)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(shù)值。我們在教學(xué)的過程中利用Material Studio軟件中的DMOL3模塊，計算任務(wù)選擇幾何優(yōu)化，同時在布居分析中勾選ESP電荷。計算結(jié)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(dāng)發(fā)生苯環(huán)上的親電加成時，親電試劑優(yōu)先與負(fù)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(dāng)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(yīng)，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(yīng)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(jī)化學(xué)反應(yīng)中的電荷流動規(guī)律，親雙烯體上的缺電子的碳應(yīng)該與雙烯體上的富電子碳原子成鍵，進(jìn)而得到鄰位取代基的產(chǎn)物，這與課本上給出的反應(yīng)規(guī)律是相互一致的。

圖4 D-A反應(yīng)示意圖

3 有機(jī)化學(xué)中周環(huán)反應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向解釋

在周環(huán)反應(yīng)中，我們學(xué)習(xí)到當(dāng)π電子數(shù)為4n時加熱為順旋，光照為對旋。當(dāng)π電子數(shù)為4n+2時加熱為對旋，光照為順旋。為了使學(xué)生對該知識點(diǎn)實現(xiàn)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(shù)烯烴的HOMO與LUMO，計算結(jié)果如圖5所示。根據(jù)伍德沃德-霍夫曼規(guī)則，只有波函數(shù)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(shù)的軌道以相同顏色表示，當(dāng)在加熱的條件下時，發(fā)生反應(yīng)的電子位于丁烯最高占據(jù)軌道上(HOMO)，其兩端碳的波函數(shù)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(shù)的軌道發(fā)生重疊。當(dāng)反應(yīng)條件為光照時，最高占據(jù)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(shù)，因此需要發(fā)生對旋即可讓具有相同波數(shù)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(shù)具有相同的相位，而LUMO兩端碳原子的波函數(shù)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(jié)論

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