Chem3D在手性立体化学教学中的应用

刘立佳，张春红，沈 军，徐晓冬　董红星　王玉丹

摘要：作者根据教学实践体会，对手性立体化学教学中遇到的分子结构空间结构的直观认知等问题，应用Chem3D计算机软件，用Chem3D的三维空间的显示功能展示有机化合物的空间结构、构象和构型，增强学生的直观效果，能使学生对有机化合物的结构有明确的认识。

关键词：Chem3D；立体化学；手性化学

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）29-0279-02

一、Chem3D软件简介

Chem3D是ChemOffice软件中的一个模块，能够提供工作站级的3D分子轮廓图及分子轨道特性分析，并和数种量子化学软件结合在一起，现已成为分子仿真分析最佳的前端开发环境。除了Chem3D外ChemOffice还包括ChemDraw化学结构绘图，ChemFinder化学信息搜寻整合系统以及E-Notebook Ultra 10.0、BioAssay Pro 10.0、量化软件MOPAC、Gaussian和GAMESS的界面等等相关软件。Chem3D可以将ChemDraw绘制的化学结构图以三维立体的形式全方位地展示出来。Chem3D、ChemDraw与ChemFinder模块联合使用，形成化学信息搜寻整合系统，可以建立化学数据库、储存及搜索，也可以使用现成的化学数据库。在教学过程中，教师可以利用ChemOffice软件来辅助教学，从而有利于提高学生的空间想象能力，将知识点掌握得更牢固。

二、绘制分子三维结构模型，实现分子结构的三维展示

在Chem3D中利用主窗口上的绘图工具栏和动画控制栏，可以快速做出形式多样的3D动画，从多角度展示有机分子在空间的分布与运动，和Camtasia、Hyperecam等视频捕捉软件制作的3D动画相比，生成的视频过程简单快捷。例如绘制苯的分子结构。首先启动chem3D软件，打开默认起始界面，使用“文本”工具输入结构式C6H6，按“Enter”键将其自动转化为三维分子模型。另外也可以通过在Chem3D中内嵌的ChemDraw面板中绘制相应的平面二维分子结构式，在其3D建模窗口中即可同步获得与二维平面分子结构式相对应的三维分子结构模型。Chem3D同时还提供了多种三维模型表示方式，如：线框模型、棍状模型、球棍模型、比例模型及填充模型，可以自由选择从而实现分子结构的显示方式的转换。点击软件中的旋转按钮后，可通过点击鼠标左键拖拽实现三维分子模型的旋转，可实现360度全方位的立体动画展示分子结构。也可进行手动或自动旋转分子模型，从不同角度观察动态分子，也可将分子停留在任意状态，便于静态观察。其动画效果生动、直观，具有较强的辅助教学功能。其3D优化功能将抽象的优势构象具体化，再加上动态效果，在教学上可起到事半功倍的效果。

三、手性分子立体构型的判断

由于手性分子的立体构型比较抽象，需要学生具备较强的空间立体思维，对于刚刚接触手性立体化学的同学来说，对手性分子的立体构型判断一直是较难理解和掌握的内容。而Chem3D由于其可以展示分子三维结构，因此其对于辅助立体化学教学，帮助学生理解和判断手性分子立体构型的问题上有着不可比拟的优势。以下以手性苯乙胺为例介绍Chem3D辅助判断手性分子空间立体构型的应用。先在chem3D中chemdraw面板上绘制苯乙胺的分子结构式，在3D建模区会同步显示出对应的苯乙胺分子的3D分子模型，在3D模型中点击选择手性碳原子（7号原子）后，所选原子变为黄色，之后点击structure菜单下detect stereochemistry选项，在下方信息栏中会立即显示所选定的手性原子的立体化学信息。如本例中，“Stereochemistry C（7）：R”意为所选定的7号碳原子为R型结构。这样就能直观地通过Chem3D对手性分子的空间立体构型进行判断。在这部分教学中可以将费歇尔投影式与分子3D模型相结合进行教学，使学生掌握手性立体构型的判别方法，从而使学生对于分子手性构型有进一步的理解。

四、轴手性化合物空间手性结构理解及结构优化

Chem3D提供了一种有效的工具来使其分子结构更明确，更利于理解。首先，在Chem3D中的Chemdraw面板中绘制联萘胺的平面结构图，在其3D建模区可同步显示联萘胺分子的立体三维模型。并通过旋转工具展示联萘胺分子的顶视图和侧视图，使学生对联萘胺的三维分子结构有大致的了解。此时，联萘胺三维模型的构象并不是最稳定的构象，要得到稳定构象，需对三维模型进行结构优化。通过MM2计算可以优化分子结构以得到分子的稳定构象。同时，可执行MM2计算模拟分子振动，从而使学生对分子运动行为有更直观的理解。

联萘胺的轴手性可通过计算有两个萘基团组成的分子平面间的二面角与分子能量的关系来说明萘基团围绕手性轴的旋转受限行为，从而解释联萘胺分子的稳定轴手性结构。要获得二面角与分子能量的关系曲线，首先要在三维分子模型中选定与轴相连的四个原子（如图2所示），之后点击calculations菜单下的dihedral drivers，运行Single Angle Plot。系统将会自动运算出二面角与分子能量的关系图。该关系图与所选定的三维分子模型的二面角具有联动关系。当鼠标左键点击关系图中关系曲线相应位置时，三维模型二面角会随动到相应角度，这使得分子结构中的立体障碍效应一目了然，对于学生理解有重要的帮助。

通过对二面角与分子能量关系曲线的分析我们可以看出，当二面角介于45～135度及-45～-135度区间时，分子能量最低，表明在这两个二面角区域内联萘胺分子构象稳定。而在±45度区间及-135～-185和135～185度区间内分子能量较高，这是由于分子内萘环间的立体障碍效应导致的，因此在上述二面角区间内分子结构不稳定。而正是由于分子内立体障碍的作用，联萘胺分子分别在二面角±[45～135]度区间内保持稳定构象，导致了联萘胺分子的两种对映异构体。这样通过Chem3D软件就可以清晰直观地对联萘胺分子的轴手性结构进行解释，从而增进学生对这种不含手性原子的轴手性结构的理解。

五、其他辅助功能

Chem3D軟件还可以与ChemDraw、SciFinder共同联手，在SciFinder数据库中搜索对应的结构、反应和丰富的文献信息。例如想要调研一种新药物，需在ChemDraw中绘制出化合物结构。选中结构，点击SciFinder按钮，选择搜索类型，进入到SciFinder的界面，可以探索实验性质，确定合成条件和步骤，查看SciFinder中的文献、期刊和专利信息以及任何SciFinder提供的数据。也可以指定目标产物的起始原料，利用SciFinder智能搜索功能，将直接把匹配的相关反应呈示出来。可以确定最优实验步骤、计划安排以及实验室操作，甚至可以向供应商订购原料。

结语：分子中原子和基团在三维空间的排布以及分子的立体结构对其物理和化学性质的影响，这是大学有机化学中的重要内容之一，采用计算机软件Chem3D绘制立体化学中相关的分子结构式，通过一些化合物的异构体的绘制和展现，巩固和加深了已学的知识。Chem3D在有机化学多媒体教学中还有许多地方需要我们去思考和发现，希望借助于计算机辅助教学，能更好地将有机化学知识传递给学生。

参考文献：

[1]罗钧，尚先梅，项光亚.大学有机化学中若干立体化学问题的解释[J].化学教育，2012，（5）.

[2]刘立佳，王玉丹，赵方波.ChemOffice软件在化学教学中的作用[J].教育教学论坛，2015，（1）.