MS分子模拟软件在有机化学立体异构教学中的应用*

郑 倩，潘 睿,向 卉，何书引

(1 四川师范大学化学与材料科学学院，四川 成都 610066；2 重庆德普外国语学校，重庆 400000；3 成都美视国际学校，四川 成都 610042)

在高中有机化学中，立体异构涉及了有机物分子微观结构在三维空间的立体式呈现，是有机化学概念的重要组成部分，涵盖了有机物分子的构型异构与构象异构，是锯架式，费歇尔投影式、纽曼式等有机物立体结构表达式的概念基础。其教学目的是促进学生对有机物立体结构的认知，是从三维空间理解分子结构、反应行为及化学性质相互关系，掌握有机立体化学反应机理的重要理论基础[1]。

然而，在前置教学章节中，关于有机化合物结构的特征仅从平面二维的角度(比如：路易斯构造式、短线构造式、键线构造式或缩简构造式)使学生有了初步认识，并未涉及相关结构的三维空间立体呈现。在后续有机物立体异构的教学中，如果延续二维平面图片结合文字解释的教学方式，常常会使学生难以在头脑中形成立体的三维空间模型，并产生概念上的理解模糊及辨析困难。在课堂教学中，常用到的实体分子球棍模型虽然能够在一定程度上帮助学生对构型异构中的顺反异构及光学异构进行认知和理解，但该模型局限于其具有的静态性特征，对于对立体异构中的构象异构则不便于进行C-C单键的连续性转动，同时也不能对构象进行势能数据的计算。同样，为广大化学教师所熟悉的ChemSketch、ChemWindow、Gaussian等教学辅助软件虽然能够实现分子构象动态的连续性可视化演示及离散的能量计算，但由于其构象与势能数据不能进行实时的一一关联与对应演示，对消除反应中有关立体化学的定性、定量反应机理缺乏必要的直接性和直观性的解析[2]。

Material Studio(MS) 是由世界领先的BIOVIA计算科学公司开发研制出的一款分子模拟计算软件，在集合了量子力学(Quantum Mechanics)、分子力学(Molecular Mechanics)、分子动力学(Molecular Dynamics)和蒙特卡洛(Monte Carlo)等多种计算理论的基础上，实现了微观原子、分子结构的构建，能够准确地计算出分子能量变化的动力学轨迹并进行可视化分析。该软件在360°全景分子结构展示的基础上，增添了连续性的动画演示及与之一一对应的势能表征曲线谱图，使化合物分子三维立体结构实现从抽象、晦涩的文字语言解释到直观、形象的连续性动态演示的转变，并从定性、定量的角度进行了完整呈现，增添了直接性、直观性的机理解析[3-4]。

基于有机化学立体异构的知识点所需，本文以教材中典型的2-溴丁烷化合物为例，依次介绍MS软件中所涉及的3个功能模块：Visualizer、Forcite以及Conformers在分子空间构象及E2消除反应中定性、定量的可视化教学辅助应用。

1 MS软件相关功能模块介绍

1.1 Visualizer

Visualizer提供的是MS软件图形化界面，也是整个平台的核心，其功能包括：搭建、调整各类三维可视的分子结构模型，在建模的基础上进行数据的二维、 三维显示并给出相关矢量图[5]。

1.2 Forcite

Forcite是分子力学和分子动力学计算程序，用于对单个分子及分子三维聚集体系的结构优化、能量计算，并对分子体系的结构参数、热力学性质、动力学性质以及统计学性质进行分析[5]。

1.3 Conformers

Conformers是以多种力场为基础，高效搜索各类分子(包括环状分子)构象的计算程序，用于建立分子构象与其能量、偶极矩及回转半径之间的关系，在有机物反应机理、催化等诸多研究领域具有广泛的应用性[5]。

2 MS软件在有机化学立体异构教学中的应用

2.1 分子的构建与优化

打开MS软件File功能菜单，创建一个空白项目名称为2BB project，选择3D Atomistic Document 新建一个结构性文件，命名为2BB.xsd，如图1a所示。在当前创建文件的窗口中，使用工具栏中的sketch工具绘制2BB分子结构(此部分操作与chemsketch相同，便于上手)，绘制完成后点击clean按钮对该分子结构进行初始的分子键长及键角的自动调整，如图1右所示。

图1 2BB分子结构的文件创建及化学结构在MS 软件中的绘制

从软件界面的顶端打开Modules菜单，选择Forcite模块下的Calculation选项，在对话框中用鼠标点击Setup，在随即跳出Task下拉列表中选中Dynamics选项，依次进行运算时间、步长及结构输出的设定。设定完成后，关闭对话框，点击run运行，此时软件开始执行分子动力学能量优化运算。在软件运算过程中，当前窗口会自动跳出分子结构能量及程序计算优化的动态变化曲线。当计算结束，在窗口的左端树形文件图中会随即生成新的文件夹 2BB Forcite Dynamics，其中包含了在优化过程中的所有轨迹运行文件及优化后的稳定结构，用于后续构象的能量计算。

2.2 分子的空间构象及势能计算

由于有机物分子构象是通过C-C单键旋转所形成原子或原子团在空间的相对位置差异，因此在软件构建的分子结构中，可以通过考察关键位置单键的扭转(torsion)来确定其在空间自由旋转所对应的可能构象数及其势能的高低。以2BB.xsd 分子结构为当前活动窗口，从菜单Modules下拉菜单中选择Conformers计算模块，打开Conformers 中的Calculation 对话框，点击Torsions 按钮，在跳出的表格中列出了2BB分子中经过C-C单键旋转所形成的扭转角，如图2左所示。在本文的示例分子中，勾取C-C-C-C(1)扭转角进行构象势能计算，其位置对应于图2b中的虚线所示。

图2 2BB分子C-C单键旋转形成的扭转角C-C-C-C(1)

在显示选中的蓝色C-C-C-C(1)扭转角设置区域设置输出步长Steps值为60，其余对应设置由软件自行更新完成，关闭对话框后，点击Run开始运行构象及势能的计算程序。

当上述运算程序完成后，软件将自动生成一个名为2BB Conformers Calculation的新文件夹。打开该文件夹，找到名为2BB.std的文档，双击后在当前软件窗口的左侧会出现列表，从左至右依次显示出构象名、扭转角度数及对应的势能值。选中旋转角度数及对应的势能值所属列，单击菜单栏中的Quick Plot生成图表按钮，则会出现如图3的扭转角度与势能曲线图，其中横坐标为2BB形成不同构象中C-C-C-C(1)扭转角的度数，纵坐标为其对应的势能值。

2.3 卤代烷E2消除反应中优势构象的确定

在图3曲线中依次分布扭转角度数及所对应的势能值大小，双击选中曲线中的任意点，则软件自动在左侧列表中以蓝色区域显示该点所对应的C-C-C-C(1)扭转角度数及其能量值，双击列表中蓝色区域的构象名称，在当前窗口自动跳出该扭转角度数所对应的2BB瞬时构象三维立体图示，移动鼠标，该构象随即可进行360°可控的全景展示。

根据势能曲线分布高低，在图3中依次出现了三个相对极大值点D、E和F，对应的构象分别是frame 2，frame 4和frame 6。要形成这三种构象，2-溴丁烷分子需要更多的能量进行扭转且翻越相应能垒，势必会造成一定的困难导致其构象形成的概率较低。同时，在曲线中出现的三个势能相对极小值点A、B和C点，对应的构象分别是frame 1，frame 3和frame 5，其势能相对较低且为负值，表明这三种构象相对较稳定。

在图3中，选择曲线中的极小值点A，在列表中蓝色区域标识出该极小值所对应的构象所具有的相关数据，其对应的扭转角度为-172.45°，势能为-9.73 kcal/mol，基于空间位阻及能量的考量可得出frame 1是最稳定的构象。单击该构象名frame 1，则在当前窗口跳出该势能所对应的三维立体构象，经观察发现，此时的2-溴丁烷构象位于反式共平面，该构象经E2消除反应得到产物为反-2-丁烯。

图3 2BB分子中C-C-C-C(1)扭转角度数及其势能曲线图

与此类似，在曲线中选择另两个相对极小值点B和C，重复进行上述操作，在当前窗口跳出对应的三维立体构象分别为frame 3和frame 5，对应的扭转角度分别为-76.45°和61.55°，势能分别为-8.67和-6.00 kcal/mol，其能量相较frame 1更高且同样需翻越相应的能垒进行扭转，进而导致其形成的概率相对较低。经观察，frame 3和frame 5构象中两个甲基位于顺式共平面，经E2消除反应得到产物为顺-2-丁烯。

结合文献中实验所测得的结果：2-溴丁烷采用E2消除反应中生成的反-2-丁烯和顺-2-丁烯产量比例约为3:1，如图4[6]所示。由此验证了在2-溴丁烷E2消除反应中，反式共平面、势能最低的frame 1构象是优势构象。

图4 2-溴丁烷中E2消除反应及产物比例

3 结 语

MS分子模拟软件相较其他类型信息化教学工具的突出优势在于：基于360°全景分子结构的展示，实现分子瞬时构象的能量计算并增添连续性的动画演示及与之一一对应的势能表征曲线谱图，能够将有机物分子的组成-结构-能量相关知识点进行有效的关联及整合，在增加直观性的同时，帮助学生深入理解与辨析有机物的分子构型、分子构象等易混淆概念，深化物质微观结构与宏观性质之间的化学本质相关性，为学生后续掌握有机立体化学反应机理，从三维空间理解分子结构、反应行为及化学性质的相互关系提供有效的教学辅助作用。