利用化学计算软件强化中学生对有机化学手性结构的认识和理解

刘智建

【摘要】学生在学习有机化合物的立体手性结构时很难理解，本文利用高斯化学软件模拟和计算得到了天冬氨酸两个对映体的三维立体结构图和手性光学性质。软件在高中化学教学中的应用，使得抽象的知识直观化、形象化，能提高学生的学习兴趣，提升教学效果。

【关键字】高中化学   手性结构   化学计算模拟

【中图分类号】G633.8    【文献标识码】A    【文章编号】1992-7711（2020）10-117-01

近年来，随着信息科学的飞速发展，现代化教学手段越来越丰富，它对提高课堂的教学效率有日益重要的作用。计算机辅助教学已经深入到化学课程的的各个环节。一些专业化学软件如ChemDraw， ，GaussView和Gaussian等也应用于日常的教学中。在高中化学有机化学部分，提到了部分有机分子具有手性的性质，可是很多学生难以理解这类化合物的结构特点，给教学带来了很多困难。

手性是一种立体化学，很多有机小分子具有手性是因为其含有手性碳原子，而手性碳原子的标志通常是其连接有四个不同的原子或官能团，含有一个手性碳原子的有机小分子通常具有两种不同的空间排列，其中一种成为左旋异构体，另一种为右旋异构体，两个异构体在空间具有镜像对称的关系。就像我们的左手和右手的关系一样，将左手放到镜子前面，我们在镜子里看到的形状和右手完全一致。手性分子发展至今，一直受到人们普遍的关注，手性化学的意义也变得越来越重大。尤其是，手性化学在医药、农业和生命科学领域具有特别的重要性。

天冬氨酸是一种常见的氨基酸，它具有一个手性碳原子，有两种对映异构体（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸（结构如图1所示），其中（R）-天冬氨酸具有甜味而（S）-天冬氨酸具有苦味。本文以天冬氨酸为教学实例，利用高斯化学软件GaussView 5.0和Gaussian 09模拟计算了（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的结构，通过优化结构得到了能量最低的状态，并计算得到了它们的比旋光度 。

一 、天冬氨酸对映异构体结构的模拟

由于手性化学结构的内容十分抽象，涉及结构对称性等概念，需要很强的空间想象力。学生在学习过程中感到难度较大、枯燥乏味。对学生而言就是一个难以理解的问题。授课教师如果能借助于Gaussian 09与GaussView 5.0 等量子化学计算软件，给学生示范由原子搭建成分子，并对搭建的分子构型进行优化，得到稳定的结构，计算出化合物的比旋光度，从而使学生更好地理解手性结构的特征、对映异构体的概念和空间结构的差异以及对称性的概念。下面以天冬氨酸为例进行说明，具体的结果和分析方法如下：

（一）结构优化

利用GaussView 5.0分别搭建（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的结构，然后采用Gaussian 09软件包中的密度泛函理论方法，在B3LYP水平下以6-31G为基组对结构进行了全面优化。优化后的结构如图2所示。

结构优化后的分子用GaussView 5.0打开可查看结构，在窗口中拖动鼠标可实现分子360度自由旋转，但无论两个异构体（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的结构怎样旋转，两个分子结构不会完全重叠。这很好的让学生可以直观观察到手性分子的特征，即手性分子的两种对映异构体在空间是镜像对称且无法完全重叠，两个分子虽然具有相似的结构，但从空间立体化学上来说不是同一个分子。除此之外学生还可以从得到的计算输出文件中获得分子的各种数据，比如键长、键角等。

（二）计算比旋光度

手性分子通常具有的特异的光学活性——旋光性（optical activity），它是一种使偏振面旋转的性能，利用旋光仪可测量其偏转的角度，称为旋光度α或比旋光度[α]，化合物的左旋异构体和右旋异构体的旋光度绝对值相同但符号相反。1815年，Jean-Baptiste Biot首次观察到这一现象，并引起了广泛的关注。1848年，Louis Pasteur利用假定手性分子引起介质的光学活性，解释了手性形成的机制。

首先搭建（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的结构模型，再利用Gaussian 09采用上述方法优化结构，接着采用Gaussian 09软件包中的密度泛函理论方法，在B3LYP水平下以6-31G为基组以#polar=optrot B3LYP/6-31G为关键词对这两个物质的比旋光度进行详细计算。从得到（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的比旋光度計算输出文件中查找[alpha]D=，可得出（R）-天冬氨酸比旋光度的计算结果为 +111.88，（S）-天冬氨酸为-111.88。说明对映异构体具有相反的手性光学特性。对比文献报道的数据，理论计算值与实验实测值的误差较大，这是由于文献报道实验测量（R）-或（S）-天冬氨酸比旋光度是在6mol/L盐酸溶液中进行。众所周知，氨基与盐酸会生成铵盐结构发生变化，因此会导致实验测量值与理论计算值存在着明显差别。

二、结论

本文利用当今有机化学量化计算的高斯软件模拟了手性天冬氨酸对映体的三维空间结构，并对（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的比旋光度进行了精确计算。通过Gaussian程序的分析和计算，使学生更好地理解了手性的概念、手性分子的结构特征和手性分子的光学特性。让学生易学易懂，提高了教学效果和教学质量。可见Gaussian软件走进中学化学课堂，使抽象理论的形象化、直观化，可以大大增强学生学习有机化学的兴趣，提高教学的效率。随着科技的飞速发展，不断完善的Gaussian程序及相关软件，将在化学教学和科学研究中的作用也将不断增加。

[参 考 文 献]

[1]王后雄，谭英.Gaussian98在有机化学教学中的应用[J].大学化学， 2005， 20（2）： 36- 38.

[2]郭谨昌，苗常青.让Gaussian03走进有机化学课堂[J].大学化学， 2006， 21（6）： 36- 38.

[3] 梁锦霞， Gaussian09 软件在结构化学教学中的应用：优化分子的结构[J].广东化工， 2017， 44（15）： 287- 288.