Material Studio软件在大学有机化学可视化教学中的应用

陈迪明 ，王晓杰

(郑州轻工业大学 河南省表界面科学重点实验室，河南 郑州 450002)

Materials Studio是由美国Accelrys公司开发的专业集三维视图建模、分子动力学模拟、量子化学计算、模拟与计算结果分析等功能为一身的软件，软件内嵌入了多种分子建模与理论模拟计算的工具[1-3]。该软件被广泛的应用于化学与材料科学方面，可以模拟分析有机化学反应中的焓变与活化能、药物分子的代谢动力学与氢键作用以及超分子化学中的主客体相互作用等。同时它还可以处理其他软件保存的图形及数据表格等。

大学有机化学是高等院校化学、药学、能源动力、食品、材料等专业开设的第二门专业基础课程，其以无机化学中元素化学知识为基础，有机化合物的结构、电子分布与反应活性为研究内容，深入揭示了有机化合物的自身结构特点与反应活性之间的规律，是一门实践性与应用性较强的自然科学课程。全面系统地学习有机化学基本概念、基本理论与实践操作是学生进一步掌握其它相关课程的根本与基础，同时也有利于培养学生发现问题、分析问题与解决问题的能力。与此同时，有机化学也是化学、药学与食品等专业的考研必选课程之一，因此学好有机化学不仅仅有利于学生掌握本科期间的相关知识，也有利于学生顺利通过研究生考试入学考试。由于有机化学课程中化合物种类与反应类型繁多、化合物立体结构性强等特点，学生普遍反应有机化学是一门较难掌握的课程，主要体现在听不懂、记不住、想不出。仔细研究其原因在于学生之前接触的无机化学主要局限于平面的反应式与结构式，缺乏对有机化合物立体结构的想象与反应规律的探究，因而缺乏对有机化学深层次的理解与反应规律的探索。

在有机化学随堂教学中引入Material Studio软件，通过分子建模、构象旋转、分子模拟、理论计算等手段帮助学生理解有机化学中涉及的化合物立体构型、分子轨道、电荷密度、和反应机理等方面问题，可以加深学生对问题的理解与认识，增强了与学生的互动，开启了学生自主探索学习的道路，提高他们三维分子结构的空间想象能力与分析有机物电荷分布的能力，从而提高学生学习有机化学的兴趣，进而获得良好的课堂教学效果。在此，本文结合有机化学教学大纲和实例，简单介绍Material Studio软件在大学有机化学可视化教学中的应用。

1 有机化合物异构体模型的演示

有机化学教学大纲要求学生能够准确区分和画出有机化合物的不同构型、构象和立体异构，例如丁烷的交叉式与重叠式。环己烷的椅式与船式，以及费歇尔投影式与纽曼投影式之间的转换。此外，许多学生对于一些含有孤对电子以及由空间张力引起的手性有机化合物的立体模型表示难以理解。这些知识点涉及到三维空间模型，传统的平面式教学方法不但让学生感觉听不懂、记不住，而且不能培养他们在头脑中建立清晰的三维分子模型的能力。利用Material Studio软件内的Materials Visualizer模块实现不同分子模型的构筑，直观表达化合物构象、构型及手性的变化，还可借助其携带的计算模块获得分子的空间最优化几何构型。因此借助Material Studio软件，可轻易绘制和演示一些有机分子的立体异构体，如环己烷的椅式与船式、丁烷的重叠式与交叉式以及顺反十氢萘的三维分子结构。

a.环己烷的椅式与船式 b.丁烷的重叠式与交叉式 c.反式十氢萘与顺式十氢萘

手性的学习在有机化学中是非常重要的一个知识点。在医药化学上，我们把一对对映异构体中具有较高的药理亲和力或活性的异构体称为Eutomer，而具有较低的药理亲和力或活性的异构体被称为Distomer。然而，如果立体异构体中，有的生理效应正好有害生命，这会造成重大的悲剧。对于手性药物的介绍，最经典的范例当属反应停事件。我们可以利用Material Studio软件中的Move To功能，将一对反应停药物的外消旋体重叠在一起，让学生充分的了解到两个化合物结构上的不同之处(图2)。

图2 手性化合物重叠后的结构

2 电荷分布的计算与反应位点预测

有机化学反应的本质为旧的化学键的断裂与新的化学键的生成，按照其反应类型可以分为涉及到正负电荷的极性反应、协同反应与自由基反应三大类型。其中极性反应占据了有机化学反应的绝大多数反应类型，例如我们在有机化学中较早接触到的亲核亲电取代与亲核亲电加成反应等。这些反应的本质是负电荷试剂与缺电荷试剂的重组以及电荷的重新流动分配。因此，了解有机化合物中的电荷分布对于理解其反应活性与预测其反应可能发生的位点具有至关重要的作用。Material Studio软件中包含了多种电荷计算的方法，例如Qeq方法、Mulliken电荷以及ESP电荷等计算方法。Material Studio软件通过建模、优化分子结构、选择合适的模块与算法，计算分析后可以直观的展现有机化合物的电荷分布，从而帮助学生快速确定化学反应的活性位置以及反应机理走向，促进学生理解一些教学重点和难点。例如在芳香烃的亲电取代定位规则的教学中，我们从书本上了解到甲氧基是邻对位定位基，那么对于具有甲氧基取代的苯环上面的电荷分布书本上并没给予具体的数值。我们在教学的过程中利用Material Studio软件中的DMOL3模块，计算任务选择几何优化，同时在布居分析中勾选ESP电荷。计算结果如图3a所示，苯甲醚上的邻对位碳原子的电荷分别为-0.388e与-0.249e，而其邻位上的碳原子的电荷仅仅为-0.005e。当发生苯环上的亲电加成时，亲电试剂优先与负电荷大的碳原子发生作用，因此优先与苯环上的邻对位上的碳原子发生作用。当苯环上的取代基为硝基时，计算得到的邻间对位碳原子的电荷分别为-0.07、-0.126、-0.096 e(图3b)。因此可以推测硝基苯在发生苯环上的亲电加成时主要发生在苯环的间位碳上。

a.苯甲基 b.硝基苯

对于含有取代基的D-A反应，我们同样可以利用电荷计算的方法来推测其可能的环加成反应区域选择性。例如图4两个含有取代基的二烯体与亲二烯体，我们通过Material Studio软件中的DMOL3模块计算得到其双烯体上的两个端基碳的电荷分别为0.189e与-0.289e，而亲双烯体两端碳原子的电荷分别为-0.363e与-0.235e。按照有机化学反应中的电荷流动规律，亲双烯体上的缺电子的碳应该与双烯体上的富电子碳原子成键，进而得到邻位取代基的产物，这与课本上给出的反应规律是相互一致的。

图4 D-A反应示意图

3 有机化学中周环反应的旋转方向解释

在周环反应中，我们学习到当π电子数为4n时加热为顺旋，光照为对旋。当π电子数为4n+2时加热为对旋，光照为顺旋。为了使学生对该知识点实现充分的理解，我们利用Material Studio软件计算了两个具有不同π电子数烯烃的HOMO与LUMO，计算结果如图5所示。根据伍德沃德-霍夫曼规则，只有波函数相同的两个轨道相互重叠才能成键。在图5中，具有相同波函数的轨道以相同颜色表示，当在加热的条件下时，发生反应的电子位于丁烯最高占据轨道上(HOMO)，其两端碳的波函数是处于相反的位置，因此需要发生顺旋才能让具有相同波数的轨道发生重叠。当反应条件为光照时，最高占据轨道上的电子跃迁到最低空轨道上(LUMO)，而LUMO上两端的碳原子具有相同的波函数，因此需要发生对旋即可让具有相同波数的轨道发生重叠。同理，计算显示己烯的HOMO两端碳原子的波函数具有相同的相位，而LUMO两端碳原子的波函数具有相反的相位，因此在加热的条件下为对旋，光照条件下为顺旋。

图5 丁烯与己烯的分子轨道示意图

4 结论

将可视化软件Material Studio引入到有机化学的课堂教学中，将平面化的分子结构转变为三维的结构模型，提高了学生的空间想象能力与分析能力，同时也丰富了教学手段与教学形式。一方面，通过灵活的软件操作展示有机化合物的立体结构模型，动态、直观地展示化合物的三维空间结构与电荷分布，克服以往只能依靠平面画图与空间想象学习有机化学这一缺点，极大地提升了学生学习有机化学的热情；另一方面，通过教学大纲和计算实例的结合应用，使学生对有机反应的本质规律有了更加深刻的了解，同时也鼓励学生利用所学到的知识去分析以后遇到的问题，提高学生的有机化实践能力和分析问题的水平，从而达到提升教学质量的目的。