量子化学计算在高中有机化学可视化教学中的应用*

王 赟，刘一兵，夏加亮，惠永海，房 勇

(1 岭南师范学院化学化工学院，广东 湛江 524048；2 四川轻化工大学材料腐蚀与防护四川省重点实验室，四川 自贡 643000；3 四川轻化工大学高性能计算中心，四川 自贡 643000)

高中有机化学是中学生有机化学学习的启蒙，也是大学有机化学学习的基础[1]。如何正确引导中学生正确认识有机化学、理解有机化学反应本质，对其化学兴趣的养成及未来的化学学习至关重要。

有机化学反应的本质是旧化学键的断裂和新化学键的生成，通常都是基于分子层面的转化，概念和理论知识很难通过观察宏观化学实验现象获得[2]。上述学科特点决定了有机化学难以像其他化学分支一样，以观察实验现象的方式在课堂教学中进行教授。因此学生学习积极性不高，教学效果差，失去了学习有机化学的兴趣[3]。随着计算机技术的迅猛发展，化学已不再局限于实验学科的范畴，它已经成为实验、计算、理论相结合的综合性学科，越来越多的专业计算软件应用于化学研究领域，特别是在有机化学教学中的应用更具有广泛性[4]。量子化学计算辅助有机化学教学，不仅可以解决老师备课难的问题，更可以帮助学生理解有机化学反应本质，激发学生学习兴趣，提高教学质量[5-7]。因此，运用量子化学计算辅助高中有机化学教学是对传统教学模式的有益补充。本文分别以有机化合物立体结构、化合物结构与稳定性关系和烯烃化学性质等的可视化教学为例，探讨量子化学计算在高中有机化学教学中的应用。

1 高中有机化学可视化教学中存在的问题分析

目前，高中有机化学可视化教学中存在的问题主要为：(1)有机化合物分子结构表达方式多样复杂，目前教学中使用的平面图形难以满足分子结构表达的要求；(2)高中有机化学的学习中经常需要根据分子的二维分子图形想象其三维空间内的原子分布、分析复杂的势能曲线和理解同分异构的稳定性差异，这对学生抽象思维和空间想象力都有较高要求。但传统教学中使用的球棍模型难以形象、准确地描述化合物的微观结构，无法达到教学要求；(3)化合物的化学性质通常需要根据化合物的立体结构、电子分布等进行剖析，采用传统的粉笔+黑板或者多媒体的教学手段，无法展示分子的微观结构，很难将其平面结构和化学性质联系起来。

2 量子化学计算在高中有机化学可视化教学中的应用

2.1 结构的可视化教学

高中学生初次接触有机化合物，空间想象力不够，很难将键长键角等键参数和化合物的立体结构相联系。因此，将量子化学计算模拟引入到高中有机化合物立体结构可视化教学中，有助于学生正确认识有机化合物的空间结构，掌握稳定结构的决定因素。

我们通过量子化学计算a(能用于高中有机化学教学的量子化学计算软件有Gaussian、Vasp、Turbomole、Gamess-UK、MD等，但是Gaussian功能强大，简单易学，应用广泛。本文涉及的计算内容均使用Gaussian09计算。)获得甲烷(A)、乙烷(B)、乙烯(C)、乙炔(D)和苯(E)五种代表性有机化合物的优势构象，见图1。分子的对称性和内部结构立体地清晰地呈现在学生眼前，学生可以直观地看到化合物的键长、键角、二面角等，学生还可以控制鼠标．通过分子模型的旋转、缩放和平移，从不同角度观察分子的形状和结构。我们引导学生通过观察化合物的优势构象，比较这些化合物之间的相同和不同之处。五种化合物代表了有机化合物中四类化合物，通过比较可以知道不同的化合物中C-H键键长不同，如图1所示。这种不同是由于与H成键的C杂化状态不同所造成的。C杂化状态不同还使得四类化合物中的C与C键的成键方式不同从而影响碳碳键长和键角也不相同。有机化合物立体结构的可视化能帮助学生更好地了解有机化合物的微观结构，同时将抽象的空间结构和具体的数字联系在一起，使学生能通过数字的描述来表达和分析化合物的空间结构，从而了解化合物的性质。

图1 甲烷、乙烷、乙烯、乙炔和苯的优势构象

2.2 结构与能量关系的可视化教学

高中有机化学中经常会对化合物的稳定性给出结论，但无法通过球棍模型和平面分子式对化合物稳定性的结论给出合理解释。学生仅仅通过化合物的立体结构无法判断出化合物的稳定性。在这一过程中引入量子化学计算将有助于学生更好地将化合物的结构和能量相联系。如在烯烃结构的教学中提到一般情况下烯烃的反式结构比顺式结构稳定。对此结论，通常的解释是相同的基团在C=C同侧，距离比较近，相互之间产生斥力，这种斥力造成分子内能升高，稳定性变差。这个解释中的空间结构难以想象，学生难以理解。我们可以借助量子化学计算，分别构建顺式和反式烯烃的优势构象，同时计算优势构象的能量，通过能量数值大小的比较就可以直接判断化合物的稳定性。以丁烯为例，分别通过量子化学计算获得顺式和反式丁烯的优势构象(如图2)，同时还可获知顺式和反式丁烯的能量分别为-412785.262 kJ/mol，-412790.611 kJ/mol。从能量数值可直观判断丁烯的反式结构比顺式结构稳定。

在教学中运用量子化学计算的方法能将化合物的结构和能量相联系，可使化合物结构与稳定性关系可视化，学生通过数值大小的比较就能直观地判断化合物的稳定性，使认识形象化、简单化。

图2 顺式和反式丁烯的优势构象

2.3 化学性质的可视化教学

有机化合物的化学性质是高中有机化学课程中的重点内容。明确化合物的化学性质，对于高中学生学习有机化学反应，培养有机化学学习兴趣等方面有重要的意义。量子化学计算可以通过有机化合物的结构分析化合物的性质，比较不同化合物的化学反应性大小，而且可以将该方法进行扩展，使之能预测其他化合物的反应性能。

烯烃的性质及反应是高中有机化学教学内容的重要组成部分之一，特别是烯烃的加成反应，是高中有机化学学习的难点。但是，在传统教学过程中，通过常规结构式的描绘很难让学生理解此类反应发生的过程，特别是烯烃加成需遵循的马氏规则(不对称烯烃与卤化氢进行加成反应时，卤化氢中的氢总是加在C=C中含氢基较多的C上)学生很难理解。因此，将量子化学计算引入烯烃加成反应的教学中，能够使学生更加深入地了解化合物分子结构对性质的影响。

运用量子化学计算丙烯，2-甲基丙烯，2-甲基丁烯和1-甲基环己烯优势构象的电荷分布，如图3所示。引导学生观察四个化合物优势构象的电荷分布可知，C=C中带氢基数目比较多的碳所带的负电荷比较多(如图3所示)。因此，在烯烃与卤化氢进行加成反应时，卤化氢中带正电荷的氢离子加在C=C中带负电荷比较多的C上，而双键中带负电荷比较多的C往往带有的氢基数目比较多，由此得出高中有机化学中的马氏规则。

在烯烃加成反应的教学中，借助量子化学计算，学生对于抽象的马氏规则有了形象地理解，认清了正负电荷的吸引才是马氏规则的实质，这也为大学有机化学中马氏规则的拓展(不对称烯烃与极性试剂进行加成反应时，极性试剂中带正电荷的部分总是加在C=C中带负电荷多的C上)奠定了基础。

图3 丙烯，2-甲基丙烯，2-甲基丁烯和1-甲基环己烯优势构象的电荷分布

3 结 语

量子化学计算在高中有机化学化合物结构和性质方面的应用，不仅使上述教学内容从抽象到直观，从复杂变简单，还能有效提高教学效率和教学质量。因此，在实际教学中，有必要加强量子化学计算的应用，使其在学生高中有机化学启蒙教学中发挥更大的作用。