Chem3D在手性立體化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

劉立佳，張春紅，沈 軍，徐曉冬　董紅星　王玉丹

摘要：作者根據(jù)教學(xué)實(shí)踐體會，對手性立體化學(xué)教學(xué)中遇到的分子結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)知等問題，應(yīng)用Chem3D計算機(jī)軟件，用Chem3D的三維空間的顯示功能展示有機(jī)化合物的空間結(jié)構(gòu)、構(gòu)象和構(gòu)型，增強(qiáng)學(xué)生的直觀效果，能使學(xué)生對有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)有明確的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：Chem3D；立體化學(xué)；手性化學(xué)

中圖分類號：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）29-0279-02

一、Chem3D軟件簡介

Chem3D是ChemOffice軟件中的一個模塊，能夠提供工作站級的3D分子輪廓圖及分子軌道特性分析，并和數(shù)種量子化學(xué)軟件結(jié)合在一起，現(xiàn)已成為分子仿真分析最佳的前端開發(fā)環(huán)境。除了Chem3D外ChemOffice還包括ChemDraw化學(xué)結(jié)構(gòu)繪圖，ChemFinder化學(xué)信息搜尋整合系統(tǒng)以及E-Notebook Ultra 10.0、BioAssay Pro 10.0、量化軟件MOPAC、Gaussian和GAMESS的界面等等相關(guān)軟件。Chem3D可以將ChemDraw繪制的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖以三維立體的形式全方位地展示出來。Chem3D、ChemDraw與ChemFinder模塊聯(lián)合使用，形成化學(xué)信息搜尋整合系統(tǒng)，可以建立化學(xué)數(shù)據(jù)庫、儲存及搜索，也可以使用現(xiàn)成的化學(xué)數(shù)據(jù)庫。在教學(xué)過程中，教師可以利用ChemOffice軟件來輔助教學(xué)，從而有利于提高學(xué)生的空間想象能力，將知識點(diǎn)掌握得更牢固。

二、繪制分子三維結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)的三維展示

在Chem3D中利用主窗口上的繪圖工具欄和動畫控制欄，可以快速做出形式多樣的3D動畫，從多角度展示有機(jī)分子在空間的分布與運(yùn)動，和Camtasia、Hyperecam等視頻捕捉軟件制作的3D動畫相比，生成的視頻過程簡單快捷。例如繪制苯的分子結(jié)構(gòu)。首先啟動chem3D軟件，打開默認(rèn)起始界面，使用“文本”工具輸入結(jié)構(gòu)式C6H6，按“Enter”鍵將其自動轉(zhuǎn)化為三維分子模型。另外也可以通過在Chem3D中內(nèi)嵌的ChemDraw面板中繪制相應(yīng)的平面二維分子結(jié)構(gòu)式，在其3D建模窗口中即可同步獲得與二維平面分子結(jié)構(gòu)式相對應(yīng)的三維分子結(jié)構(gòu)模型。Chem3D同時還提供了多種三維模型表示方式，如：線框模型、棍狀模型、球棍模型、比例模型及填充模型，可以自由選擇從而實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)的顯示方式的轉(zhuǎn)換。點(diǎn)擊軟件中的旋轉(zhuǎn)按鈕后，可通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵拖拽實(shí)現(xiàn)三維分子模型的旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)360度全方位的立體動畫展示分子結(jié)構(gòu)。也可進(jìn)行手動或自動旋轉(zhuǎn)分子模型，從不同角度觀察動態(tài)分子，也可將分子停留在任意狀態(tài)，便于靜態(tài)觀察。其動畫效果生動、直觀，具有較強(qiáng)的輔助教學(xué)功能。其3D優(yōu)化功能將抽象的優(yōu)勢構(gòu)象具體化，再加上動態(tài)效果，在教學(xué)上可起到事半功倍的效果。

三、手性分子立體構(gòu)型的判斷

由于手性分子的立體構(gòu)型比較抽象，需要學(xué)生具備較強(qiáng)的空間立體思維，對于剛剛接觸手性立體化學(xué)的同學(xué)來說，對手性分子的立體構(gòu)型判斷一直是較難理解和掌握的內(nèi)容。而Chem3D由于其可以展示分子三維結(jié)構(gòu)，因此其對于輔助立體化學(xué)教學(xué)，幫助學(xué)生理解和判斷手性分子立體構(gòu)型的問題上有著不可比擬的優(yōu)勢。以下以手性苯乙胺為例介紹Chem3D輔助判斷手性分子空間立體構(gòu)型的應(yīng)用。先在chem3D中chemdraw面板上繪制苯乙胺的分子結(jié)構(gòu)式，在3D建模區(qū)會同步顯示出對應(yīng)的苯乙胺分子的3D分子模型，在3D模型中點(diǎn)擊選擇手性碳原子（7號原子）后，所選原子變?yōu)辄S色，之后點(diǎn)擊structure菜單下detect stereochemistry選項(xiàng)，在下方信息欄中會立即顯示所選定的手性原子的立體化學(xué)信息。如本例中，“Stereochemistry C（7）：R”意為所選定的7號碳原子為R型結(jié)構(gòu)。這樣就能直觀地通過Chem3D對手性分子的空間立體構(gòu)型進(jìn)行判斷。在這部分教學(xué)中可以將費(fèi)歇爾投影式與分子3D模型相結(jié)合進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生掌握手性立體構(gòu)型的判別方法，從而使學(xué)生對于分子手性構(gòu)型有進(jìn)一步的理解。

四、軸手性化合物空間手性結(jié)構(gòu)理解及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Chem3D提供了一種有效的工具來使其分子結(jié)構(gòu)更明確，更利于理解。首先，在Chem3D中的Chemdraw面板中繪制聯(lián)萘胺的平面結(jié)構(gòu)圖，在其3D建模區(qū)可同步顯示聯(lián)萘胺分子的立體三維模型。并通過旋轉(zhuǎn)工具展示聯(lián)萘胺分子的頂視圖和側(cè)視圖，使學(xué)生對聯(lián)萘胺的三維分子結(jié)構(gòu)有大致的了解。此時，聯(lián)萘胺三維模型的構(gòu)象并不是最穩(wěn)定的構(gòu)象，要得到穩(wěn)定構(gòu)象，需對三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過MM2計算可以優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)以得到分子的穩(wěn)定構(gòu)象。同時，可執(zhí)行MM2計算模擬分子振動，從而使學(xué)生對分子運(yùn)動行為有更直觀的理解。

聯(lián)萘胺的軸手性可通過計算有兩個萘基團(tuán)組成的分子平面間的二面角與分子能量的關(guān)系來說明萘基團(tuán)圍繞手性軸的旋轉(zhuǎn)受限行為，從而解釋聯(lián)萘胺分子的穩(wěn)定軸手性結(jié)構(gòu)。要獲得二面角與分子能量的關(guān)系曲線，首先要在三維分子模型中選定與軸相連的四個原子（如圖2所示），之后點(diǎn)擊calculations菜單下的dihedral drivers，運(yùn)行Single Angle Plot。系統(tǒng)將會自動運(yùn)算出二面角與分子能量的關(guān)系圖。該關(guān)系圖與所選定的三維分子模型的二面角具有聯(lián)動關(guān)系。當(dāng)鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊關(guān)系圖中關(guān)系曲線相應(yīng)位置時，三維模型二面角會隨動到相應(yīng)角度，這使得分子結(jié)構(gòu)中的立體障礙效應(yīng)一目了然，對于學(xué)生理解有重要的幫助。

通過對二面角與分子能量關(guān)系曲線的分析我們可以看出，當(dāng)二面角介于45～135度及-45～-135度區(qū)間時，分子能量最低，表明在這兩個二面角區(qū)域內(nèi)聯(lián)萘胺分子構(gòu)象穩(wěn)定。而在±45度區(qū)間及-135～-185和135～185度區(qū)間內(nèi)分子能量較高，這是由于分子內(nèi)萘環(huán)間的立體障礙效應(yīng)導(dǎo)致的，因此在上述二面角區(qū)間內(nèi)分子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。而正是由于分子內(nèi)立體障礙的作用，聯(lián)萘胺分子分別在二面角±[45～135]度區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)定構(gòu)象，導(dǎo)致了聯(lián)萘胺分子的兩種對映異構(gòu)體。這樣通過Chem3D軟件就可以清晰直觀地對聯(lián)萘胺分子的軸手性結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋，從而增進(jìn)學(xué)生對這種不含手性原子的軸手性結(jié)構(gòu)的理解。

五、其他輔助功能

Chem3D軟件還可以與ChemDraw、SciFinder共同聯(lián)手，在SciFinder數(shù)據(jù)庫中搜索對應(yīng)的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)和豐富的文獻(xiàn)信息。例如想要調(diào)研一種新藥物，需在ChemDraw中繪制出化合物結(jié)構(gòu)。選中結(jié)構(gòu)，點(diǎn)擊SciFinder按鈕，選擇搜索類型，進(jìn)入到SciFinder的界面，可以探索實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，確定合成條件和步驟，查看SciFinder中的文獻(xiàn)、期刊和專利信息以及任何SciFinder提供的數(shù)據(jù)。也可以指定目標(biāo)產(chǎn)物的起始原料，利用SciFinder智能搜索功能，將直接把匹配的相關(guān)反應(yīng)呈示出來。可以確定最優(yōu)實(shí)驗(yàn)步驟、計劃安排以及實(shí)驗(yàn)室操作，甚至可以向供應(yīng)商訂購原料。

結(jié)語：分子中原子和基團(tuán)在三維空間的排布以及分子的立體結(jié)構(gòu)對其物理和化學(xué)性質(zhì)的影響，這是大學(xué)有機(jī)化學(xué)中的重要內(nèi)容之一，采用計算機(jī)軟件Chem3D繪制立體化學(xué)中相關(guān)的分子結(jié)構(gòu)式，通過一些化合物的異構(gòu)體的繪制和展現(xiàn)，鞏固和加深了已學(xué)的知識。Chem3D在有機(jī)化學(xué)多媒體教學(xué)中還有許多地方需要我們?nèi)ニ伎己桶l(fā)現(xiàn)，希望借助于計算機(jī)輔助教學(xué)，能更好地將有機(jī)化學(xué)知識傳遞給學(xué)生。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉立佳，王玉丹，趙方波.ChemOffice軟件在化學(xué)教學(xué)中的作用[J].教育教學(xué)論壇，2015，（1）.