利用化學計算軟件強化中學生對有機化學手性結構的認識和理解

劉智建

【摘要】學生在學習有機化合物的立體手性結構時很難理解，本文利用高斯化學軟件模擬和計算得到了天冬氨酸兩個對映體的三維立體結構圖和手性光學性質。軟件在高中化學教學中的應用，使得抽象的知識直觀化、形象化，能提高學生的學習興趣，提升教學效果。

【關鍵字】高中化學? ?手性結構? ?化學計算模擬

【中圖分類號】G633.8? ??【文獻標識碼】A? ??【文章編號】1992-7711（2020）10-117-01

近年來，隨著信息科學的飛速發展，現代化教學手段越來越豐富，它對提高課堂的教學效率有日益重要的作用。計算機輔助教學已經深入到化學課程的的各個環節。一些專業化學軟件如ChemDraw， ，GaussView和Gaussian等也應用于日常的教學中。在高中化學有機化學部分，提到了部分有機分子具有手性的性質，可是很多學生難以理解這類化合物的結構特點，給教學帶來了很多困難。

手性是一種立體化學，很多有機小分子具有手性是因為其含有手性碳原子，而手性碳原子的標志通常是其連接有四個不同的原子或官能團，含有一個手性碳原子的有機小分子通常具有兩種不同的空間排列，其中一種成為左旋異構體，另一種為右旋異構體，兩個異構體在空間具有鏡像對稱的關系。就像我們的左手和右手的關系一樣，將左手放到鏡子前面，我們在鏡子里看到的形狀和右手完全一致。手性分子發展至今，一直受到人們普遍的關注，手性化學的意義也變得越來越重大。尤其是，手性化學在醫藥、農業和生命科學領域具有特別的重要性。

天冬氨酸是一種常見的氨基酸，它具有一個手性碳原子，有兩種對映異構體（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸（結構如圖1所示），其中（R）-天冬氨酸具有甜味而（S）-天冬氨酸具有苦味。本文以天冬氨酸為教學實例，利用高斯化學軟件GaussView 5.0和Gaussian 09模擬計算了（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的結構，通過優化結構得到了能量最低的狀態，并計算得到了它們的比旋光度 。

一 、天冬氨酸對映異構體結構的模擬

由于手性化學結構的內容十分抽象，涉及結構對稱性等概念，需要很強的空間想象力。學生在學習過程中感到難度較大、枯燥乏味。對學生而言就是一個難以理解的問題。授課教師如果能借助于Gaussian 09與GaussView 5.0 等量子化學計算軟件，給學生示范由原子搭建成分子，并對搭建的分子構型進行優化，得到穩定的結構，計算出化合物的比旋光度，從而使學生更好地理解手性結構的特征、對映異構體的概念和空間結構的差異以及對稱性的概念。下面以天冬氨酸為例進行說明，具體的結果和分析方法如下：

（一）結構優化

利用GaussView 5.0分別搭建（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的結構，然后采用Gaussian 09軟件包中的密度泛函理論方法，在B3LYP水平下以6-31G為基組對結構進行了全面優化。優化后的結構如圖2所示。

結構優化后的分子用GaussView 5.0打開可查看結構，在窗口中拖動鼠標可實現分子360度自由旋轉，但無論兩個異構體（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的結構怎樣旋轉，兩個分子結構不會完全重疊。這很好的讓學生可以直觀觀察到手性分子的特征，即手性分子的兩種對映異構體在空間是鏡像對稱且無法完全重疊，兩個分子雖然具有相似的結構，但從空間立體化學上來說不是同一個分子。除此之外學生還可以從得到的計算輸出文件中獲得分子的各種數據，比如鍵長、鍵角等。

（二）計算比旋光度

手性分子通常具有的特異的光學活性——旋光性（optical activity），它是一種使偏振面旋轉的性能，利用旋光儀可測量其偏轉的角度，稱為旋光度α或比旋光度[α]，化合物的左旋異構體和右旋異構體的旋光度絕對值相同但符號相反。1815年，Jean-Baptiste Biot首次觀察到這一現象，并引起了廣泛的關注。1848年，Louis Pasteur利用假定手性分子引起介質的光學活性，解釋了手性形成的機制。

首先搭建（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的結構模型，再利用Gaussian 09采用上述方法優化結構，接著采用Gaussian 09軟件包中的密度泛函理論方法，在B3LYP水平下以6-31G為基組以#polar=optrot B3LYP/6-31G為關鍵詞對這兩個物質的比旋光度進行詳細計算。從得到（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的比旋光度計算輸出文件中查找[alpha]D=，可得出（R）-天冬氨酸比旋光度的計算結果為 +111.88，（S）-天冬氨酸為-111.88。說明對映異構體具有相反的手性光學特性。對比文獻報道的數據，理論計算值與實驗實測值的誤差較大，這是由于文獻報道實驗測量（R）-或（S）-天冬氨酸比旋光度是在6mol/L鹽酸溶液中進行。眾所周知，氨基與鹽酸會生成銨鹽結構發生變化，因此會導致實驗測量值與理論計算值存在著明顯差別。

二、結論

本文利用當今有機化學量化計算的高斯軟件模擬了手性天冬氨酸對映體的三維空間結構，并對（R）-天冬氨酸和（S）-天冬氨酸的比旋光度進行了精確計算。通過Gaussian程序的分析和計算，使學生更好地理解了手性的概念、手性分子的結構特征和手性分子的光學特性。讓學生易學易懂，提高了教學效果和教學質量。可見Gaussian軟件走進中學化學課堂，使抽象理論的形象化、直觀化，可以大大增強學生學習有機化學的興趣，提高教學的效率。隨著科技的飛速發展，不斷完善的Gaussian程序及相關軟件，將在化學教學和科學研究中的作用也將不斷增加。

[參 考 文 獻]

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