計算模擬軟件在“有機化學”教學中探索性能力的培養

王 群，宋小東，林小龍，孫玉希，潘文慧

( 1. 綿陽師范學院生命科學與技術學院，四川綿陽 621000；2. 綿陽師范學院光致功能材料重點實驗室，四川綿陽 621000；3. 山東省曲阜師范大學生命有機分析重點實驗室，山東曲阜 273165；4. 北京市食品風味化學重點實驗室，北京 100048)

0 引言

大學生探索性能力的培養，對于促進大學生的全面發展以及為后續科研之路的鋪墊均有著十分重要的意義[1].傳統的“有機化學”教學，多采用聽取教師講解與學生課后進行總結的歸納式方法學習這門課程.這些傳統教學方法的缺點在于使大部分學生對有機分子的結構、原理的理解僅停留在記憶層次上，而對有機分子的三維構型變化、微觀機理的深入理解存在著較大困難.

隨著計算模擬軟件的快速發展，各種計算化學軟件得到大力開發，也被教師們廣泛地應用到各種課堂教學中，并獲得了一定的教學效果.例如：武海等人[2]將ChemOffice、Gaussian及Sybyl三種模擬軟件應用到“分析化學”教學中的共軛效應分析、熒光光譜分析等，不僅使學生對微觀機理的理解變得相對容易，且激發了學生的科研興趣.趙力維等人[3]采用Gaussian09軟件在課堂上對“有機化學”中親核取代反應機理、防曬產品的設計等進行了探討，不僅使學生對教材中的生澀概念、反應機理的理解變得相對容易，且大大激發了學生的學習興趣.趙順平等人[4]將Material Studio(MS)軟件應用到化學教學的課程當中，對化合物的立體模型、分子的電荷分布、分子的波譜性質以及反應的動態過程模擬等在課堂上進行了展示，也使得教學效果得到了一定的提升.

綜上所述，以上的文獻中幾乎是教師自行在課堂上采用計算模擬軟件在有機化學教學中的展示，雖然取得了一定的教學效果，但幾乎未讓學生參與軟件的使用.在本課題的研究中，教師將“有機化學”的傳統教學與學生自行使用計算模擬軟件解決“有機化學”中的疑難點結合起來進行教學改革.此種教學方法，不僅有助于學生理解復雜的結構與機理，增加學生探索微觀世界的興趣，更重要的是，學生的探索性能力也得到了有效的提升.

1 Materials Studio軟件的介紹

Materials Studio是美國Accelrys公司生產的一款計算模擬軟件，可以在PC機上直接使用，界面直觀明了.該軟件支持Windows、SGIIRIX以及Red Hat Linux等多種操作系統.該軟件采用了先進的模擬思想和計算方法，可以應用于量子力學、分子動力學及介觀動力學等方法進行模擬計算[5]；該軟件不僅可以研究小分子體系，還可以研究蛋白質、聚合物等大分子體系，而且可以應用于多種學科領域，比如：材料、化學、生物及物理等，掌握此軟件的使用原理、方法，對于學生未來的科研之路也有所幫助.

MS軟件主要包含了五大模塊，其中Visualizer是基本環境；Discover、Compass、Forcite及Sorption等模塊主要應用于分子力學與分子動力學；Dmol3及CASTEP等主要應用于量子力學.在本課程的教學中，主要使用兩大模塊.首先使用Visualizer模塊，用此模塊構建有機分子的三維模型，觀察及分析模擬前后的分子模型的結構變化等；然后采用Dmol3模塊進行結構的優化、性能的計算及結果的分析等[6].

2 學生使用MS計算模擬軟件在“有機化學”學習中的探索實例

2.1 差分電荷密度和Mulliken布居電荷理解休克爾規則

1930年德國化學家Hückel指出，成環的化合物具有平面的離域體系，且π電子數滿足4n+2規則時，則這些環狀化合物具有類似苯環的芳香性.因此，在課堂上教師給學生講解環丙烯正離子、環戊二烯負離子、環庚三烯負離子等離子具有的π電子數分別為為2、6和10個，且均滿足環狀閉合的離域體系，因此這些環狀離子具有芳香性[7].在課堂上教師還詳細講解了環丙烯和環丙烯正離子的區別，環丙烯正離子具有芳香性，環丙烯不具有芳香性.這是因為環丙烯中C1原子是sp3雜化，沒有空的p軌道，因此不能和C2、C3原子的兩個p軌道形成的π電子構成離域體系(圖1).而在環丙烯正離子中C1原子是sp2雜化，有一個空的p軌道，雖然此空軌道上沒有電子，但仍然可以和C2、C3原子構成p…π共軛的離域體系，因此環丙烯正離子具有芳香性.對于這個知識點學生們是可以理解的，但學生對于什么是離域體系，為什么環丙烯正離子空的p軌道和C2、C3原子的p軌道能夠形成大的離域體系存在很大的疑問.因此，在學習了MS軟件中的差分電荷密度和Mulliken電荷等相關理論知識之后，學生們采用上述兩種方法自行解釋了環丙烯正離子具有離域π電子的原因，且觀察到了形象生動的電子云圖，對滿足4n+2電子的環狀閉合體系具有芳香性這個知識點有了更深的理解.

圖1 電子云密度圖(a)環丙烯, 和(b)環丙烯正離子.Fig.1 Electron density maps of (a) cyclopropylene, and (b) cyclopropylene positiveion.

分子中各原子差分電荷密度(deformation density)是原子之間電子云密度的差值，顏色越亮的區域表示電子云密度越大.紅色區域電子云密度較大，藍色區域電子云密度較小[8].學生們首先對環丙烯和環丙烯正離子的結構進行了幾何優化，然后計算了兩個構型的差分電荷密度，如圖1所示.通過差分電荷密度分析發現環丙烯中各原子電子云密度是不相同的，C1電子云密度最小，如圖1a所示.而環丙烯正離子中C1、C2、C3原子電子云分布均勻，形成一個大的離域體系，如圖1b所示.Mulliken布居電荷分布可以更明確地觀察到分子中各原子之間的電荷分布狀態[9].通過Mulliken布居電荷發現，環丙烯正離子所有的C原子中電荷均是0.120 e，H原子電荷均是0.213 e.而在環丙烯中C1為-0.233 e，C2和C3為-0.057 e，H4和H5為0.092 e，H6和H7為0.087 e.C2和C3，H6和H7電荷相同，說明C2和C3之間形成了一個π電子體系，C2和C3與C1電荷不同，說明它們之間未構成離域的電子體系.這些結果也與分電荷密度結果相吻合.

因此，通過差分電荷密度和布居電荷學生能夠直觀地了解環丙烯正離子具有離域體系，不僅解決了他們學習中碰到的難題，而且激發了他們的探索興趣.

2.2 局域態密度探索苯與環己烷電子的離域性

電子的離域性不僅可以通過差分電荷密度圖和Mulliken布居電荷數據直觀的顯示，而且原子的局域態密度一定程度上也反映電子的離域性[10].在有機化學芳香烴的學習過程中，學生們對苯環形成離域的大π鍵，而六個C原子的環己烷卻沒有形成離域體系理解有一定的難度.因此學生在學習了態密度的相關理論之后，教師引導學生通過局域態密度理論對兩種分子的離域性進行判斷，也取得了滿意的學習效果.

學生首先采用MS軟件建立了苯環和環己烷的模型，對兩種結構進行幾何結構優化之后，對苯和環己烷的態密度進行了分析，如圖2所示.結果發現苯的態密度在能量狀態-15到15 eV之間有態密度電子存在，而環己烷只是在-13到12 eV之間有態密度電子存在.研究報道表明態密度峰跨度越大，電子的離域性越強[11]，因此，苯相對于環己烷有更強的離域性.同時，文獻表明態密度峰越尖銳，則電子定域性越強[12]，圖2a和2b比較可知，環己烷的峰更尖銳，定域性更強.通過對環己烷和苯環中態密度的分析，學生不僅掌握了深奧的態密度理論，而且對電子離域性的理解也更加透徹了.同時，也大大激發了學生在遇到問題時自行進行探索解決的興趣.

圖2 局域態密度圖(a)環己烷, 和(b)苯.Fig.2 Partial density states of (a) cyclohexane, and (b) benzene.

2.3 采用Mulliken布居電荷探索苯胺與乙酰氯反應的機理

在《有機化學》的學習中，苯環的傅克?；磻潜江h中引入?；谋容^重要的一類反應，屬于苯環的親電取代反應.比如：苯與乙酰氯CH3COCl在AlCl3催化作用下，會生成乙酰苯，如方程式(1)所示.但是苯胺與CH3COCl在AlCl3催化作用下生成的產物是乙酰苯胺(產物1)，是苯胺作為親核試劑進攻乙酰氯中的羰基碳正離子引起的親核取代反應，如方程式(2)所示[7].學生們在課堂中提出了疑問？因為-NH2是供電子基團，取代苯環上H原子后，可以使苯環活化，因此CH3COCl與苯胺發生反應時，應該在苯環的鄰對位生成取代產物(產物2和產物3)，如方程式(3)所示，但為什么卻不是呢？帶著這樣的疑問，學生分別就苯和苯胺的布居電荷以及幾種產物的總能量兩方面對這個反應進行了探索性分析.

(1)

(2)

(產物1)

(3)

(產物2) (產物3)

圖 3 (a)苯和(b)苯胺的三維結構.Fig.3 The three-dimensional structures of (a) benzene, and (b) phenylamine.

學生們首先對苯和苯胺的結構進行了優化，如圖3所示.然后他們對結構優化之后的苯及苯胺進行了Mulliken布居電荷的計算，結果如表1所示.通過表1中的布居電荷分析發現苯環中所有碳原子和氫原子電荷幾乎相等，說明所有的C原子都是等價的，這也和苯環形成一個離域的大π體系的結論一致[7].但是通過布局電荷發現在苯胺中電荷密度最大的是N原子，與N原子相連的C原子居然帶了正電荷，因此說明-NH2不僅能和苯環形成p…π共軛效應，而且還具有吸電子誘導效應，此時帶電量最多的N原子會作為親核試劑進攻CH3COCl中非常活潑的羰基碳正離子，形成乙酰苯胺(產物1).

同時，學生對三種產物的總能量進行了分析，能量越低，產物越穩定.產物1的總能為-2204.06 Kcal/mol，產物2和產物3的總能分別為-2193.81 Kcal/mol和-2198.92 Kcal/mol，因此從能量方面分析也可以發現苯胺與乙酰氯發生反應，產物應該是乙酰苯胺.

3 學生課程報告及學術論文

本研究將MS軟件應用于“有機化學”的教學，在課程結束之后, 學生6至8 人一組完成一個課程項目作為教學效果的考證，有的是對“有機化學” 課程中遇到的問題進行探索分析，也有的是對有機化學某個研究領域進行的探索性研究.學生的課題報告如表2 所示，他們在提出研究課題之前首先要提出這些課題的研究設想，比如，課題4《染料吸附材料中苯環類氨基酸與本征、缺陷石墨烯之間的相互作用》，該課題提出的設想為：氨基酸分子既有陰離子官能團(如-COO-)，也有陽離子官能團(如-NH3+)，因為陰離子官能團能有效吸附陽離子染料，而陽離子官能團能高效地固定陰離子染料.因此，氨基酸分子功能化的石墨烯可更有效地去除工業中的有機染料污染物.同時，由于π…π相互作用，含芳香環的氨基酸對含芳香環的染料有增強吸附能力的作用.巧合的是，苯丙氨酸(Phe)和酪氨酸(Tyr)是典型的芳香氨基酸，它們不僅含有-COO-、-OH、-NH3+等活性官能團，而且還具有芳香環.因此，研究Phe和Tyr功能化石墨烯對于染料的吸附具有重要意義.然而，學生調研文獻發現，目前還沒有關于Phe和Tyr改性石墨烯吸附染料的報道.此外，石墨烯，尤其是缺陷石墨烯與Phe(或Tyr)之間的相互作用機制尚未見詳細報道.因此，學生提出了該研究課題.

在課題思想提出之后，學生查閱相關文獻并寫出開題報告；然后，學生對要解決的問題進行研究，并定期向教師匯報研究進展，如果遇到不能解決的問題及時與小組同學或教師進行探討，尋求解決方案；最后在學期末學生對研究的課題進行匯報總結，教師對學生的匯報進行成績評定.

通過MS計算軟件的學習，學生的探索性能力大大增強，部分學生還對開展的課題研究進行總結，并撰寫學術論文.目前已指導2018級學生撰寫5篇學術論文，現已出版兩篇，三篇正在投稿中.

表2 MS軟件在有機化學課堂中應用的報告題目Tab.2 Report topics of MS Software application in "Organic Chemistry" class

4 結論

在“有機化學”的教學過程中，緊隨時代步伐，將計算模擬軟件融入到教學中，讓學生以計算機為輔助工具、量子化學為手段來研究和解決實際學習中的化學問題，不僅提高了學生探索微觀世界的興趣，而且大大培養了學生的探索性能力.這種教學方式，將教學方法的創新、現代教育理念及探索性能力的培養結合起來，必將為大學化學的改革提供新的思路.