量子化學計算在高中有機化學可視化教學中的應用*

王 赟，劉一兵，夏加亮，惠永海，房 勇

(1 嶺南師范學院化學化工學院，廣東 湛江 524048；2 四川輕化工大學材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川 自貢 643000；3 四川輕化工大學高性能計算中心，四川 自貢 643000)

高中有機化學是中學生有機化學學習的啟蒙，也是大學有機化學學習的基礎[1]。如何正確引導中學生正確認識有機化學、理解有機化學反應本質，對其化學興趣的養成及未來的化學學習至關重要。

有機化學反應的本質是舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的生成，通常都是基于分子層面的轉化，概念和理論知識很難通過觀察宏觀化學實驗現象獲得[2]。上述學科特點決定了有機化學難以像其他化學分支一樣，以觀察實驗現象的方式在課堂教學中進行教授。因此學生學習積極性不高，教學效果差，失去了學習有機化學的興趣[3]。隨著計算機技術的迅猛發展，化學已不再局限于實驗學科的范疇，它已經成為實驗、計算、理論相結合的綜合性學科，越來越多的專業計算軟件應用于化學研究領域，特別是在有機化學教學中的應用更具有廣泛性[4]。量子化學計算輔助有機化學教學，不僅可以解決老師備課難的問題，更可以幫助學生理解有機化學反應本質，激發學生學習興趣，提高教學質量[5-7]。因此，運用量子化學計算輔助高中有機化學教學是對傳統教學模式的有益補充。本文分別以有機化合物立體結構、化合物結構與穩定性關系和烯烴化學性質等的可視化教學為例，探討量子化學計算在高中有機化學教學中的應用。

1 高中有機化學可視化教學中存在的問題分析

目前，高中有機化學可視化教學中存在的問題主要為：(1)有機化合物分子結構表達方式多樣復雜，目前教學中使用的平面圖形難以滿足分子結構表達的要求；(2)高中有機化學的學習中經常需要根據分子的二維分子圖形想象其三維空間內的原子分布、分析復雜的勢能曲線和理解同分異構的穩定性差異，這對學生抽象思維和空間想象力都有較高要求。但傳統教學中使用的球棍模型難以形象、準確地描述化合物的微觀結構，無法達到教學要求；(3)化合物的化學性質通常需要根據化合物的立體結構、電子分布等進行剖析，采用傳統的粉筆+黑板或者多媒體的教學手段，無法展示分子的微觀結構，很難將其平面結構和化學性質聯系起來。

2 量子化學計算在高中有機化學可視化教學中的應用

2.1 結構的可視化教學

高中學生初次接觸有機化合物，空間想象力不夠，很難將鍵長鍵角等鍵參數和化合物的立體結構相聯系。因此，將量子化學計算模擬引入到高中有機化合物立體結構可視化教學中，有助于學生正確認識有機化合物的空間結構，掌握穩定結構的決定因素。

我們通過量子化學計算a(能用于高中有機化學教學的量子化學計算軟件有Gaussian、Vasp、Turbomole、Gamess-UK、MD等，但是Gaussian功能強大，簡單易學，應用廣泛。本文涉及的計算內容均使用Gaussian09計算。)獲得甲烷(A)、乙烷(B)、乙烯(C)、乙炔(D)和苯(E)五種代表性有機化合物的優勢構象，見圖1。分子的對稱性和內部結構立體地清晰地呈現在學生眼前，學生可以直觀地看到化合物的鍵長、鍵角、二面角等，學生還可以控制鼠標．通過分子模型的旋轉、縮放和平移，從不同角度觀察分子的形狀和結構。我們引導學生通過觀察化合物的優勢構象，比較這些化合物之間的相同和不同之處。五種化合物代表了有機化合物中四類化合物，通過比較可以知道不同的化合物中C-H鍵鍵長不同，如圖1所示。這種不同是由于與H成鍵的C雜化狀態不同所造成的。C雜化狀態不同還使得四類化合物中的C與C鍵的成鍵方式不同從而影響碳碳鍵長和鍵角也不相同。有機化合物立體結構的可視化能幫助學生更好地了解有機化合物的微觀結構，同時將抽象的空間結構和具體的數字聯系在一起，使學生能通過數字的描述來表達和分析化合物的空間結構，從而了解化合物的性質。

圖1 甲烷、乙烷、乙烯、乙炔和苯的優勢構象

2.2 結構與能量關系的可視化教學

高中有機化學中經常會對化合物的穩定性給出結論，但無法通過球棍模型和平面分子式對化合物穩定性的結論給出合理解釋。學生僅僅通過化合物的立體結構無法判斷出化合物的穩定性。在這一過程中引入量子化學計算將有助于學生更好地將化合物的結構和能量相聯系。如在烯烴結構的教學中提到一般情況下烯烴的反式結構比順式結構穩定。對此結論，通常的解釋是相同的基團在C=C同側，距離比較近，相互之間產生斥力，這種斥力造成分子內能升高，穩定性變差。這個解釋中的空間結構難以想象，學生難以理解。我們可以借助量子化學計算，分別構建順式和反式烯烴的優勢構象，同時計算優勢構象的能量，通過能量數值大小的比較就可以直接判斷化合物的穩定性。以丁烯為例，分別通過量子化學計算獲得順式和反式丁烯的優勢構象(如圖2)，同時還可獲知順式和反式丁烯的能量分別為-412785.262 kJ/mol，-412790.611 kJ/mol。從能量數值可直觀判斷丁烯的反式結構比順式結構穩定。

在教學中運用量子化學計算的方法能將化合物的結構和能量相聯系，可使化合物結構與穩定性關系可視化，學生通過數值大小的比較就能直觀地判斷化合物的穩定性，使認識形象化、簡單化。

圖2 順式和反式丁烯的優勢構象

2.3 化學性質的可視化教學

有機化合物的化學性質是高中有機化學課程中的重點內容。明確化合物的化學性質，對于高中學生學習有機化學反應，培養有機化學學習興趣等方面有重要的意義。量子化學計算可以通過有機化合物的結構分析化合物的性質，比較不同化合物的化學反應性大小，而且可以將該方法進行擴展，使之能預測其他化合物的反應性能。

烯烴的性質及反應是高中有機化學教學內容的重要組成部分之一，特別是烯烴的加成反應，是高中有機化學學習的難點。但是，在傳統教學過程中，通過常規結構式的描繪很難讓學生理解此類反應發生的過程，特別是烯烴加成需遵循的馬氏規則(不對稱烯烴與鹵化氫進行加成反應時，鹵化氫中的氫總是加在C=C中含氫基較多的C上)學生很難理解。因此，將量子化學計算引入烯烴加成反應的教學中，能夠使學生更加深入地了解化合物分子結構對性質的影響。

運用量子化學計算丙烯，2-甲基丙烯，2-甲基丁烯和1-甲基環己烯優勢構象的電荷分布，如圖3所示。引導學生觀察四個化合物優勢構象的電荷分布可知，C=C中帶氫基數目比較多的碳所帶的負電荷比較多(如圖3所示)。因此，在烯烴與鹵化氫進行加成反應時，鹵化氫中帶正電荷的氫離子加在C=C中帶負電荷比較多的C上，而雙鍵中帶負電荷比較多的C往往帶有的氫基數目比較多，由此得出高中有機化學中的馬氏規則。

在烯烴加成反應的教學中，借助量子化學計算，學生對于抽象的馬氏規則有了形象地理解，認清了正負電荷的吸引才是馬氏規則的實質，這也為大學有機化學中馬氏規則的拓展(不對稱烯烴與極性試劑進行加成反應時，極性試劑中帶正電荷的部分總是加在C=C中帶負電荷多的C上)奠定了基礎。

圖3 丙烯，2-甲基丙烯，2-甲基丁烯和1-甲基環己烯優勢構象的電荷分布

3 結 語

量子化學計算在高中有機化學化合物結構和性質方面的應用，不僅使上述教學內容從抽象到直觀，從復雜變簡單，還能有效提高教學效率和教學質量。因此，在實際教學中，有必要加強量子化學計算的應用，使其在學生高中有機化學啟蒙教學中發揮更大的作用。