Chem3D在手性立體化學教學中的應用

劉立佳，張春紅，沈 軍，徐曉冬　董紅星　王玉丹

摘要：作者根據(jù)教學實踐體會，對手性立體化學教學中遇到的分子結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)的直觀認知等問題，應用Chem3D計算機軟件，用Chem3D的三維空間的顯示功能展示有機化合物的空間結(jié)構(gòu)、構(gòu)象和構(gòu)型，增強學生的直觀效果，能使學生對有機化合物的結(jié)構(gòu)有明確的認識。

關(guān)鍵詞：Chem3D；立體化學；手性化學

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：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化學結(jié)構(gòu)繪圖，ChemFinder化學信息搜尋整合系統(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，形成化學信息搜尋整合系統(tǒng)，可以建立化學數(shù)據(jù)庫、儲存及搜索，也可以使用現(xiàn)成的化學數(shù)據(jù)庫。在教學過程中，教師可以利用ChemOffice軟件來輔助教學，從而有利于提高學生的空間想象能力，將知識點掌握得更牢固。

二、繪制分子三維結(jié)構(gòu)模型，實現(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，從多角度展示有機分子在空間的分布與運動，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現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)的顯示方式的轉(zhuǎn)換。點擊軟件中的旋轉(zhuǎn)按鈕后，可通過點擊鼠標左鍵拖拽實現(xiàn)三維分子模型的旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)360度全方位的立體動畫展示分子結(jié)構(gòu)。也可進行手動或自動旋轉(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，具有較強的輔助教學功能。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，需要學生具備較強的空間立體思維，對于剛剛接觸手性立體化學的同學來說，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教學，幫助學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)會同步顯示出對應的苯乙胺分子的3D分子模型，在3D模型中點擊選擇手性碳原子（7號原子）后，所選原子變?yōu)辄S色，之后點擊structure菜單下detect stereochemistry選項，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)型進行判斷。在這部分教學中可以將費歇爾投影式與分子3D模型相結(jié)合進行教學，使學生掌握手性立體構(gòu)型的判別方法，從而使學生對于分子手性構(gòu)型有進一步的理解。

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，從而使學生對分子運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），之后點擊calculations菜單下的dihedral drivers，運行Single Angle Plot。系統(tǒng)將會自動運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。當鼠標左鍵點擊關(guān)系圖中關(guān)系曲線相應位置時，三維模型二面角會隨動到相應角度，這使得分子結(jié)構(gòu)中的立體障礙效應一目了然，對于學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)間的立體障礙效應導致的，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)進行解釋，從而增進學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)庫中搜索對應的結(jié)構(gòu)、反應和豐富的文獻信息。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)，點擊SciFinder按鈕，選擇搜索類型，進入到SciFinder的界面，可以探索實驗性質(zhì)，確定合成條件和步驟，查看SciFinder中的文獻、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)反應呈示出來?？梢源_定最優(yōu)實驗步驟、計劃安排以及實驗室操作，甚至可以向供應商訂購原料。

結(jié)語：分子中原子和基團在三維空間的排布以及分子的立體結(jié)構(gòu)對其物理和化學性質(zhì)的影響，這是大學有機化學中的重要內(nèi)容之一，采用計算機軟件Chem3D繪制立體化學中相關(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)，鞏固和加深了已學的知識。Chem3D在有機化學多媒體教學中還有許多地方需要我們?nèi)ニ伎己桶l(fā)現(xiàn)，希望借助于計算機輔助教學，能更好地將有機化學知識傳遞給學生。

參考文獻：

[1]羅鈞，尚先梅，項光亞.大學有機化學中若干立體化學問題的解釋[J].化學教育，2012，（5）.

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