量子化學(xué)計(jì)算在有機(jī)化學(xué)電子效應(yīng)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

陳冬寅，陳維琳，秦亞娟，傅一凡，蔣南(南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，江蘇 南京 211166)

0 引言

有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多，有機(jī)化學(xué)理論抽象、反應(yīng)多變，導(dǎo)致很多學(xué)生認(rèn)為有機(jī)化學(xué)聽不懂、記不住。克服這個(gè)困境不僅要求教師能夠?qū)⒈姸嗟挠袡C(jī)反應(yīng)進(jìn)行歸納、對(duì)比和總結(jié)，而且要求學(xué)生能夠深刻理解和記憶有機(jī)物性質(zhì)以及重要有機(jī)反應(yīng)。如何使“教”更簡(jiǎn)單易懂，使“學(xué)”更有趣高效？筆者發(fā)現(xiàn)，電子效應(yīng)是解決這一問(wèn)題的重要突破口，它不僅影響有機(jī)化合物的化學(xué)性質(zhì)，而且是決定有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的重要因素[1-2]。

然而，電子效應(yīng)內(nèi)容抽象，傳統(tǒng)教學(xué)很難滿足學(xué)生深刻理解的需求，這就要引入新型的教學(xué)方法[3]。20世紀(jì)興起的量子化學(xué)是運(yùn)用量子力學(xué)的基本原理來(lái)研究電子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵及化學(xué)反應(yīng)的理論。應(yīng)用量子化學(xué)計(jì)算，我們可以預(yù)測(cè)異構(gòu)體穩(wěn)定性、反應(yīng)機(jī)理，計(jì)算原子電荷等，并可利用可視化軟件觀察電子云、分子軌道等圖形。因此，針對(duì)學(xué)生的理解難點(diǎn)，我們可以運(yùn)用量子化學(xué)及其可視化軟件，將枯燥、抽象的電子效應(yīng)以一種生動(dòng)、形象的形式呈現(xiàn)出來(lái)，既能加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，又能幫助學(xué)生建立形象思維[4-5]。

我們?cè)谟袡C(jī)化學(xué)電子效應(yīng)教學(xué)中，采用“提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施計(jì)劃、分析結(jié)果、得出結(jié)論”的探究型學(xué)習(xí)模式，對(duì)量子化學(xué)計(jì)算的應(yīng)用進(jìn)行了初探。結(jié)果表明，該方法不僅加深了學(xué)生對(duì)抽象內(nèi)容的理解，而且探究式學(xué)習(xí)模式喚醒了學(xué)生提出問(wèn)題的主動(dòng)意識(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生解決問(wèn)題的綜合能力。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象，知識(shí)應(yīng)用廣泛

電子效應(yīng)是由于取代基傾向于給或吸電子，使分子某些部分的電子密度上升或下降的效應(yīng)，主要包含誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)。前者是指電負(fù)性對(duì)電子云的影響，后者是指共軛作用對(duì)電子云的影響。根據(jù)對(duì)電子云的作用方向，它們可分為吸/給電子誘導(dǎo)、吸/給電子共軛四種；根據(jù)電子離域所分布的分子軌道，共軛效應(yīng)又分為π-π、p-π共軛及超共軛。此外，部分化學(xué)基團(tuán)的誘導(dǎo)和共軛效應(yīng)對(duì)電子云的作用方向是一致的；而對(duì)于某些化學(xué)基團(tuán)，其誘導(dǎo)和共軛效應(yīng)對(duì)電子云的作用方向卻是相反的。由此可見，電子效應(yīng)概念抽象、知識(shí)復(fù)雜。然而，在理解有機(jī)物性質(zhì)和反應(yīng)方面，電子效應(yīng)的應(yīng)用卻極其廣泛。如，甲基與三氟甲基的誘導(dǎo)效應(yīng)不同導(dǎo)致鹵化氫與丙烯、三氟丙烯的加成反應(yīng)具有區(qū)域選擇性。因此，能否理解并應(yīng)用電子效應(yīng)解釋有機(jī)物性質(zhì)和反應(yīng)歷程，是能否學(xué)好有機(jī)化學(xué)關(guān)鍵因素之一。

1.2 學(xué)生基礎(chǔ)不齊，探究意識(shí)欠缺

學(xué)生入學(xué)時(shí)有機(jī)化學(xué)方面的基礎(chǔ)差別較大，且不少學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力相對(duì)較弱，習(xí)慣被動(dòng)接收知識(shí)，缺乏主動(dòng)提出問(wèn)題的意識(shí)和自主解決問(wèn)題的能力，難以達(dá)到較好的自學(xué)效果。教學(xué)方面，我校藥學(xué)專業(yè)有機(jī)化學(xué)的教學(xué)采用大班教學(xué)模式，傳統(tǒng)課堂授課時(shí)教師很難做到因材施教。

1.3 教學(xué)模式單一，教學(xué)效果不佳

目前的理論教學(xué)資源主要是教材、多媒體課件、學(xué)習(xí)指導(dǎo)、文獻(xiàn)閱讀資料、分子結(jié)構(gòu)模型等，缺乏形式活潑、內(nèi)容生動(dòng)、直觀形象的數(shù)字教學(xué)資源；而實(shí)驗(yàn)教學(xué)也多圍繞合成實(shí)驗(yàn)展開，對(duì)原子和分子軌道、電子效應(yīng)等抽象內(nèi)容的形象化理解沒(méi)有直接的促進(jìn)作用。由于學(xué)生對(duì)微觀知識(shí)缺乏圖形化的認(rèn)識(shí)，因此，教師在理論授課過(guò)程中多為單向灌輸，師生之間很難開展雙向互動(dòng)，教學(xué)效果不理想。

2 引入量子化學(xué)計(jì)算的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

針對(duì)電子效應(yīng)這一抽象、枯燥的學(xué)習(xí)內(nèi)容，我們應(yīng)用量子化學(xué)Gaussian程序包及其可視化Gaussview軟件，并采用“提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施計(jì)劃、分析結(jié)果、得出結(jié)論”的探究型學(xué)習(xí)模式，使其概念、強(qiáng)度、方向及特點(diǎn)等理論知識(shí)以直觀、生動(dòng)、簡(jiǎn)單的形式呈現(xiàn)出來(lái)。

2.1 梳理教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)教學(xué)大綱，結(jié)合電子效應(yīng)類型繁雜、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，以“分類-特點(diǎn)-應(yīng)用”為主線，將電子效應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容分為三大模塊：(1)概念與分類，電子效應(yīng)類型主要是誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)，從對(duì)電子云的作用方向來(lái)講，它們又可分為吸電子誘導(dǎo)、給電子誘導(dǎo)、吸電子共軛、給電子共軛四種。(2)特點(diǎn)，涵蓋“沿碳鏈傳遞情況”“常見基團(tuán)電子效應(yīng)及強(qiáng)弱對(duì)比”“常見基團(tuán)誘導(dǎo)、共軛效應(yīng)對(duì)電子云作用方向的一致性”3方面。(3)應(yīng)用，著重從“烯烴不對(duì)稱加成的區(qū)域選擇性”“苯環(huán)親電取代反應(yīng)中的定位規(guī)律”“取代基對(duì)酚類、羧酸類有機(jī)物酸性的影響”3方面進(jìn)行探討。各模塊之間既要相對(duì)獨(dú)立，又要彼此關(guān)聯(lián)，通過(guò)串并聯(lián)教學(xué)，突出不同類型電子效應(yīng)的對(duì)有機(jī)物性質(zhì)及反應(yīng)機(jī)理的影響。

2.2 編制實(shí)踐探索內(nèi)容

基于上述教學(xué)模塊，將量子化學(xué)計(jì)算引入到電子效應(yīng)的學(xué)習(xí)中，并通過(guò)以下3個(gè)實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行實(shí)施。

(1)以1,3-丁二烯為主體，以羰基、羧基、鹵素原子、硝基、氰基、羥基、甲氧基、氨基、甲基、乙基、丙基等作為取代基取代1-位氫原子，從而構(gòu)建各種有機(jī)化合物，應(yīng)用Gaussian軟件計(jì)算雙鍵碳原子上的電荷分布，并通過(guò)以下觀察與比較得出結(jié)論：①觀察新構(gòu)建化合物中雙鍵碳原子的電荷數(shù)值具有哪些規(guī)律，比如電荷值是沿著碳鏈逐漸遞變還是交替變化，從而總結(jié)出哪些基團(tuán)具有誘導(dǎo)效應(yīng)，哪些基團(tuán)具有共軛效應(yīng)，進(jìn)而加深誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)沿碳鏈的傳遞情況；②與1,3-丁二烯雙鍵碳原子上的電荷分布進(jìn)行比較，觀察電荷數(shù)值是否升高或降低，得出取代基是具有給電子的效應(yīng)還是吸電子的效應(yīng)，通過(guò)電荷變化值的比較，總結(jié)常見基團(tuán)某個(gè)類型電子效應(yīng)的強(qiáng)弱規(guī)律；③結(jié)合上述結(jié)論，總結(jié)常見化學(xué)基團(tuán)的誘導(dǎo)和共軛效應(yīng)分別具有吸電子性質(zhì)還是給電子性質(zhì)，進(jìn)而理解其對(duì)烯烴親電加成反應(yīng)區(qū)域選擇性的影響。

(2)以苯環(huán)作為母體，分別用上述基團(tuán)取代苯環(huán)上的一個(gè)或二個(gè)氫原子，構(gòu)建一取代苯及二取代苯。應(yīng)用Gaussian軟件計(jì)算苯環(huán)上碳原子的電荷分布，并結(jié)合各基團(tuán)的電子效應(yīng)，總結(jié)苯環(huán)親電取代反應(yīng)中的定位規(guī)律。

(3)以苯酚負(fù)離子、乙酸負(fù)離子為母體，用上述常見基團(tuán)取代苯環(huán)或者a-”，應(yīng)用Gaussian軟件計(jì)算新構(gòu)建化合物負(fù)離子的氧原子電荷，從而總結(jié)不同類型取代基對(duì)氧負(fù)離子電荷的分散程度，進(jìn)而理解不同取代基對(duì)酚類、羧酸類有機(jī)物酸性的影響。

2.3 開展探究式學(xué)習(xí)模式

從“以教師為主導(dǎo)”的灌輸式教學(xué)，逐漸轉(zhuǎn)變成“以學(xué)生為中心”的探究式學(xué)習(xí)。依托我院虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)量子化學(xué)計(jì)算；并依托超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，在有機(jī)化學(xué)教學(xué)網(wǎng)站上建立“量子化學(xué)計(jì)算與實(shí)踐”模塊，通過(guò)內(nèi)容設(shè)計(jì)與優(yōu)化，來(lái)實(shí)現(xiàn)課前自主預(yù)習(xí)、實(shí)踐教學(xué)檢測(cè)及課后拓展學(xué)習(xí)的要求。具體包括：

(1)課前提出問(wèn)題并設(shè)計(jì)方案：利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的討論板塊，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題；根據(jù)學(xué)生提出的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生提供解決方案。

(2)課上確定方案并實(shí)施計(jì)劃：首先采取傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，教師著重講解合理的解決方案；接著演示計(jì)算方法和流程，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建有機(jī)物，進(jìn)行計(jì)算。

(3)課后分析結(jié)果并得出結(jié)論：課后布置作業(yè)，要求學(xué)生完成結(jié)果討論并得出結(jié)論；利用QQ群及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)反饋?zhàn)鳂I(yè)完成情況，并進(jìn)行答疑。

3 實(shí)施效果

我們?cè)谖倚?019級(jí)藥學(xué)班中隨機(jī)選取了30名同學(xué)組成實(shí)驗(yàn)組，進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算的培訓(xùn)，并基于計(jì)算化學(xué)的優(yōu)勢(shì)解決電子效應(yīng)這一抽象概念的學(xué)習(xí)，該部分同學(xué)的期末考試卷面成績(jī)平均分為80.2分，比對(duì)照組高8.4分，及格率也由對(duì)照組的75%提高到88%。

對(duì)參與實(shí)驗(yàn)組的同學(xué)進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，問(wèn)卷回收率100%，內(nèi)容涵蓋化學(xué)基礎(chǔ)情況、有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和瓶頸、本課程開課前是否接觸過(guò)量子化學(xué)計(jì)算、量子化學(xué)計(jì)算及可視化對(duì)學(xué)習(xí)化學(xué)是否有幫助等。超過(guò)90%的學(xué)生都感覺(jué)有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)薄弱，難以理解抽象概念，導(dǎo)致記不住用不上。87%的學(xué)生表示在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中引入量子化學(xué)計(jì)算及可視化程序，可以數(shù)字化直觀方式把抽象內(nèi)容呈現(xiàn)出來(lái)，并通過(guò)實(shí)操分析結(jié)果并得出結(jié)論，不僅學(xué)習(xí)了一種學(xué)習(xí)或研究方法，而且提高了探究意識(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

我們?cè)谟袡C(jī)化學(xué)的教學(xué)實(shí)踐中，針對(duì)電子效應(yīng)這一學(xué)習(xí)重點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)，探索將量子化學(xué)計(jì)算及可視化軟件引入進(jìn)來(lái)，并建立“提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施計(jì)劃、分析結(jié)果、得出結(jié)論”的探究型學(xué)習(xí)模式。結(jié)果表明，這對(duì)于解決學(xué)生難以理解微觀抽象概念及反應(yīng)機(jī)理、主動(dòng)探究意識(shí)不強(qiáng)、課外師生互動(dòng)欠缺、課堂教學(xué)形式單一、教學(xué)效果不甚理想等問(wèn)題，是一個(gè)有效的方法。