劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫在立體化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

曹高

(廣東藥學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院 廣東廣州 510006)

在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，立體化學(xué)是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。立體化學(xué)的學(xué)習(xí)需要學(xué)生有較強(qiáng)的空間思維能力，但由于學(xué)生缺乏對分子結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識，在課堂教學(xué)時(shí)，難于即時(shí)在頭腦中產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu)的立體形象。因此有相當(dāng)一部分學(xué)生在學(xué)習(xí)立體化學(xué)時(shí)遇到困難，并影響對整個(gè)有機(jī)化學(xué)課程的學(xué)習(xí)。筆者在有機(jī)化學(xué)的教學(xué)實(shí)踐中，嘗試應(yīng)用英國劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫及相關(guān)的三維可視化軟件于立體化學(xué)關(guān)于構(gòu)型、構(gòu)象、手性等概念的教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果，介紹如下。

1 劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫簡介

劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫CSD(Cambridge Structural Database)是由劍橋晶體數(shù)據(jù)中心(CCDC，Cambridge Crystallographic Data Centre)開發(fā)的基于X射線和中子衍射實(shí)驗(yàn)的小分子及金屬有機(jī)分子的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫[1-2]。該數(shù)據(jù)庫自1965年開始晶體數(shù)據(jù)的收集、整理與數(shù)字化工作以來，已經(jīng)收集整理超過了50萬個(gè)化合物的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。對于每個(gè)獨(dú)立的晶體結(jié)構(gòu)條目，通常都有一個(gè)由6個(gè)字母組成的唯一編號(refcode)，某些結(jié)構(gòu)在6個(gè)字母的編號后還附有2個(gè)數(shù)字，用來區(qū)別不同作者在不同時(shí)期收錄的數(shù)據(jù)。CSD數(shù)據(jù)庫主要收錄4方面信息：(1) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息(如晶系、空間群、晶胞參數(shù)等)；(2) 三維化學(xué)結(jié)構(gòu)信息(如原子坐標(biāo)、鍵長、鍵角等)；(3) 書目信息(如結(jié)構(gòu)所發(fā)表的雜志和作者信息等)；(4) 其他與該分子有關(guān)的信息(如化合物名稱、分子式、密度、熔點(diǎn)、晶體顏色等)[3]。

CSD數(shù)據(jù)庫收錄了全世界范圍內(nèi)所有已認(rèn)可的有機(jī)及金屬有機(jī)化合物的晶體結(jié)構(gòu)。通過一整套豐富的搜尋與分析工具及衍生的數(shù)據(jù)庫，用戶可以進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)、分子間相互作用以及晶胞堆積等方面的研究，從而為許多先進(jìn)領(lǐng)域的研究及應(yīng)用提供了方便。筆者在有機(jī)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)用該結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫及兩個(gè)免費(fèi)軟件(Encif和Mercury)于立體化學(xué)教學(xué)中，使學(xué)生在課堂上可以直觀地從任意角度觀察分子的立體結(jié)構(gòu)。實(shí)際教學(xué)結(jié)果表明，利用該數(shù)據(jù)庫結(jié)合有關(guān)軟件可使抽象的立體化學(xué)教學(xué)內(nèi)容具體化，學(xué)生可以比較輕松地接受那些原來較難理解的立體化學(xué)知識。

2 將劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用于立體化學(xué)順反異構(gòu)的模擬教學(xué)

圖1 在Mercury軟件中觀察順,反-3,3′-亞硫酰二丙烯酸的晶體結(jié)構(gòu)(球棍模型)

對于環(huán)狀化合物的順反異構(gòu)體，CSD同樣收集了眾多的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，以互為順反異構(gòu)體的2,5-二甲氧基-3,6-二苯基-3,6-二氫化吡嗪(TEKQUV，TEKRAC)為例。在課堂上應(yīng)用多媒體設(shè)備與Mercury軟件結(jié)合，可以同時(shí)觀察環(huán)狀化合物的順反異構(gòu)體(圖2)。兩個(gè)取代苯基位于氫化吡嗪環(huán)的異側(cè)為反式異構(gòu)體，同側(cè)為順式異構(gòu)體。

圖2 TEKQUV，TEKRAC晶體的結(jié)構(gòu)式和在Mercury軟件中觀察順反異構(gòu)

3 將劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用于立體化學(xué)對映異構(gòu)(手性概念)的教學(xué)

在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生對于對映異構(gòu)的理解和確定RS構(gòu)型并應(yīng)用于命名普遍存在一定的困難，這是由于學(xué)生缺乏對分子結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識，在課堂教學(xué)時(shí)，學(xué)生難以即時(shí)在頭腦中產(chǎn)生分子的立體結(jié)構(gòu)形象。據(jù)此，筆者在CSD數(shù)據(jù)庫中查找到一些可用于對映異構(gòu)教學(xué)的實(shí)例，結(jié)合Encif和Mercury軟件，在課堂上能讓學(xué)生直觀地觀察分子在空間的三維立體結(jié)構(gòu)，有助于學(xué)生空間思維的建立、提高和對手性概念的理解。

圖3 丙氨酸的兩個(gè)對映異構(gòu)體

以丙氨酸為例，CSD數(shù)據(jù)庫中收錄了其兩種異構(gòu)體(R和S)的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(ALUCAL05,LALNIN23)。在課堂上，首先比較二者的分子結(jié)構(gòu)(鍥形式)，它們雖不能重合，卻互為鏡像(圖3)。

丙氨酸分子含有一個(gè)手性中心(手性碳原子)，該手性中心連有4個(gè)不同的基團(tuán)，其優(yōu)先順序?yàn)椋篘H2>COOH>CH3>H。根據(jù)RS構(gòu)型標(biāo)記的命名原則，選擇最小的原子或基團(tuán)遠(yuǎn)離觀察者，其余的原子或基團(tuán)由大至小若按逆時(shí)針方向排列，則為S型，若按順時(shí)針順序排列，則為R型。丙氨酸兩個(gè)對映異構(gòu)體的晶體結(jié)構(gòu)如圖4所示，二者互為鏡像。

圖4 兩種丙氨酸對映異構(gòu)體的晶體結(jié)構(gòu) (a) 氫原子遠(yuǎn)離觀察者，其他3個(gè)取代基從大到小按逆時(shí)針順序排列，為S構(gòu)型；(b) 氫原子遠(yuǎn)離觀察者，其他3個(gè)取代基從大到小按順時(shí)針順序排列，為R構(gòu)型。

在Encif和Mercury軟件中，可從任意角度觀察兩個(gè)不同構(gòu)型的丙氨酸分子結(jié)構(gòu)，有助于學(xué)生建立空間概念，加強(qiáng)對RS構(gòu)型標(biāo)記命名原則的理解。對于一個(gè)分子中含有多個(gè)手性中心的情況，在CSD數(shù)據(jù)庫中同樣可以找到眾多實(shí)例，例如：(2S,3R)-蘇氨酸(LTHREO01)，其分子中帶有兩個(gè)手性碳原子，其構(gòu)型標(biāo)示見圖5。

4 將劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用于立體化學(xué)構(gòu)象的模擬教學(xué)

以立體化學(xué)中的船式構(gòu)象和椅式構(gòu)象為例，在課堂上結(jié)合CSD數(shù)據(jù)庫及三維可視化軟件，同樣可達(dá)到良好的教學(xué)效果。例如CSD結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中收錄了嗎啉的硝酸鹽晶體結(jié)構(gòu)(MORPHN)，其嗎啉環(huán)處于能量最低的椅式構(gòu)象(圖6 a)。在一些雙環(huán)化合物中，我們經(jīng)常能看到椅式結(jié)構(gòu)和船式結(jié)構(gòu)共存(CUMTAF)，即一個(gè)環(huán)為椅式構(gòu)象，另外一個(gè)環(huán)為船式構(gòu)象(圖6 b)。

圖5 (2S,3R)-蘇氨酸(a) 晶體結(jié)構(gòu)；(b) 鍥型式

圖6 嗎啉硝酸鹽和CUMTAF的晶體結(jié)構(gòu)(a) 嗎啉硝酸鹽；(b) CUMTAF

5 結(jié)語

目前，每年大約有3.5萬個(gè)新的分子結(jié)構(gòu)被收錄到CSD數(shù)據(jù)庫中。應(yīng)用CSD數(shù)據(jù)庫于有機(jī)化學(xué)實(shí)際教學(xué)中，充分發(fā)掘現(xiàn)實(shí)中的教學(xué)工具，將有利于加強(qiáng)學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)的認(rèn)識和理解；另一方面，在課堂教學(xué)中，應(yīng)用一些研究前沿的新內(nèi)容，可使教學(xué)內(nèi)容形象生動，同時(shí)也有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Wackerly J W,Janowicz P A,Ritchey J A,etal.JChemEdu,2009,86(4):460

[2] Battle G M,Allen F H.JChemEdu,2010,87(8):809

[3] Battle G M,Allen F H.JChemEdu,2010,87(8):813