化學計算軟件在藥學專業課程教學中的運用

鄧萍 蔣啟華 孫立力 周輝

摘 要 化學計算軟件是藥學研究的重要工具之一。對化學計算軟件引入藥學專業課程教學的必要性進行探討，并以Gau-ssian和Gaussian View為例，對沙利度胺分子的立體異構體、表觀靜電勢和分子軌道教學進行展示。

關鍵詞 化學計算軟件；藥學專業課程；Gaussian；Gaussian View

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）14-0024-02

Application of Chemical Calculation Software in Undergraduate Course Teaching of Pharmacy//DENG Ping， JIANG Qihua， SUN Lili， ZHOU Hui

Abstract The chemical calculation software is an important tool for pharmaceutical research. In this paper， the necessity of introducing chemical computing software into the teaching of pharmacy courses is discussed， and the Gaussian and Gaussian View software is taken to show the three-dimensional structure， electrostatic potential and molecular orbital of thalidomide.

Key words chemical calculation software； pharmacy course； Gau-ssian； Gaussian View；

1 前言

作為理論化學重要的分支學科，量子化學應用量子力學的基本原理、方法，研究分子結構和性能、分子間相互作用等問題。利用量子化學方法能很好地處理化學問題，解釋化學現象。由于量子化學可以在分子和電子水平上進行精細的理論研究，對深入認識藥物分子立體結構、分子軌道、靜電勢等特征，理解藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等具有重要意義[1]。量子化學已經成為藥學研究的重要手段之一。

化學計算軟件就是從量子力學基本方程（如薛定諤方程、狄拉克方程等）出發，通過計算原子、分子、聚合物表面等的電子結構，預測它們的物理、化學性質的一類科學計算程序，如Gaussian、GAMESS、ADF等。Gaussian和Gaussian View是由美國Gaussian公司開發的化學計算軟件，被廣泛用于分子結構、光譜性質等模擬研究中，并被廣泛應用于化學相關課程的教學中。本文探討在藥學專業課程中運用化學計算軟件的必要性，并以Gaussian和Gau-ssian View為例，探討如何運用化學計算軟件解決教學中的實際問題，以期提高藥學專業課程的教學質量。

2 化學計算軟件引入藥學專業課程教學的必要性

多數藥物通過與機體細胞上的相應受體結合發揮藥效，藥物分子形狀、空間立體結構、官能團分布和化學反應性等都必須與受體相適應。藥物的結構決定了療效。了解藥物分子的化學結構與生物活性間的關系，在分子和電子水平上研究藥物作用機理過程，對于理解藥物構效關系，設計開發新型藥物分子具有重要意義[2]。由于分子結構和性質等概念較為抽象，需要學生具有很強的立體空間想象能力和抽象思維能力，僅僅依靠傳統的教學手段難以獲得良好的教學效果。化學計算軟件可對藥物分子的電子結構進行模擬，對微觀結構進行可視化展示，為藥學生深入認識和理解藥物分子構效關系夯實基礎。

3 化學計算軟件在藥學專業課程教學中的運用

化學計算軟件在立體結構教學中的運用 “結構決定性質，性質反映結構”，這是藥學有機化學的核心思想，也是教學的重點和難點。教學過程中讓學生建立從結構推測性質的有機化學思維方式，使學生迅速、全面地掌握藥學有機化學學科的內在特征[3]。手性制藥是醫藥行業的前沿領域。手性藥物異構體之間可能存在顯著療效差異，往往呈現一個異構體有效，而另一個異構體沒有療效甚至產生毒副作用的情況。

如著名的“反應停事件”，因為沒有充分認識到手性異構體療效差異，導致孕婦服用沒有經過拆分的消旋體沙利度胺作為妊娠反應抑制劑，造成出生胎兒肢體殘缺，呈現畸形的“海豹兒”。研究證實，沙利度胺R異構體有鎮靜作用，S異構體對胚胎有很強的致畸作用。這也是藥學教學中經常使用到的教學案例。

藥學有機化學是比較抽象的學科，教學中采用分子平面結構進行教學，很難讓學生對沙利度胺藥物分子立體結構有形象認識。常用的球棍模型等教具僅能展示簡單的分子空間結構，對復雜的藥物分子空間結構的展示相對很難。利用Gaussian和Gaussian View等可以逼真、清晰地展示化合物的立體結構，突破常規PPT課件在二維平面上的限制，使課堂教學更加生動、形象。

在展示反應停教學案例過程中，可用Gaussian對沙利度胺異構體分子進行優化后，利用Gaussian View展示。通過生動形象的展示，讓學生對手性藥物的概念和藥物分子空間結構有更深刻的認識。

化學計算軟件在靜電勢教學中的運用 在探討藥物分子與蛋白受體特異性結合，蛋白質分子間相互作用等有關蛋白質結構功能關系，以及分子動力學模擬、蛋白質折疊、分子設計等研究中，對分子靜電勢的認識和了解是藥學生應該掌握的重要內容，但是傳統的教學手段無法展示分子靜電勢，學生對靜電勢的了解和認識較模糊。基于Gaussian

優化獲得的結果，利用Gaussian View可以展示獲得的分子靜電勢圖。以沙利度胺分子為例，計算模擬得到圖1所示分子表觀靜電勢。Gaussian View還可以實現對其空間分布進行360°全景旋轉展示，讓學生對靜電勢有深入認識，能收到很好的教學效果。

化學計算軟件在分子軌道教學中的運用 分子軌道理論于1932年由美國化學家Mulliken RS和德國化學家Hund F提出，是一種新的共價鍵理論。日本理論化學家福井謙一還提出前線軌道理論，他將分子周圍分布的電子云根據能量細分為不同能級的分子軌道，能量最高的分子占據軌道（HOMO）和能量最低的分子空軌道（LUMO）是決定一個體系發生化學反應的關鍵。分子軌道理論對于理解化學反應機理，認識紫外吸收光譜中電子躍遷等具有十分重要的意義，是藥學專業有機化學教學中最重要和基礎的內容之一[4]。

但是分子軌道概念較為抽象，傳統教學方式難以讓學生認識分子軌道的分布特征等，教學難度大。利用Gaussian

和Gaussian View等，可以很好地模擬和展示藥物分子的軌道分布特征，讓學生直觀認識軌道中電子云的分布特征。以沙利度胺分子為例，計算模擬得到圖2所示分子軌道圖。

4 結語

本文以Gaussian和Gaussian View為例，對沙利度胺分子的立體異構體、表觀靜電勢和分子軌道進行模擬和教學展示。隨著計算機硬件技術的飛速發展，Gaussian、GAMESS、ADF和Multiwfn等化學計算軟件被越來越多地應用于藥物分子相關性質研究中。將化學計算軟件引入藥學本科生課程教學中，能有效解決教學問題，將藥物分子立體結構、表觀靜電勢和分子軌道等抽象理論形象化，提高學生學習的積極性，增強教學效果；同時，將藥學科研工具引入本科教學，將科研手段和成果應用于本科教學，可以讓藥學生了解藥學研究的新手段，為雙創教育夯實基礎。

參考文獻

[1]蔣君好，張海東，蔣啟華，等.秋水仙堿立體異構體電子結構及圓二色譜性質的理論研究[J].化學研究與應用，

2011，23（5）：544-549.

[2]梅以成，楊寶衛.“藥物化學”課程融合藝術的互動式教學探討[J].職教通訊，2017（15）：52-54.

[3]鄧萍，蔣啟華，胡湘南.有機化學教學中學生立體結構意識的培養[J].中華醫學教育雜志，2010，30（4）：573-574.

[4]鄧萍.Gaussian軟件在有機化合物波譜解析教學中的應用（Ⅱ）：吲哚紫外光譜及其躍遷軌道的可視化[J].化學教育，2017，38（8）：66-68.