MS分子模擬軟件在有機化學立體異構教學中的應用*

鄭 倩，潘 睿,向 卉，何書引

(1 四川師范大學化學與材料科學學院，四川 成都 610066；2 重慶德普外國語學校，重慶 400000；3 成都美視國際學校，四川 成都 610042)

在高中有機化學中，立體異構涉及了有機物分子微觀結構在三維空間的立體式呈現，是有機化學概念的重要組成部分，涵蓋了有機物分子的構型異構與構象異構，是鋸架式，費歇爾投影式、紐曼式等有機物立體結構表達式的概念基礎。其教學目的是促進學生對有機物立體結構的認知，是從三維空間理解分子結構、反應行為及化學性質相互關系，掌握有機立體化學反應機理的重要理論基礎[1]。

然而，在前置教學章節中，關于有機化合物結構的特征僅從平面二維的角度(比如：路易斯構造式、短線構造式、鍵線構造式或縮簡構造式)使學生有了初步認識，并未涉及相關結構的三維空間立體呈現。在后續有機物立體異構的教學中，如果延續二維平面圖片結合文字解釋的教學方式，常常會使學生難以在頭腦中形成立體的三維空間模型，并產生概念上的理解模糊及辨析困難。在課堂教學中，常用到的實體分子球棍模型雖然能夠在一定程度上幫助學生對構型異構中的順反異構及光學異構進行認知和理解，但該模型局限于其具有的靜態性特征，對于對立體異構中的構象異構則不便于進行C-C單鍵的連續性轉動，同時也不能對構象進行勢能數據的計算。同樣，為廣大化學教師所熟悉的ChemSketch、ChemWindow、Gaussian等教學輔助軟件雖然能夠實現分子構象動態的連續性可視化演示及離散的能量計算，但由于其構象與勢能數據不能進行實時的一一關聯與對應演示，對消除反應中有關立體化學的定性、定量反應機理缺乏必要的直接性和直觀性的解析[2]。

Material Studio(MS) 是由世界領先的BIOVIA計算科學公司開發研制出的一款分子模擬計算軟件，在集合了量子力學(Quantum Mechanics)、分子力學(Molecular Mechanics)、分子動力學(Molecular Dynamics)和蒙特卡洛(Monte Carlo)等多種計算理論的基礎上，實現了微觀原子、分子結構的構建，能夠準確地計算出分子能量變化的動力學軌跡并進行可視化分析。該軟件在360°全景分子結構展示的基礎上，增添了連續性的動畫演示及與之一一對應的勢能表征曲線譜圖，使化合物分子三維立體結構實現從抽象、晦澀的文字語言解釋到直觀、形象的連續性動態演示的轉變，并從定性、定量的角度進行了完整呈現，增添了直接性、直觀性的機理解析[3-4]。

基于有機化學立體異構的知識點所需，本文以教材中典型的2-溴丁烷化合物為例，依次介紹MS軟件中所涉及的3個功能模塊：Visualizer、Forcite以及Conformers在分子空間構象及E2消除反應中定性、定量的可視化教學輔助應用。

1 MS軟件相關功能模塊介紹

1.1 Visualizer

Visualizer提供的是MS軟件圖形化界面，也是整個平臺的核心，其功能包括：搭建、調整各類三維可視的分子結構模型，在建模的基礎上進行數據的二維、 三維顯示并給出相關矢量圖[5]。

1.2 Forcite

Forcite是分子力學和分子動力學計算程序，用于對單個分子及分子三維聚集體系的結構優化、能量計算，并對分子體系的結構參數、熱力學性質、動力學性質以及統計學性質進行分析[5]。

1.3 Conformers

Conformers是以多種力場為基礎，高效搜索各類分子(包括環狀分子)構象的計算程序，用于建立分子構象與其能量、偶極矩及回轉半徑之間的關系，在有機物反應機理、催化等諸多研究領域具有廣泛的應用性[5]。

2 MS軟件在有機化學立體異構教學中的應用

2.1 分子的構建與優化

打開MS軟件File功能菜單，創建一個空白項目名稱為2BB project，選擇3D Atomistic Document 新建一個結構性文件，命名為2BB.xsd，如圖1a所示。在當前創建文件的窗口中，使用工具欄中的sketch工具繪制2BB分子結構(此部分操作與chemsketch相同，便于上手)，繪制完成后點擊clean按鈕對該分子結構進行初始的分子鍵長及鍵角的自動調整，如圖1右所示。

圖1 2BB分子結構的文件創建及化學結構在MS 軟件中的繪制

從軟件界面的頂端打開Modules菜單，選擇Forcite模塊下的Calculation選項，在對話框中用鼠標點擊Setup，在隨即跳出Task下拉列表中選中Dynamics選項，依次進行運算時間、步長及結構輸出的設定。設定完成后，關閉對話框，點擊run運行，此時軟件開始執行分子動力學能量優化運算。在軟件運算過程中，當前窗口會自動跳出分子結構能量及程序計算優化的動態變化曲線。當計算結束，在窗口的左端樹形文件圖中會隨即生成新的文件夾 2BB Forcite Dynamics，其中包含了在優化過程中的所有軌跡運行文件及優化后的穩定結構，用于后續構象的能量計算。

2.2 分子的空間構象及勢能計算

由于有機物分子構象是通過C-C單鍵旋轉所形成原子或原子團在空間的相對位置差異，因此在軟件構建的分子結構中，可以通過考察關鍵位置單鍵的扭轉(torsion)來確定其在空間自由旋轉所對應的可能構象數及其勢能的高低。以2BB.xsd 分子結構為當前活動窗口，從菜單Modules下拉菜單中選擇Conformers計算模塊，打開Conformers 中的Calculation 對話框，點擊Torsions 按鈕，在跳出的表格中列出了2BB分子中經過C-C單鍵旋轉所形成的扭轉角，如圖2左所示。在本文的示例分子中，勾取C-C-C-C(1)扭轉角進行構象勢能計算，其位置對應于圖2b中的虛線所示。

圖2 2BB分子C-C單鍵旋轉形成的扭轉角C-C-C-C(1)

在顯示選中的藍色C-C-C-C(1)扭轉角設置區域設置輸出步長Steps值為60，其余對應設置由軟件自行更新完成，關閉對話框后，點擊Run開始運行構象及勢能的計算程序。

當上述運算程序完成后，軟件將自動生成一個名為2BB Conformers Calculation的新文件夾。打開該文件夾，找到名為2BB.std的文檔，雙擊后在當前軟件窗口的左側會出現列表，從左至右依次顯示出構象名、扭轉角度數及對應的勢能值。選中旋轉角度數及對應的勢能值所屬列，單擊菜單欄中的Quick Plot生成圖表按鈕，則會出現如圖3的扭轉角度與勢能曲線圖，其中橫坐標為2BB形成不同構象中C-C-C-C(1)扭轉角的度數，縱坐標為其對應的勢能值。

2.3 鹵代烷E2消除反應中優勢構象的確定

在圖3曲線中依次分布扭轉角度數及所對應的勢能值大小，雙擊選中曲線中的任意點，則軟件自動在左側列表中以藍色區域顯示該點所對應的C-C-C-C(1)扭轉角度數及其能量值，雙擊列表中藍色區域的構象名稱，在當前窗口自動跳出該扭轉角度數所對應的2BB瞬時構象三維立體圖示，移動鼠標，該構象隨即可進行360°可控的全景展示。

根據勢能曲線分布高低，在圖3中依次出現了三個相對極大值點D、E和F，對應的構象分別是frame 2，frame 4和frame 6。要形成這三種構象，2-溴丁烷分子需要更多的能量進行扭轉且翻越相應能壘，勢必會造成一定的困難導致其構象形成的概率較低。同時，在曲線中出現的三個勢能相對極小值點A、B和C點，對應的構象分別是frame 1，frame 3和frame 5，其勢能相對較低且為負值，表明這三種構象相對較穩定。

在圖3中，選擇曲線中的極小值點A，在列表中藍色區域標識出該極小值所對應的構象所具有的相關數據，其對應的扭轉角度為-172.45°，勢能為-9.73 kcal/mol，基于空間位阻及能量的考量可得出frame 1是最穩定的構象。單擊該構象名frame 1，則在當前窗口跳出該勢能所對應的三維立體構象，經觀察發現，此時的2-溴丁烷構象位于反式共平面，該構象經E2消除反應得到產物為反-2-丁烯。

圖3 2BB分子中C-C-C-C(1)扭轉角度數及其勢能曲線圖

與此類似，在曲線中選擇另兩個相對極小值點B和C，重復進行上述操作，在當前窗口跳出對應的三維立體構象分別為frame 3和frame 5，對應的扭轉角度分別為-76.45°和61.55°，勢能分別為-8.67和-6.00 kcal/mol，其能量相較frame 1更高且同樣需翻越相應的能壘進行扭轉，進而導致其形成的概率相對較低。經觀察，frame 3和frame 5構象中兩個甲基位于順式共平面，經E2消除反應得到產物為順-2-丁烯。

結合文獻中實驗所測得的結果：2-溴丁烷采用E2消除反應中生成的反-2-丁烯和順-2-丁烯產量比例約為3:1，如圖4[6]所示。由此驗證了在2-溴丁烷E2消除反應中，反式共平面、勢能最低的frame 1構象是優勢構象。

圖4 2-溴丁烷中E2消除反應及產物比例

3 結 語

MS分子模擬軟件相較其他類型信息化教學工具的突出優勢在于：基于360°全景分子結構的展示，實現分子瞬時構象的能量計算并增添連續性的動畫演示及與之一一對應的勢能表征曲線譜圖，能夠將有機物分子的組成-結構-能量相關知識點進行有效的關聯及整合，在增加直觀性的同時，幫助學生深入理解與辨析有機物的分子構型、分子構象等易混淆概念，深化物質微觀結構與宏觀性質之間的化學本質相關性，為學生后續掌握有機立體化學反應機理，從三維空間理解分子結構、反應行為及化學性質的相互關系提供有效的教學輔助作用。