量子化學計算在有機化學電子效應學習中的應用

陳冬寅，陳維琳，秦亞娟，傅一凡，蔣南(南京醫科大學藥學院，江蘇 南京 211166)

0 引言

有機化合物結構復雜、種類繁多，有機化學理論抽象、反應多變，導致很多學生認為有機化學聽不懂、記不住。克服這個困境不僅要求教師能夠將眾多的有機反應進行歸納、對比和總結，而且要求學生能夠深刻理解和記憶有機物性質以及重要有機反應。如何使“教”更簡單易懂，使“學”更有趣高效？筆者發現，電子效應是解決這一問題的重要突破口，它不僅影響有機化合物的化學性質，而且是決定有機化學反應機理的重要因素[1-2]。

然而，電子效應內容抽象，傳統教學很難滿足學生深刻理解的需求，這就要引入新型的教學方法[3]。20世紀興起的量子化學是運用量子力學的基本原理來研究電子結構、化學鍵及化學反應的理論。應用量子化學計算，我們可以預測異構體穩定性、反應機理，計算原子電荷等，并可利用可視化軟件觀察電子云、分子軌道等圖形。因此，針對學生的理解難點，我們可以運用量子化學及其可視化軟件，將枯燥、抽象的電子效應以一種生動、形象的形式呈現出來，既能加深學生對知識點的理解，又能幫助學生建立形象思維[4-5]。

我們在有機化學電子效應教學中，采用“提出問題、設計方案、實施計劃、分析結果、得出結論”的探究型學習模式，對量子化學計算的應用進行了初探。結果表明，該方法不僅加深了學生對抽象內容的理解，而且探究式學習模式喚醒了學生提出問題的主動意識，增強了學生解決問題的綜合能力。

1 教學現狀

1.1 學習內容抽象，知識應用廣泛

電子效應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，主要包含誘導效應和共軛效應。前者是指電負性對電子云的影響，后者是指共軛作用對電子云的影響。根據對電子云的作用方向，它們可分為吸/給電子誘導、吸/給電子共軛四種；根據電子離域所分布的分子軌道，共軛效應又分為π-π、p-π共軛及超共軛。此外，部分化學基團的誘導和共軛效應對電子云的作用方向是一致的；而對于某些化學基團，其誘導和共軛效應對電子云的作用方向卻是相反的。由此可見，電子效應概念抽象、知識復雜。然而，在理解有機物性質和反應方面，電子效應的應用卻極其廣泛。如，甲基與三氟甲基的誘導效應不同導致鹵化氫與丙烯、三氟丙烯的加成反應具有區域選擇性。因此，能否理解并應用電子效應解釋有機物性質和反應歷程，是能否學好有機化學關鍵因素之一。

1.2 學生基礎不齊，探究意識欠缺

學生入學時有機化學方面的基礎差別較大，且不少學生自主學習能力相對較弱，習慣被動接收知識，缺乏主動提出問題的意識和自主解決問題的能力，難以達到較好的自學效果。教學方面，我校藥學專業有機化學的教學采用大班教學模式，傳統課堂授課時教師很難做到因材施教。

1.3 教學模式單一，教學效果不佳

目前的理論教學資源主要是教材、多媒體課件、學習指導、文獻閱讀資料、分子結構模型等，缺乏形式活潑、內容生動、直觀形象的數字教學資源；而實驗教學也多圍繞合成實驗展開，對原子和分子軌道、電子效應等抽象內容的形象化理解沒有直接的促進作用。由于學生對微觀知識缺乏圖形化的認識，因此，教師在理論授課過程中多為單向灌輸，師生之間很難開展雙向互動，教學效果不理想。

2 引入量子化學計算的教學設計與實踐

針對電子效應這一抽象、枯燥的學習內容，我們應用量子化學Gaussian程序包及其可視化Gaussview軟件，并采用“提出問題、設計方案、實施計劃、分析結果、得出結論”的探究型學習模式，使其概念、強度、方向及特點等理論知識以直觀、生動、簡單的形式呈現出來。

2.1 梳理教學內容

根據教學大綱，結合電子效應類型繁雜、應用廣泛的特點，以“分類-特點-應用”為主線，將電子效應的教學內容分為三大模塊：(1)概念與分類，電子效應類型主要是誘導效應和共軛效應，從對電子云的作用方向來講，它們又可分為吸電子誘導、給電子誘導、吸電子共軛、給電子共軛四種。(2)特點，涵蓋“沿碳鏈傳遞情況”“常見基團電子效應及強弱對比”“常見基團誘導、共軛效應對電子云作用方向的一致性”3方面。(3)應用，著重從“烯烴不對稱加成的區域選擇性”“苯環親電取代反應中的定位規律”“取代基對酚類、羧酸類有機物酸性的影響”3方面進行探討。各模塊之間既要相對獨立，又要彼此關聯，通過串并聯教學，突出不同類型電子效應的對有機物性質及反應機理的影響。

2.2 編制實踐探索內容

基于上述教學模塊，將量子化學計算引入到電子效應的學習中，并通過以下3個實踐內容進行實施。

(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，從而構建各種有機化合物，應用Gaussian軟件計算雙鍵碳原子上的電荷分布，并通過以下觀察與比較得出結論：①觀察新構建化合物中雙鍵碳原子的電荷數值具有哪些規律，比如電荷值是沿著碳鏈逐漸遞變還是交替變化，從而總結出哪些基團具有誘導效應，哪些基團具有共軛效應，進而加深誘導效應和共軛效應沿碳鏈的傳遞情況；②與1,3-丁二烯雙鍵碳原子上的電荷分布進行比較，觀察電荷數值是否升高或降低，得出取代基是具有給電子的效應還是吸電子的效應，通過電荷變化值的比較，總結常見基團某個類型電子效應的強弱規律；③結合上述結論，總結常見化學基團的誘導和共軛效應分別具有吸電子性質還是給電子性質，進而理解其對烯烴親電加成反應區域選擇性的影響。

(2)以苯環作為母體，分別用上述基團取代苯環上的一個或二個氫原子，構建一取代苯及二取代苯。應用Gaussian軟件計算苯環上碳原子的電荷分布，并結合各基團的電子效應，總結苯環親電取代反應中的定位規律。

(3)以苯酚負離子、乙酸負離子為母體，用上述常見基團取代苯環或者a-”，應用Gaussian軟件計算新構建化合物負離子的氧原子電荷，從而總結不同類型取代基對氧負離子電荷的分散程度，進而理解不同取代基對酚類、羧酸類有機物酸性的影響。

2.3 開展探究式學習模式

從“以教師為主導”的灌輸式教學，逐漸轉變成“以學生為中心”的探究式學習。依托我院虛擬現實實驗室，實現量子化學計算；并依托超星網絡教學平臺，在有機化學教學網站上建立“量子化學計算與實踐”模塊，通過內容設計與優化，來實現課前自主預習、實踐教學檢測及課后拓展學習的要求。具體包括：

(1)課前提出問題并設計方案：利用網絡教學平臺的討論板塊，引導學生提出問題；根據學生提出的問題，引導學生提供解決方案。

(2)課上確定方案并實施計劃：首先采取傳統的課堂教學，教師著重講解合理的解決方案；接著演示計算方法和流程，引導學生構建有機物，進行計算。

(3)課后分析結果并得出結論：課后布置作業，要求學生完成結果討論并得出結論；利用QQ群及網絡教學平臺反饋作業完成情況，并進行答疑。

3 實施效果

我們在我校2019級藥學班中隨機選取了30名同學組成實驗組，進行量子化學計算的培訓，并基于計算化學的優勢解決電子效應這一抽象概念的學習，該部分同學的期末考試卷面成績平均分為80.2分，比對照組高8.4分，及格率也由對照組的75%提高到88%。

對參與實驗組的同學進行問卷調查，問卷回收率100%，內容涵蓋化學基礎情況、有機化學學習的難點和瓶頸、本課程開課前是否接觸過量子化學計算、量子化學計算及可視化對學習化學是否有幫助等。超過90%的學生都感覺有機化學基礎薄弱，難以理解抽象概念，導致記不住用不上。87%的學生表示在有機化學教學中引入量子化學計算及可視化程序，可以數字化直觀方式把抽象內容呈現出來，并通過實操分析結果并得出結論，不僅學習了一種學習或研究方法，而且提高了探究意識。

4 結語

我們在有機化學的教學實踐中，針對電子效應這一學習重點和教學難點，探索將量子化學計算及可視化軟件引入進來，并建立“提出問題、設計方案、實施計劃、分析結果、得出結論”的探究型學習模式。結果表明，這對于解決學生難以理解微觀抽象概念及反應機理、主動探究意識不強、課外師生互動欠缺、課堂教學形式單一、教學效果不甚理想等問題，是一個有效的方法。