MarvinSketch軟件在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王林 李樹炎 徐曉燕 唐迪

摘? 要：MarvinSketch是一款非常優(yōu)秀的化學(xué)繪圖軟件。文章對(duì)MarvinSketch軟件在大學(xué)化學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。作者使用MarvinSketch進(jìn)行了乙醇、茶堿分子的結(jié)構(gòu)繪制，模擬了環(huán)己烷分子的構(gòu)象，模擬了槲皮素分子的核磁共振氫譜的化學(xué)位移值。總之，在大學(xué)化學(xué)的教學(xué)中，教師可以利用MarvinSketch軟件進(jìn)行輔助教學(xué)。

關(guān)鍵詞：MarvinSketch；大學(xué)化學(xué)；輔助教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP39；G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）02-0188-04

Application of MarvinSketch Software in College Chemistry Teaching

WANG Lin， LI Shuyan， XU Xiaoyan， TANG Di

（Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry， Zhenjiang? 212400， China）

Abstract： MarvinSketch is an excellent chemical drawing software. This paper studies the application of MarvinSketch software in college chemistry teaching. MarvinSketch is used to draw the structure of ethanol and theophylline molecules， simulate the conformation of cyclohexane molecules， and simulate the chemical shift value of nuclear magnetic resonance hydrogen spectrum of quercetin molecules. In a word， in the teaching of college chemistry， teachers can use MarvinSketch software for auxiliary teaching.

Keywords： MarvinSketch; college chemistry; auxiliary teaching

0? 引? 言

大學(xué)化學(xué)這門課程是非化學(xué)專業(yè)（如，水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)、畜牧獸醫(yī)、食品、環(huán)境類）的學(xué)生的一門基礎(chǔ)課程，一般安排在大學(xué)一年級(jí)。“大學(xué)化學(xué)”這門基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)狀況的好壞對(duì)于大一學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度養(yǎng)成、學(xué)習(xí)方法掌握有重要的影響。“大學(xué)化學(xué)”主要的教學(xué)內(nèi)容包括物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、物質(zhì)的聚集狀態(tài)、定量分析基礎(chǔ)、化學(xué)反應(yīng)原理、滴定分析技術(shù)、有機(jī)物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及有機(jī)物的制備與相互轉(zhuǎn)化。在該門課程的教學(xué)過程中，教師通常依靠傳統(tǒng)的教學(xué)手段，以多媒體課件和講授法為主，在取得一定教學(xué)效果的同時(shí)，也暴露了很多教學(xué)方式方法上的不足。目前，在該門課程的教學(xué)過程中，教師必然會(huì)經(jīng)常繪制有機(jī)分子，在講解有機(jī)物結(jié)構(gòu)，尤其是在講解有機(jī)物構(gòu)象這種抽象的問題時(shí)，抽象的概念與知識(shí)點(diǎn)對(duì)學(xué)生的認(rèn)知能力與理解能力提出了很高的要求，因此往往學(xué)生很難掌握和理解這些抽象的并且微觀的知識(shí)點(diǎn)。針對(duì)在“大學(xué)化學(xué)”教學(xué)中遇到的問題進(jìn)行一定的教學(xué)改革就顯得尤為重要。結(jié)合現(xiàn)在信息化的大力發(fā)展，尤其是各種專業(yè)的化學(xué)軟件的不斷開發(fā)，教師如果在課堂教學(xué)中引入化學(xué)繪圖軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，并使用軟件繪制出分子的結(jié)構(gòu)模型，則能將分子的微觀結(jié)構(gòu)直觀地呈現(xiàn)出來。引入化學(xué)軟件能夠在很大程度上提高學(xué)生的認(rèn)知能力、提升學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)為目前“停課不停學(xué)”的線上教學(xué)與課程開發(fā)建設(shè)提供更多的新思路。

目前常用的化學(xué)繪圖軟件有ChemOffice套件[1]、Materials Studio[2]。ChemOffice套件是一款使用最普遍的化學(xué)繪圖軟件，可用于生物、化學(xué)分子的結(jié)構(gòu)繪制，也能夠直觀得展示分子的立體模型，畫面精美，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[3]。其強(qiáng)大的化學(xué)結(jié)構(gòu)繪制、模塊插入與流程制作功能不僅方便了教師的課件制作，還可以使課堂教學(xué)變得生動(dòng)形象。不管是在科研還是教師的教學(xué)過程中，ChemOffice套件都是使用最廣泛的分子結(jié)構(gòu)繪制與性質(zhì)模擬軟件。如，郝帥[4]等將ChemOffice套件運(yùn)用到《無機(jī)化學(xué)》的教學(xué)中。抽象的知識(shí)點(diǎn)往往是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。由于“價(jià)鍵理論”知識(shí)點(diǎn)理論性很強(qiáng)，并且沒有宏觀模型可以參考，學(xué)生很難通過教師的講授，來理解與掌握這部分內(nèi)容。通過ChemOffice套件能夠形象地展示出原子的成鍵規(guī)律與電子的分布特點(diǎn)。此外，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，ChemOffice套件也能發(fā)揮很大作用。學(xué)生可以使用ChemOffice套件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的搭建，并且可以嘗試搭建多種實(shí)驗(yàn)裝置。在搭建實(shí)驗(yàn)裝置的過程中，能夠熟悉實(shí)驗(yàn)流程，了解各實(shí)驗(yàn)裝置的作用，促使學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作有更加明確的思路，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。MaterialStudio是一款材料模擬軟件，是由美國(guó)Accelrys公司開發(fā)的軟件。MaterialStudio集成了眾多模塊，具有很強(qiáng)大的模擬計(jì)算功能，通常在材料相關(guān)學(xué)科中運(yùn)用較多。例如，李佳萱[5]報(bào)道了MaterialStudio軟件在高分子材料的教學(xué)科研中的結(jié)合應(yīng)用。MaterialStudio也可以用于有機(jī)分子的模型搭建與晶體結(jié)構(gòu)的展示。通過導(dǎo)入或者繪制得到某個(gè)晶體結(jié)構(gòu)，在MaterialStudio軟件中可以通過旋轉(zhuǎn)從不同角度來觀察和了解晶體的成鍵情況與分子堆積方式。在晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的教學(xué)中可以輔助教師進(jìn)行教學(xué)。例如，笪良國(guó)[6]等人報(bào)道了如何使用MaterialStudio軟件進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)輔助教學(xué)。此外MaterialStudio軟件還能進(jìn)行分子幾何構(gòu)型的優(yōu)化與能量計(jì)算，功能強(qiáng)大[7]。但這兩款軟件都是商業(yè)軟件，要經(jīng)過授權(quán)才能使用。

MarvinSketch軟件是由匈牙利Chemaxon公司于1999年開發(fā)的一款化學(xué)生物繪圖軟件[8]。MarvinSketch軟件功能強(qiáng)大，主要包括：繪制分子結(jié)構(gòu)、顯示分子立體結(jié)構(gòu)、計(jì)算分子的pKa和logP等[9，10]。此外，MarvinSketch軟件還可用來模擬計(jì)算出分子的核磁共振譜圖。從2004年開始，Chemaxon公司提供MarvinSketch軟件的教育與科研免費(fèi)授權(quán)[11]。目前，MarvinSketch軟件很受歡迎，在教學(xué)與科研中使用廣泛。另外，學(xué)生自己也可以在電腦上進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的繪制，從而掌握分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。MarvinSketch軟件在緩沖溶液、核磁共振波譜等章節(jié)的教學(xué)中也能為教師的教學(xué)提供重要的輔助作用。下面結(jié)合一些實(shí)例來介紹MarvinSketch軟件在教學(xué)中的應(yīng)用。

1? 繪制分子結(jié)構(gòu)

由于有機(jī)物的結(jié)構(gòu)大多比較復(fù)雜，使用MarvinSketch界面中的繪圖工具，可以非常方便地繪制出各種有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)。例如，乙醇分子結(jié)構(gòu)的繪制，使用軟件界面左側(cè)工具欄中的“SingleBond”功能，先繪制出兩個(gè)相連的碳原子。然后，點(diǎn)擊其中一個(gè)碳原子，畫出第三個(gè)碳原子。最后，點(diǎn)擊右邊工具欄中的“Oxygen”按鈕，再點(diǎn)擊兩端任意一個(gè)碳原子，將其轉(zhuǎn)變成氧原子，最終就畫出了乙醇分子的結(jié)構(gòu)。對(duì)于含有碳環(huán)的分子，使用界面下方的“環(huán)狀結(jié)構(gòu)”工具按鈕就能快速畫出，也可在這些碳環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改得到其他結(jié)構(gòu)。對(duì)于常見的分子，可以通過“Structure”菜單欄中的“NametoStructure”命令輸入英文名稱，軟件自動(dòng)搜索得到相應(yīng)分子的結(jié)構(gòu)。例如，通過輸入“theophylline”，搜索得到茶堿的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以清晰地看到茶堿的分子結(jié)構(gòu)，并且軟件自動(dòng)默認(rèn)使用不同的顏色表示不同的原子，我們能夠非常直觀地從結(jié)構(gòu)圖中掌握茶堿分子的結(jié)構(gòu)特征。

2? 模擬分子構(gòu)象

在有機(jī)分子中由于共價(jià)鍵的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致分子具有不同的構(gòu)象。教師在講解有機(jī)物構(gòu)象的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，總是無法直觀地呈現(xiàn)不同的構(gòu)象。通過MarvinSketch可以模擬出同一個(gè)分子的不同構(gòu)象。通過“Calculations”菜單欄中的“Conformation”選項(xiàng)下的Conformers命令可進(jìn)行有機(jī)分子構(gòu)象的模擬，點(diǎn)擊Conformers后，使用默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖2（a）所示。如圖2（b）所示為環(huán)己烷模擬得到的4個(gè)具有代表性的不同構(gòu)象。我們也可以根據(jù)模擬得到的結(jié)果，準(zhǔn)確知道“椅式”構(gòu)象是最穩(wěn)定的，其能量為10.97 kcal/mol，明顯低于其他3個(gè)構(gòu)象的能量值。通過這樣的例子展示，并通過計(jì)算，學(xué)生很容易理解構(gòu)象的形成原因，以及不同構(gòu)象之間的能量差異。

3? 計(jì)算pKa

pKa是“大學(xué)化學(xué)”中酸的解離相關(guān)的重要知識(shí)點(diǎn)。教師在講授弱酸的解離程度時(shí)往往會(huì)列舉一些常見的弱酸pKa值為例子。另外，在計(jì)算溶液的pH值時(shí)，往往也需要用到酸的pKa數(shù)值。因此，如何快速、準(zhǔn)確地得到某個(gè)酸的pKa數(shù)值尤為重要。通過“Calculations”菜單欄中的“Protonation”選項(xiàng)下的pKa命令可以進(jìn)行分子的pKa值模擬計(jì)算。有機(jī)分子的pKa計(jì)算步驟是：先在軟件繪圖區(qū)繪制好分子結(jié)構(gòu)，然后點(diǎn)擊“Calculations”菜單欄中的“Protonation”選項(xiàng)下的pKa命令，使用軟件默認(rèn)參數(shù)，點(diǎn)擊“OK”，即出現(xiàn)pKa計(jì)算結(jié)果。如圖3所示，為乙酸的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算得到的pKa=4.54，與實(shí)驗(yàn)值4.76是非常吻合的[12]。對(duì)于乙酸分子而言，其pKa值很容易查詢得到，但對(duì)于一些復(fù)雜的分子，尤其是分子結(jié)構(gòu)中有多個(gè)氫離子能夠電離的（如，檸檬酸），其各個(gè)氫離子的pKa值不易查詢得到，但通過MarvinSketch軟件將很容易計(jì)算得到。通過比較這些不同基團(tuán)的pKa值，我們也能夠得到這些氫離子的活潑性強(qiáng)弱。

4? 計(jì)算模擬核磁共振譜圖

MarvinSketch軟件還可以用來進(jìn)行有機(jī)分子的核磁共振譜圖的計(jì)算模擬，得到氫原子和碳原子的化學(xué)位移值。通過“Calculations”菜單欄中的“NMR”選項(xiàng)下的H-NMRPrediction或者C-NMRPrediction命令可以實(shí)現(xiàn)，點(diǎn)擊H-NMRPrediction功能之后，軟件立即開始計(jì)算模擬，并在約10秒種后出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果。有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，其譜圖數(shù)據(jù)更是紛繁復(fù)雜，在核磁譜圖的解析過程中，常常需要大量的知識(shí)儲(chǔ)備才能正確完成核磁譜圖的解析。教師通過MarvinSketch軟件模擬計(jì)算出一些教學(xué)實(shí)例，可以幫助學(xué)生更好地掌握核磁譜圖的歸屬與解析，提升教學(xué)效果。圖4為模擬得到的槲皮素的核磁共振氫譜化學(xué)位移值，模擬得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值較吻合[13]。

MarvinSketch輔助核磁氫譜解析可以幫助初學(xué)者檢驗(yàn)核磁共振知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。而對(duì)深入學(xué)習(xí)的學(xué)生或科研工作者來說，遇到復(fù)雜的譜圖，出現(xiàn)部分核磁共振峰的歸屬很難確定時(shí)，可以將同一化合物的同分異構(gòu)體的構(gòu)型畫出來，用MarvinSketch軟件分別對(duì)這些構(gòu)型的核磁譜圖進(jìn)行模擬，和實(shí)驗(yàn)譜進(jìn)行對(duì)比分析，這樣可以為復(fù)雜譜圖解析提供很大的幫助。

5? 模擬計(jì)算溶解度

有機(jī)分子的溶解性是重要的性質(zhì)之一，尤其是對(duì)于藥物分子而言，其水溶性是影響療效的關(guān)鍵因素之一。MarvinSketch軟件的溶解度預(yù)測(cè)工具能夠計(jì)算有機(jī)分子在給定pH值條件下的水溶性。與pKa模擬計(jì)算功能類似，溶解度的計(jì)算模擬功能同樣有助于使用者掌握有機(jī)分子結(jié)構(gòu)信息、理解結(jié)構(gòu)規(guī)律。此外，有機(jī)分子的pKa和水溶性的模擬計(jì)算不僅僅在“大學(xué)化學(xué)”的課堂教學(xué)過程中發(fā)揮作用，對(duì)于以后從事化學(xué)、醫(yī)學(xué)相關(guān)行業(yè)工作的同學(xué)而言，這些簡(jiǎn)單的功能或許也能在工作中發(fā)揮重要作用。

6? 結(jié)? 論

MarvinSketch還能進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)式的繪制、對(duì)映異構(gòu)體的轉(zhuǎn)換、互變異構(gòu)化模擬、氫鍵供體與受體計(jì)算等。總之，MarvinSketch是一款非常優(yōu)秀的專業(yè)化學(xué)軟件，能夠?qū)⒂袡C(jī)分子的結(jié)構(gòu)形象地呈現(xiàn)出來。在大學(xué)化學(xué)的教學(xué)過程中通過MarvinSketch軟件，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過自己親手繪制有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)由此對(duì)于結(jié)構(gòu)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)（如構(gòu)象、分子異構(gòu)化）掌握更加牢固，提升教師的教學(xué)效果。此外，MarvinSketch軟件還有很多其他功能也值得我們?nèi)W(xué)習(xí)和探索。

參考文獻(xiàn)：

[1] ChemDraw. ChemOffice Professional 22 [EB/OL].[2022-09-01].https：//www.chemdraw.com.cn/product.html.

[2] Dassault Systèmes. BIOVIA MATERIALS STUDIO AN INTEGRATED， MULTI-SCALE MODELING ENVIRONMENT [EB/OL].[2022-09-01].https：//www.3ds.com/products-services/biovia/products/molecular-modeling-simulation/biovia-materials-studio/.

[3] 浦蕊，楊艷華，高樹林，等.ChemDraw在～1H-HMR波譜解析教學(xué)中的應(yīng)用 [J].廣州化工，2021，49（23）：129-132.

[4] 赫帥，魏明，薛小旭，等.ChemOffice軟件在無機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐 [J].云南化工，2022，49（2）：50-53.

[5] 李佳萱.MaterialsStudio軟件與高分子材料的結(jié)合應(yīng)用 [J].冶金與材料，2021，41（3）：62-63.

[6] 笪良國(guó)，張倩茹.Materials Studio 8.0在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用 [J].淮南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，21（2）：60-62+70.

[7] 莊昌清，岳紅，張慧軍.分子模擬方法及模擬軟件Materials Studio在高分子材料中的應(yīng)用 [J].塑料，2010，39（4）：81-84.

[8] Chemaxon. Marvin Draw with Marvin， import， edit， and export your chemical structures effortlessly from one simple application [EB/OL].[2022-09-01].https：//chemaxon.com/products/marvin.

[9] TOURE O，DUSSAP C G，LEBERT A. Comparison of predicted pKa values for some amino-acids，dipeptides and tripeptides，using COSMO-RS，ChemAxon and ACD/LABS methods [J].Oil & Gas Science and Technology，2013，68（2）：281-297.

[10] CHEN J，SWAMIDASS S J，DOU Y M，et al. ChemDB：a public database of small molecules and related chemoinformatics resources [J].Bioinformatics，2005，21（22）：4133-4139.

[11] chemeurope.com. Chemaxon Announces Free Software for the Academic Community Via the Jchem and Marvin Academic Package [EB/OL].[2022-09-01].https：//www.chemeurope.com/en/news/38834/chemaxon-announces-free-software-for-the-academic-community-via-the-jchem-and-marvin-academic-pacakge.html.

[12] REISINGER H，KING C J. Extraction and sorption of acetic acid at pH above pKa to form calcium magnesium acetate [J].Industrial & engineering chemistry research，2002，34（3）：845-852.

[13] WANG L，LI S Y，XU X Y，et al. Drug-drug cocrystals of theophylline with quercetin [J/OL].Journal of Drug Delivery Science and Technology，2022，70：[202208-26].https：//doi.org/10.1016/j.jddst.2022.103228.

作者簡(jiǎn)介：王林（1989.12—），男，漢族，江蘇句容人，講師，碩士研究生，研究方向：藥物晶體學(xué)。

收稿日期：2022-09-13

基金項(xiàng)目：全國(guó)食品產(chǎn)業(yè)職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)教育教學(xué)改革與研究課題（SHK2022046）；江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院2022年《無機(jī)及分析化學(xué)》課程思政示范課建設(shè)項(xiàng)目