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【MS应用实例】安庆师范学院成果展示:Materials Studio在有机化学教学中的应用
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【MS应用实例】安庆师范学院成果展示:Materials Studio在有机化学教学中的应用

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Materials Studio(MS)软件是当今材料研究领域中的重要工具,由于其直观性和交互性的特点,对于大学有机化学教学具有很好的促进作用。本文结合教纲和实例,简要介绍MS软件在有机化学课堂教学中的一些应用,包括显示化合物的立体模型、计算分子的电荷分布、能级结构和分子轨道、预测分子的波谱性质,以及模拟反应的动态过程等方面,增强了课堂教学的生动性,促进了学生理解教学重点和难点,提高了教学量。

 

引言:

随着计算机技术的普及与应用,在化学教学过程中积极引入计算模拟技术己经成为一种必然。Materials Studio(MS)是由Accelrys公司开发的一款主要用于量子力学、分子力学、介观模拟、仪器仿真和统计相关等多个领域的专业软件。由于其功能强大、操作简便,同样可以辅助化学教学,尤其应用于有机化学中涉及的化合物立体构型、电荷密度、分子轨道、波谱性质和反应机理等方面,可以轻易突破这些教学难点,为有机化学教与学提供便利,增强教学效果。在此,本文结合有机化学教学大纲和实例,简单介绍MS计算软件在课堂教学中的应用。

 

一、化合物立体模型

有机化学教纲一般要求是能准确区分和画出化合物的构型、构象和立体异构。这实质包含二维(2D)、三维(3D)的空间概念,传统的讲授方法不但让学生感觉枯燥,而且不易在头脑中建立相应的模型和概念。MS不仅能绘制化合物的2D或3D分子结构模型,直观表达不同的异构体变化,还可以借助其携带的计算模块获得分子的空间构型、键长、键角和扭转角等参数。因此借助 MS 软件,可以轻易绘制和演示一些结构复杂的有机分子,例如呈锯齿状的高级脂肪烃、C60、有机分子晶体等等(图1)。这些立体模型生动形象、立体感强,有利于教学展示和促进学生理解化合物的真实结构。

二、电荷、分子轨道与能量计算

有机化学反应的本质是极性共价键的断裂与生成,因此了解各种共价键的属性是有机化学研究的重要内容。MS软件通过建模、优化分子结构,选择合适的模块和算法,并在Properties中勾选Band structure,Electron density和Orbital,计算分析后可以直观地展示化合物的能带结构、电荷密度分布以及HOMO与LUMO分子轨道,如图2所示,帮助研究工作者快速确定化学反应的活性位置以及反应机理走向,促进学生理解一些教学重点和难点,例如芳香烃的亲电取代定位规则以及前线轨道理论等。

三、波谱性质计算

波谱性质是有机物结构鉴定和应用的基础,有机化学教学一般要求本科生掌握基本的四大谱,即红外、核磁、紫外和质谱,为更高阶段的学习和科研做好准备 。MS软件中Dmol3和CASTEP模块都可以计算化合物波谱性质。在此以Dmol3计算4-氨基苯甲酸的红外光谱为例介绍整个计算与分析过程,Calculate里设置参数,任务选Geometry Optimization,Properties 中勾选 fre-quency,计算成功后出现.xsd 文件。在Tool 里选择Vibrational Analysis,点图3(a)中的Caculation按钮,然后点击下方的Animation/Grid/Spectrum3个按钮可以分别得到基团振动的动态演示、频率-强度数据和模拟光谱,如图3(b) ~(d)所示。图3 Dmol3计算红外光谱。(a)振动分析窗口;(b)频率-强度数据;(c)基团振动的动态演示;(d)模拟光谱。

四、反应机理与过渡态计算

反应机理是有机化学教学中的重点和难点,熟练掌握各种反应机理有助于更深入理解和运用各种有机化学反应。随着科学研究的不断发展,新的反应不断出现,探究这些未知反应的机理是必须面临的重要科学问题。MS软件功能强大,除了可以进行几何优化、单点能与分子振动频率计算外,还能帮助寻找过渡态,建立正确的反应机理,方便学生掌这些反应的动态历程。以有机化学中常见的酮和烯醇式互变异构为例,计算过程一般包含以下步骤:(1)创建反应物(烯醇)和产物(酮)的构型并优化;(2)寻找对称原子,将酮和烯醇式中所有C/H/O原子配对;(3)创建、计算反应路径并寻找过渡态,真实的过渡态结构反映在频率计算上就是一个虚频(负值);(4)优化过渡态结构(图4)。

五、结论与展望

MS计算软件在有机化学课堂教学中的引入和使用,丰富了教学形式和教学手段。一方面,通过灵活的屏幕操作演示化合物立体模型,动态、直观地展示物质结构和性质,克服以往只能依靠想象学习有机化学这一障碍,提高学生的学习兴趣;另一方面,通过教学大纲和计算实例的结合应用,使计算机分子模拟和反应机理更加容易理解,提高学生的有机化学理论水平和实践能力,收到良好的教学效果。

 

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