王 赟，劉一兵，夏加亮，惠永海，房 勇

(1 嶺南師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東 湛江 524048；2 四川輕化工大學(xué)材料腐蝕與防護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 自貢 643000；3 四川輕化工大學(xué)高性能計(jì)算中心，四川 自貢 643000)

高中有機(jī)化學(xué)是中學(xué)生有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)的啟蒙，也是大學(xué)有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)[1]。如何正確引導(dǎo)中學(xué)生正確認(rèn)識有機(jī)化學(xué)、理解有機(jī)化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)，對其化學(xué)興趣的養(yǎng)成及未來的化學(xué)學(xué)習(xí)至關(guān)重要。

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是舊化學(xué)鍵的斷裂和新化學(xué)鍵的生成，通常都是基于分子層面的轉(zhuǎn)化，概念和理論知識很難通過觀察宏觀化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象獲得[2]。上述學(xué)科特點(diǎn)決定了有機(jī)化學(xué)難以像其他化學(xué)分支一樣，以觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的方式在課堂教學(xué)中進(jìn)行教授。因此學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，教學(xué)效果差，失去了學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的興趣[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，化學(xué)已不再局限于實(shí)驗(yàn)學(xué)科的范疇，它已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、理論相結(jié)合的綜合性學(xué)科，越來越多的專業(yè)計(jì)算軟件應(yīng)用于化學(xué)研究領(lǐng)域，特別是在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用更具有廣泛性[4]。量子化學(xué)計(jì)算輔助有機(jī)化學(xué)教學(xué)，不僅可以解決老師備課難的問題，更可以幫助學(xué)生理解有機(jī)化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量[5-7]。因此，運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算輔助高中有機(jī)化學(xué)教學(xué)是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的有益補(bǔ)充。本文分別以有機(jī)化合物立體結(jié)構(gòu)、化合物結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性關(guān)系和烯烴化學(xué)性質(zhì)等的可視化教學(xué)為例，探討量子化學(xué)計(jì)算在高中有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

1 高中有機(jī)化學(xué)可視化教學(xué)中存在的問題分析

目前，高中有機(jī)化學(xué)可視化教學(xué)中存在的問題主要為：(1)有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)表達(dá)方式多樣復(fù)雜，目前教學(xué)中使用的平面圖形難以滿足分子結(jié)構(gòu)表達(dá)的要求；(2)高中有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)中經(jīng)常需要根據(jù)分子的二維分子圖形想象其三維空間內(nèi)的原子分布、分析復(fù)雜的勢能曲線和理解同分異構(gòu)的穩(wěn)定性差異，這對學(xué)生抽象思維和空間想象力都有較高要求。但傳統(tǒng)教學(xué)中使用的球棍模型難以形象、準(zhǔn)確地描述化合物的微觀結(jié)構(gòu)，無法達(dá)到教學(xué)要求；(3)化合物的化學(xué)性質(zhì)通常需要根據(jù)化合物的立體結(jié)構(gòu)、電子分布等進(jìn)行剖析，采用傳統(tǒng)的粉筆+黑板或者多媒體的教學(xué)手段，無法展示分子的微觀結(jié)構(gòu)，很難將其平面結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)聯(lián)系起來。

2 量子化學(xué)計(jì)算在高中有機(jī)化學(xué)可視化教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)的可視化教學(xué)

高中學(xué)生初次接觸有機(jī)化合物，空間想象力不夠，很難將鍵長鍵角等鍵參數(shù)和化合物的立體結(jié)構(gòu)相聯(lián)系。因此，將量子化學(xué)計(jì)算模擬引入到高中有機(jī)化合物立體結(jié)構(gòu)可視化教學(xué)中，有助于學(xué)生正確認(rèn)識有機(jī)化合物的空間結(jié)構(gòu)，掌握穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的決定因素。

我們通過量子化學(xué)計(jì)算a(能用于高中有機(jī)化學(xué)教學(xué)的量子化學(xué)計(jì)算軟件有Gaussian、Vasp、Turbomole、Gamess-UK、MD等，但是Gaussian功能強(qiáng)大，簡單易學(xué)，應(yīng)用廣泛。本文涉及的計(jì)算內(nèi)容均使用Gaussian09計(jì)算。)獲得甲烷(A)、乙烷(B)、乙烯(C)、乙炔(D)和苯(E)五種代表性有機(jī)化合物的優(yōu)勢構(gòu)象，見圖1。分子的對稱性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)立體地清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，學(xué)生可以直觀地看到化合物的鍵長、鍵角、二面角等，學(xué)生還可以控制鼠標(biāo)．通過分子模型的旋轉(zhuǎn)、縮放和平移，從不同角度觀察分子的形狀和結(jié)構(gòu)。我們引導(dǎo)學(xué)生通過觀察化合物的優(yōu)勢構(gòu)象，比較這些化合物之間的相同和不同之處。五種化合物代表了有機(jī)化合物中四類化合物，通過比較可以知道不同的化合物中C-H鍵鍵長不同，如圖1所示。這種不同是由于與H成鍵的C雜化狀態(tài)不同所造成的。C雜化狀態(tài)不同還使得四類化合物中的C與C鍵的成鍵方式不同從而影響碳碳鍵長和鍵角也不相同。有機(jī)化合物立體結(jié)構(gòu)的可視化能幫助學(xué)生更好地了解有機(jī)化合物的微觀結(jié)構(gòu)，同時將抽象的空間結(jié)構(gòu)和具體的數(shù)字聯(lián)系在一起，使學(xué)生能通過數(shù)字的描述來表達(dá)和分析化合物的空間結(jié)構(gòu)，從而了解化合物的性質(zhì)。

圖1 甲烷、乙烷、乙烯、乙炔和苯的優(yōu)勢構(gòu)象

2.2 結(jié)構(gòu)與能量關(guān)系的可視化教學(xué)

高中有機(jī)化學(xué)中經(jīng)常會對化合物的穩(wěn)定性給出結(jié)論，但無法通過球棍模型和平面分子式對化合物穩(wěn)定性的結(jié)論給出合理解釋。學(xué)生僅僅通過化合物的立體結(jié)構(gòu)無法判斷出化合物的穩(wěn)定性。在這一過程中引入量子化學(xué)計(jì)算將有助于學(xué)生更好地將化合物的結(jié)構(gòu)和能量相聯(lián)系。如在烯烴結(jié)構(gòu)的教學(xué)中提到一般情況下烯烴的反式結(jié)構(gòu)比順式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對此結(jié)論，通常的解釋是相同的基團(tuán)在C=C同側(cè)，距離比較近，相互之間產(chǎn)生斥力，這種斥力造成分子內(nèi)能升高，穩(wěn)定性變差。這個解釋中的空間結(jié)構(gòu)難以想象，學(xué)生難以理解。我們可以借助量子化學(xué)計(jì)算，分別構(gòu)建順式和反式烯烴的優(yōu)勢構(gòu)象，同時計(jì)算優(yōu)勢構(gòu)象的能量，通過能量數(shù)值大小的比較就可以直接判斷化合物的穩(wěn)定性。以丁烯為例，分別通過量子化學(xué)計(jì)算獲得順式和反式丁烯的優(yōu)勢構(gòu)象(如圖2)，同時還可獲知順式和反式丁烯的能量分別為-412785.262 kJ/mol，-412790.611 kJ/mol。從能量數(shù)值可直觀判斷丁烯的反式結(jié)構(gòu)比順式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

在教學(xué)中運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算的方法能將化合物的結(jié)構(gòu)和能量相聯(lián)系，可使化合物結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性關(guān)系可視化，學(xué)生通過數(shù)值大小的比較就能直觀地判斷化合物的穩(wěn)定性，使認(rèn)識形象化、簡單化。

圖2 順式和反式丁烯的優(yōu)勢構(gòu)象

2.3 化學(xué)性質(zhì)的可視化教學(xué)

有機(jī)化合物的化學(xué)性質(zhì)是高中有機(jī)化學(xué)課程中的重點(diǎn)內(nèi)容。明確化合物的化學(xué)性質(zhì)，對于高中學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，培養(yǎng)有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)興趣等方面有重要的意義。量子化學(xué)計(jì)算可以通過有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)分析化合物的性質(zhì)，比較不同化合物的化學(xué)反應(yīng)性大小，而且可以將該方法進(jìn)行擴(kuò)展，使之能預(yù)測其他化合物的反應(yīng)性能。

烯烴的性質(zhì)及反應(yīng)是高中有機(jī)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的重要組成部分之一，特別是烯烴的加成反應(yīng)，是高中有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。但是，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，通過常規(guī)結(jié)構(gòu)式的描繪很難讓學(xué)生理解此類反應(yīng)發(fā)生的過程，特別是烯烴加成需遵循的馬氏規(guī)則(不對稱烯烴與鹵化氫進(jìn)行加成反應(yīng)時，鹵化氫中的氫總是加在C=C中含氫基較多的C上)學(xué)生很難理解。因此，將量子化學(xué)計(jì)算引入烯烴加成反應(yīng)的教學(xué)中，能夠使學(xué)生更加深入地了解化合物分子結(jié)構(gòu)對性質(zhì)的影響。

運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算丙烯，2-甲基丙烯，2-甲基丁烯和1-甲基環(huán)己烯優(yōu)勢構(gòu)象的電荷分布，如圖3所示。引導(dǎo)學(xué)生觀察四個化合物優(yōu)勢構(gòu)象的電荷分布可知，C=C中帶氫基數(shù)目比較多的碳所帶的負(fù)電荷比較多(如圖3所示)。因此，在烯烴與鹵化氫進(jìn)行加成反應(yīng)時，鹵化氫中帶正電荷的氫離子加在C=C中帶負(fù)電荷比較多的C上，而雙鍵中帶負(fù)電荷比較多的C往往帶有的氫基數(shù)目比較多，由此得出高中有機(jī)化學(xué)中的馬氏規(guī)則。

在烯烴加成反應(yīng)的教學(xué)中，借助量子化學(xué)計(jì)算，學(xué)生對于抽象的馬氏規(guī)則有了形象地理解，認(rèn)清了正負(fù)電荷的吸引才是馬氏規(guī)則的實(shí)質(zhì)，這也為大學(xué)有機(jī)化學(xué)中馬氏規(guī)則的拓展(不對稱烯烴與極性試劑進(jìn)行加成反應(yīng)時，極性試劑中帶正電荷的部分總是加在C=C中帶負(fù)電荷多的C上)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 丙烯，2-甲基丙烯，2-甲基丁烯和1-甲基環(huán)己烯優(yōu)勢構(gòu)象的電荷分布

3 結(jié) 語

量子化學(xué)計(jì)算在高中有機(jī)化學(xué)化合物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面的應(yīng)用，不僅使上述教學(xué)內(nèi)容從抽象到直觀，從復(fù)雜變簡單，還能有效提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。因此，在實(shí)際教學(xué)中，有必要加強(qiáng)量子化學(xué)計(jì)算的應(yīng)用，使其在學(xué)生高中有機(jī)化學(xué)啟蒙教學(xué)中發(fā)揮更大的作用。