［摘 要］ 以“蔗糖水解反應速率常數測定實驗”為例，對密度泛函理論（DFT）應用于“物理化學實驗”教學的可行性進行了研究。基于Gaussian16軟件包進行了結構建模和構型優(yōu)化，采用B3lyp/6-31G*方法優(yōu)化了蔗糖的結構，預測反應的活性中心，為蔗糖水解反應的作用機理提供了理論依據。同時根據開展實驗具體的課時要求，介紹了實驗開展的思路和細節(jié)。在“物理化學實驗”課程中加入理論化學計算內容，有助于學生全面認識化學反應過程的微觀作用機理，豐富化學動力學實驗教學內容，提高學生的學習興趣和創(chuàng)新能力。

［關鍵詞］ 密度泛函理論；化學動力學；物理化學實驗；教學探索

［基金項目］ 2022年度廣西高等教育本科教學改革工程項目“混合式教學融入思想政治教育在物理化學實驗中的探索和實踐”（2022JGB100）；2020年度廣西壯族自治區(qū)教育廳“‘新工科’背景下本科生導師制的CDIO培養(yǎng)模式構建與研究”（2020JGZ105）；2022年度廣西學位與研究生教育改革專項課題“‘工程倫理’線上線下混合式課程建設”（JGY202205）

［作者簡介］ 周利琴（1987—），女，四川瀘州人，化學工藝專業(yè)博士，廣西大學化學化工學院實驗員，高級工程師，主要從事綠色化工及可再生資源研究；趙鐘興（1979—），男，天津人，化學工藝專業(yè)博士，廣西大學化學化工學院教授，主要從事特色生物質資源高值轉化與利用研究；趙禎霞（1981—），女，山東青島人，能源環(huán)境材料及技術專業(yè)博士，廣西大學化學化工學院教授（通信作者），主要從事小分子辨識吸附分離研究。

［中國分類號］ O643.12；G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）09-0103-05 ［收稿日期］ 2023-07-20

“物理化學實驗”是化學、化工、材料、制藥等專業(yè)必修的實驗課程，一般為本科大三學生開設［1］。不同于大一、大二開設的無機化學、分析化學、有機化學實驗，鍛煉學生的實驗規(guī)范操作能力和對實驗現(xiàn)象的科學記錄表達能力，“物理化學實驗”課程教學更注重數據處理和結果分析，促進大學生進一步深化理解物理化學抽象知識，對其學習后續(xù)專業(yè)課程、培養(yǎng)和提高科研素養(yǎng)有著至關重要的作用［2-3］。

“物理化學實驗”課程中的基礎實驗包括化學熱力學、電化學、化學動力學、膠體與表面化學、結構化學等五部分內容。其中化學動力學，也稱化學反應動力學，是研究化學過程進行的速率和反應機理的學科，其研究對象是性質隨時間而變化的非平衡的動態(tài)體系。以蔗糖水解為例，蔗糖在水中轉化為葡萄糖和果糖，體系中蔗糖的含量隨著反應時間增加而減少，葡萄糖和果糖的含量則相應增加。蔗糖、葡萄糖、果糖都具有旋光性，但是旋光能力不同，實驗教學中利用體系在反應過程中旋光度的變化來衡量反應的進程。

然而，在查閱文獻及與學生交流中發(fā)現(xiàn)，對于化學過程中的蔗糖水解過程，大多是對其反應動力學進行研究，且學生對分子的微觀結構和化學鍵的性質了解不足，如對蔗糖、葡萄糖、果糖的分子結構和蔗糖分子在水解過程中化學鍵的斷裂位置，學生的認知模糊不清。隨著計算機運算能力的提升，近幾年，分子模擬技術迅速發(fā)展，在物理、化學、材料、生命科學等領域發(fā)揮著重要的作用。通過計算機程序模擬物質的結構性質，與實驗研究互補，幫助科研人員預測化學反應規(guī)律，以提高實驗研究的效率，分析實驗現(xiàn)象，解釋反應機理。

將分子模擬技術引入本科實驗教學課堂，不僅彌補了傳統(tǒng)教學的單一枯燥，完成了常規(guī)實驗中難以實現(xiàn)的目標，提高教學效率，而且使學生獲得了接觸計算化學前沿領域的機會，有助于提高學生的創(chuàng)新思維和科學素養(yǎng)［4-5］。因此，清華大學、廈門大學、西安電子科技大學等部分高校在實驗教學中引入了分子模擬技術的相關內容［6-9］。分子模擬包括量子力學模擬和經典力學模擬，量子力學模擬主要包括從頭算方法、半經驗方法、密度泛函理論（density functional theory， DFT）方法，而經典力學模擬包括分子力學、分子動力學、蒙特卡羅模擬、布朗動力學。量子力學利用波函數研究微觀粒子的運動規(guī)律，其中，DFT是一種研究多電子體系電子結構的方法，用電子密度取代波函數作為研究的基本量，具有計算量小、計算精度高等優(yōu)點。作為處理多粒子體系的近似方法，在物理化學、量子化學和材料科學等領域得到了廣泛應用。

本文以蔗糖水解為例，通過DFT計算來獲取蔗糖水解過程的微觀信息，運用量子理論分析這些信息的化學物理意義，討論蔗糖的反應活性中心、糖苷鍵和氫鍵的特征，可以從微觀上充分理解相關化學知識［10］。DFT計算常用的軟件有Materials Studio（MS）、VASP、Guassian等［11］。其中，Gaussian是量子化學計算軟件，是目前物理、化學、材料領域研究中必不可少的工具，功能全面，一般的化學問題都能計算，且結構和能量計算準確，精度高。Guassian對于簡單的計算操作只要運用幾個簡單的關鍵詞，將初始結構和計算要求提交計算中心，即可進行運算。由于實驗教學學時限制，我們先將建模過程和DFT的計算過程進行講解并錄屏，在實驗預習階段，將視頻內容發(fā)送給學生自行預習，豐富學生的預習方式和內容，在實驗教學中引入這些信息，提升學生對蔗糖水解過程的認識和理解。同時，通過對蔗糖水解生產甘露醇、山梨醇等工業(yè)的引入，培養(yǎng)學生理論與實際相結合的意識，通過對蔗糖產業(yè)的挖掘，可以探索實驗教學課程思政建設，發(fā)揮“物理化學實驗”課程的育人作用，提高人才培養(yǎng)質量［12］。

一、研究基礎

（一）蔗糖水解反應的作用機制

蔗糖在水中轉化為葡萄糖（α-D-吡喃葡萄糖）和果糖（β-D-呋喃果糖），水解反應方程式為：

蔗糖是一種通過糖苷鍵（α-1-2-β糖苷鍵）相連的雙糖結構分子，蔗糖的O-糖苷鍵為C-O-C，可以認為是醚鍵，如圖1所示。醚鍵一般條件下不容易斷裂，但當醚鍵中的氧原子有未共用電子對時，能接受酸中的質子。首先，水分子中的氫攻擊蔗糖的O-糖苷鍵上的氧原子，形成羥基（-OH），并斷開了糖苷鍵（C-O），得到其中一個糖單元。另一個糖單元上的糖苷鍵上的碳則因失去相連的氧原子后形成碳正離子而具有親電性，與水分子失去一個氫原子后形成的-OH結合得到另一個單糖。水分子中的氫原子由于不帶正電，親電能力較差，蔗糖在水中的反應速率很慢。因此，蔗糖水解反應是在酸性條件催化下的水解反應。氫離子（H+）是較強的親電試劑，更容易攻擊O-糖苷鍵中的氧原子，因此加速了蔗糖在水中的分解。水在反應過程中是大量存在的，盡管有部分水分子參加了反應，但仍可以近似地認為整個反應過程中水的濃度是恒定的，且催化劑（H+）的濃度也保持不變。

（二）計算方法

本實驗研究中的理論計算基于DFT方法，采用Guassian16軟件，采用B3lyp/6-31G*對蔗糖結構進行優(yōu)化，采用Multiwfn對計算結果信息進行提取［13］。

二、結果處理與討論

（一）蔗糖的電子結構、原子電荷和鍵級

原子電荷是對化學體系中電荷分布最為簡單的表示方式，可用于快速確定反應過程中可能的活性位點。計算原子電荷有多種方法，如Mulliken、Hirshfeld、AIM等，其中Mulliken是一種計算原子局部電荷（partial charge）的方法，簡潔地描述了原子軌道對分子軌道的貢獻。化學鍵鍵能的描述方法有很多，如Mayer鍵級、Wiberg鍵級、Mulliken鍵級、拉普拉斯鍵級（Laplacian bond order， 簡稱LBO）。其中拉普拉斯鍵級與化學鍵的強度相關性明顯比其他鍵級更好［14］。因此，通過Gaussian 16的DFT計算，我們對蔗糖分子進行結構優(yōu)化后，將得到的結果導入Multiwfn3.8進行Mulliken原子電荷和拉普拉斯鍵級數據的提取分析。蔗糖主要原子電荷和化學鍵的鍵級如圖2所示。

圖2（a）是蔗糖分子結構中碳原子和氧原子標號及對應原子的Mulliken電荷數。電荷越負的原子越有可能受到親電試劑的進攻。蔗糖各個氧原子的原子電荷分布較均勻，但氧原子聚積的負電荷較多。其中，碳原子的羥基上氧原子帶有較多的負電荷（-0.6以上），氫原子全部帶正電荷，說明蔗糖分子上的羥基活性程度較相同。而醚鍵的氧原子的O1負電荷為-0.502，O15的負電荷為-0.521，糖苷鍵的氧原子O11的負電荷為-0.541。說明，糖苷鍵上的O比環(huán)上的O更容易受到親電試劑（H+）的攻擊。

與其他鍵級定義相比，拉普拉斯鍵級與化學鍵的強度相關性明顯比其他鍵級更好，可以從拉普拉斯鍵級中預測水解過程中蔗糖分子化學鍵的斷裂位置。蔗糖中的C—C鍵的鍵級差別不大，都在1以上，說明C—C鍵很穩(wěn)定，在反應過程中不易斷裂。羥基相連接的C—O鍵的鍵級相對小一些，約在0.338—0.392之間，較為穩(wěn)定。醚鍵中的C—O鍵的鍵級相對更小，因此醚鍵中的C—O鍵容易斷裂。

O-糖苷鍵中C6—O11和C16—O11的鍵級分別是0.321和0.316，兩者相差不大。但是C6和C16的原子電荷分別是0.314和0.533，說明C16所帶正電荷更多，對O11的吸引力更強。因此，糖苷鍵C6—O11比C16—O11在反應中更容易斷裂。對于六元環(huán)中的醚鍵，O1—C2和O1—C6的鍵級分別是0.292和0.387，O1—C2比O1—C6鍵級要小，且C2的原子電荷（0.116）比C6的（0.314）要小，所帶正電荷較少，對O1的吸引力較弱。因此，醚鍵O1—C2比O1—C6更容易斷裂。故α-D-吡喃葡萄糖可以在一定條件下斷裂O1—C2開環(huán)后形成D-型鏈狀葡萄糖。

（二）蔗糖前線分子軌道組成

前線分子軌道理論是日本理論化學家福井謙一提出的，將分子周圍分布的電子云根據能量細分為不同能級的分子軌道。在分子中，他認為體系的最高占據軌道（HOMO）上的電子能量最高，所受束縛最小，所以最活潑，容易變動，和親電反應有關；而體系的最低空軌道（LUMO）在所有未占軌道中能量最低，最容易接受電子，與親核反應有關，由此可以判斷親電反應或親核反應的位點［15］。圖3給出了用Multiwfn3.8繪制的體系的HOMO和LUMO。

研究發(fā)現(xiàn)，HOMO軌道主要包括體系中六元環(huán)上的羥基基團和醚鍵上的氧，親電試劑（H+）進攻蔗糖六元環(huán)上電子集中的部位，氫離子可以從六元環(huán)上的基團自由遷移至糖苷鍵所在的氧上，形成羥基，糖苷鍵（C6—O11）斷裂，形成果糖。而LUMO不包含六元環(huán)部分原子的軌道成分，主要由連在五元環(huán)上的原子基團軌道組成，這部分不易與親電試劑（H+）反應成鍵，進一步證明了蔗糖水解的過程。

（三）DFT計算在實驗教學中的應用探索

如果應用Guassian軟件，對蔗糖分子建模、計算和分析需要大量時間，但本?！罢崽寝D化反應速率常數的測定”項目只有4學時。因此，為提高效率，在實驗教學中應用DFT，DFT的計算模擬部分涉及Gaussian計算程序，以及GaussView、ChemDraw等建模軟件，還涉及運用學校的超算平臺遠程提交計算任務的Linux系統(tǒng)等［16］。大部分學生對Windows系統(tǒng)較為熟悉，對Linux系統(tǒng)需要學習的內容較多，耗時較長，給實驗進度造成較大困擾。不同學生對該系統(tǒng)的操作命令掌握程度不一樣，導致學生的實驗進度不一致［17］。基于此，可將此部分學習的相關資料和流程錄為視頻，進行線上教學，學生亦可自主查閱資料，豐富他們對經典反應機理的認識，充分發(fā)揮實驗線上線下混合式教學的優(yōu)勢?；贒FT輔助教學的蔗糖水解化學動力學實驗教學流程大致可以分為如下三個階段。

1.實驗開始前。教師為學生提供實驗參考書及參考文獻，學生認真預習。教師將DFT計算蔗糖水解過程進行視頻錄制，視頻錄制內容包括：ChemDraw畫出蔗糖分子結構、果糖和葡萄糖分子結構；通過ChemDraw 3D輸出適合Gaussian計算的輸入文件gif格式；在GaussView界面中進行結構的檢查，在這個過程中，為學生演示GaussView的基本操作（如平移、刪除或增加原子、鍵長和鍵角的查詢等）；設置Gaussian計算的關鍵詞（如關鍵詞設置的格式、基本關鍵詞、計算的核數和內存的設置等）；如何將輸入文件通過putty或xshell提交學校的超算平臺及提交過程中命令的使用；如何觀測計算是否正常運行結束；如何提取計算結果信息；等等。還可以在視頻錄制中，結合相關內容，融入思政元素，如對國家在人才培養(yǎng)中的投入、對我們大學本科教育的投入、學校在超算平臺的投入情況等進行介紹，激發(fā)學生愛祖國、珍惜學校資源、充分利用學校資源進行學習，將專業(yè)教育與思政教育融為一體，實現(xiàn)立德樹人的目的。

2.實驗進行中。根據教學大綱進行實驗操作，在學生觀察和記錄實驗現(xiàn)象的過程中，采集實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象及問題，并引導學生進行思考，使學生在做實驗的過程中對相關基礎知識理解通透，對于學生特別感興趣的點進行記錄，為后續(xù)的實驗教學改革提供經驗。

3.實驗結束。教師根據課堂所學內容與學生進行討論，處理實驗數據，分析化學反應原理和實驗結果，完成實驗報告。實驗教學中心教師根據課程教學內容，建立教學效果考核評價新模式。

結語

本研究基于“物理化學實驗”課程教學中“蔗糖水解過程動力學常數的測定”，通過分子模擬計算，得到蔗糖分子的原子電荷和鍵級大小，分析活性位點和分子內化學鍵的性質，加強學生對反應過程的理解。將計算化學與實驗課程相結合，不僅豐富了實驗內容，提高了實驗開放性和拓展性，結合線上資源與線下實體教學，提高了教學質量，也激發(fā)了學生學習化學動力學和計算化學方面知識的動力。

此外，分子模擬計算已成為科研工作中非常重要的一部分，在本科階段帶領學生熟悉并掌握一些分子模擬的知識和相關模擬軟件的基本操作，對于其后續(xù)進入科研工作崗位是非常重要的，這對增強大學生在本專業(yè)中的創(chuàng)新能力和競爭力也是非常有意義的。

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Exploration of Chemical Kinetics Experiment Teaching Based on Density Functional Theory

ZHOU Li-qin， HUANG Yan-mei， ZHAO Zhong-xing， ZHAO Zhen-xia，

（School of Chemistry and Chemical Engineering， Guangxi University， Nanning，"Guangxi 530004， China）

Abstract： The feasibility of density functional theory （DFT） in physical chemistry experimental teaching was studied by taking the determination of the rate constant of sucrose conversion reaction as an example. The structure modeling and configuration optimization were carried out based on Gaussian16 software. The B3LYP /6-31G* method was used to optimize the structure of sucrose， and the active center of the reaction was predicted， which provided a theoretical basis for the action mechanism of sucrose hydrolysis. According to the specific class period requirements of the experiment， we introduced the ideas and details of the experiment. Adding theoretical chemistry calculation content to the physical chemistry experimental course is helpful for students to fully understand the microscopic mechanism of chemical reaction process， enrich the teaching content of chemical kinetics experiment， and improve their learning interest and innovation ability.

Key words： density functional theory; chemical kinetics; physical chemistry experiment; experimental teaching