化学计算软件在药学专业课程教学中的运用

邓萍 蒋启华 孙立力 周辉

摘 要 化学计算软件是药学研究的重要工具之一。对化学计算软件引入药学专业课程教学的必要性进行探讨，并以Gau-ssian和Gaussian View为例，对沙利度胺分子的立体异构体、表观静电势和分子轨道教学进行展示。

关键词 化学计算软件；药学专业课程；Gaussian；Gaussian View

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）14-0024-02

Application of Chemical Calculation Software in Undergraduate Course Teaching of Pharmacy//DENG Ping， JIANG Qihua， SUN Lili， ZHOU Hui

Abstract The chemical calculation software is an important tool for pharmaceutical research. In this paper， the necessity of introducing chemical computing software into the teaching of pharmacy courses is discussed， and the Gaussian and Gaussian View software is taken to show the three-dimensional structure， electrostatic potential and molecular orbital of thalidomide.

Key words chemical calculation software； pharmacy course； Gau-ssian； Gaussian View；

1 前言

作为理论化学重要的分支学科，量子化学应用量子力学的基本原理、方法，研究分子结构和性能、分子间相互作用等问题。利用量子化学方法能很好地处理化学问题，解释化学现象。由于量子化学可以在分子和电子水平上进行精细的理论研究，对深入认识药物分子立体结构、分子轨道、静电势等特征，理解药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等具有重要意义[1]。量子化学已经成为药学研究的重要手段之一。

化学计算软件就是从量子力学基本方程（如薛定谔方程、狄拉克方程等）出發，通过计算原子、分子、聚合物表面等的电子结构，预测它们的物理、化学性质的一类科学计算程序，如Gaussian、GAMESS、ADF等。Gaussian和Gaussian View是由美国Gaussian公司开发的化学计算软件，被广泛用于分子结构、光谱性质等模拟研究中，并被广泛应用于化学相关课程的教学中。本文探讨在药学专业课程中运用化学计算软件的必要性，并以Gaussian和Gau-ssian View为例，探讨如何运用化学计算软件解决教学中的实际问题，以期提高药学专业课程的教学质量。

2 化学计算软件引入药学专业课程教学的必要性

多数药物通过与机体细胞上的相应受体结合发挥药效，药物分子形状、空间立体结构、官能团分布和化学反应性等都必须与受体相适应。药物的结构决定了疗效。了解药物分子的化学结构与生物活性间的关系，在分子和电子水平上研究药物作用机理过程，对于理解药物构效关系，设计开发新型药物分子具有重要意义[2]。由于分子结构和性质等概念较为抽象，需要学生具有很强的立体空间想象能力和抽象思维能力，仅仅依靠传统的教学手段难以获得良好的教学效果。化学计算软件可对药物分子的电子结构进行模拟，对微观结构进行可视化展示，为药学生深入认识和理解药物分子构效关系夯实基础。

3 化学计算软件在药学专业课程教学中的运用

化学计算软件在立体结构教学中的运用 “结构决定性质，性质反映结构”，这是药学有机化学的核心思想，也是教学的重点和难点。教学过程中让学生建立从结构推测性质的有机化学思维方式，使学生迅速、全面地掌握药学有机化学学科的内在特征[3]。手性制药是医药行业的前沿领域。手性药物异构体之间可能存在显著疗效差异，往往呈现一个异构体有效，而另一个异构体没有疗效甚至产生毒副作用的情况。

如著名的“反应停事件”，因为没有充分认识到手性异构体疗效差异，导致孕妇服用没有经过拆分的消旋体沙利度胺作为妊娠反应抑制剂，造成出生胎儿肢体残缺，呈现畸形的“海豹儿”。研究证实，沙利度胺R异构体有镇静作用，S异构体对胚胎有很强的致畸作用。这也是药学教学中经常使用到的教学案例。

药学有机化学是比较抽象的学科，教学中采用分子平面结构进行教学，很难让学生对沙利度胺药物分子立体结构有形象认识。常用的球棍模型等教具仅能展示简单的分子空间结构，对复杂的药物分子空间结构的展示相对很难。利用Gaussian和Gaussian View等可以逼真、清晰地展示化合物的立体结构，突破常规PPT课件在二维平面上的限制，使课堂教学更加生动、形象。

在展示反应停教学案例过程中，可用Gaussian对沙利度胺异构体分子进行优化后，利用Gaussian View展示。通过生动形象的展示，让学生对手性药物的概念和药物分子空间结构有更深刻的认识。

化学计算软件在静电势教学中的运用 在探讨药物分子与蛋白受体特异性结合，蛋白质分子间相互作用等有关蛋白质结构功能关系，以及分子动力学模拟、蛋白质折叠、分子设计等研究中，对分子静电势的认识和了解是药学生应该掌握的重要内容，但是传统的教学手段无法展示分子静电势，学生对静电势的了解和认识较模糊。基于Gaussian

优化获得的结果，利用Gaussian View可以展示获得的分子静电势图。以沙利度胺分子为例，计算模拟得到图1所示分子表观静电势。Gaussian View还可以实现对其空间分布进行360°全景旋转展示，让学生对静电势有深入认识，能收到很好的教学效果。

化学计算软件在分子轨道教学中的运用 分子轨道理论于1932年由美国化学家Mulliken RS和德国化学家Hund F提出，是一种新的共价键理论。日本理论化学家福井谦一还提出前线轨道理论，他将分子周围分布的电子云根据能量细分为不同能级的分子轨道，能量最高的分子占据轨道（HOMO）和能量最低的分子空轨道（LUMO）是决定一个体系发生化学反应的关键。分子轨道理论对于理解化学反应机理，认识紫外吸收光谱中电子跃迁等具有十分重要的意义，是药学专业有机化学教学中最重要和基础的内容之一[4]。

但是分子轨道概念较为抽象，传统教学方式难以让学生认识分子轨道的分布特征等，教学难度大。利用Gaussian

和Gaussian View等，可以很好地模拟和展示药物分子的轨道分布特征，让学生直观认识轨道中电子云的分布特征。以沙利度胺分子为例，计算模拟得到图2所示分子轨道图。

4 结语

本文以Gaussian和Gaussian View为例，对沙利度胺分子的立体异构体、表观静电势和分子轨道进行模拟和教学展示。随着计算机硬件技术的飞速发展，Gaussian、GAMESS、ADF和Multiwfn等化学计算软件被越来越多地应用于药物分子相关性质研究中。将化学计算软件引入药学本科生课程教学中，能有效解决教学问题，将药物分子立体结构、表观静电势和分子轨道等抽象理论形象化，提高学生学习的积极性，增强教学效果；同时，将药学科研工具引入本科教学，将科研手段和成果应用于本科教学，可以让药学生了解药学研究的新手段，为双创教育夯实基础。

参考文献

[1]蒋君好，张海东，蒋启华，等.秋水仙碱立体异构体电子结构及圆二色谱性质的理论研究[J].化学研究与应用，

2011，23（5）：544-549.

[2]梅以成，楊宝卫.“药物化学”课程融合艺术的互动式教学探讨[J].职教通讯，2017（15）：52-54.

[3]邓萍，蒋启华，胡湘南.有机化学教学中学生立体结构意识的培养[J].中华医学教育杂志，2010，30（4）：573-574.

[4]邓萍.Gaussian软件在有机化合物波谱解析教学中的应用（Ⅱ）：吲哚紫外光谱及其跃迁轨道的可视化[J].化学教育，2017，38（8）：66-68.