基于密度泛函理论的化学动力学实验教学探索

［摘 要］ 以“蔗糖水解反应速率常数测定实验”为例，对密度泛函理论（DFT）应用于“物理化学实验”教学的可行性进行了研究。基于Gaussian16软件包进行了结构建模和构型优化，采用B3lyp/6-31G*方法优化了蔗糖的结构，预测反应的活性中心，为蔗糖水解反应的作用机理提供了理论依据。同时根据开展实验具体的课时要求，介绍了实验开展的思路和细节。在“物理化学实验”课程中加入理论化学计算内容，有助于学生全面认识化学反应过程的微观作用机理，丰富化学动力学实验教学内容，提高学生的学习兴趣和创新能力。

［关键词］ 密度泛函理论；化学动力学；物理化学实验；教学探索

［基金项目］ 2022年度广西高等教育本科教学改革工程项目“混合式教学融入思想政治教育在物理化学实验中的探索和实践”（2022JGB100）；2020年度广西壮族自治区教育厅“‘新工科’背景下本科生导师制的CDIO培养模式构建与研究”（2020JGZ105）；2022年度广西学位与研究生教育改革专项课题“‘工程伦理’线上线下混合式课程建设”（JGY202205）

［作者简介］ 周利琴（1987—），女，四川泸州人，化学工艺专业博士，广西大学化学化工学院实验员，高级工程师，主要从事绿色化工及可再生资源研究；赵钟兴（1979—），男，天津人，化学工艺专业博士，广西大学化学化工学院教授，主要从事特色生物质资源高值转化与利用研究；赵祯霞（1981—），女，山东青岛人，能源环境材料及技术专业博士，广西大学化学化工学院教授（通信作者），主要从事小分子辨识吸附分离研究。

［中国分类号］ O643.12；G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）09-0103-05 ［收稿日期］ 2023-07-20

“物理化学实验”是化学、化工、材料、制药等专业必修的实验课程，一般为本科大三学生开设［1］。不同于大一、大二开设的无机化学、分析化学、有机化学实验，锻炼学生的实验规范操作能力和对实验现象的科学记录表达能力，“物理化学实验”课程教学更注重数据处理和结果分析，促进大学生进一步深化理解物理化学抽象知识，对其学习后续专业课程、培养和提高科研素养有着至关重要的作用［2-3］。

“物理化学实验”课程中的基础实验包括化学热力学、电化学、化学动力学、胶体与表面化学、结构化学等五部分内容。其中化学动力学，也称化学反应动力学，是研究化学过程进行的速率和反应机理的学科，其研究对象是性质随时间而变化的非平衡的动态体系。以蔗糖水解为例，蔗糖在水中转化为葡萄糖和果糖，体系中蔗糖的含量随着反应时间增加而减少，葡萄糖和果糖的含量则相应增加。蔗糖、葡萄糖、果糖都具有旋光性，但是旋光能力不同，实验教学中利用体系在反应过程中旋光度的变化来衡量反应的进程。

然而，在查阅文献及与学生交流中发现，对于化学过程中的蔗糖水解过程，大多是对其反应动力学进行研究，且学生对分子的微观结构和化学键的性质了解不足，如对蔗糖、葡萄糖、果糖的分子结构和蔗糖分子在水解过程中化学键的断裂位置，学生的认知模糊不清。随着计算机运算能力的提升，近几年，分子模拟技术迅速发展，在物理、化学、材料、生命科学等领域发挥着重要的作用。通过计算机程序模拟物质的结构性质，与实验研究互补，帮助科研人员预测化学反应规律，以提高实验研究的效率，分析实验现象，解释反应机理。

将分子模拟技术引入本科实验教学课堂，不仅弥补了传统教学的单一枯燥，完成了常规实验中难以实现的目标，提高教学效率，而且使学生获得了接触计算化学前沿领域的机会，有助于提高学生的创新思维和科学素养［4-5］。因此，清华大学、厦门大学、西安电子科技大学等部分高校在实验教学中引入了分子模拟技术的相关内容［6-9］。分子模拟包括量子力学模拟和经典力学模拟，量子力学模拟主要包括从头算方法、半经验方法、密度泛函理论（density functional theory， DFT）方法，而经典力学模拟包括分子力学、分子动力学、蒙特卡罗模拟、布朗动力学。量子力学利用波函数研究微观粒子的运动规律，其中，DFT是一种研究多电子体系电子结构的方法，用电子密度取代波函数作为研究的基本量，具有计算量小、计算精度高等优点。作为处理多粒子体系的近似方法，在物理化学、量子化学和材料科学等领域得到了广泛应用。

本文以蔗糖水解为例，通过DFT计算来获取蔗糖水解过程的微观信息，运用量子理论分析这些信息的化学物理意义，讨论蔗糖的反应活性中心、糖苷键和氢键的特征，可以从微观上充分理解相关化学知识［10］。DFT计算常用的软件有Materials Studio（MS）、VASP、Guassian等［11］。其中，Gaussian是量子化学计算软件，是目前物理、化学、材料领域研究中必不可少的工具，功能全面，一般的化学问题都能计算，且结构和能量计算准确，精度高。Guassian对于简单的计算操作只要运用几个简单的关键词，将初始结构和计算要求提交计算中心，即可进行运算。由于实验教学学时限制，我们先将建模过程和DFT的计算过程进行讲解并录屏，在实验预习阶段，将视频内容发送给学生自行预习，丰富学生的预习方式和内容，在实验教学中引入这些信息，提升学生对蔗糖水解过程的认识和理解。同时，通过对蔗糖水解生产甘露醇、山梨醇等工业的引入，培养学生理论与实际相结合的意识，通过对蔗糖产业的挖掘，可以探索实验教学课程思政建设，发挥“物理化学实验”课程的育人作用，提高人才培养质量［12］。

一、研究基础

（一）蔗糖水解反应的作用机制

蔗糖在水中转化为葡萄糖（α-D-吡喃葡萄糖）和果糖（β-D-呋喃果糖），水解反应方程式为：

蔗糖是一种通过糖苷键（α-1-2-β糖苷键）相连的双糖结构分子，蔗糖的O-糖苷键为C-O-C，可以认为是醚键，如图1所示。醚键一般条件下不容易断裂，但当醚键中的氧原子有未共用电子对时，能接受酸中的质子。首先，水分子中的氢攻击蔗糖的O-糖苷键上的氧原子，形成羟基（-OH），并断开了糖苷键（C-O），得到其中一个糖单元。另一个糖单元上的糖苷键上的碳则因失去相连的氧原子后形成碳正离子而具有亲电性，与水分子失去一个氢原子后形成的-OH结合得到另一个单糖。水分子中的氢原子由于不带正电，亲电能力较差，蔗糖在水中的反应速率很慢。因此，蔗糖水解反应是在酸性条件催化下的水解反应。氢离子（H+）是较强的亲电试剂，更容易攻击O-糖苷键中的氧原子，因此加速了蔗糖在水中的分解。水在反应过程中是大量存在的，尽管有部分水分子参加了反应，但仍可以近似地认为整个反应过程中水的浓度是恒定的，且催化剂（H+）的浓度也保持不变。

（二）计算方法

本实验研究中的理论计算基于DFT方法，采用Guassian16软件，采用B3lyp/6-31G*对蔗糖结构进行优化，采用Multiwfn对计算结果信息进行提取［13］。

二、结果处理与讨论

（一）蔗糖的电子结构、原子电荷和键级

原子电荷是对化学体系中电荷分布最为简单的表示方式，可用于快速确定反应过程中可能的活性位点。计算原子电荷有多种方法，如Mulliken、Hirshfeld、AIM等，其中Mulliken是一种计算原子局部电荷（partial charge）的方法，简洁地描述了原子轨道对分子轨道的贡献。化学键键能的描述方法有很多，如Mayer键级、Wiberg键级、Mulliken键级、拉普拉斯键级（Laplacian bond order， 简称LBO）。其中拉普拉斯键级与化学键的强度相关性明显比其他键级更好［14］。因此，通过Gaussian 16的DFT计算，我们对蔗糖分子进行结构优化后，将得到的结果导入Multiwfn3.8进行Mulliken原子电荷和拉普拉斯键级数据的提取分析。蔗糖主要原子电荷和化学键的键级如图2所示。

图2（a）是蔗糖分子结构中碳原子和氧原子标号及对应原子的Mulliken电荷数。电荷越负的原子越有可能受到亲电试剂的进攻。蔗糖各个氧原子的原子电荷分布较均匀，但氧原子聚积的负电荷较多。其中，碳原子的羟基上氧原子带有较多的负电荷（-0.6以上），氢原子全部带正电荷，说明蔗糖分子上的羟基活性程度较相同。而醚键的氧原子的O1负电荷为-0.502，O15的负电荷为-0.521，糖苷键的氧原子O11的负电荷为-0.541。说明，糖苷键上的O比环上的O更容易受到亲电试剂（H+）的攻击。

与其他键级定义相比，拉普拉斯键级与化学键的强度相关性明显比其他键级更好，可以从拉普拉斯键级中预测水解过程中蔗糖分子化学键的断裂位置。蔗糖中的C—C键的键级差别不大，都在1以上，说明C—C键很稳定，在反应过程中不易断裂。羟基相连接的C—O键的键级相对小一些，约在0.338—0.392之间，较为稳定。醚键中的C—O键的键级相对更小，因此醚键中的C—O键容易断裂。

O-糖苷键中C6—O11和C16—O11的键级分别是0.321和0.316，两者相差不大。但是C6和C16的原子电荷分别是0.314和0.533，说明C16所带正电荷更多，对O11的吸引力更强。因此，糖苷键C6—O11比C16—O11在反应中更容易断裂。对于六元环中的醚键，O1—C2和O1—C6的键级分别是0.292和0.387，O1—C2比O1—C6键级要小，且C2的原子电荷（0.116）比C6的（0.314）要小，所带正电荷较少，对O1的吸引力较弱。因此，醚键O1—C2比O1—C6更容易断裂。故α-D-吡喃葡萄糖可以在一定条件下断裂O1—C2开环后形成D-型链状葡萄糖。

（二）蔗糖前线分子轨道组成

前线分子轨道理论是日本理论化学家福井谦一提出的，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。在分子中，他认为体系的最高占据轨道（HOMO）上的电子能量最高，所受束缚最小，所以最活泼，容易变动，和亲电反应有关；而体系的最低空轨道（LUMO）在所有未占轨道中能量最低，最容易接受电子，与亲核反应有关，由此可以判断亲电反应或亲核反应的位点［15］。图3给出了用Multiwfn3.8绘制的体系的HOMO和LUMO。

研究发现，HOMO轨道主要包括体系中六元环上的羟基基团和醚键上的氧，亲电试剂（H+）进攻蔗糖六元环上电子集中的部位，氢离子可以从六元环上的基团自由迁移至糖苷键所在的氧上，形成羟基，糖苷键（C6—O11）断裂，形成果糖。而LUMO不包含六元环部分原子的轨道成分，主要由连在五元环上的原子基团轨道组成，这部分不易与亲电试剂（H+）反应成键，进一步证明了蔗糖水解的过程。

（三）DFT计算在实验教学中的应用探索

如果应用Guassian软件，对蔗糖分子建模、计算和分析需要大量时间，但本校“蔗糖转化反应速率常数的测定”项目只有4学时。因此，为提高效率，在实验教学中应用DFT，DFT的计算模拟部分涉及Gaussian计算程序，以及GaussView、ChemDraw等建模软件，还涉及运用学校的超算平台远程提交计算任务的Linux系统等［16］。大部分学生对Windows系统较为熟悉，对Linux系统需要学习的内容较多，耗时较长，给实验进度造成较大困扰。不同学生对该系统的操作命令掌握程度不一样，导致学生的实验进度不一致［17］。基于此，可将此部分学习的相关资料和流程录为视频，进行线上教学，学生亦可自主查阅资料，丰富他们对经典反应机理的认识，充分发挥实验线上线下混合式教学的优势。基于DFT辅助教学的蔗糖水解化学动力学实验教学流程大致可以分为如下三个阶段。

1.实验开始前。教师为学生提供实验参考书及参考文献，学生认真预习。教师将DFT计算蔗糖水解过程进行视频录制，视频录制内容包括：ChemDraw画出蔗糖分子结构、果糖和葡萄糖分子结构；通过ChemDraw 3D输出适合Gaussian计算的输入文件gif格式；在GaussView界面中进行结构的检查，在这个过程中，为学生演示GaussView的基本操作（如平移、删除或增加原子、键长和键角的查询等）；设置Gaussian计算的关键词（如关键词设置的格式、基本关键词、计算的核数和内存的设置等）；如何将输入文件通过putty或xshell提交学校的超算平台及提交过程中命令的使用；如何观测计算是否正常运行结束；如何提取计算结果信息；等等。还可以在视频录制中，结合相关内容，融入思政元素，如对国家在人才培养中的投入、对我们大学本科教育的投入、学校在超算平台的投入情况等进行介绍，激发学生爱祖国、珍惜学校资源、充分利用学校资源进行学习，将专业教育与思政教育融为一体，实现立德树人的目的。