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第1篇：量子化學基本原理與應用范文

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）10-0153-02

量子力學是一門比較成熟，但還在發展中的學科，而且作為普通高校物理學專業學生的按照規定必須學習的學科，所以對于教師來說，在教學過程中可以使用啟發式講授技巧，不能只是在乎知識的傳遞，重點應放在培養學生多方面的能力上。根據現在大部分普通高校的物理學專業的授課計劃，全部是在完成基礎力學的學習基礎上再學習量子力學，但是學生在進入對于量子力學的學習之前，接觸到的都是宏觀世界的概念，從量子力學開始，就變成了微觀世界的概念與計算公式，這就導致了在學習中的一些領悟上的障礙。

我建議在領會及理解量子力學之前，應開設量子物理這部分知識的課程，用《新概念物理教程?量子物理學》這本書為教材，書中的概念是以實驗的真實結果為起點，由簡單的內容啟發部分復雜的內容，使許多概念更加容易理解。選取使用狄拉克符號以及矩陣等數學工具，還有不遵照邏輯方面的嚴謹和理論知識上的全面性和細致性的講述結構，這本書中主要針對量子力學方面的內容進行闡述說明，并沒有包含一些基礎的計量方法。描述了微觀世界量子力學的基本原理和基本方法，同時也用了量子力學的知識來解釋認識源自世界的基本規律，也會了解一些必要的近代物理學實驗。但是這本書和“量子力學”內容之間存在著差異，所以普通高校的物理學專業的學生在學習了“量子物理”內容之后，一定要再掌握“量子力學”內容。有了量子物理的基礎，再去學習量子力學就會變得容易理解一些，有助于學生更好的學習量子力學。

《新概念物理教程?量子物理》這個教材在撰寫和講授的思路上是與新概念物理教程系列的力學、熱學教材是一脈相通的。本書包含實驗基礎和基本原理，雙態系統、從一維系統到凝聚態物質到原子、分子到原子核、粒子以及量子力學中的新的研究成果和線性代數、高斯函數和高斯積分、物理常量等三個附錄，所表述的都是偏向于基礎概念的內容。在實質特征方面，這本書注重于用普通基礎的課程風格來講述量子物理。

量子物理實則是普通高校物理學的學生的必須學習的知識，在制定人才培養方案中就應列為主干課程。根據此書的內容來看，是所要學習的基礎物理學中結尾的一部分，也打開了近代物理這個新世界的大門。主要經過這部分的內容的領會，學生就會了解微觀世界的物理現象，讓學生懂得使用已獲得的內容去理解。本課程教學有著承前啟后的意義，通過對此課程的學習，為接下來要學習的課程奠定實質性基礎，比如量子力學、固體物理學、近代物理學實驗等。

在之前的學習普通物理內容的第五部分是“原子物理”，而此書卻有了很大區別，它啟發了新的教學思路，起初就應用量子力學內容上的定義，但是更加周詳的闡述了當代量子物理的各個方面，不算原子物理課程已經成形知識的講授之外，同時還有如量子共振、勢壘隧穿、半導體、超導體、能帶、聲子與元激發、約瑟芬森結等內容，還有一些近一段時間內量子物理方面的新成果。

從知識的連貫性看，此書規定學生要掌握光學、微積分和線性代數的知識。課時的規定是與原子物理課程相似。在擬定物理專業的講授方案上，會遇到一個麻煩，就是如固體物理學、原子核物理學等主要的一些科目，需要等量子力學這部分知識學習之后再繼續學習獲得。那么在學生學習了“量子物理”的內容之后，以后的教學內容就可以在學完量子力學課程之前安排，使學校的教學變得更加機動了，而且學生做近代物理實驗時非常有益。

普朗克量子論中可知曉普朗克量子論的發現和發展的主要過程，還有量子力學在科學研究上和人類社會發展上起到了重要的作用。量子論誕生到現在也有近一百年的時間了，量子力學也逐漸完善，時間也非常久遠。高校所學的基礎物理課程中量子物理的知識在許多地方都是一帶而過，但是所學的量子的知識在基礎物理中是具有舉足輕重的部分。量子力學一些原理是根據偏微分方程得出的，對學生基本學習內容要求的高，就會造成理解領悟上的難度，導致有些問題一直不能完成，然而，大多數普通高校物理專業的學生將在大三時期去學這門課程。

對于在大學期間以物理學為專業的學生來說，大部分都是高中的優秀學生，他們對在物理方面所取得的成果，都有著濃厚的興趣。興趣是發現問題解決問題的原動力，一旦量子物理這門課帶領學生進入微觀的世界，就可以激起和持續的給學生帶來興趣，這一定會有助于學生們學習量子力學，解決了直接學習量子力學的困難。如今，很多相關范圍的內容，如量子化學、量子生物學很多相關知識與量子的知識相輔相成，都是以量子物理這門學科作為基石，正是因為如此，可以自信的認為，如果沒有量子物理的知識，那么就不會有人類現在的生活方式和生活水平。

參考文獻：

[1]趙凱華，羅蔚茵.《新概念物理教程.熱學》改革的思路[J].大學物理.1998，17（4）：35-36

[2]戰麗波.高等師范院校《量子力學》教學內容與教學方法研究[C].魯東大學.2006

第2篇：量子化學基本原理與應用范文

[關鍵詞] 天然化合物波譜解析；天然化合物；教學方法

[中圖分類號] Q94 [文獻標識碼] B [文章編號] 1674-4721（2014）02（b）-0123-03

《天然化合物波譜解析》是研究天然化合物結構的一門課程，適合于中藥學、中藥制藥、制藥工程、藥物制劑等專業的本科生，是中藥學、藥學類專業的選修課程之一。通過本課程的學習，使學生掌握如何根據天然化合物的波譜，尤其是四大光譜即磁共振波譜（NMR）、質譜（MS）、紅外光譜（IR）、紫外光譜（UV）鑒定其化學結構，并掌握各種結構類型天然化合物的主要波譜特征。

天然藥物化學成分研究的重要途徑就是利用各種先進的色譜分離技術將中藥中所含的化學成分分離出來并鑒定結構，由于各種先進色譜技術的發展，化學成分的提取分離已經變得越來越容易，而化學成分的結構研究主要依靠波譜方法，而波譜解析相對來說比較困難，因此天然化合物的結構解析是天然藥物化學成分研究的核心問題與關鍵步驟。筆者在多年的《中藥化學》《天然藥物化學》本科及碩士研究生《天然化合物波譜解析》的教學工作，積累了一些經驗，于2008年編寫出版了《中藥化學成分波譜解析》[1]。2012年擔任主編組織編寫出版了全國高等院校中醫藥類專業衛生部“十二五”規劃教材、全國高等醫藥教材建設研究會規劃教材《波譜解析》[2]。在多年的教學科研工作和編寫論著的過程中，對于本科生的波譜解析課程教學方法，積累了一些經驗，現總結如下。

1 與《儀器分析》課程的聯系與區別

《儀器分析》[3-5]是一門介紹各種現代儀器分析方法的物理和化學原理，儀器的結構原理、測試原理和定性定量分析方法的課程，是藥學專業的必修專業課程。《天然化合物波譜解析》是在學習過《儀器分析》中的波譜理論后，對波譜理論的實踐應用，會加深對波譜理論的理解。然而，波譜技術的基本原理涉及量子力學、電學、磁學和光學等廣泛領域，一般的化學工作者并不精通這些領域，會覺得比較難于理解。《儀器分析》在介紹波譜解析方法時均以小分子有機化合物為研究實例，而中藥化學成分的結構比較復雜，結構研究比小分子有機化合物要復雜得多，學生普遍感到比較困難。因此，《波譜解析》在介紹波譜學基礎知識時，應避開量子化學等波譜基本原理，以具體天然化合物為例，側重于介紹波譜的解析方法和應用，以及結構解析的規律和過程，四大光譜中應重點講授結構解析最有力的方法——磁共振譜。例如，在磁共振理論中要重點講授化學位移值、耦合常數、峰型等與分子結構的關系，在質譜理論中講授各種質譜裂解技術的特點、使用范圍和選擇依據，以及常見天然化合物的質譜裂解特征。掌握這些內容即可解析中藥化學成分的結構，這是本課程與《儀器分析》的不同之處。

2 與《中藥化學》及《天然藥物化學》課程的聯系與區別

《中藥化學》[6-7]和《天然藥物化學》[8-9]是一門運用有機化學、分析化學等現代科學理論和技術等研究中藥或天然藥物中化學成分的課程，研究內容包括化學成分的物理化學性質、提取分離、結構鑒定、生物合成途徑等。這兩門課程中雖然舉例介紹常見天然化合物的波譜特征，但是沒有講授如何從圖譜入手解析結構。

結構鑒定是中藥化學研究領域中難度較大的一個環節。《天然化合物波譜解析》課程是本科生在學習《中藥化學》或《天然藥物化學》課程后，在掌握了天然化合物的結構類型、結構特征和理化性質的基礎上，在結構研究方面的進一步深化、提高。因此，本課程在教學內容上應與《中藥化學》或《天然藥物化學》中介紹的化學成分的類型基本一致，主要包括糖苷類、小分子酚酸類、香豆素、木脂素類、黃酮類、醌類、萜類、甾體類、含氮有機化合物類、脂肪酸類、鞣質類等。對于二苯乙烯類、苯乙醇苷和色原酮類化合物，雖然《中藥化學》或《天然藥物化學》中沒有涉及，但是這些類型的化學成分在天然藥物中分布相對比較廣泛，而且結構骨架比較有規律，所以也可以適當介紹。而多糖和蛋白質類成分，雖然分布很廣泛，但是結構研究非常復雜，需要借助于化學方法和NMR、2D-NMR、3D-NMR、MS-MS等先進的波譜技術。

筆者在本科生、研究生教學中，發現學生雖然學習過波譜理論和常見中藥化學成分的波譜特征，但對于解析中藥化學成分圖譜的學習仍感到比較困難，這是因為四大光譜的解析要比波譜數據分析困難的多，從圖譜得到波譜數據需要波譜理論和分析圖譜的實踐經驗。因此，本課程應介紹各類中藥化學成分如何從圖譜入手解析結構，例如在介紹NMR圖譜解析方法時，應教會學生如何分析排除圖譜中的溶劑信號、雜質信號、水峰等干擾信號，確定1H-NMR峰面積積分值與氫質子數目的對應關系，多重峰峰型和耦合常數的分析方法等。

3 注意教學內容的代表性

本課程介紹的化合物應為在天然藥物中分布較廣泛，結構特征具有代表性，在《中藥化學》或《天然藥物化學》課程教學重點介紹的化合物。例如，在小分子酚酸類化合物中介紹咖啡酸、阿魏酸、苯甲酸等結構解析方法，在黃酮一章中介紹芹菜素、山萘酚、木犀草素、槲皮素、葛根素、蘆丁等化合物，在單萜中介紹梓醇、梔子苷等化合物，在三萜中介紹齊墩果酸、熊果酸、羽扇豆醇等化合物，學生對這些化合物的結構比較熟悉，而且結構具有代表性，在中藥中分布較廣泛，通過解析這些化合物的結構并掌握其波譜特征，就能夠熟練解析該類化合物的結構。

4 與研究生課程的區別

本課程是藥學類本科生、研究生兩個層面均設課的一門必修課程，在教學中應針對不同階段學生講授的側重點不同。對于本科生來說，本課程是一門難度較大的專業課程，因此，應重點介紹在天然藥物中分部廣泛且結構簡單、結構規律明顯的化合物，例如黃酮一章中應介紹黃酮類、黃酮醇類、二氫黃酮類、異黃酮類、查爾酮、黃酮碳苷類、二氫黃酮醇、二氫異黃酮、二氫查爾酮、黃烷醇、高異黃酮等其他黃酮就不再介紹；在單萜類化合物中應重點介紹環烯醚萜類，在化合物中講授紫羅蘭酮類，在三萜類化合物中講授齊墩果酸類化合物，對于結構復雜的倍半萜、二萜、四環三萜可不用講授；在二苯乙烯類和間苯三酚類化合物中應介紹單聚體，對于二聚體、三聚體等多聚體不再講授；在含氮化合物中講授結構簡單的麻黃堿類生物堿以及結構規律性強的小檗堿類生物堿；鞣質類化合物中講授可水解鞣質單聚體，對于可水解鞣質二聚體以上以及縮合鞣質、復合鞣質均不介紹。

5 授課方式

本課程授課過程中給出大量圖譜，故需要采用多媒體教學。建議授課時以討論式教學方式，帶領學生分析討論每個化合物的圖譜，詳細介紹如何從圖譜入手解析各類天然化合物的結構，并且對每類化合物的波譜特征和規律進行歸納總結。

5.1 注重對各類化合物波譜規律、特征的總結

中藥化學成分是存在于自然界的天然化學成分，每類成分均有其獨特的結構特征，這種結構上的特征會相應地反映在波譜中。因此，解析完每一類化合物后，結構解析中在介紹每類化合物的結構解析方法以后，重點總結各類化合物的波譜特征和規律，這對于學生掌握天然化合物的結構研究方法具有非常重要的意義。

5.2 注重圖譜的真實性

本課程授課過程中講授的各種圖譜均應為真實圖譜，有些圖譜中甚至有雜質信號，這都反映了實驗室常規測試的實際情況。教師不能刻意將圖譜優化，例如去掉1H-NMR圖譜中的溶劑峰、水峰、雜質峰、旋轉邊峰等干擾信號，圖譜解析應具有實戰性，否則學生不能很好地掌握圖譜解析方法。

綜上所述，《天然化合物波譜解析》是本科藥學專業本科生的一門難度較大、專業性較強的課程，教學中應根據本科生的特點，選擇天然化合物中分布廣泛、結構簡單、結構規律性強、具有一定代表性的化合物，化合物結構由簡到難、從小到大，從真實圖譜分析入手，分析討論圖譜，得出波譜數據并推斷結構，在此基礎上總結每類化合物的波譜特征和規律，使學生較快掌握天然化合物的結構解析方法。

[參考文獻]

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[7] 石任兵.中藥化學[M].北京：人民衛生出版社，2012.

[8] 吳立君.天然藥物化學[M].北京：人民衛生出版社，2011.

第3篇：量子化學基本原理與應用范文

Abstract：Rational drug design is important component of medicine chemistry，which can guide the innovative drug research.The rational drug design can not only improve the efficiency and save the cost of drug research，but also accelerate the development of medicine chemistry.Here，some important methods of drug design，such as properties based drug design，ligand based drug design， receptor base drug design are introduced in medicine chemistry，and the corresponding samples are used to demonstrate the idea of drug design.Obviously，the innovative drug design integrated into medicine chemistry teaching not only boosts the innovation consciousness in drug research，but also is the basis for cultivation of creative student.

Keyword：Medicine Chemistry；Drug Design；Teaching Research；Teaching Reform

隨著藥物化學的產生與發展，藥物設計這一學科也應運而生。早在1919年，langmuir[1]就提出了電子等排體的概念；1925年Grimm[2]將電子等排體概念廣義化；1932年Erlenmeyer[3]將有機化學的電子等排原理和環等當體概念用于藥物設計，首次提出了具有理論性的藥物分子結構修飾；1964年，Hansch[4-5]提出了線性自由能模型，即Hansch方程，使得藥物設計由定性進入定量研究階段。為在三維空間探討藥物結構與生物活性之間量變關系，19世紀80年代前后逐漸出現了三維定量構效關系研究方法。例如，1979年Crippen[6]提出“距離幾何學方法”；1980年Hopfinger[7]等人提出“分子形狀分析方法（MSA）”；1988年Cramer[8]等人提出了“比較分子場分析方法（CoMFA）”；1994年Klebe[9]在CoMFA基礎上又提出“比較分子相似性指數分析方法（CoMSIA）”。三維定量構效關系的出現給藥物設計注入了新的活力，讓藥物設計更趨于合理，也是目前應用最為廣泛的藥物設計方法之一。

20世紀70年代之后，隨著分子生物學的進展與人類基因組計劃的順利完成，對酶與受體的認識更趨深入，更多酶的性質、反應歷程、藥物-酶復合物的結構得以闡明，使得藥物設計更為合理。同時，計算機圖形學、分子生物學、計算機科學等學科的發展與交叉應用，不僅為新藥設計帶來了更多的機遇，同時也讓藥物研究面臨更多了挑戰。顯然，藥物設計方法在藥物化學中的地位也越發顯得重要。目前，藥物設計開始綜合運用藥物化學、生物化學、分子生物學、量子化學、藥理學、計算機科學、信息學等學科的研究內容，使得藥物設計受到藥學研究人員的廣泛重視，已成為藥物研究中的基本工具與必備手段。

藥物化學是藥學學科的專業基礎課，本身所涉及的藥學研究內容較多，對教師的理論教學提出了較高要求。然而，藥物設計因屬于多學科交叉前沿研究領域，涉及多個學科的研究內容，對學生的理論基礎知識提出更高的要求。此外，在傳統的藥物化學教學中并未將藥物設計的概念、研究方法、研究手段單獨提出，這就讓學生對藥物設計產生神秘感，增加了藥物設計的教學難度。因此，如何將藥物設計的理念、研究方法、研究手段有機融入到藥物化學的理論與實踐教學中，需要長時間深入的研究與探討。該文將介紹藥物化學理論教學中常見的幾種藥物設計方法，將藥物設計理念融入到藥物化學的教學內容中，為培養創新型藥學人才奠定基礎。

1 藥物化學教學中的藥物設計方法

1.1 基于性質的藥物設計

基于性質的藥物設計針對藥物或先導物結構進行藥物性質設計與優化，以改善藥物或先導物的吸收、分布、代謝、毒副作用為目的。在藥物化學理論教學中，藥物設計案例隨處可見，諸如軟藥設計、硬藥設計、孿藥設計、生物電子等排等，在先導化合物的優化中得到廣泛應用。藥物分子通過簡單的設計或改造，可以改善其某些物理化學性質或不良效應，提高藥物的選擇性、穩定性、溶解性、作用時間、生物利用度、增強藥效與降低毒副作用等。例如由乙酰水楊酸與對乙酰氨基酚拼合而成貝諾酯，不僅可以解決水楊酸對胃的酸性刺激，而且因協同作用而增強的藥效。再如治療前列腺疾病的已烯雌酚會產生雌激素副作用，將其設計成已烯雌酚二磷酸酯，因前列腺腫瘤組織中磷酸酯酶含量高于正常組織，可以在癌組織中酶解出高濃度的已烯雌酚，從而增強了對前列腺腫瘤組織的選擇性。

1.2 基于配體的藥物設計

基于配體的藥物設計是根據現有藥物分子結構，分析結構與生物活性的之間量變關系，據此設計新的化合物以提高其的生物活性。定量構效關系研究在基于配體的藥物設計中應用最為廣泛，可分為二維、三維定量構效關系研究方法。定量構效關系研究可以追溯到1868年提出的Crum-Brown[10-11]方程，該方程認為化合物生理活性可用化學結構的函數式表示，但是并未建立明確的數學模型。直到1964年Hansch提出線性自由能模型，使得構效關系研究進入定量研究階段。20世紀80年代，三維定量構效關系研究方法的出現使得構效關系研究更為直觀，也大大提高了藥物設計的效率。例如環丙沙星的發現就是基于系列喹諾酮類藥物的Hansch方程，方程顯示喹林羧酸的1位取代基的最佳長度是0.417 nm，因此1位取代基為環丙基（0.414 nm）比乙基（0.411 nm）的生物活性更優，結果表明環丙沙星的抗菌效果優于諾氟沙星。

1.3 基于受體的藥物設計

基于受體的藥物設計是指基于X射線衍射、核磁共振或同源建模等提供的受體三維結構信息，篩選或設計能夠與其發生相互作用并能調節其功能的小分子化合物。隨著人類基因組計劃的完成，大量與疾病相關的基因被發現，且越來越多藥物受體的三維結構被測定，盡管有些具有重要藥理作用藥物靶點地三維結構還未測定，但可以通過同源模建或從頭計算方法獲得相關信息，為創新藥物設計奠定了基礎。基于受體的藥物設計包括如下步驟：（1）確定藥物作用的是受體分子；（2）確定受體分子的三維結構以及結合位點；（3）基于受體與結合位點信息，設計或篩選小分子化合物，并模擬出最佳復合物的結構模型；（4）合成模擬得到的最佳化合物，進行活性測試；（5）重復上述過程直到滿意為止。在藥物化學的理論教學中，卡托普利是基于受體藥物設計的典型案例。對血管緊張素轉化酶的結構分析發現，該酶中有一個鋅離子，對受體與配體的結合具有重要作用；此外，受體分子的精氨酸殘基帶有陽離子，可與帶負電荷的基團形成離子鍵。卡托普利的巰基與羧基能夠很好的滿足與受體結合的要求，具有良好的酶抑制活性，因此卡托普利也是第一個上市的血管緊張素轉化酶抑制劑。

1.4 基于機理的藥物設計

基于機理的藥物設計是指基于疾病發生的全過程，根據藥物靶點的結構、功能與藥物的作用方式以及產生生理活性的機理，通過抑制某些與疾病相關的生理、生化過程以阻斷疾病的發生，從而達到疾病治療的目的。基于機理的藥物設計技術建立對介導疾病病理生理過程的蛋白質分子結構和功能認識的基礎之上。在過去，對藥物作用機理的認識往往滯后于藥物的發現，而現在藥物研發的重心已經轉到了探尋分子機理并據此設計藥物上。基于機理的藥物設計是藥物設計發展的重要方向，相比基于結構的藥物設計更為合理。例如在精神病藥物的開發中，經典的多巴胺受體（DA2）拮抗劑容易產生錐體外系副作用，而5-HT2受體與情緒、抑郁等密切相關，當其拮抗時可使黑質-紋狀體通路的多巴胺釋放，使多巴胺神經節調節運動的功能恢復。基于該機理設計的利培酮可同時拮抗5-HT2和多巴胺DA2受體，具有很好的抗精神病作用而錐體外系的副作用很小。