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第四章、三维构型图的创建-Chem 3D 使用章永凡,1. 分子构型的三维描述方法 直角坐标系方法,C 0.7 0.0 0.0C -0.7 0.0 0.0H 0.87 0.5 0.0H -0.87 0.5 0.0H -0.87 -0.5 0.0H 0.87 -0.5 0.0,内坐标(z-matrix)方法 内坐标与直角坐标之间的区别在于,它侧重于从原子之间 的键连角度来描述原子间的相对位置,具体参数包括: 键长:两个原子间的距离( 需用两个原子描述) 键角:确定二根键之间的夹角(需用三个原子描述) 二面角:确定四个原子所在的两个平面之间的夹角 (需用四个原子描述),内坐标的输入格式为: 原子1,原子2,键长,原子3,键角,原子4,二面角,1,2,3,4,键长,键角,二面角,C,C,1,2,3,4,5,6,CC 1 1.3H 1 1.0 2 120.0H 1 1.0 2 120.0 3 180.0H 2 1.0 1 120.0 3 0.0H 2 1.0 1 120.0 3 180.0,在同侧共面,对同一构型,内坐标的表示并不唯一,C,C,2,4,1,3,5,6,HC,1,1.0H,2,1.0,1,120.0C,2,1.3,1,120.0,3,180.0H,4,1.0,2,120.0,1,0.0H,4,1.0,2,120.0,1,180.0,2. 软件简介 Chem 3D 软件是ChemOffice的主要模块,用于分子的三维空间模型显示与构造,并可以结合分子力学(MM)或量子力学(QC)方法对分子构型进行优化和性质计算,是一个具有较强功能的结构化学计算软件,主要功能如下:分子三维结构的绘制:包括原子、化学键等基本绘制功能;,构型的测量:能便捷地显示体系的键长、键角、二面角等信息;,多种分子构型的3D显示方式:包括线、棒、球棒、球堆积等;并可制作构型变化的3D动画;,3D动画:,冰在不同温度下构型变化的MM2分子动力学模拟,300K,500K,具有较强的计算功能:利用程序内嵌的基于分子力学的MM2方法,可对分子构型进行动力学模拟。同时,利用内嵌的GAMESS量子化学软件包,可对分子构型进行优化,以及计算IR、Raman以及NMR等性质。其方法覆盖了经验方法、半经验方法以及不同水平的精确从头算方法。,3. 软件主要使用方法(1) 软件界面,模型窗,信息窗,菜单条,工具条,状态栏,其它显示窗(隐藏),菜单栏说明 文件菜单:用于文件打开、保存和打印等,控制软件默认选项,包括模型的显示方式、模型构造、字体大小和颜色等,所支持的文件类型:,默认文件(c3xml),晶体结构文件(cif),Chemdraw文件(cdx),ISIS/draw文件(skc),Gaussian, Gamess量化软件输入文件,Mol文件由Weblab viewer产生,构型默认显示方式,H原子、H氢键以及孤对电子显示控制,是否显示元素符号和编号,背景色设置,3D动画控制,原子球的大小,原子扩展空间大小,化学键的粗细,颜色和字体设置,原子颜色方案,缺省颜色设置,字体类型、大小和颜色,编辑菜单:用于构型的复制和粘贴,以及选择控制等,删除所选部分构型,选择分子碎片,反向选择,显示菜单:控制显示方式、定位以及坐标、构型参数表显示设置等,显示模式显示方向以及定位,工具条显示控制,构型浏览窗Chemdraw面板,原子(内)坐标列表,构型参数列表,信息窗控制,二面角变化图,各种谱图显示,绕轴旋转等动画演示,构型的显示方式设置(可按空格键切换):,Wire frame,Stick,Ball & Stick (常用),Cylindrical bonds,Space filling,Model display其它选项:,H原子、H氢键以及孤对电子显示控制,显示元素符号和编号,显示远近和深浅控制,显示x,y,z轴取向,背景以及颜色控制,View position子选项:,选择显示中心,改变图像大小,定义显示的方向(两个原子)或平面(三个原子),工具条显示控制选项:,计算正在进行,终止计算,结构菜单:分子结构参数的测量以及对构型的定位和反演等对称操作。,结构参数包括键长、键角以及二面角等,构型调整,可直接标出结构参数,计算菜单:对所绘制构型进行分子动力学、构型优化以及性质计算等,计算结果输出控制,终止计算,扩展Huckel计算(半经验),MM2分子力学计算,调用Gamess量化程序包,Jaguar和Mopac非内嵌,需用户购买,MM2分子力学功能:,能量最小化(构型优化),分子动力学模拟,性质计算,显示计算所使用的参数,Gamess计算功能:,能量最小化(构型优化),优化过渡态构型,性质计算,IR/Raman/NMR光谱计算,输入和输出文件控制,表面绘制菜单:用于绘制分子轨道、静电势以及电荷密度图像等,选择所要绘制的图像,图像显示方式,图像颜色设置,图像分辨率设置,选择所要绘制的分子轨道,图像取值范围,图像正负颜色设置,Choose surface子选项:,溶剂接触区域,Connolly表面 (蛋白质),总电荷密度,总自旋密度,分子静电势,分子轨道,除去所绘制表面,苯分子总电荷密度图,苯分子HOMO轨道图,Display model子选项:,半透明图,实心图,网格图,动画控制菜单:用于动画播放控制以及绕某个轴进行旋转等,动画播放控制,分子绕轴/键旋转,(2) 构型基本操作方法,选择操作,放大、缩小操作,旋转操作,平移操作,对象属性(原子/键/标识)编辑操作,与其它软件的接口(构型的导入与导出),需要激活建模(building)工具条后进行,Building工具条说明:,选择按钮,整体平移,旋转,放大/缩小,移动原子或分子局部,定义键类型,由输入的文本创建构型,删除按钮,从View菜单中的Toolbars选项激活Building工具条,选择操作:利用工具条上的选择按钮,通过点击左键操作可选择单个原子/化学键,也可按住左键,选择分子的部分或整体。此外,可结合Shift键,选择多个原子或化学键。选择后的对象用黄色标记。注:选择好对象之后,可用delete键删除原子或化学键.,选择单个原子/化学键,选择分子的局部,用Shift键选择多根化学键,选择整个分子,选择后的对象用黄色标记,放大、缩小操作,或用鼠标中间滚轮进行操作,旋转操作,当鼠标箭头在模型窗之外时,中间滚轮也可进行旋转操作(固定某一轴向),其它特殊旋转操作,拖动指针调整旋转角度,手动输入旋转角度,旋转时相应调整坐标,绕x,y,z轴旋转,绕某根键旋转,通过旋转调整某个二面角,绕某根键旋转:,先选择一根键,通过旋转调整某个二面角:,先选择三根键,旋转过程中原子间的相对位置发生改变,平移操作,整体平移:,局部平移:,对象属性编辑操作 选择对象后,点击鼠标右键来修改对象属性,原子属性,将该原子所用输入文本取代,选择一定距离或其它特定要求的原子,显示或隐藏,颜色设定,显示方式设定,显示元素符号/编号,原子范围,当修改元素类型时,程序会调整相应的键长并自动加氢原子,利用View菜单下的Cartesian Table来获取原子坐标:,窗口自动隐藏按钮,化学键属性,与原子属性内容类似,标出键长,修改键类型,当修改键的类型,程序会自动调整H原子的数目,可利用键长列表来修改键长:,与其它软件的接口(构型的导入与导出),直接读取ISIS/draw所保存的skc文档;直接读取Chemdraw所保存的cdx文档;对于Weblab View所绘制的构型,存为mol格式后,可用Chem3D导入。,(3) 分子构型的创建,有三种方法:,(a)利用Building工具中的单、双、叁键按钮来创建分子构型,按下单键工具按钮,按住鼠标拖动,绘制完一根C-C键后,释放鼠标按钮,然后再以其中一个C原子为起点,继续绘制其它键。最后根据需要修改原子或基团类型。,(b)利用Building工具中的文本工具按钮来创建分子构型,在文本区域内键入原子符号及数量(化学式)即可,创建4-甲基-2-戊醇的构型,CH3CH(CH3)CH2CH(OH)CH3,按下回车键即可,利用类似方法还可以在原结构上加入或修改取代基,通过文本工具点击任一需要添加取代基位置的原子,在文本区域写上新的基团(缩写或分子式均可),C6H5或Ph,课堂习题:(1) 绘制反式1,2-二甲基乙烯,并利用旋转操作转化为顺式构型;(2)直接绘制丹参醌的三维构型图:,(c)利用View菜单下的Chemdraw面板来创建分子构型(用于复杂分子的构造),同步更新,追加构型,构型替代,从Chem3D复制构型到Chemdraw,构型自动调整,清除构型,锁定窗口,(4) 分子构型的优化,(a) 利用MM2分子力学方法:,分子力学方法计算量小,适合于大体系有机分子的构型优化,显示每轮迭代信息,记录每轮构型(动画显示),输出每轮结构参数,构型收敛标准,状态栏:,例如:优化(10,0)碳纳米管构型,(b) 利用Gamess量子化学软件包:,计算方法,基组类型,波函数类型,添加极化/弥散基函数,构型优化方法,体系电荷/自旋多重度,自洽场迭代参数控制,溶剂效应及其模型,MO初始猜测类型,点群及其主轴,内存定义,所计算性质包括:偶极矩电子密度静电势动能Lowdin电荷和布居数Mulliken电荷和布居数势能总能量,计算方法选择:,HFMP2DFTGVBMCSCFCI以及CC等,从头算方法,其中从头算方法计算结果可靠,但计算量大;半经验方法计算量小,但精确度较差,仅适合有机分子体系。,MNDOAM1PM3,半经验方法,例:采用AM1方法研究正丁烷的结构稳定性,-15006.36 Kcal/Mol,-15007.43 Kcal/Mol,-15006.99 Kcal/Mol,-15004.63 Kcal/Mol,0.4 kcal,1.1 kcal,2.4 kcal,TS,TS,课堂习题:(1) 采用PM3方法优化(5,5)碳纳米管的构型;(2)计算O原子在(5,5)碳纳米管的吸附能:,(5) 分子性质的计算,(a) 采用MM2分子动力学方法研究构型在一定温度下构型的转变,600K40ps,(b) 采用Gammes软件包进行IR、Raman以及NMR光谱的理论模拟和预测例:正丁烷IR/Raman谱图的AM1计算结果,注:计算性质前构型需先优化过,(c) 分子轨道拓扑图像的绘制,构型优化后,选择Surfaces菜单下的Choose Surface选项:,默认情况下,绘制的是最高占据轨道(HOMO),可通过Surface菜单下的Select Molecular Orbital的选项来选择所要绘制的分子轨道:,LUMO为最低未占据轨道,电子填充到HOMO轨道,例:苯分子的前线分子轨道(HF方法,最小基组),HOMO(简并态),LUMO(简并态),键,反键,(6) 动画制作,(a) 利用MM2分子 制作3D动画,记录下的为动力学模拟过程中构型的改变情况,(b) Movie菜单来制作绕轴或键旋转的3D动画,制作后的动画可以保存为avi格式(压缩或非压缩),上机习题:,1.构造丹参醌的三维构型图,并在图中标出所有环上的CC键长,以及CO的键长和COC和OCC键角(精确到小数点后第三位,单位为和);,
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