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1、第四章 三维构型图的创建 -Chem 3D 使用,1. 分子构型的三维描述方法 直角坐标系方法,C 0.7 0.0 0.0 C -0.7 0.0 0.0 H 0.87 0.5 0.0 H -0.87 0.5 0.0 H -0.87 -0.5 0.0 H 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：
2、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,C C 1 1.3 H 1 1.0 2 120.0 H 1 1.0 2 120.0 3 180.0 H 2 1.0 1 120.0 3 0.0 H 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,H C,1,1.0 H,2,1.0,1,120.0 C,2,1.3,1,120.0,3,180.0 H,4,1.0,2,120.0,1,0.0 H,4,1.0,2,120.0,1,180.0,2. 软件简介 C
3、hem 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G
4、AMESS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,
5、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,
6、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
7、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
8、：,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
9、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
10、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,
11、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Build
12、ing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,举例,构建以下分子构型 H2SO4 C6H5OH C10H8 C2H5NO2 CO32-,(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
13、型,锁定窗口,(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)构造水杨酸的三维构型图,并在图中标出所有的CC键长以及CO的键长、COC和COH键角(单位为和).,Chem3D 练习1,(4) 分子构型的优化,计算化学的计算原理,分子力学计算方法 优点：计算量小； 缺点：由于忽略电子的作用，结果不够精准，不能描述键的断裂和轨道相互作用 量子化学计算方法 薛定谔方程 对于多电子体系，采取近似：Hatree-Fock方程,(4) 分子构型的优化,计算软件,MM2:能量最小化、分子动力学和性质 GAMESS（The General Atomic and Molecular El
14、ectronic Structure System）量子化学软件包 MOPAC,例子：N8分子几何构型的预测,(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,分子结构优化计算,题1、用MM2方法计算1，2-二氯乙烷处于不同构象时总位阻能的变化，以30为增量计算总位阻能直到360为止，记录所有角度和总位阻能数据，列成表格，画出旋转曲线图(用origin)。,Chem 3D练习2,题2、用MM2方法比较乙烯醇异构体的稳定性。,(b) 利用
15、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：,HF MP2 DFT GVB MCSCF CI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。,MNDO AM1 PM3,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,判断顺-2-甲基环己醇分子的最稳定构象是如下结构中的哪一个，为什么？ A B,例：,邻位交叉效应,(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,600K 40ps,(b) 采用Gammes软件包进行IR、Raman以及
