第四章-3D构型图-Chem3D

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1、第四章 三维构型图的创建 Chem3D使用 1 分子构型的三维描述方法直角坐标系方法 C0 70 00 0C 0 70 00 0H0 870 50 0H 0 870 50 0H 0 87 0 50 0H0 87 0 50 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

2、键角 二面角 C C 1 2 3 4 5 6 CC11 3H11 02120 0H11 02120 03180 0H21 01120 030 0H21 01120 03180 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Chem3D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 QM 方法对分子构型进行优

3、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

4、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Weblabviewer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

5、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 Wireframe Stick Ball Stick 常用 Cylindricalbonds Spacefilling Modeldisplay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

6、远近和深浅控制 显示x y z轴取向 背景以及颜色控制 Viewposition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

7、 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 Choosesurface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 Displaymodel子选项 半透明图 实心图 网格图 动画控制菜单 用于动画播

8、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

9、 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

10、 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CartesianTable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WeblabView所绘制的构型 存为mol

11、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

12、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

13、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 36Kcal Mol 15007 43Kcal Mol 15006 99Kcal Mol 15004 6

14、3Kcal Mol 0 4kcal 1 1kcal 2 4kcal 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ChooseSurface选项 默认情况下 绘制的是最高占据轨道 HOMO 可通过Surface菜

15、单下的SelectMolecularOrbital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C C键长 以及C O的键长和C O C和O C C键角 精确到小数点后第三位 单位为 和 2 采用MM2方法研究 椅式和船式环己烷的稳定性 当椅式环己烷某个C上的H原子被甲基取代时 比较e键构型和a键构型的稳定性 3 当椅式环己烷相邻两个C上的一个H原子分别被甲基取代时 比较ee键构型 ae键构型和aa键构型的稳定性 给出每个构象的构型图和能量 3 构造邻 间 对位三种硝基甲苯的构型 1 采用AM1方法对上述三个构型进行优化 比较三者能量稳定性 并计算C N和N O键长 2 计算三种构型中硝基功能团所带电荷 考察位置变化对硝基电荷的影响