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1、第四章 化学结构的可视化,2019/7/25,本章主要内容：,化学结构的表示和可视化 ISIS/Draw的使用 Chem Window的使用 ChemDraw的使用 Chem3D的使用,2019/7/25,第一节 化学结构的表示和可视化,计算机图形学,分子图形学,分子结构显示,分子建模技术,分子图形学采用计算机图形技术处理分子结构的显示和操作,分子建模技术是分子图形学的一个重要分支，它包括三维分子结构的构建、操作及其物理化学性质的表示,2019/7/25,一、化学结构的表示,命名法 线型编码法 二维平面结构 三维空间结构 分子表面结构,2019/7/25,命名法,IUPAC: 2-amino-
2、3-phenylpropanoic acid,Formula: C9H11NO2, C6H5CH2CH(NH2)CO2H,苯基丙氨酸的各种化学结构表示：,Systematic name: phenylalanine,线型编码,WLN: VQYZIR ROSDAL: 1O-2=3O, 2-4-5N, 4-6-7=-12-7 SMILES: NC(Cclcccccl)C(O)=O SLN: C1H:CH:CH:CH:CH:C(:1)CH2CH(NH2)C(=O)O,用线性顺序数字、字母的字符串表示化合物结构,缺点：缺少直观性，需要学习专门的编码规则,2019/7/25,二维结构：原子以元素符号表示
3、，线条表示化学键，简单表示分子中化学键的拓扑结构,三维结构：表示出分子中原子在三维空间的位置信息，形象、逼真表示出分子真正结构,表面结构：在分子表面增加分子性质信息（如静电势等）,2019/7/25,二进制的计算机,计算机绘制的结构图形,计算机内部表达方式的建立 （矩阵方式）,连接矩阵,距离矩阵,关联矩阵,成键矩阵,键-电子矩阵,分子中不同原子和成键类型可使用不同形式的矩阵表示,2019/7/25,成键连接表：表示分子中成键连接的方式,二、 二维化学结构的表示和可视化,第一行和第一列代表分子中的原子（带编号）,2019/7/25,2. 最常用的绘制二维化学结构的软件,ISIS/Draw Che
4、mWindows ChemSketch ChemDraw,2019/7/25,1. 分子三维表示法 坐标表 距离矩阵,三、 三维化学结构的表示和可视化,二维化学结构描述分子中原子的连接，三维化学结构描述分子中原子在三维空间的排列位置。相比之下，三维空间结构表示更接近分子的真实情况。,2019/7/25,直角坐标表,2019/7/25,距 离 矩 阵 表,表中数字为两个原子之间的距离,2019/7/25,2. 三维空间结构的显示模式,线状表示法（Line）,棒状表示法（Stick）,最简单的一种，定长的直线表示化学键，直线的交点为原子 突出分子的骨架，无立体感,较粗的圆棒表示化学键，棒与棒的交界
5、处为原子 具有空间立体感,2019/7/25,球 棒 表 示 法（Ball and Stick）,电子云空间填充表示法（Space Fill）,圆球表示原子，圆棒表示化学键，最常用的分子结构表示方法，不同元素用不同颜色区分,用原子范德华半径的圆球来表示原子。 体现分子中原子的拥挤程度和分子体积，更接近分子的实际形状,2. 三维空间结构的显示模式,2019/7/25,ACD/3D Viewer RasMol (ISIS Draw中嵌入) MDL Chime SymApps (ChemWindow中嵌入) 分子结构绘制与建模： Chem3D：综合功能最全面 HyperChem：建模和计算功能最强
6、DS ViewerPro：显示功能最佳（有机和无机分子、蛋白质和DNA等生物大分子、金属配合物、合成和天然药物等） Alchemy 2000,3. 三维化学结构软件：,仅具有显示功能：,2019/7/25,分子表面显示可用于表示分子轨道、电子密度、范德华半径等 分子表面的图形显示模式主要有网格状、立体状和半透明等三种 目前已经提出多种分子表面的定义，最主要的定义类型有： 范德华表面（van der Waals Surface） 溶剂可及表面（Solvent-Accessible Surface） Connolly表面,四、 分子表面的显示,表示分子真实的空间状况,2019/7/25,范德华表面
7、 半透明图,范德华表面：是由一组表示原子的范德华球堆积形成的原子球表面,Connolly表面：通过优化得到的平滑表面,2019/7/25,溶剂可及表面 网格图,溶剂可及表面 立体图,溶剂可及表面：表示假想的溶剂分子球沿范德华表面运动时，其球心的运动轨迹所得到的面,2019/7/25,美国MDL信息系统公司的化学结构输入软件，其共享版可以从网上免费下载（http:/），其特点有：,简单方便；,分子式的下角标能根据化学规则自动设定；,可以绘制电荷状态、电荷转移等结构示意图；,可以使绘制的分子结构在三维空间内任意旋转；,内设多种结构模板可供选择；,第二节 ISIS/Draw的使用,2019/7/25
8、,ISIS Draw 2.2 的工作窗口,作图区,工具按钮区,2019/7/25,模 板 下 拉 菜 单,23类模板,其中 Templates 中提供很多 现成的模板以供选择, 有23 张 模板页，270 种模板结构，包 含内容小至各种官能团、分子 组件、电荷符号，大至复杂的杂 环、糖类、冠醚、轨道图形，以 及各种绘制化学反应式所需的箭 头及反应条件标注等。,2019/7/25,模板示例,2019/7/25,自定义模板菜单和模板工具,2019/7/25,图形编辑功能强 可对分子结构图形进行组合或分块处理，支持图文混排。可对分子整体或局部进行放大、缩小、旋转等操作,放大,旋转,2019/7/25
9、,具有一定的计算和检测功能 对于复杂的有机化合物，可以快捷地计算其摩尔质量。并具有构型检测功能,2019/7/25,2019/7/25,支持多窗口工作 支持多窗口操作,可同时运行多个文档,并可在各个窗口间切换，这一功能与Windows 本身具有剪切、复制功能相结合可给作图带来极大的方便,2019/7/25,兼容性好 与多数Windows应用软件具有良好的兼容性，所绘制图形和反应式可通过剪贴板或以图形的形式插入到Word、WPS文档中，便于化学论文的书写,2019/7/25,快捷方式栏，主要是常用的官能团与分子模板的工具条，共13个按钮 Run Chem Inspector（运行化学式检验） O
10、pen Last Template Page（显示最后一个模板页面） Draw Previews Temple（绘制前一个模板） Cyclohexane（环己烷结构） Cyclopentane（环戊烷结构） Cycloheptane（环庚烷结构）,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13,2019/7/25,7. Benzene（苯结构） 8. Cyclopentane（环戊烷结构） 9. Cyclopentane（环戊烷结构） 10. Cyclopentadiene（环戊二烯结构） 11. Cyclopentadiene（环戊二烯结构） 12. Cyclobutane（环丁
11、烷结构） 13. Cyclopropane（环丙烷结构）,在这个快捷方式栏上，点击鼠标右键还可以定义菜单栏和工具栏以及相应的设置。,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13,2019/7/25,Lasso Select（绳索选取） 2D Rotate（2D旋转） Eraser（橡皮擦） Atom（绘制原子） Single Bond（单键） Up Wedge（向上楔入） Chain（链） Plus（加号） Arrow（箭头） Atom Map（原子图示） Sequence（序列） Bracket（括号） Text（文本） Straight Line（直线） Rectangle（
12、矩形）,纵向工具栏,按钮的右下角的“黑三角”表示有多重选项，按住鼠标左键然后向右边移动，出现一个子菜单，选中所需要的按钮即可。,2019/7/25,选择操作,选择整个分子(常用),选择矩形区域内的目标,选择单个目标(常用),可通过按住Shift键不放一次选择多个目标,2019/7/25,选择整个分子,选择了N原子以及两根 CC键,2019/7/25,放大、缩小操作,通过调整四周选择区域进行目标放大、缩小、拉伸以及压缩等操作,2019/7/25,旋转操作,二维旋转,三维旋转,2019/7/25,目标属性编辑操作 选择目标后，点击鼠标右键来修改目标属性,2019/7/25,原子属性控制,同位素,电
13、荷,自由基,字体设置,H原子位置,编号,编号显示位置,2019/7/25,化学键属性控制,键类型,键长,线条颜色,线条粗细,拓扑结构,2019/7/25,线条属性控制,线型,线条粗细,线条颜色,线的箭头,2019/7/25,多边形(圆形)属性控制,边框线形,填充方式,填充颜色,透明,不透明,边框颜色,边框粗细,2019/7/25,一. 分子结构图的绘制,2019/7/25, 在模板工具栏中点击“Benzene”（苯环）图标，并在窗口的适当位置点击， 生成一个苯环。 在模板工具栏中点击“Cyclohexane”（环己烷）图标，点击苯环最右边键的中点，并接一个六元环。 在屏幕左侧工具栏中点击“Si
14、ngle Bond”（单键）图标，在苯环和六元环的特定位置点击鼠标并向一定方向拖拉，建立侧链结构。,操作步骤：,2019/7/25,在模板工具栏中点击“Cyclopentane”（环戊烷）图标，在六元环上方的侧链上点击，在其上连接一个五元环。 在屏幕左侧工具栏中分别点击“Double Bond”（双键）、“Triple Bond”（三键）图标，在二个单键的端部点击，将其接上双键、三键。,2019/7/25,2019/7/25, 在屏幕左侧工具栏中点击“Atom”（绘制原子）图标，在需要添加显示原子或官能团的位置点击，并用键盘输入该原子或官能团符号（本次操作中为N、O原子），或者在下拉菜单选择元
15、素符号。 在屏幕左侧工具栏中点击“Up Wedge”（向上楔入）图标，点击六元环上方碳原子并向N原子拖动，生成的实心楔形键表示化学键朝向平面外。点击“Down Wedge”（向下楔入）图标，点击六元环侧方碳原子并向O原子拖动，生成的虚线楔形键表示化学键朝向平面内。,分子立体结构的绘制,有两种方法 1. 用楔形表示法来反映原子或基团的相对空间位置：,前,后,纸面,2019/7/25,2. 以实际观察角度来构建的直观立体结构 (利用3D旋转来实现),2019/7/25, 绘制对硝基苯酚的分子结构； 在工具栏中选择带弧形箭头图标； 在窗口适当位置按下鼠标左键并拖动，并 改变弧形的大小和方向，形成一段
16、弧形箭头。,二、电子转移和原子特征的表示,1. 电子转移的表示：,2019/7/25,操作步骤：,箭头调整方法：,终点位置,起点位置,调整弯曲程度（拖动）,2. 原子编号的表示：,2019/7/25,操作步骤：, 使用鼠标选择需要编号的分子或原子； 使用Object/Edit Molecule命令，在Number position弹出窗口中，选择“Auto position”，点击“OK”按钮后原子编号将自动完成。 需要去掉编号只需重复前述过程，在Number position弹出窗口中，选择“off”选项，原子编号将全部消除,2019/7/25,3. 电荷的表示：,选择N原子，使用Object/Edit Atom命令， 在Char
