第四章 计算机图形化技术在化学中的应用

第四章计算机图形化技术在化学中的应用4.1化学结构的图形化表述软件4.2计算机辅助建立分子结构模型第四章计算机图形化技术在化学中的应用目前常见的化学软件主要有：（１）化学物质结构图形化表达软件这类软件主要用于化学类课题的科学表述．使用上述软件可以解决以下问题：①能够建立使用以往不便通过键盘输入的分子结构图形和特殊化学符号，并插入到文本文件中；②建立反应装置、反应式、反应流程、反应机理等图形并插入到文本文件中；③将建立的分子结构用于文献检索、波谱分析和分子三维结构模型．第四章计算机图形化技术在化学中的应用（２）分子和原子模型构筑和测量软件这类软件主要用来根据量子化学或价键理论搭建分子和原子模型，在化学教学和科研中用以代替常规的分子和原子模型．（３）结构化学计算软件这类软件是基于量子化学理论，通过分子结构计算给出分子结构信息的化学软件．（４）化学模拟软件这类软件主要用于大型化学仪器的操作演示，微观过程分析等．第四章计算机图形化技术在化学中的应用（５）化学数据库软件以储存、管理和智能化检索大量化学数据的软件称为化学数据库软件（６）化学教学软件该类软件以化学教学为目的，运用计算机的多媒体、数据库、交互式、计算和模拟功能，使很多枯燥难懂的化学问题转变为妙趣横生的描述．（７）化学数据库处理软件和实验设计软件该类软件主要用于实验数据的收集与处理、实验数值分析、实验设计、谱图分析等．第四章计算机图形化技术在化学中的应用(8)化学专家系统软件化学专家系统一般包括智能化数据库部分、实验设计部分、逻辑判断及科技咨询部分和知识学习功能等．(9)化学化工设备仪器控制软件该类软件是以控制（多数是预编程自动化控制）大型、成套化工设备，或者实验室精密实验仪器而设计的。(10)化工计算机辅助设计绘图CAD软件该类软件是为了提高化工制图效率而发展起来的，软件内部提供各种化工设计制图所需的各种仪器、设备、管线的图标和图形，并能够行使按照化工设计规则检验设计的正确性等功能。4.1化学结构的图形化软件作为以在计算机媒体上绘制分子结构为主要目的软件至少应具有以下功能:(1)能够通过常规输入工具建立任何复杂的分子结构图。(2)建立的结构图应符合化学规则和使用习惯。(3)建立的分子结构图应该丰富全面，包括分子的线状结构、球棒状结构和电子云填充型结构。(4)建立的分子结构图应能够转入或插入其他种类的应用软件。(5)软件应该具有一定的文字编辑和标准线图绘制功能，并拥有一定数量必要的图形符号。4.1.1ISIS/Draw软件SIS／Draw由MDLInformationSystemsInc．开发。以其强大的功能及与MSOffice套件极佳的兼容性而在国内化学界广泛流行。其早期版本为1.0版，最新版本为2.2版。该软件为自由软件，无注册自由软件，无注册费无使用期限，但是不能进行商业买卖。4.1.1ISIS/Draw软件目前该软件具有的功能主要有：（1）绘制分子结构图（2）分子结构类型自动变换（3）自动建立化学反应式（4）绘制几何图形（5）数据的输入和输出4.1.1ISIS/Draw软件下载和安装:ISIS／Draw2.2有Windows／NT,Macintosh及其他语言等多个版本。ISIS/Draw2.2安装完后不含帮助文件。如果你是ISIS／Draw的初学者，对该软件不熟悉，最好下载一个帮助文件包（强烈推荐！）.程序压缩包下载后，双击Draw22.zip进行安装（Draw22.zip为自解压文件包）。解包后进人标准Windows程序安装向导，按向导提示，依次点击按钮即将文件安装到缺省目录下，并在开始菜单及桌面建立快捷方式图标。若安装帮助文件，类似相应地双击Help.zip自解包，依次点击“Next”按钮，帮助件将自动安装到Isis/Draw2.2文件夹中。此时在ISIS/Draw2.2里点击Help，即可使用即时帮助了。4.1.1ISIS/Draw软件启动和设置:l、启动：ISIS/Draw2.2可以从开始菜单的“程序”项中启动，亦可以从桌面快捷方式或直接双击SKC文件（ISIS/Draw文件格式*.skc）关联启动。2、设置：在ISIS/Draw2.2中可以方便地对所绘图形进行预定设置。单击菜单“Options”、“Settings”，即可弹出设置对话框。对话框有9个标签，根据各人的爱好可分别对字体、化学键、结构式、线条、箭头、标尺等等进行风格定置。设置完毕单击右边的“Save”or“SaveAs”，将自己喜好的风格以.cfg模板格式保存下来。你若嫌繁琐，也可单击右边的“Read”，读取程序自带的9种设置模板，选中后点击“OK”，即会弹出一对话框，询问是否应用于当前窗口，点击OK即可。4.1.1ISIS/Draw软件基本界面:4.1.1ISIS/Draw软件首先我们来看一下菜单栏:是不是很熟悉呢?它跟我们经常用的Word有几分相象,分为文件File,编辑Edit,选项Options,对象Object,文本TEXT,模板Templates,化学Chemistry,窗口Window,帮助Help共九大块.其中Templates中提供很多现成的模板以供选择,只要选中它,之后再在屏幕上轻轻一点,图形就出来了.这样就不用自己画了,使用户更方便快捷地得到自己所需的图案.4.1.1ISIS/Draw软件工具栏:4.1.1ISIS/Draw软件横向:主要是几个常见图形,用户只要选中其中一个图形,在界面上点一下,该图形就出来了.如果需要多个图形组合,可以先画好一个图形,之后再选择需要的图形,在需要加图形的边上点一下就可以了.如需要画出首先点一下之后在工作窗口上点出苯环型,之后选中,在需要附加图形的苯环边上点一下就可以了.其它复合图形以次类推.4.1.1ISIS/Draw软件纵向:第一个为选中图标,用来选取工作窗口上的图形.第二个为旋转图标,用以旋转图形的角度.第三个为橡皮擦图标.第四个很实用,是用来写一些常见的化学式的.例如我们需要写硫酸的化学式,我们只要选中该图标,然后直接输入H2SO4,不用区分大小写,接着按回车硫酸分子式就出来了,是不是很方便呢?第五个直线工具,图标下面有个小三角形,只要用户点下该按钮,就会出现,你可以选择单横,双横还是三横.见右上角.4.1.1ISIS/Draw软件第六个是用在有机分子式上,用来在平面上表示立体结构.有两种选择,一种是表向纸内,一种是表向纸外.第七个是表碳链的最简表示式,可以随意画出N个碳组成的碳链,并且可以画出支链.方法就是讲光标移到两个碳的连接处,再画就可以了.有两种选择,一种是直链,一种是环状.第八个是加号,主要用在方程式书写上.第九个是箭号,有十六种选择,该选择也是从右下角处的小三角形点出.见右图.4.1.1ISIS/Draw软件第十个主要是进行化学式或化学反应式检查.如果是化学式会给出相关信息,如碳的含量,氢的含量及分子量等等,是化学反应式检查的话就会判断反应式是否正确及一些其它信息.第十一个是用来写分子式的.第十三个是文本按钮.第十四个是直线.第十五个是图形按钮,可话矩形,环矩形,圆及多边形4.1.1ISIS/Draw软件高级使用l、3-D图形旋转ISIS/Draw2.2不仅支持二维平面旋转，还可进行立体3-D旋转。选中欲旋转的结构式，点击左边工具栏“3DRotate”按钮，鼠标变为旋转符，点击结构式，按住鼠标左键旋转直至满意角度，即可观察化合物的空间结构图形，这一功能对化合物进行立体结构的分析是相当有用的。4.1.1ISIS/Draw软件2、分子量及元素分析理论值的计算结构式绘制完毕后，利用程序内嵌的库函数可以方便地计算出分子量及元素分析理论值。选中欲计算的结构式，点击“Chemistry”、“CalculateMolValUers”、“Calculate”，即在结构式下方给出计算出的分子量及各元素百分含量，十分方便。4.1.1ISIS/Draw软件3、模型图的展示ISIS/DrawZ.2可以展示出所绘结构式的模型图。选中结构式，点击“Chemistry”、“ViewMoleculeinRasMol”即调出分子模型展示程序RasMol2.5版。点击菜单栏上“Display”、“Ball＆Stick”，即展示出所绘结构式的模型图。该图形可存为BMP、GIF等图形格式：点击菜单栏“Export”、“BMP”，弹出保存对话框，给出保存路径及文件名，单击“确定”。这一功能对于化学课程的计算机辅助教学无疑是大有稗益的。4.1.2ChemSketch软件ACD/ChemSketch是高级化学发展有限公司(ACD)设计的用于化学画图用软件包，该软件包可单独使用或与其他软件共同使用。该软件可用于画化学结构、反应和图形。也可用于设计与化学相关的报告和演讲材料。系统需求:486以上PC兼容机;VGA彩色显示器;8.5M硬盘空间;8M以上内存。操作系统;Windows3.x;Windows9x;WindowsNT;4.1.2ChemSketch软件该软件的主要功能如下：（1）绘制分子结构和化学反应式（2）绘制各种化学图形（3）计算测定分子性质4.1.2ChemSketch软件ChemSketch软件的界面及操作指令ChemSketch软件绘制分子结构ChemSketch软件绘制化学反应式ChemSketch软件绘制化学实验装置示意图4.1.3Chemwindow软件ChemWindow由SoftshellIntern.Ltd.1989年推出首版，到1993年发行了3.0版。该软件主要功能是能绘出各种结构和形状的化学分子结构式及化学图形，具有一般其它绘图软件所不具备的化学分子图形编辑功能。ChemWindow运行于MicrosoftWindows95或3.x版下，由于Windows环境下具有的友好用户界面和便利的切换功能，使得其资料可共享于各软件之间。该软件在绘制化学专业图形方面使用方便且功能强大，可免去许多人工手绘化学分子图形之苦，为日常的教学和科研带来许多方便，该软件与MicrosoftWord、PowerPoint等软件朕用，可出色地完成一般化学科技论文的编印及制作出漂亮的专业幻灯片，为化学工作者带来极大便利。4.1.3Chemwindow软件一、ChemWindow软件的特点及功能该软件具有快速便捷的操作工具、用来画分子图形的各种常用操作均用图标示于工具箱中，不必记忆任何操作口令，亦不必采用下拉式菜单(虽然也配有此功能）。如对分子图形的组合、水平、垂直翻转及任意角度旋转等操作直接从工具箱中用鼠标点相应图标即可完成。该软件还提供了大量画分子式或分子图形所需的各种“散装元件”，如各种类型的化学键、分子母环（从三元到八元环，包括六元环的船式和椅式构型）、化学分子轨道、圆电荷、球（椭球）等。在模板工具中存储有大量常用的杂环、稠环供选择。使用户在使用过程中变得象小孩子玩积木那样简单，在3.0版中具有丰富的图形屏幕显示，对图形不同部分可用不同的颜色进行显示。4.1.3Chemwindow软件该软件另一大特点就是强大的分子图形编辑功能。对分子图形可进行组合，分块处埋，即可将许多物体结合成一个物体进行处理，或将一个物体分解成许多部分，使得在编辑时可根据需要用不同的方式来编辑。对整体分于图形既可进行放大、缩小、旋转等操作也能对局部进行精确微调。其还具有一般绘图软件所不具备的化学分子式的上下标标记功能及每个操作对象都有“敲击箱”(hitbox)，这对于图形的各种操作处理，特别是局部处理提供了很大的灵活性。需要画分子结构式的三维平面图时，该仪件具有将图形中重叠部分进行断开处理的功能，使之呈现出立体感。4.1.3Chemwindow软件但是，ChemWindow不具有OLE（对象链接与嵌入）的界面支持，使得它与其它软件之间的共享受到限制，尤其是在其它软件中（如Word，PowerPoint等）需对Che