【教程】三维构型图的创建—Chem3D-使用(福州大学).

三维构型图的创建-Chem3D使用章永凡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1234键长键角二面角CC123456CC11.3H11.02120.0H11.02120.03180.0H21.01120.030.0H21.01120.03180.0在同侧共面对同一构型，内坐标的表示并不唯一CC241356HC,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,4,1.0,2,120.0,1,180.02.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(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300K500K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)：WireframeStickBall&Stick(常用)CylindricalbondsSpacefillingModeldisplay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)a.直接读取ISIS/draw所保存的skc文档；b.直接读取Chemdraw所保存的cdx文档；c.对于WeblabView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-15006.36Kcal/Mol-15007.43Kcal/Mol-15006.99Kcal/Mol-15004.63Kcal/Mol0.4kcal1.1kcal2.4kcalTSTS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Å和°)；2.采用MM2方法研究：(1)椅式和船式环己烷的稳定性；(2)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。