3D构型图-Chem3D

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 0.0C -0.7 0.0 0.0H 0.87 0.5 0.0H -0.87 0.5 0.0H -0.87 -0.5 0.0H 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： 原子1,原子2,键长,原子3,键角,原子4,二面角12 34键长键角二面角 C C1 234 56 CC 1 1.3H 1 1.0 2 120.0H 1 1.0 2 120.0 3 180.0H 2 1.0 1 120.0 3 0.0H 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 C2 413 56 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 Chem 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(QM)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Weblab viewer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)：Wire frame Stick Ball (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-15006.36 Kcal/Mol-15007.43 Kcal/Mol-15006.99 Kcal/Mol -15004.63 Kcal/Mol 0.4 kcal1.1 kcal 2.4 kcalTS 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Choose Surface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Select Molecular Orbital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CC键长，以及CO的键长和COC和OCC键角(精确到小数点后第三位,单位为和)； 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CN和NO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。