三维构型图的创建—Chem3D-使用(福州大学)总结ppt课件.ppt

三维构型图的创建-Chem 3D 使用章永凡,1. 分子构型的三维描述方法 直角坐标系方法,C 0.7 0.0 0.0 C -0.7 0.0 0.0 H 0.87 0.5 0.0 H -0.87 0.5 0.0 H -0.87 -0.5 0.0 H 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,1,2,3,4,键长,键角,二面角,C,C,1,2,3,4,5,6,C C 1 1.3 H 1 1.0 2 120.0 H 1 1.0 2 120.0 3 180.0 H 2 1.0 1 120.0 3 0.0 H 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,C,2,4,1,3,5,6,H C,1,1.0 H,2,1.0,1,120.0 C,2,1.3,1,120.0,3,180.0 H,4,1.0,2,120.0,1,0.0 H,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(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,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：,HF MP2 DFT GVB MCSCF CI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。

MNDO AM1 PM3,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 kcal,1.1 kcal,2.4 kcal,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,600K 40ps,(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： 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。