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1、第 四 章 、 三 維 構(gòu) 型 圖 的 創(chuàng) 建-Chem 3D 使 用 1. 分子構(gòu)型的三維描述方法 直角坐標(biāo)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 內(nèi)坐標(biāo)(z-matrix)方法 內(nèi)坐標(biāo)與直角坐標(biāo)之間的區(qū)別在于，它側(cè)重于從原子之間 的鍵連角度來描述原子間的相對位置，具體參數(shù)包括： 鍵長：兩個原子間的距離( 需用兩個原子描述) 鍵角：確定二根鍵之間的夾角(需用三個原子描述) 二面角：確定四個原子所在的兩個平面之間的夾角 (需用四個原子描述) 內(nèi)坐標(biāo)的輸入

2、格式為： 原子1,原子2,鍵長,原子3,鍵角,原子4,二面角12 34鍵長鍵角二面角 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在同側(cè)共面對同一構(gòu)型，內(nèi)坐標(biāo)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. 軟件簡介 Chem 3D 軟件是ChemOffice的主

3、要模塊，用于分子的三維空間模型顯示與構(gòu)造，并可以結(jié)合分子力學(xué)(MM)或量子力學(xué)(QM)方法對分子構(gòu)型進行優(yōu)化和性質(zhì)計算，是一個具有較強功能的結(jié)構(gòu)化學(xué)計算軟件，主要功能如下：分子三維結(jié)構(gòu)的繪制：包括原子、化學(xué)鍵等基本繪制功能； 構(gòu)型的測量：能便捷地顯示體系的鍵長、鍵角、二面角等信息； 多種分子構(gòu)型的3D顯示方式：包括線、棒、球棒、球堆積等；并可制作構(gòu)型變化的3D動畫； 3D動畫：冰在不同溫度下構(gòu)型變化的MM2分子動力學(xué)模擬300K 500K 具有較強的計算功能：利用程序內(nèi)嵌的基于分子力學(xué)的MM2方法，可對分子構(gòu)型進行動力學(xué)模擬。同時，利用內(nèi)嵌的GAMESS量子化學(xué)軟件包，可對分子構(gòu)型進行優(yōu)化，以

4、及計算IR、Raman以及NMR等性質(zhì)。其方法覆蓋了經(jīng)驗方法、半經(jīng)驗方法以及不同水平的精確從頭算方法。 3. 軟件主要使用方法(1) 軟件界面模型窗信息窗菜單條工具條狀態(tài)欄其它顯示窗(隱藏) 菜單欄說明 文件菜單：用于文件打開、保存和打印等控制軟件默認選項，包括模型的顯示方式、模型構(gòu)造、字體大小和顏色等 所支持的文件類型：默認文件(c3xml)晶體結(jié)構(gòu)文件(cif)Chemdraw文件(cdx)ISIS/draw文件(skc)Gaussian, Gamess量化軟件輸入文件Mol文件由Weblab viewer產(chǎn)生 構(gòu)型默認顯示方式H原子、H氫鍵以及孤對電子顯示控制是否顯示元素符號和編號背景色

5、設(shè)置3D動畫控制 原子球的大小原子擴展空間大小化學(xué)鍵的粗細 顏色和字體設(shè)置原子顏色方案缺省顏色設(shè)置字體類型、大小和顏色 編輯菜單：用于構(gòu)型的復(fù)制和粘貼，以及選擇控制等刪除所選部分構(gòu)型選擇分子碎片反向選擇 顯示菜單：控制顯示方式、定位以及坐標(biāo)、構(gòu)型參數(shù)表顯示設(shè)置等顯示模式顯示方向以及定位工具條顯示控制構(gòu)型瀏覽窗Chemdraw面板原子(內(nèi))坐標(biāo)列表構(gòu)型參數(shù)列表信息窗控制二面角變化圖各種譜圖顯示繞軸旋轉(zhuǎn)等動畫演示 構(gòu)型的顯示方式設(shè)置(可按空格鍵切換)：Wire frame Stick Ball (2)直接繪制丹參醌的三維構(gòu)型圖: (c)利用View菜單下的Chemdraw面板來創(chuàng)建分子構(gòu)型(用于復(fù)

6、雜分子的構(gòu)造)同步更新追加構(gòu)型構(gòu)型替代從Chem3D復(fù)制構(gòu)型到Chemdraw構(gòu)型自動調(diào)整清除構(gòu)型鎖定窗口 (4) 分子構(gòu)型的優(yōu)化(a) 利用MM2分子力學(xué)方法：分子力學(xué)方法計算量小，適合于大體系有機分子的構(gòu)型優(yōu)化 顯示每輪迭代信息記錄每輪構(gòu)型(動畫顯示)輸出每輪結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)型收斂標(biāo)準狀態(tài)欄： 例如：優(yōu)化(10,0)碳納米管構(gòu)型 (b) 利用Gamess量子化學(xué)軟件包：計算方法基組類型波函數(shù)類型添加極化/彌散基函數(shù)構(gòu)型優(yōu)化方法體系電荷/自旋多重度 自洽場迭代參數(shù)控制溶劑效應(yīng)及其模型MO初始猜測類型點群及其主軸內(nèi)存定義 所計算性質(zhì)包括：偶極矩電子密度靜電勢動能Lowdin電荷和布居數(shù)Mullike

7、n電荷和布居數(shù)勢能總能量 計算方法選擇：HFMP2DFTGVBMCSCFCI以及CC等從頭算方法其中從頭算方法計算結(jié)果可靠，但計算量大；半經(jīng)驗方法計算量小，但精確度較差，僅適合有機分子體系。MNDOAM1PM3半經(jīng)驗方法 例：采用AM1方法研究正丁烷的結(jié)構(gòu)穩(wěn)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 課堂習(xí)題：(1) 采用PM3方法優(yōu)化(5,5)碳納米管的構(gòu)型；(2)計算O原子在(5,5)碳納米管的吸附能: (5) 分子性質(zhì)的

8、計算(a) 采用MM2分子動力學(xué)方法研究構(gòu)型在一定溫度下構(gòu)型的轉(zhuǎn)變600K40ps (b) 采用Gammes軟件包進行IR、Raman以及NMR光譜的理論模擬和預(yù)測例：正丁烷IR/Raman譜圖的AM1計算結(jié)果注：計算性質(zhì)前構(gòu)型需先優(yōu)化過 (c) 分子軌道拓撲圖像的繪制構(gòu)型優(yōu)化后，選擇Surfaces菜單下的Choose Surface選項： 默認情況下，繪制的是最高占據(jù)軌道(HOMO)，可通過Surface菜單下的Select Molecular Orbital的選項來選擇所要繪制的分子軌道：LUMO為最低未占據(jù)軌道電子填充到HOMO軌道 例：苯分子的前線分子軌道(HF方法，最小基組)HOM

9、O(簡并態(tài))LUMO(簡并態(tài)) 鍵反鍵 (6) 動畫制作(a) 利用MM2分子 制作3D動畫記錄下的為動力學(xué)模擬過程中構(gòu)型的改變情況 (b) Movie菜單來制作繞軸或鍵旋轉(zhuǎn)的3D動畫制作后的動畫可以保存為avi格式(壓縮或非壓縮) 上機習(xí)題：1.構(gòu)造丹參醌的三維構(gòu)型圖,并在圖中標(biāo)出所有環(huán)上的CC鍵長，以及CO的鍵長和COC和OCC鍵角(精確到小數(shù)點后第三位,單位為和)； 2.采用MM2方法研究：(1)椅式和船式環(huán)己烷的穩(wěn)定性；(2)當(dāng)椅式環(huán)己烷某個C上的H原子被甲基取代時，比較e鍵構(gòu)型和a鍵構(gòu)型的穩(wěn)定性；(3) 當(dāng)椅式環(huán)己烷相鄰兩個C上的一個H原子分別被甲基取代時，比較ee鍵構(gòu)型、ae鍵構(gòu)型和aa鍵構(gòu)型的穩(wěn)定性； 給出每個構(gòu)象的構(gòu)型圖和能量。 3.構(gòu)造鄰、間、對位三種硝基甲苯的構(gòu)型:(1) 采用AM1方法對上述三個構(gòu)型進行優(yōu)化，比較三者能量穩(wěn)定性，并計算CN和NO鍵長；(2) 計算三種構(gòu)型中硝基功能團所帶電荷，考察位置變化對硝基電荷的影響。