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1、第 四 章 、 三 維 構 型 圖 的 創(chuàng) 建-Chem 3D 使 用 1. 分子構型的三維描述方法 直角坐標系方法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 內坐標(z-matrix)方法 內坐標與直角坐標之間的區(qū)別在于，它側重于從原子之間 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) 內坐標的輸入
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在同側共面對同一構型，內坐標的表示并不唯一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造，并可以結合分子力學(MM)或量子力學(QM)方法對分子構型進行優(yōu)化和性質計算，是一個具有較強功能的結構化學計算軟件，主要功能如下：分子三維結構的繪制：包括原子、化學鍵等基本繪制功能； 構型的測量：能便捷地顯示體系的鍵長、鍵角、二面角等信息； 多種分子構型的3D顯示方式：包括線、棒、球棒、球堆積等；并可制作構型變化的3D動畫； 3D動畫：冰在不同溫度下構型變化的MM2分子動力學模擬300K 500K 具有較強的計算功能：利用程序內嵌的基于分子力學的MM2方法，可對分子構型進行動力學模擬。同時，利用內嵌的GAMESS量子化學軟件包，可對分子構型進行優(yōu)化，以
4、及計算IR、Raman以及NMR等性質。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)晶體結構文件(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、設置3D動畫控制 原子球的大小原子擴展空間大小化學鍵的粗細 顏色和字體設置原子顏色方案缺省顏色設置字體類型、大小和顏色 編輯菜單：用于構型的復制和粘貼，以及選擇控制等刪除所選部分構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、構型參數(shù)表顯示設置等顯示模式顯示方向以及定位工具條顯示控制構型瀏覽窗Chemdraw面板原子(內)坐標列表構型參數(shù)列表信息窗控制二面角變化圖各種譜圖顯示繞軸旋轉等動畫演示 構型的顯示方式設置(可按空格鍵切換)：Wire frame Stick Ball (2)直接繪制丹參醌的三維構型圖: (c)利用View菜單下的Chemdraw面板來創(chuàng)建分子構型(用于復
6、雜分子的構造)同步更新追加構型構型替代從Chem3D復制構型到Chemdraw構型自動調整清除構型鎖定窗口 (4) 分子構型的優(yōu)化(a) 利用MM2分子力學方法：分子力學方法計算量小，適合于大體系有機分子的構型優(yōu)化 顯示每輪迭代信息記錄每輪構型(動畫顯示)輸出每輪結構參數(shù)構型收斂標準狀態(tài)欄： 例如：優(yōu)化(10,0)碳納米管構型 (b) 利用Gamess量子化學軟件包：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)控制溶劑效應及其模型MO初始猜測類型點群及其主軸內存定義 所計算性質包括：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構穩(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 課堂習題：(1) 采用PM3方法優(yōu)化(5,5)碳納米管的構型；(2)計算O原子在(5,5)碳納米管的吸附能: (5) 分子性質的
8、計算(a) 采用MM2分子動力學方法研究構型在一定溫度下構型的轉變600K40ps (b) 采用Gammes軟件包進行IR、Raman以及NMR光譜的理論模擬和預測例：正丁烷IR/Raman譜圖的AM1計算結果注：計算性質前構型需先優(yōu)化過 (c) 分子軌道拓撲圖像的繪制構型優(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模擬過程中構型的改變情況 (b) Movie菜單來制作繞軸或鍵旋轉的3D動畫制作后的動畫可以保存為avi格式(壓縮或非壓縮) 上機習題：1.構造丹參醌的三維構型圖,并在圖中標出所有環(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鍵構型和a鍵構型的穩(wěn)定性；(3) 當椅式環(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鍵構型、ae鍵構型和aa鍵構型的穩(wěn)定性； 給出每個構象的構型圖和能量。 3.構造鄰、間、對位三種硝基甲苯的構型:(1) 采用AM1方法對上述三個構型進行優(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。
3D構型圖-Chem3D
