ChemBioOffice教程3

实验三 — 能量计算和模拟 步骤2: 分子间相互作用能量曲线 计算两个甲烷分子间的弱 相互作用
Gamess设置
实验三 — 能量计算和模拟 步骤2: 分子间相互作用能量曲线 两个甲烷分子间的弱 相互作用能数据 R/A ΔE / cm-1 图示
实验三 — 能量计算和模拟 步骤2: 分子间相互作用能量曲线 分子间的弱相互作用能一般用L-J(12-6)函数拟合
“过渡态”
实验三 — 能量计算和模拟
如果你已经阅读到这儿, 恭喜你 已经离一个计算化学研究者很近 了!
6 ⎡⎛ σ ⎞12 ⎛σ ⎞ ⎤ V ( R ) = ε ⎢⎜ ⎟ − 2 ⎜ ⎟ ⎥ ⎝R⎠ ⎥ ⎢⎝ R ⎠ ⎣ ⎦
势阱
平衡间距
实验三 — 能量计算和模拟 步骤2: 分子间相互作用能量曲线 两个甲烷分子间的弱相互作用能数据用L-J(12-6)函数拟合 结论: 两个CH4分子可以形 成弱复合物, 结合能 为73 cm-1, 质心平衡 间距约为4.3 A.
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 H2 → H(2S) + H(2S)
• 用Gamess程序 • 用HF, MP2, B3LYP三种方法 • 用6-31G(p)基组 • 计算单重态和三重态两条线 • 用Morse势拟合单重态能量曲线
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 画出H2分子 选中HH键 点右键, 选择 H2 → H(2S) + H(2S)
实验三 — 能量计算和模拟 步骤4: H—H — H共线势能面的创建
实验三 — 能量计算和模拟 步骤4: H—H — H共线势能面的创建 势能数据 R1 R2 E R1 R2 E
实验三 — 能量计算和模拟 步骤4: H—H — H共线势能面的创建 过渡态
3D势能面
投影图
实验三 — 能量计算和模拟 步骤4: H—H — H共线势能面的创建 问题3-6. 仿照H-H-H例子, 绘制H—H—F共线结构 的势能面图 (Gamess, MP2/DZV). H-H: 0.6 ~ 1.2 H-F: 0.8 ~ 1.6
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 HH间距 — 能量数据 H2 → H(2S) + H(2S)
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 类似的方法, 计算三重态能量 H2 → H(2S) + H(2S)
只用MP2方法计算
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 类似的方法, 计算三重态能量 H2 → H(2S) + H(2S)
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 H2 → H(2S) + H(2S)
通过点击改变HH距离 (从0.4到2.0, 间隔0.1 A), 扫描获得H2解离的势能曲线
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 H2 → H(2S) + H(2S)
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 H2 → H(2S) + H(2S)
平衡解离能 势参数 平衡键长
实验三 — 能量计算和模拟 H2 → H(2S) + H(2S) 步骤1: 分子的解离能量曲线 用Origin软件拟合
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 H2 → H(2S) + H(2S)
键能 = 104 kcal/mol 键长 = 0.695 A
排斥态
吸引态
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 一般采用相对能量ΔE = E(H2) - 2E(H) 计算H原子的能量 HF: -312.6456 Kcal/Mol MP2: -312.6456 Kcal/Mol B3LYP: -311.7854 Kcal/Mol 问题3-1. 为什么氢原子的HF 和MP2的能量一样, 而H2的却 不同? H2 → H(2S) + H(2S)
பைடு நூலகம்
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 H2 → H(2S) + H(2S)
以此类推, 改变HH距离为0.5, 计算能量
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 获得一系列能量数据 H2 → H(2S) + H(2S)
换成MP2和 DFT-B3LYP 方法, 分别做 同样的计算
实验三 — 能量计算和模拟 步骤3: 分子构象搜索 乙醇构象
(b) 选中二面角的旋转 轴, 扫描这个二面角
实验三 — 能量计算和模拟 步骤3: 分子构象搜索 MM2力场扫描 乙醇构象
实验三 — 能量计算和模拟 步骤3: 分子构象搜索 扫描两个二面角 乙醇构象 构象I 构象II
过渡态
实验三 — 能量计算和模拟 步骤3: 分子构象搜索 成环的分子不能扫描!
与实验值符合很好
问题3-2. 为什么H2的解离曲线不趋向于零? 试分析可 能的原因. 问题3-3. 仿照H2解离的例子, 做出Cl2分子解离的势能曲线, 并 用Morse函数拟合, 确定键能和键长 [Gamess, HF/6-31G(d)].
实验三 — 能量计算和模拟 步骤2: 分子间相互作用能量曲线 计算两个甲烷分子间的弱相互作用 画两个C原子, 设置间距2A, 饱和价键, 点MM2优化, 得 如下图所示的结构. 表明两个甲烷分子可以形成一弱复 合物, 间距3.6A, 相互作用能约0.9 kcal/mol (~ 4 kJ/mol)
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 H2 → H(2S) + H(2S)
实验三 — 能量计算和模拟 步骤1: 分子的解离能量曲线 H2 → H(2S) + H(2S)
一般双原子分子的解离势能曲线可以用 Morse函数较好地拟合
V ( R) = De ⎡e 2 β ( R − Re ) − e β ( R − Re ) ⎤ ⎣ ⎦
实验三 — 能量计算和模拟
要求: 1. 掌握计算分子能量的不同方法 2. 掌握分子相互作用能的分析方法 3. 掌握分子构象的分析方法 4. 了解势能面的作用
实验三 — 能量计算和模拟
内容: 1. 计算分子的解离能量曲线 2. 计算分子间弱相互作用能量曲线 3. 分子构象搜索 4. H—H — H共线势能面的创建
实验三 — 能量计算和模拟 步骤2: 分子间相互作用能量曲线 问题3-4. 仿照CH4...CH4的例子, 做出两个苯环平行放置时的相 互作用能曲线, 并用LJ(12-6)函数拟合, 确定势阱和平衡间距 [Gamess, HF/sto-3g].
实验三 — 能量计算和模拟 步骤3: 分子构象搜索 利用扫描一个或两个二面角, 寻找分子的不同构象. 乙醇构象 (a) 选择一个二面角
问题3-5. 计算乙烷的构象, 并确 定其内转动的势垒高度.
实验三 — 能量计算和模拟 步骤4: H—H — H共线势能面的创建 采用两个坐标, 即两个H-H距离, 计算相应的能量, 绘制成 三维图, 即为势能面. 可以直接看出鞍点(过渡态)和谷点 (稳定结构). (a) 画出三个共线的H原子, 沿X轴放置 (b) 改变两个HH的距离{0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2}, 计算共 7 × 7 = 49 个能量. (c) 采用Gamess, MP2/DZV计算, 具体设置见下页
实验三 — 能量计算和模拟 步骤2: 分子间相互作用能量曲线 计算两个甲烷分子间的弱相互作用 (a) 从MM2优化的结构出发, 设置C...C间距离依次为2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.25, 4.5, 4.75, 5.0, 5.25, 5.5, 5.75, 6.0, 7.0, 8.0, 10.0, 15.0, 用Gamess计算MP2/3-21+G(d)的能量. (b) 相互作用能ΔE = E(CH4...CH4) - E(15.0 A)