构象分析
化学分子的构象
化学分子的构象化学分子的构象是指分子内原子之间的空间排列方式和相对位置。
在化学反应和分子间相互作用中,分子的构象对于物理性质和化学性质起着重要的影响。
了解和研究分子的构象有助于我们深入理解化学现象和应用化学知识。
一、构象的定义和类型构象是指分子在空间中的排列方式,包括原子之间的距离、角度和分子整体的形状等要素。
构象可以分为平面构象、立体构象和多重构象等不同类型。
1. 平面构象:分子中的原子在同一平面上排列,如脂肪族烃类分子。
2. 立体构象:分子中原子在空间中形成不同的构象,如立体异构体。
3. 多重构象:一些分子具有多个可能的构象,称为多重构象,如环状分子的多种构象。
二、构象的影响因素分子的构象受到多种因素的影响,主要包括键角、键长、孤对电子、分子间作用力等。
这些因素决定了分子的空间排列和相对位置。
1. 键角:分子内化学键的键角决定了分子的平面和立体构象。
2. 键长:分子中化学键的长度也影响构象,较长的键会改变分子的形状。
3. 孤对电子:孤对电子的存在会导致分子构象的改变,使分子呈现出不同的空间排列。
4. 分子间作用力:分子间的相互作用力也会影响构象,如氢键和范德华力等。
三、构象分析的方法为了研究分子的构象,化学家们提出了多种方法和技术,用于分析和确定分子的空间排列和相对位置。
1. 光谱学方法:包括红外光谱、核磁共振等技术,能够通过分析分子的光谱信息,推测构象信息。
2. 理论计算方法:利用计算机模拟和量子力学计算,可以预测和确定分子的构象。
3. X射线衍射:通过分析分子衍射出的X射线图像,可以推断出分子的三维结构。
四、构象在化学中的应用分子的构象对于化学反应和物质性质具有重要的影响,因此在化学研究和应用中有着广泛的应用。
1. 药物研发:了解药物分子的构象有助于优化药物的性能和效果,提高药物的疗效。
2. 催化剂设计:构象对于催化剂的活性和选择性具有重要影响,因此研究和优化催化剂的构象有助于提高催化反应的效率。
第六章 构象分析
(3) 醛酮 羰基化合物的优势构象也是重叠式而不是交 叉式,对醛、酮来说与羰基重叠的是烷基而不是氢,这种情况 在酮中比在醛中更明显。除非取代基具有异常的空间要求。
H3CO
HO
H
H
H
H
CH3
H
重叠式
H3C
O
H
O
H
H
H
H
H3C
H
平分式
H CH3
O
HH
O
H
H
H3C
H
0 kcal/mol
1 kcal/mol
1,3-多取代丙烷,在构象分析中,是另一类具有重要意义的化合物,其代表化合物是 n-戊烷。 n-戊烷的四个C-C单键都是可旋转的,它的几个可能的全交叉型构象表示如下:
对位-对位交叉型构象 对位-邻位交叉型构象 邻位-邻位交叉型构象A 邻位-邻位交叉型构象B
化合物
CH3—Y型化合物 旋转能垒(kJ/mol)
(o)
60
120
180
240
300
360
E(f)
0
V0
0
V0
0
V0
V0= 2.8 kcal/mol
邻位交叉式:0.9 = E(f) + E(d) = E(d) 贡献来自甲基-甲基的非键张力
部分重叠式:E(d) = 3.4 – 2.8 = 0.6 贡献来自两对甲基-氢的非键张力,每对0.3kal/mol
CH3
丙 烷
H
H
的
极 限
H
H
构Hale Waihona Puke 象H交叉式
H3CH
H H
H H
重叠式
H
H
H
第五章 动态立体有机化学与构象分析
(m)-体
ph H Br
Br ph
H
Br
旋光体
(m)-体对称性高,故熔点较旋光体高;而旋光体由于极性较(m)体高,故溶解性能高。
1、开链体系构象 (1)乙烷的球棒模型
(2)透视式表示乙烷的构象
H H H H H H
H H H H H H
重叠式
交叉式
(3)纽曼投影式
重叠式构象
交叉式构象
乙烷分子各种构象的能量曲线
2、环己烷体系的构象
环己烷不是平面结构,较为稳定的构象为折叠的 椅式构象. C-C-C键角基本保持109.5o,任何两个相邻的C-H 键都是交叉式的,椅型构象无张力环.
3 1
Cl
最稳定
C(CH 3) 3
ΔE(Cl+CH3) = 1.7 + 7.1 = 8.8 ΔE(C(CH3)3) = 23.1
例:比较化合物的稳定构象
在(CH3)2C=O中,下列化合物的稳定性
CH 3
4 3 1 4 3
OH
1
CH 3 CH 3
OH
CH3
A
1 OH
B
OH
1
<
4 3
CH 3
H3 C 4
叔丁基在 e 键上的构象比在 a 键上的另一种构象要稳定的多.
(7)扭式构象:处于椅式构象和船式构象之间的一 种构象,比船式构象稳定。有的化合物,由于特殊键 作用,使扭式构象稳定。
离子通道的构象和通道特性分析
离子通道的构象和通道特性分析离子通道是细胞膜上的蛋白质,通过它们,离子可以跨越细胞膜,维持细胞内外的离子浓度差异,从而维持细胞的正常生理功能。
虽然离子通道的结构和组成有所不同,但它们的基本机制都是一样的:通过离子通道内部的特殊构象,控制离子跨越细胞膜的速度和方向。
本文将通过分析离子通道的构象和通道特性,揭示离子通道工作的奥秘。
一、离子通道的构象分析1.1 离子通道的结构离子通道的结构并不一致,但大体上都由四个次级结构单元组成,即α亚基、β亚基、γ亚基和δ亚基。
其中α亚基是离子通道的主要结构单元,它包含六个跨膜螺旋和两个半球形结构,形成离子通道的中央孔道。
β亚基、γ亚基和δ亚基是与α亚基配合作用的辅助蛋白,它们主要的作用是调节α亚基的功能。
1.2 构象的变化离子通道的中央孔道内部具有许多不同的氨基酸残基,这些残基可以通过不同的构象变化来控制离子通道的开启和关闭状态。
目前已经揭示出一些常见的构象变化模式:(1)扭曲型:离子通道孔道内部含有一些不寻常的氨基酸残基,它们可以通过扭曲变形,使得通道的构象发生变化,从而控制离子的通道方向和速率。
(2)收缩型:离子通道的孔道内部含有一些比较大的氨基酸残基,它们可以收缩或膨胀来控制离子通道的开启和关闭状态。
(3)旋转型:离子通道中心的孔道内部含有一些旋转的氨基酸残基,它们可以通过旋转变形来调节通道的跨膜电位门控状态。
二、离子通道的特性分析离子通道是一种“选择性通道”,它只允许一种离子流过,而其他离子则被排出。
这是由于离子通道的特定氨基酸残基可以与特定离子形成氢键或疏水相互作用,与此同时,它们也可以排斥其他离子。
2.1 常见的离子通道(1)钾离子通道:钾离子通道是一种比较常见的离子通道,它能够控制细胞内外的钾离子浓度差异,维持一定的跨膜电位,并且在一些生理过程中发挥重要的作用,比如神经传导过程中的兴奋和抑制。
(2)钠离子通道:钠离子通道是一种能够控制细胞内外钠离子浓度的离子通道,它的开启和关闭状态非常快,能够产生快速的电流,参与神经、肌肉、内分泌等生理过程。
药物分子的结构与构象分析
药物分子的结构与构象分析药物是人类赖以生存的重要物质,其具有多种功能,如治疗疾病、调节生理机能、改善身体状态等。
药物分子的结构与构象分析是药物研发和药理学研究的基础。
本文将从药物分子的结构、药物分子的构象和药物分子的计算模拟三个方面探讨药物分子的结构与构象分析。
一、药物分子的结构药物分子的结构决定了其在机体内的生物活性,只有在药物分子具备适当的结构才有可能成为良好的药物。
药物分子的结构通常是由一或多个分子组成,其分子具有化学键的特性。
药物分子的结构可分为有机分子和无机分子两种。
有机分子是最常用的药物分子,其分子中含有碳氢氧等有机元素的化合物。
有机分子的结构中含有苯环、脂肪链、羧酸基等功能团,这些功能团的组合和排列方式决定了药物分子的性质。
除了提供药效以外,药物分子的结构也会影响药物生物利用度、代谢途径等药效学特性。
近年来,随着药物化学技术的发展,越来越多的新型有机分子药物被发现和开发出来。
无机分子药物则是由金属元素和非金属元素组合而成的化合物,与有机分子药物相比,其分子不含有碳氢氧等有机元素。
无机分子药物常用于癌症、血液病等治疗,一些金属离子(如铂)的化合物具有强烈的抗癌活性。
此外,有机分子药物和无机分子药物还有一种介于其间的药物——生物制剂,这类药物通常是由细胞因子、抗体、蛋白质等大分子构成。
二、药物分子的构象药物分子的构象是指药物分子空间构型的特点,药物分子的构象决定了药物分子在生物体内的作用机理和作用效果。
药物分子的构象通常受到分子间力学作用和分子内键角度、键长等多种因素的影响,因此药物分子的构象常常比较复杂。
药物分子的构象通常包括平面构象和空间构象两种,其中空间构象包括旋转构象、单体构象和互变异构体构象。
旋转构象指的是药物分子基团之间的旋转,例如蒽醌化合物和肝素分子具有非常复杂的旋转构象,不同构型的异构体对发药效果和药代动力学都具有不同的影响。
单体构象是指药物分子内部的键角度在构象变化时的角度重排,这种构象的变化可影响药物的活性和亲和力。
有机化合物的立体化学和构象分析
有机化合物的立体化学和构象分析有机化合物是由碳和氢等元素组成的化合物,其中碳原子的立体化学和构象分析是有机化学中非常重要的一部分。
立体化学研究的是分子中原子的空间排列方式,而构象分析则是研究分子在空间中的不同构象。
这两个方面的研究对于理解有机化合物的性质和反应机理具有重要意义。
一、立体化学的概念及基本原理立体化学研究的是分子中原子的空间排列方式,包括立体异构体和手性。
立体异构体是指分子结构相同但空间排列不同的化合物,如顺式异构体和反式异构体。
而手性则是指分子不对称性,即分子无法与其镜像重合。
手性分子具有两种互为镜像的结构,分别称为左旋体和右旋体。
立体化学的基本原理包括空间取向性、立体障碍和立体效应。
空间取向性是指分子中原子或基团相对于其他原子或基团的空间取向。
立体障碍是指分子中不同原子或基团之间的空间阻碍,导致分子只能采取特定的构象。
立体效应是指分子中原子或基团的空间排列对于化学性质和反应速率的影响。
二、构象分析的方法和应用构象分析是研究分子在空间中的不同构象,即分子的不同空间排列方式。
构象分析的方法包括分子模型、分子轨道理论和核磁共振等技术。
分子模型是一种直观的方法,通过建立分子的三维模型来研究构象。
分子轨道理论则是一种量子化学的方法,通过计算分子的电子结构来预测构象。
核磁共振是一种实验技术,通过测量分子中原子核的共振信号来确定构象。
构象分析在有机化学中有广泛的应用。
例如,研究分子的构象可以帮助理解分子的性质和反应机理。
构象分析还可以用于设计和合成具有特定性质的有机化合物,如药物和材料。
三、有机化合物的立体化学和构象分析的案例1. 手性药物的立体化学分析手性药物是指具有手性的药物分子。
由于手性药物的两个手性体在生物体内的相互作用不同,因此其药效和毒性也会有差异。
立体化学分析可以帮助确定手性药物的结构和手性体的含量,从而指导药物的合成和应用。
2. 立体异构体的构象分析立体异构体是指分子结构相同但空间排列不同的化合物。
§3-2_构象异构现象解析
注意:
这里讨论是链烷烃的构象,在分析其他类化合物
构象时,在相邻碳原子上连有可形成氢键的基团
时,会改变构象。
例:CH2Cl—CH2OH的稳定构象是 邻位交叉式。 因为氢键的能量远大于稳定构象的能量。
二、环烷烃的构象
1.环丙烷的构象
环丙烷是三个碳原子的环,只能是平面构象, 即它的构型。
尽管只有一种构象,但这个环极不稳定,主要 因为: (1)所有C-H键都是重叠构象,扭转张力大。 (2)C原子是不等性杂化或弯曲键,有“角张力” 存在。
① 环己烷的六个碳原子构成两个平面; ②六个a、e键分别为三上三下;
③同一碳原子若a键在上,e键必然在下;
①直立键:每个碳上有一根与轴平行的 C—H 键,
称直立键,也称竖直键(a 键)。有三根向上,三
根向下。 ②平伏键:每个碳上有一根与平行平面成 19°角 的C—H 键称平伏键,也称水平键(e 键)。有三根 向上偏19°,三根向下偏 19°。 ③直立与平伏键转换:当从一种椅型构象翻转成 另一种椅型构象时,平伏键转)
H
部分重叠式 ( 反错式 )
CH3 H H CH3 对位交叉式 ( 反叠式 ) H H H
H CH3 H H
CH3 CH3 H H ( 顺错式 ) H H
CH3
部分重叠式 ( 反错式 )
邻位交叉式
丁烷有四种极限构象,其热力学能及动态平衡中各异 构体含量如下:
全重叠式 部分交叉式 部分重叠式 对位交叉式 热力学能
变成平伏键。
a → e e → a
a、e 键可以相互转化。
动画
(3) 扭船型和半椅型构象。 ①扭船型构象: 将船型构象的碳扭转约30°,变成扭船型:
环己烷的扭船型构象
高等有机化学-第4章-立体化学
非对称分子和不对称分子都不能与其镜像重叠,这二者都属
于手性分子。
构成手性分子的必要和充分条件:
分子中既无对称面,又无对称中心,也无四重交替对称轴。 在有机化合物中,只有四重交替对称轴而无对称面或对称中心的 分子是个别的。所以一般情况下,只要分子中既无对称面也无对 称中心,就可以断定它是手性分子,反之,就是非手性分子。 一个分子的手性通常与分子中一个或多个特定的原子有关, 这个特定的原子称为手性中心。如连接着四个不同取代基的碳原 子,不对称碳原子就是一个手性中心。除了碳原子以外,其它原 子如硅、氮、硫、磷、砷和硼等原子所形成的不对称四面体(或三 角锥体)化合物也有对映异构现象,这些原子也可以成为手性中心。
18
O
3. 含有三价的手性原子的化合物 棱锥结构的分子中,中心原子若 与三个不同基团相连会产生旋光性,如
C6H5 P CH3 CH2 CH2 CH3
35 °
4. 合适取代的金刚烷 的具有旋光性。如
在桥头有四个不同取代基的金刚烷是手性
CH3
H COOH Br
5. 合适取代的八面体化合物 许多金属离子,如Cr(Ⅲ)、Pt(Ⅳ)等 能形成六配位的八面体络合物,若配位体差别很大,化合物就可 能具有手性,如以下化合物已经被拆开为对映体。
H3C CH3 CH2 CHCH3 I
KOC(CH3)3
H C C CH3
二甲亚砜
H
多 ~60%
H3C C H C H CH3 CH3 CH2CH CH2
少 ~20%
I A C H D C D B A B
少 ~20%
这是因为在消除反应中一般为反式消 除,在反应时各基团应处于空间的有 利地位。在 2-碘丁烷中,首先是I和H 处于反向位臵,其次是二个比H大的 CH3处于A和D(或B和C)位,这时空间 拥挤程度最小;它比两个CH3处于A和 C (或B和D)位要有利的多,因此,反 式产物多。
高等有机第六章-构象
OH OH
OH
OH OH
OH
O H HO
H O O
H
OH OH
.
1,2-ae
1,2-ee
均为优势构象
1,3-aa
由于桥连或氢键使下列化合物的船式构象能稳定存在。
H
O
O HO
樟脑
顺-1,4-环己二醇
CH3
HO
N
Me
Me Me Me
O
Ph
4-羟基-1,2,2,6,6-五甲基-4-苯基哌啶
顺1,2-二叔丁基环己烷由于一个叔丁基必须处于a键,使椅式构象 张力很大,低温NMR表明其以椅式和扭船式的平衡混合物存在。
CH3
CH3
H
H
H
H
Ⅴ
室温下, Ⅰ占约70%,Ⅲ和Ⅴ各占约15%
.
CH3
H
H
H
HⅠ
CH3
s
取代基在同侧用s表示(syn)
a
取代基在异侧用a表示(anti)
p cc
p
叠位:p (perplarr) 错位:c (clinar)
sp sc sc ac ac
ap
CH3
H
H
H
3
C H
CH3
H
CH3
H 3 CC H 3
S-trans 73%
H
唯一可测出构象
当甲基被其它体积更大的烷基取代时,S-顺所占比例会随取代基 体积增大而增加。因为大的R基团与C=C重叠不利。
C H 3
O C H 3
R
HR
R=Me 70%
R=Et 55%
R=i-Pr 30%
R=t-Bu 0
.
有机立体化学-4
Hassel、Barton等人在构象研究领域进行了系 统研究,立体有机化学领域形成了明确的构象概念。
构型、构象概念的比较:
构型是定性的;构象是定量的。
指定构型的化合物可采取许多构象,在讨论构型 时可以不涉及能量关系;构型则必须涉及能量关系, 涉及作用在分子上的内部力,通常根据扭转角描述。
分子优势构象存在的研究,分子物理、化学性质 与优势构象的关联成为构象分析。
交叉构象和重叠构象的最高和最低内能差,即乙烷碳碳单
键旋转的“能垒”,其值为12.6KJ/mol,这种旋转和能量上的关
系可以表示为:
HHHH
HH
HH
KJ/mol
.
0o
12.6kJ/mol
HHHH
H
H
H
.. . . ..
60o
120o
180o
240o
300o 360o
H
H
H
旋转角度
在室温下,碳碳单键完全不受阻碍的自由旋转,理论上只要求 2.5KJ/mol,而在旋转完全受阻的情况下,其能垒应不低于6.7~83.7 KJ/mol,乙烷的旋转能垒为12.6KJ/mol,其值介于2.5和67之间,所以它 的碳碳单键的旋转,既不是完全自由的,也不是完全受阻的。由于能 垒的制约,所以在一般情况下,乙烷分子倾向于交叉构象,也能相应 容易地转为重叠构象。温度低,有利于交叉构象增多,而当达到凝固 点的温度时(-172oC),分子基本上完全固定地处于交叉型构象的状态。
HO Y
HH
Y = Me-> Et- ~ MeO- ~ PhO- > Me2CH- >Ph- ~ Cl- > Br- > Me3C- > MeS构象A的稳定性和含量下降,构象B的稳定性和含量上升
高分子的构型和构象
高分子的构型和构象
高分子化合物的构型和构象是理解其物理性质和化学性质的关键所在。
下面我将自创一些关于高分子构型和构象的描述,以帮助您更好地掌握这两个概念。
首先,让我们谈谈高分子的构型。
构型是指分子中原子的空间排列方式,它是固定的,不随时间和环境的变化而改变。
对于高分子来说,由于其链状结构的特点,构型通常涉及链段之间的相互关系和整个分子链的弯曲、折叠等形态。
高分子的构型决定了其空间占据方式和与其他分子的相互作用方式,进而影响其溶解性、熔点、机械强度等物理性质。
例如,线性高分子和支化高分子的构型差异会导致它们在溶液中的行为截然不同。
接下来,我们讨论高分子的构象。
构象是指分子中原子或基团在空间中的相对位置和取向,它不同于构型,是可以随时间和环境的变化而改变的。
对于高分子而言,由于其链状结构的长度和复杂性,构象的变化尤为丰富。
高分子链可以在不同的能量状态下呈现出不同的构象,如卷曲、伸展、螺旋等。
这些构象的变化不仅影响高分子的物理性质,还与其化学反应活性密切相关。
例如,某些高分子在特定构象下可能更容易与其他分子发生反应,从而改变其化学性质。
综上所述,高分子的构型和构象是两个相互影响、相互制约的因素。
通过深入理解和掌握这两个概念,我们可以更好地揭示高分子的结构和性质之间的关系,为高分子材料的设计和应用提供有力支持。
化学分子的构象分析
化学分子的构象分析
化学分子是由原子组成的,每个原子都有自己的大小、形状和电子结构。
当这些原子结合在一起时,它们可以形成许多不同的分子构象。
这些构象直接影响分子的化学和生物学性质,因此对于某些化学分子的构象分析是非常重要的。
构象是分子中原子排列的空间位置。
同一种分子可能由于原子间的不同空间排列而存在多种不同的构象,这就需要通过构象分析来确定分子的实际构象形式。
构象分析可以使用许多技术来实现。
其中一种常见的技术是核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)技术。
NMR技术可以帮助确定原子之间的距离和角度,从而确定分子的构象。
另一种常用的技术是X射线衍射(X-ray diffraction)。
这种技术通过让X射线穿过晶体来确定原子在晶格中的排列方式,可以得到分子的三维结构。
化学分子的结构不仅仅影响了它们的化学性质,还对生物学性质也有深远影响。
例如,DNA分子的二级结构是由两条互相扭绞在一起的螺旋结构组成的。
这种结构使得DNA分子能够容易地在细胞内进行复制和表达,同时也保护了DNA分子免受外部威胁。
另一个例子是蛋白质分子。
蛋白质分子的结构决定了其功能。
在蛋白质分子中,一些氨基酸残基会形成类似于DNA中的双螺旋结构的α螺旋和β折叠板。
这种结构可以使蛋白质分子在水溶液中保持稳定,同时也为它们的生物学功能提供了基础。
总之,化学分子的构象分析对于理解分子的化学和生物学性质非常重要。
通过采用不同的技术,我们可以进一步研究和理解分子之间的相互作用,并促进新材料和新药物的发现。
生物大分子的构象和空间结构分析
生物大分子的构象和空间结构分析生物大分子包括蛋白质、核酸、碳水化合物等,它们在生物过程中具有重要的作用。
这些大分子的构象和空间结构对其功能至关重要,因此对其进行分析是生物学研究的重要组成部分。
本文将介绍生物大分子的构象和空间结构分析方法及其应用。
一、蛋白质的构象和空间结构分析蛋白质是生物体中最为重要的大分子之一,它参与调节细胞的生长、分裂、运动等生命过程。
蛋白质的结构包括一级、二级、三级和四级结构,其中一级结构是指氨基酸序列,二级结构是指α螺旋和β折叠,三级结构是指多肽链在空间中的三维折叠,四级结构是指多个多肽链的空间排列。
蛋白质分子的构象和空间结构对其功能至关重要。
1. X射线衍射法X射线衍射法是蛋白质结构分析中最常用的方法之一。
它利用X射线通过蛋白质晶体时,会发生衍射现象,根据衍射图样可以反推出蛋白质分子的空间结构。
该方法适用于分子量较大的单体蛋白质,如酸性纤维蛋白、肌动蛋白等。
2. 核磁共振法核磁共振法是一种通过分析核磁共振信号来获得蛋白质分子结构信息的方法。
这种方法适用于分子量比较小、分子灵活性较大的蛋白质,如氨基酸和多肽链。
核磁共振法的优点在于可以在溶液中进行分析,而不需要像X射线衍射法那样需要进行晶体学研究,因此可以分析生物体内真实的蛋白质结构。
3. 场致发光光谱法场致发光光谱法也是一种用来研究蛋白质构象和空间结构的方法。
该方法通常用于分析蛋白质的二级和三级结构。
它利用场致发光分析样品中荧光分子在不同场强下发光的振动状态和振动能级,从而推断出样品分子的构象和空间结构。
二、核酸的构象和空间结构分析核酸是生物大分子中重要的一类,它们在细胞内负责储存和传递遗传信息。
核酸包括DNA和RNA,它们的空间结构和构象对于细胞遗传信息的传递具有重要的作用。
以下是核酸的构象和空间结构分析方法:1. 吸收光谱法吸收光谱法是一种常用的核酸结构分析方法。
在核酸分析中,该方法主要用来研究核酸的一级结构和二级结构。
分子构象和构造的分析和研究
分子构象和构造的分析和研究分子构象和构造是化学中非常重要的概念,一直以来都是化学家们研究的热点问题。
在某些情况下,分子的构象和结构会对其化学性质和反应产生重要的影响。
从历史上看,早期的化学家研究分子结构主要依赖于实验方法,如X射线衍射。
但实验方法往往是昂贵和耗时的,因此难以适用于大规模的实验和分析。
近年来,随着计算机科学和分子模拟方面的发展,理论计算方法逐渐成为了研究分子结构的常用方法之一。
分子构象和构造的定义分子构象和构造指的是分子内原子在空间中的三维排列方式。
分子的构象一般分为平面构象和空间构象两种。
平面构象,也称为共面构象,指的是分子内所有原子都处于同一平面内的构象。
例如,苯分子就是一个比较典型的平面构象分子。
空间构象,也称为不共面构象,指的是分子内原子在空间中的三维排列方式。
空间构象依赖于分子内不同基团的空间取向关系。
例如,六氟苯和三氟苯就是两种不同的空间构象。
分子的构造指的是分子内基团取向的顺序。
分子的构造一般分为两种:平面构造和立体构造。
平面构造中,所有基团都处在同一个平面内。
而立体构造中,基团不处于平面内,而是沿着空间方向远离平面。
分子构象和构造的影响分子构象和构造对分子的化学反应和物理性质都有相当的影响。
例如,在有机化学反应中,不同构象的分子反应机理和反应速率往往都不同。
这一点尤其在研究酶促反应和手性化合物时尤为重要。
在某些情况下,分子构象和构造也会影响分子的光学性质和热学性质。
例如,吸收和发射光谱的大小和强度与分子的构造和构象有很大关系。
在热学性质方面,分子构型的改变也会影响热力学能量和热容。
这些性质再多领域中都具有广泛的应用和研究价值。
实验和计算方法目前,分析和研究分子构象和构造的主要方法有实验方法和计算方法。
实验方法主要依赖于光学拉曼光谱,X射线晶体衍射等技术。
这些方法的优点是精确性高,但缺点是成本高,成本昂贵,因此在实际应用中常常不大适用。
计算方法则主要依赖于分子模拟技术和计算机科学。
药物分子的构象构建与分析技术
药物分子的构象构建与分析技术药物分子的构象构建与分析技术是一项非常重要的研究领域,随着生命科学和医学的发展,对药物分子的构象和性质进行深入研究和了解,对于新药开发和治疗疾病具有重要的意义。
一、分子力学方法分子力学方法是一种利用计算机模拟药物分子在空间中的构象和性质的技术。
该方法需要输入药物分子的结构,通过对分子的化学键、键长等属性进行计算得到分子的各种物理和化学性质。
这种方法主要应用于小分子药物的计算化学研究,利用分子力学方法可以预测药物分子的构象、物理化学性质、反应机理等信息。
分子力学方法有许多种,如优化方法、蒙特卡罗方法、分子动力学方法等,其中优化方法是应用最广泛的一种。
该方法主要是对药物分子进行结构优化,通过使分子的势能最小化来得到分子的最佳构象。
该方法的优点是简单易操作,而且对小分子药物的计算结果比较准确。
二、量子化学方法量子化学方法是一种通过计算分子内电子结构的方法,可预测药物分子的相互作用,化学反应等性质和行为。
该方法通过Schrödinger方程来描述分子的性质和行为,并通过自洽场方法进行计算。
该方法的优点是可以精确计算分子的能量、光谱、反应等性质,但缺点是计算过程比较复杂,计算量较大。
三、X射线晶体学X射线晶体学是一种通过对药物分子的晶体结构进行分析,了解分子间的相互作用和构象的技术。
该方法通过测量固体晶体中X射线的特异衍射图样来确定分子的三维结构。
该方法的优点是可以得到药物分子的精确结构信息,但缺点是只能分析结晶状态下的分子结构。
四、核磁共振技术核磁共振技术是一种通过利用核磁共振现象来研究药物分子的构象和性质的技术。
该方法可通过测量不同质子和核的磁共振信号,得到分子的构象和化学环境信息。
该方法的优点是非破坏性的,不需要结晶,适用于分析药物分子的溶液状态,但缺点是分子量较大时难以进行分析。
综上所述,药物分子的构象构建与分析技术是药物分子研究的基础,在新药研发和治疗疾病方面具有十分重要的应用价值。
构象的知识点归纳总结
构象的知识点归纳总结一、晶体学1. 晶体学的基本概念晶体学是研究晶体结构和性质的学科,晶体是具有有序排列和周期性结构的固体。
晶体学研究晶体的组成、结构和形态,以及晶体的物理性质和化学性质。
2. 晶体的结构和构象晶体的结构指的是晶体中原子、分子或离子的排列方式和空间构型,晶体的构象则是指晶体的晶胞结构、晶胞参数和晶格常数等几何结构参数。
晶体的结构和构象对其性质和行为具有重要影响,因此晶体学对于晶体的结构和构象的研究十分重要。
3. 晶体的分类根据晶体的对称性和周期性结构特征,晶体可以分为立方晶系、四方晶系、正交晶系、单斜晶系、三角晶系和六角晶系。
不同晶体结构和构象的晶体具有不同的特征和性质,晶体学将不同类型的晶体进行了系统的分类和研究。
4. 晶体的生长和变形晶体的生长是指晶体在固态化学反应、熔融过程或蒸气沉积过程中,原子、分子或离子按照其晶体结构和构象逐渐排列组合而形成完整的晶体。
晶体的变形是指晶体在受到外力作用或在晶体内部发生结构变化时,晶体结构和构象发生变化。
二、分子结构1. 分子的几何结构分子的几何结构是指分子中原子的排列方式和几何形状。
分子的几何结构对于分子的化学性质和物理性质具有重要影响,分子的立体结构、键角和键长等几何参数是分子的构象的重要特征。
2. 分子构象的影响分子的构象决定了分子的活性、手性、稳定性和反应性,分子的构象对于分子的空间构型和电子结构具有重要影响。
分子构象的变化会导致分子的性质和行为发生变化,因此分子构象是分子结构研究的重要内容之一。
3. 分子的构象分析分子的构象分析是指通过实验方法或理论计算方法,确定分子的几何参数、键角大小、键长和立体构型等参数。
分子的构象分析可以帮助研究者理解分子的基本特征和稳定性,为分子的性质和行为提供重要的理论基础。
三、有机化学1. 有机分子的构象有机分子由碳、氢、氧、氮和其他元素组成,有机分子的构象是指有机分子中碳原子和其他原子之间的空间排列方式和几何形状。
化学中分子的三维构象分析
化学中分子的三维构象分析分子的三维构象是指分子在空间中呈现出的特定的几何结构。
它对于分子的物理化学性质以及分子的反应机制有着非常重要的影响。
化学中的分子构象分析是指确定分子的三维结构,分析分子中原子之间的空间关系,以及分子中的原子之间的成键性质。
分子的三维构象的要素分子的三维构象分析需要用到一些基本要素来描述分子的结构,其中包括:键长:表示距离两个原子之间的距离。
键角:表示连接两个原子的3个相邻原子的夹角。
扭曲角:表示绕分子中两个相邻的单键轴之间的转角,或是绕化学键的旋转角度。
化学键:表示连接分子中原子的力。
分子内的氢键:一种特殊的化学键,由氢原子与非金属元素(如氮、氧、氟)中的电负性较强的原子形成。
分子中三维构象的影响分子的三维构象决定了分子中的元素之间的距离和角度,这将影响到分子的化学性质。
三维构象还会决定分子中发生的反应过程和催化反应的速度。
分子的立体异构体由于分子的三维构象极其重要,因此分子不同的构象对于分子的物理化学性质和反应机制都有着不同的影响。
在有机化学中,分子常常会有两种或以上的立体异构体,即在空间的不同方向上互为镜像的两个分子。
手性分子手性分子是指分子在结构中有不对称中心或轴时,其立体异构体发生旋转而无法重叠的分子。
两种手性异构体的性质也经常不同,因此,在具有光学活性的有机化合物或手性研究中,手性分子的分析是非常重要的。
用实验方法来分析分子的三维构象常规的X射线衍射技术是确定分子三维构象最常用的实验方法之一。
该技术通常通过测定晶体的衍射图样来确定晶体中原子的位置和排列,从而确定分子的三维空间构象。
另一种技术是核磁共振光谱学(NMR),它可以用于分析液态样品和溶液中的分子,以及测定分子的半径和不同化学键的存在情况。
用理论方法来分析分子的三维构象除了实验方法外,还可以使用理论方法对分子的空间构象进行研究。
分子模拟是一种计算方法,通过使用计算机程序,模拟分子的运动,从而得出分子的构象和行为。
立体化学与构象分析报告
立体化学教学目的要求本章学习立体化学和构象分析为完全认识一个分子结构,需要了解三个层次的内容:●构造(constitution)●构型(configuration)指分子内原子或基团在空间“固定”排列关系,分为:顺反异构,旋光异构二种。
●构象(conformation)指围绕单键旋转产生的不同的分子形象。
构型和构象在有机合成、天然产物、生物化学等研究领域非常重要。
例如六六六有九种顺反异构体,其中只有γ-异构体具有杀虫活性。
人体需要多种氨基酸,其中只有L-型具有活性作用。
手性(chiral)在医药、农药、食品添加剂、香料等领域需求越来越多。
手性液晶材料、手性高分子材料具有独特的理化性能,成为特殊的器件材料。
一个新兴的高新技术产业-手性技术(chirotechnology)正在悄然兴起。
(一)顺反异构由于双键或环的存在,使得旋转发生困难,而引起的异构现象。
能垒<10 kcal/mol。
能垒50 kcal/mol 双键要破坏。
命名:顺、反(Cis, Syn-; Trans, Anti)。
现在用“Z”,“E”表示Z:Zusammen 二个大的基团都在一侧(相当于顺)E:Entgegen 二个大的基团分在两侧(相当于反)例:C CH3CCH322CH2CH2CH33)217653 4Z -3-甲基-4-异丙基-3-庚烯基团的大小排列是按照原子序数排列的。
分子内含有二个以上的双键时,每个双键的构型都要标出来。
(1E ,5Z )-环癸-1,5-二烯-1,6-二羧酸 关于C=N 和N=N 双键的命名含C=N 双键的化合物主要是指醛肟和酮肟(醛或酮与羟胺NH 2OH 反应得到)Z -2-戊酮肟 Z -苯甲醛肟 孤对电子的序数为“0”。
文献上,现在还沿用顺、反命名。
把-OH,-H 在一侧的叫顺式,Cis-,Syn-;把-OH,-H 在两侧的叫反式,Trans-,Anti-。
N=N 双键也用顺反命名:反式(E)偶氮苯 顺式(Z)偶氮苯一般反式稳定,减少了基团间的排斥作用。
空间化学知识点归纳总结
空间化学知识点归纳总结1. 构象构象是指分子在空间中的排列姿态,由于化学键的自由旋转,分子可以在空间中呈现不同的构象。
构象的不同可能会影响分子的活性和性质。
构象的分析可以通过X射线晶体学、核磁共振等方法来获得。
2. 立体异构体立体异构体是指拥有相同分子式但空间结构不同的分子。
立体异构体的存在使得化合物的性质和活性存在差异,具有重要的化学和生物学意义。
立体异构体包括构象异构体、对映异构体和顺反异构体等。
3. 手性手性是指分子的镜像不能通过旋转等方式重合的性质。
手性分子由于具有手性的空间结构,因而具有光学活性。
立体异构体中的对映异构体就是一种手性分子。
手性分子在生物体内具有重要的作用,因此对手性分子的研究具有重要意义。
4. 构象分析构象分析是对分子空间结构的研究和确定。
构象分析包括构象的确定、构象的转化以及构象对分子性质和活性的影响等内容。
构象分析的方法包括X射线晶体学、核磁共振、质谱等。
5. 空间构型空间构型是指分子中原子在空间中的位置排列。
分子的空间构型可能有多种不同的排列方式,空间构型的不同对于分子的性质和活性具有重要的影响。
空间构型分析是空间化学研究的重要内容。
6. 空间化学的应用空间化学在化学合成、生物化学、药物设计等领域具有广泛的应用。
空间化学的研究有助于了解分子之间的相互作用和反应机理,从而更好地设计合成出具有特定活性和性质的化合物。
空间化学在化学合成中的应用也使得合成路线更加合理高效,降低了合成成本。
空间化学作为化学的一个重要分支,对于理解分子结构与活性之间的关系,以及设计合成新的化合物具有重要意义。
通过对空间化学的深入研究,可以更好地理解化学反应和分子活性,为化学合成和应用研究提供更有力的理论基础。
构象_精品文档
构象构象(conformation)是指分子在空间中的排列方式和形态。
对于有机化合物来说,构象是指由于自由旋转的化学键和自由旋转的环而导致的分子的不同空间排列方式。
构象决定了分子的物理和化学性质。
分子构象的原因分子构象的形成是由于键的自由旋转和环的自由旋转。
化学键中的自由旋转是指沿着键轴可以自由旋转,由于碳碳单键的旋转轴是碳碳轴,因此碳链上的自由旋转是十分常见的。
环的自由旋转是由于键角的自由旋转,分为环内自由旋转和环外自由旋转。
构象的分类构象可以分为主要构象和次要构象。
主要构象是指能量最低的构象,是最稳定的构象。
次要构象是指能量较高的构象。
常见的有机化合物如环状化合物和脂肪烃都有多个主要构象。
主要构象的识别是通过键转轴的相对位置确定的。
当键转轴上的官能团或者键轴位置在共平面的时候,构象应当是平面构象。
若位置不在共平面的,则构象是非平面构象。
构象与分子性质的关系构象决定了分子的物理和化学性质。
不同构象的分子会在空间中有不同的排列方式,从而影响分子之间的相互作用和反应性能。
构象的改变会影响分子的键角和键长,从而产生不同的物理性质。
以环状化合物为例,不同构象的环状分子由于环的不同形状和不同的官能团的相对位置,对光、热和化学物质的反应性质均有着不同的影响。
另外,不同构象的环状化合物对溶剂的溶解度也有很大的差异。
构象分析的方法构象的分析可以通过实验方法和理论计算方法来实现。
实验方法主要包括核磁共振(NMR)和质谱(MS)等技术。
核磁共振可以通过分析化学键的旋转构型来确定分子的构象。
质谱可以通过分析质谱图来确定分子的构象。
理论计算方法主要包括分子力场方法和量子化学方法。
分子力场方法是利用力场模型来计算分子的构象。
量子化学方法则是利用量子化学计算的理论来计算分子的构象。
构象的应用构象的研究对于理解分子的性质、反应机制和药物设计等方面有着重要的意义。
在药物设计领域,通过对构象的研究可以设计出更稳定、活性更高的药物分子。
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᳝ᴎᇣߚᄤⱘᨁᓎⳂᷛ䗮䖛SYBYLᨁᓎϔϾ᳝ᴎᇣߚᄤҹᅠ៤㒧ᵘ䕧ܹˈ⏏ࡴǃᬍবॳᄤᅬ㛑ಶˈᗻⱘᣛᅮˈ㒧ᵘӬ࣪ǃੑৡϢֱᄬDŽݙᆍᦤ⼎z㒧ᵘ䕧ܹzᅬ㛑ಶ⏏ࡴzᗻẔᶹǃবᤶz㒧ᵘӬ࣪zੑৡzֱᄬᡔᎻᦤ⼎SYBYL䞠䴶ˈ⬏㒧ᵘᓣⱘᯊˈϡৠѢᆊᐌ⫼ⱘChemofficeˈ≵᳝ᢪᣑ䖭Ͼ哴ᷛࡼˈা⫼⚍ߏህৃҹDŽϟϔϾॳᄤᛇ㽕⬏ા䞠ህ⚍ߏા䞠ˈ䆄ԣ˖ϡ㽕ᢪᣑDŽChapter 8. Build and Modify MoleculesSmall Molecule Sketching Tutorial 68SYBYL Basics SYBYL 8.18.1 Small Molecule Sketching TutorialBefore performing the following tutorial you should be familiar with thegraphics functions of SYBYL. If necessary, refer to the Quick Reference section in the Graphics Manual for a summary.•Preface on page 68•Set Up on page 69•Enter the Sketching Mode on page 69•Build Piperidine Ring in Chair Conformation on page 70•Add a Chain on page 72•Add a Group on page 73•Check Chirality on page 73•Clean Up on page 74•Save the Sketched Molecule on page 748.1.1 PrefaceIn this tutorial, you will build and minimize Atropine by building the mostcomplex ring system first and then adding the substituents. Typically, molecular fragments from the Standard Fragment Library are used to quickly constructring systems with good geometry. However, in order to better demonstrateSYBYL’s sketching capabilities, you will use the Sketch Molecule menuitems to construct and optimize the most complex ring system.After completing this tutorial, you will be able to:•Draw a ring •Minimize a ring system •Draw a chain •Add substituent groupsChapter 8. Build and Modify MoleculesSmall Molecule Sketching TutorialSYBYL 8.1SYBYL Basics 69•Check and assign chirality8.1.2 Set Up1.Clear the SYBYL screen of all molecules and background images.¾Edit > Clear All ¾Click theicon and press Everything (pressQ ). ¾Click the icon and set the Screen mode to Full (press Close ).8.1.3 Enter the Sketching Mode1.Display the sketch menus and select M1 as the work area in which to build themolecule.¾Edit > Sketch Molecule¾Select M1:<empty> (press OK ).Both a Sketch Molecule menu and an Atomic Symbol menu appear. You areautomatically placed in Draw mode so you can begin sketching immedi-ately.2.Display a grid to aid in building the molecule to scale. The spacing betweengrid points is 1.54 Å, the sp 3 carbon to sp 3 carbon bond length. The grid scales with the molecule in order to show the correct bond length.¾On the Sketch Molecule menu, press GridNote: If the grid gets in your way, toggle it off by pressing Grid again in theSketch Molecule menu.Chapter 8. Build and Modify MoleculesSmall Molecule Sketching Tutorial 70SYBYL Basics SYBYL 8.18.1.4 Build Piperidine Ring in Chair Conformation1.Build the ring as follows:¾Click in the middle of the screen.SYBYL displays a highlighted cross or small circle, representing an uncon-nected atom. The highlighting indicates that this atom is the current atom ofattachment and any subsequent point chosen is attached to this atom. Theatom is number 1 in the figure below.¾Click a point above this atom and approximately one grid spacing to the right (see atom 2 in the figure below).SYBYL draws a bond to the newly created second atom. ¾Continue sketching the 6-membered ring by clicking appropriate points on the screen.¾Close the ring by selecting atom 1 again.When you close the ring by picking atom 1, no atom is highlighted,indicating that continuous Draw mode is temporarily deactivated.Continuous mode is always suspended when an existing atom is chosen,whether it is the current atom of attachment or another atom. In the formercase, no bond is drawn; while in the latter case, a bond is drawn and thencontinuous draw mode is deactivated.2.Change the type of atom 1 to a nitrogen.¾On the Atomic Symbol menu, select N .Tip:Click to bring the Sketching and Atomic Symbol menus to the front.¾Click atom 1 on the sketched molecule.SYBYL displays a label indicating that the type has been successfullychanged and the atom is colored blue (on terminals supporting color).3.Introduce a third dimension to the molecule.¾Use the right mouse button and rotate the molecule about the X axisuntil it has an orientation similar to that shown in the figure below.Chapter 8. Build and Modify MoleculesSmall Molecule Sketching Tutorial4.Add the bridge across the ring.¾On the Sketch Molecule menu, select Draw to return to continuous Draw mode.¾Click atom 2 to make it the current attachment atom.¾Click a point below atom 2 and then another point diagonal to the new atom.¾Click atom 6 to close the ring.5.Clean up the ring system.¾On the Sketch Molecule menu, press TAILOR.¾Select CLEAN_UP (press OK).¾Select5_QUICK_MINIMIZE (press OK).¾On the Option dialog, press End.¾On the Sketch Molecule menu, press CLEAN_UP.There is an initial setup period while the minimizer parameters are being readfrom the database. Energy values are then printed in the text window after each iteration. The molecule display on the screen is not updated until the end of the minimization in order to reduce execution time. The minimization is completewhen the “Existing atom or new point:” prompt returns in the textport. SYBYL 8.1SYBYL Basics71Chapter 8. Build and Modify MoleculesSmall Molecule Sketching Tutorial 72SYBYL Basics SYBYL 8.18.1.5 Add a Chain1.Center the molecule on the screen.¾On the Sketch Molecule menu, select Center .¾Rotate the molecule until its orientation is similar to that shown in the figure below.2.Add a carbon chain to the ring.¾On the Sketch Molecule menu, select Move .¾Select atom 4 and click a point below the ring (roughly the same distance as N1 is above the ring).¾Select Draw .¾Select atom 4 as the current atom of attachment.¾Sketch the sidechain by picking (clicking) successive points at approximate locations on the screen for atoms 9 through 13.¾Click atom 13again to deactivate continuous Draw mode and end thechain.3.Draw a double bond for the carbonyl group.¾Click atom 10 as the new point of attachment and then click (pick) a point above the atom.¾Click atom 10 again.The double bond appears and continuous Draw mode is deactivated, sincean existing atom was chosen.Tip:If you can not see the double bond, rotate the molecule.Chapter 8. Build and Modify MoleculesSmall Molecule Sketching Tutorial4.Add a carbon to the nitrogen.¾Click atom 1, then a point to its left.¾Click that new atom again to deactivate continuous Draw mode.5.Sketch the ester and hydroxyl groups.¾Select O from the Atomic Symbol menu and then pick each of the three atoms: 9,13, and the end of the double-bond.The atoms are labeled with an O and colored red to reflect the change.8.1.6 Add a Group1.Access a list of predefined chemical groups and add a phenyl ring to themolecule.¾On the Sketch Molecule menu, press GROUP.¾Select PHENYL and click atom 11.2.Center the molecule.¾On the Sketch Molecule menu, press CENTER.¾Compare your sketch with atropine.8.1.7 Check ChiralityMake sure that atom 11 has a chirality of S.¾On the Sketch Molecule menu, press CHIRAL and click atom 11.¾Select S (press OK).If atom 11 is already an S chiral center, a message is displayed in thetextport informing you of this and nothing else happens. If, however, the R SYBYL 8.1SYBYL Basics73Chapter 8. Build and Modify MoleculesSmall Molecule Sketching Tutorialchiral center has been sketched, the center is inverted to assume the properstereochemistry.8.1.8 Clean Up1.Since the ring system has been already optimized, use the 4_SCAN option,which involves non ring bonds only, to clean up the model.Any clean up option from 1 to 6 includes all options preceding it in the list,therefore, all non-ring bonds have their bond lengths and angles adjusted, andthe torsion angles are scanned and adjusted to relieve bad contacts.¾On the Sketch Molecule menu, press TAILOR.¾Select CLEAN_UP (press OK).¾Select4_SCAN (press OK).¾Press End.¾On the Sketch Molecule menu, press CLEAN_UP.2.Add the necessary hydrogens to all unfilled valences.¾On the Sketch Molecule menu, press ADDH.All atom and bond types are automatically converted to SYBYL types,based on the connectivity prior to adding hydrogens.3.Exit from the sketching mode.¾On the Sketch Molecule menu, press EXIT.A final clean up is done automatically every time you exit the SketchMolecule menu.8.1.9 Save the Sketched Molecule the molecule.¾Edit > Name Molecule¾Type atropine (press OK).2.Save the full description of the molecule in a text file.¾File > Save As.74SYBYL Basics SYBYL 8.1Chapter 8. Build and Modify MoleculesSmall Molecule Sketching Tutorial ¾In the Save Molecule dialog, by default, atropine appears in the Filefield.¾By default, the Format is set to MOL2.¾Press Save.A file named atropine.mol2 is created in the current directory.In this tutorial, you built and minimized Atropine by building the most complex ring system first and then adding the substituents.When you work on your own research, you can use the same technique to save your molecules. To view them again, use the Open File dialog.This concludes the small molecule sketching tutorial. We suggest that yourepeat this tutorial with molecules from your own research.SYBYL 8.1SYBYL Basics75᳝ᴎᇣߚᄤⱘᨁᓎ㒗дᨁᓎᡫⳳ㦠㥃⠽Ӟ᳆ᒋ˄Itraconazole˅ˈ㒧ᵘᓣབϟ˖⊼ᛣ݊Ёⱘᗻ⺇ⱘ㒱ᇍᵘൟDŽ᳔ৢᇚߚᄤֱᄬЎ˖Itraconazole_prac.mol2ᦤ⼎˖SYBYL䞠བԩẔᶹᗻॳᄤⱘ㉏ൟSYBYL˖Edit>>>Find ChiralityType of isomerism䗝乍Ḛ䞠䗝ᢽRS⚍ߏOKᔍߎAtom Expressionᇍ䆱ḚˈऩߏAllԴᛳ݈䍷ⱘॳᄤ⚍ߏOK᭛ᴀにষህᦤ⼎ԴˈાѯॳᄤԴᛳ݈䍷ⱘॳᄤⱘᗻ㉏ൟߚᄤഎϢ㒧ᵘӬ࣪ⳂᷛᄺӮℷ⹂䗝ᢽഎǃӬ࣪ᮍ⊩ᇍߚᄤ㒧ᵘ䖯㸠Ӭ࣪ˈᕫࠄড়⧚ⱘᵘ䈵DŽݙᆍᦤ⼎z䗝ᢽড়䗖ⱘߚᄤഎ䖯㸠㛑䞣Ӭ࣪z䗝ᢽড়䗖ⱘӬ࣪ᮍ⊩䖯㸠㛑䞣Ӭ࣪z Փ⫼Match ড়ৠϔߚᄤϡৠⱘᵘ䈵ˈᑊ䖯㸠↨䕗ᡔᎻᦤ⼎:ߚᄤഎⱘ䗝ᢽϢӬ࣪ᮍ⊩ⱘ䗝ᢽߚᄤഎⱘ䗝ᢽ乘⌟ߚᄤⱘԩᵘ䈵ˈഎᰃϔ⾡䞡㽕ⱘᮍᓣDŽഎ䳔㽕ձⷨおᇍ䈵⡍⚍䖯㸠䗝ᢽˈSYBYL Ёˈᦤկњ⾡Ӭ⾔ⱘഎˈԧՓ⫼ᮍ⊩བϟ˖• “ ” means the force field was parameterized for this type of molecule,and is, thus, an excellent first choice for that particular class.• “ ” means the force field is also an acceptable choice and should be considered if the first choice lacks parameters or if a license for the first choice is unavailable, or to compare results between the different force fields.Force Field“Small” Molecule “Large” Molecule Protein-Liga nd Complex Metallo-prot eins Tripos2222Amber/Kollman11a MMFF94/MMFF94s 2211bӬ࣪ᮍ⊩ⱘ䗝ᢽSYBYLЁˈᦤկњ⾡ⱘӬ࣪ᮍ⊩ҹࠄ䖒㛑䞣ߑ᭄ⱘሔ䚼ᵕᇣDŽ䖭ѯᮍ⊩䛑ᰃܜ䖯㸠⦄㸠᧰ᇏⱘDŽϟ䗄ⱘ㸼ḐЎᆊӬ࣪ᮍ⊩ⱘ䗝ᢽᦤկখ㗗˖Method Molecule Size RelativeSpeedOther NotesPowell Large or small Fastest Most efficientConjugate Gradient Small Slow Use when Powell fails to convergeSteepest Descent Small, with poorgeometryFast at highgradientsVery large stepsBFGS Small and with fewdegrees of freedomSlowest Very small stepsSYBYL introduction: minimization2Chapter 7.Minimize Energies•Minimizing Tutorial on page 181•Minimization Methods on page 194•Minimize Energy in SYBYL on page 196•Minimize a Structure via the Menubar on page 200•Minimize a Structure via Command Line on page 205•Minimize and Fit Multiple Structures on page 206Energy is a function of the atomic coordinates and the program attempts togenerate the coordinates which correspond to a minimum of energy. This isaccomplished by a minimization procedure. All the minimization methodscurrently used for this purpose are called descent series methods. They areiterative methods in which the atomic coordinates are modified from oneiteration to the next in order to decrease the energy.These methods are generally unable to find the global energy minimum of anybut very simple molecules, i.e., the set of atomic coordinates corresponding tothe lowest value of the energy. Most of the time, only a local minimum is found — the one closest to the starting set of coordinates. The only way to find theglobal minimum is to systematically explore different sets of starting coordi-nates. These can be generated by rigid geometry calculations (SEARCH,RANDOMSEARCH, or GRIDSEARCH) or postulated on the basis of other consider-ations and data (e.g., NMR studies or crystallographic results).Another problem is finding a minimum of the energy function for such a largenumber of variables: there are 3xN variables (Cartesian coordinates) tooptimize. Several optimization methods are available. Some use the atom-by-atom technique, where three Cartesian coordinates of one atom are optimizedsimultaneously. Others optimize the orientation of groups of atoms as a whole(the internal coordinates within the group are left unchanged). Still otherssimultaneously optimize several internal coordinates specified by the user (e.g., torsional angles (see Torsion Minimization on page 209)).For minimizing residues, see Minimize a Subset of Residues on page 94. SYBYL 8.1Force Fields179Chapter 7. Minimize EnergiesMAXIMIN2 and SimplexThere are several methods to locate the minimum of a function. The methodscan be classified as using no derivatives, using first derivatives only or usingfirst and second derivatives.MAXIMIN2 uses a combination of first and non derivative methods. TheSimplex method [Ref. 53], a non derivative based procedure, is used on an atom by atom basis until the maximum force on any atom is below some specifiedvalue. In highly distorted structures the potential energy surface and its deriva-tives are often discontinuous. Simplex can handle these areas while a derivative based procedure cannot. (Warning: The Simplexing steps may distort rings and invert chiralities.)The primary minimization methods available for use in the MAXIMIN2procedure adjust the atomic coordinates of all the atoms simultaneously basedon the first derivative of the energy equation with respect to the degrees offreedom. Aggregates of atoms, within SYBYL, have no degrees of freedomwhile atoms not in aggregates have three degrees of freedom each (the coordi-nates of the atom). See Minimization Methods below for more details.180Force Fields SYBYL 8.1Chapter 7. Minimize EnergiesMinimizing TutorialSYBYL 8.1Force Fields 1817.1 Minimizing TutorialA Matter of Time: This tutorial requires about 20 minutes personal time andless than 1 minute of run time on a 4 CPU Intel Xeon 3.40GHz.License Requirements: A “BioPolymer” license is required to use the Kollman charges that are specified in the Kollman force field sections of this tutorial.Note about Platforms: Minimization results are sensitive to differences inmathematical rounding on different platforms. The numbers reported in thistutorial were captured on an Linux.This tutorial highlights the general capabilities of SYBYL’s MAXIMIN2minimizer as applied to the small cyclic peptide cyclo-(Gly-Gly-D-Ala-D-Ala-Gly-Gly). The initial conformation of the molecule comes from the published crystal structure (I.L. Karle, J.W. Gibson, J. Karle, J. Amer. Chem. Soc.,92,3755, (1970)).You will also compare a model minimized with the standard force field (Tripos) to the results obtained using two variations of the Kollman force field (all atom and united atom) which were designed especially to handle biopolymers. (See Tripos Force Field on page 142 and Kollman Force Field on page 70 moreinformation on these force fields.)After completing this tutorial, you will be able to:•Set up and run batch calculations using the Tripos force field, the Kollman all atom force field, and Kollman united atom force field.•Compare the Structures by looking at hydrogen bonding patterns. •Compare Conformations using the MATCH option.Ala3Gly2Gly1Gly6Gly5Ala4Chapter 7. Minimize EnergiesMinimizing Tutorial 182Force Fields SYBYL 8.17.1.1 Minimize Using the Tripos Force Field1.Clear the SYBYL screen of all molecules and background images.¾Edit > Clear All 2.Retrieve initial structure from a molecule database.¾File > Open¾Click [$TA_DEMO] in the Bookmarks list, click min_demo.mdb inthe Directory Navigation list, and click PRE_MINIM.mol2 in theSelection list (press OK ). the molecule in M1.¾Edit > Name Molecule ¾Type tripos_ff for the new molecule name (press OK ).4.Specify the force field and type of charges to use.¾Compute > Minimize > Molecule ¾In the Minimize dialog, press Modify .¾In the Energy dialog, select Tripos from the Force Field option menu.¾Select Gasteiger-Huckelfrom the Charges option menu.Chapter 7. Minimize EnergiesMinimizing Tutorial¾Press OK.5.Set the minimization parameters.¾In the Minimize dialog, press Minimize Details.¾In the Minimize Details dialog, increase the maximum number of itera-tions (Max.Iterations) to 1000.¾Decrease the Gradient to 0.005.The Gradient value is a termination criterion. If the gradient differencebetween two consecutive iterations goes below this value, the calculationstops.¾Set the color option to Force.This color codes atoms according to the total force on each atom, as theminimization proceeds.SYBYL 8.1Force Fields183Chapter 7. Minimize EnergiesMinimizing Tutorial 184Force Fields SYBYL 8.1¾Press OK .6.Submit the job to run interactively.¾In the Minimize dialog, type tripos_ffas the job name.Chapter 7. Minimize EnergiesMinimizing Tutorial¾Press OK.As the minimization proceeds, changes to the structure are interactivelydisplayed. Information about each iteration is also printed to the textport.•Energy (kcals/mol)—Total energy.•RMS Force (kcals/mol Å)—Root mean square of all forces resulting from deviation from the ideal for all energy terms. The terminationgradient value (set to 0.005 kcal/mol Å in this tutorial) is the value thatis used to terminate the run (unless the max iterations are reached first).•max Force (kcals/mol Å)—The maximum value in the list of forces determined for each term in the force field equation.•Iteration count—The number of completed iterations.•Eval count—The number of energy evaluations performed.•CPU Time—The amount of CPU time spent on the calculation so far.(The initial “0” is the number of days.)When the calculation completes, information similar to the following appears in the textport:Gradient Convergence reached, terminating.Energy for molecule: tripos_ffBond Stretching Energy : 0.901Angle Bending Energy : 3.848SYBYL 8.1Force Fields185Chapter 7. Minimize EnergiesMinimizing TutorialTorsional Energy : 7.676Out of Plane Bending Energy : 0.2811-4 van der Waals Energy : 3.632van der Waals Energy : -5.0321-4 Electrostatic Energy : 25.619Electrostatic Energy : -45.251===========================Total Energy : -8.327 kcals/molAvg. Number of van der Waals + electrostatic pairs = 852Avg. Number of 1-4 van der Waals + electrostatic pairs = 114Avg. Number of scaled van der Waals + electrostatic pairs = 30Number CPU Time (secs) % of TotalNon Bonded Rebuilds 1 0.00 0.00Energy Evaluations 1532 1.99 100.00Optimization completed, Total Energy : -8.327Total CPU time (secs) = 1.997.Save the molecule to a Mol2 file for later analysis.¾File > Save As¾Enter tripos_ff as the name of the file (press Save).7.1.2 Minimize Using the Kollman All-Atom Force FieldThe Kollman force field has variants, the United Atom and All–Atomapproaches. The SYBYL’s minimization functionality allows the selection ofeither approach or a combination of both. Options are provided to review thehydrogens and charges on the molecule to be sure they are compatible with the model chosen.For this second minimization, the Kollman All–Atom force field is used (S.J.Weiner, P.A. Kollman, D.T. Nguyen, D.A. Case, J. Comp. Chem.,7, 230,1986). This force field has very detailed parametrization for the amino andnucleic acids, including point charges. The charges are loaded from themacromol dictionary.Note: This part of the tutorial requires a “BioPolymer” license.1.Read in the PRE_MINIM structure again and display it in M1. (If min_demo isnot still open, do step 2 of 7.1.1 Minimize Using the Tripos Force Field toreopen the database.)¾Click[$TA_DEMO] in the Bookmarks list, click min_demo.mdb in the Directory Navigation list, and click PRE_MINIM in the Selectionlist.¾Select M1 in the molecule area list (press OK).186Force Fields SYBYL 8.1Chapter 7. Minimize EnergiesMinimizing TutorialSYBYL 8.1Force Fields 187 the molecule.¾Edit > Name Molecule ¾Type koll_all for the new molecule name (press OK ).3.Load Kollman charges onto the molecule.¾Biopolymer > Prepare Structure > Load Charges ¾With m1:koll_all selected in the molecule list, select Kollman All from the Biopolymer pull-down menu (press OK ).4.Specify the force field and charges to use.¾Compute > Minimize > Molecule ¾In the Minimize dialog, press Modify .¾Set the Force Field to Kollman All-Atom .¾Set the Charges to Use Current .5.Adjust the force field options.¾Press Force Field Details .¾In the Force Field Details dialog, enter 1.0 for the One-Four Scaling.¾Make sure the Review of H’s and LP’s check box is turned on .The Review of H’s and LP’s option causes SYBYL to check the hydrogenatoms and add or remove hydrogens based on the Kollman force field optionthat was selected (All or United) prior to minimization.¾Press OK to return to the Energydialog.Chapter 7. Minimize EnergiesMinimizing Tutorial 188Force Fields SYBYL 8.1Note: The only differences between this Energy dialog and the one shownearlier are the Force Field and Charges selections. (Notice also thatCustom appears as the Force Field, even though Kollman All-Atom wasselected. Any time a parameter is changed in the Force Field Details dialog,it is interpreted as customizing the selected force field.)¾Press OK .6.Submit the job.¾In the Minimize dialog, type koll_all as the job name.¾Press OK .7.Save the molecule to a Mol2 file for later analysis.¾File > Save As¾Enter koll_all as the name of the file (press Save ).7.1.3 Minimize Using the Kollman United Atom Force FieldFor this third minimization, use the Kollman United Atom force field (S.J.Weiner, P.A. Kollman, D.A. Case, U.C. Singh, C. Ghio, G. Alagona, S. Profeta,P. Weiner, J. Amer. Chem. Soc.,106, 765, 1984). In this force field, non-polarhydrogens are removed from the structure and only potential H-bondinghydrogens are explicitly considered. The steric loss is compensated for byadjustments to the carbon van der Waals radius.Note:The part of the tutorial requires a “BioPolymer” license.Chapter 7. Minimize EnergiesMinimizing Tutorial1.Rename the structure currently displayed in M1.¾Edit > Name Molecule¾Type koll_uni for the new molecule name (press OK).2.Load Kollman charges onto the molecule.¾Biopolymer > Prepare Structure > Load Charges¾With m1:koll_uni selected in the molecule list, select Kollman Uni from the Biopolymer pull-down menu (press OK).3.Specify force field and charges to use.¾Compute > Minimize > Molecule¾In the Minimize dialog, press Modify.¾In the Energy dialog, set the Force Field option to Kollman United.¾Make sure the Charges option menu is set to Use Current.4.Adjust the force field options.¾Press Force Field Details.¾In the Force Field Details dialog, enter 1.0 for the One-Four Scaling.¾Make sure the Review of H’s and LP’s check box is on (press OK).¾In the Energy dialog, press OK.Note:Custom appears again as the Force Field, even though Kollman United was selected. Since the One-Four Scaling was changed in the Force FieldDetails dialog, it is interpreted as customizing the selected force field.5.Submit the job.¾In the Minimize dialog, type koll_uni as the job name.¾Press OK.Notice that, because the Kollman United force field was selected, onlyhydrogens associated with hydrogen bonding remain on the structure in M1.6.Save the molecule to a Mol2 file.¾File > Save AsSYBYL 8.1Force Fields189Chapter 7. Minimize EnergiesMinimizing Tutorial 190Force Fields SYBYL 8.1¾Enter koll_uni as the name of the file (press Save ).7.1.4 Compare the Structures1.Change the default color coding of the atoms in the molecule to be a singlecolor, depending on the molecule area.¾Options > Tailor¾Select GENERAL as the Subject, then setDEFAULT_COLOR_MODE to BY_SPECTRUM (press Apply , thenClose ).2.Prepare the molecule areas.¾Edit > Delete Molecule(s)¾Click theicon and set the screen to Quartered mode (press Close ).3.Retrieve the results and visually compare the 4 structures:¾File > Open ¾Click [$TA_DEMO] in the Bookmarks list, click min_demo.mdb in the Directory Navigation list, and click PRE_MINIM.mol2 in the Selection list (press OK ).¾File > Open¾With Files of Type set to Molecule , select the following files:-koll_all.mol2-koll_uni.mol2-tripos_ff.mol2¾Press OK .The molecule areas contain the structures colored as follows:•m1 — Original structure in redorange.•m2 — Minimized with Kollman All–Atom force field in user2.•m3 — Minimized with Kollman United–Atom force field in user7.•m4 — Minimized with Tripos force field in user8.The colors will vary depending on your color definitions.Chapter 7. Minimize EnergiesMinimizing Tutorial4.Generate dashed–line hydrogen bonds as background displays for eachmolecule in order to view patterns of hydrogen bonding.¾View > Display H-Bonds > Static¾In the Atom Expression dialog, select M1:PRE_MINIM from the molecule list.¾Press All (press OK).¾Select REDORANGE (press OK).¾Type hbonds1.dsp as the Hbond display filename (press OK).¾Repeat for koll_all, coloring the bonds USER2 and saving them to hbonds2.dsp.¾Repeat for koll_uni, coloring the bonds USER7 and saving them to hbonds3.dsp.¾Repeat for tripos_ff, coloring the bonds USER8 and saving them to hbonds4.dsp.The koll_all molecule (in M2) has a different arrangement of hydrogen bondsthan the other three.7.1.5 Compare ConformationsThe MATCH option can be used to obtain a quantitative measure of thecloseness of 2 conformations of the same molecule. It maps one structure ontoanother by performing a least-squares fit between corresponding atoms in the 2 structures, and reports the quality of the fit.1.Set a Tailor variable to minimize the output from the MATCH option.¾Options > Tailor¾Select MATCH as the Subject.¾Enter5 in the NUM_STD_DEV field.¾Press Apply.2.Set a Tailor variable to show the atom ID when information is listed in thetextport.¾Select GENERAL as the Subject.¾In the ATOM_IDENTIFIER option menu, select IDSYBYL 8.1Force Fields191。