第四章-3D构型图-Chem3D

当修改元素类型时，程序会调整相应的键长并自 动加氢原子
利用View菜单下的Cartesian Table来获取原子坐标： 窗口自动隐藏按钮
化 学 键 属 性
修改键类型 与原子 属性内 容类似
标出键长
当修改键的类型，程序会自动调整H原子的数目
可利用键长列表来修改键长：
与其它软件的接口(构型的导入与导出) a. 直接读取ISIS/draw所保存的skc文档； b. 直接读取Chemdraw所保存的cdx文档； c. 对于Weblab View所绘制的构型，存为 mol格式后，可用Chem3D导入。
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)
π键
LUMO (简并态)
π反键
Ball & Stick (常用)
Cylindrical bonds
Space filling
Model display其它选项： H原子、H氢键以及 孤对电子显示控制 显示元 素符号 和编号
显示远近和深浅控制 显示x，y，z轴取向 背景以及颜色控制
View position子选项： 选择显示中心 改变图像大小 定义显示的方 向(两个原子)或 平面(三个原子)
1
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(QM)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；
Choose surface子选项： 溶剂接触区域 Connolly表面 (蛋白质) 总电荷密度 总自旋密度 分子静电势 分子轨道
除去所绘制表面
苯分子总电荷密度图
苯分子HO：
实心图
半透明图
网格图
动画控制菜单：用于动画播放控制以及绕某个轴 进行旋转等
动画播放控制
(3) 分子构型的创建 有三种方法： (a)利用Building工具中的单、双、叁键按钮来 创建分子构型
按下单键工具按钮，按住鼠标拖动，绘制完 一根C-C键后，释放鼠标按钮，然后再以其 中一个C原子为起点，继续绘制其它键。最后 根据需要修改原子或基团类型。
(b)利用Building工具中的文本工具按钮来创建 分子构型
二面角 4 键角 2 1 键长 3
3 1 C 4 2 C
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
5 2 C 3 4 C 6
(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, 列出C—C键长，以及 C—O的键长和C—O—C和O—C—C键角(精确到小 数点后第三位,单位为Å和°)，并给出体系各原子的 直角坐标和内坐标；
2.采用MM2方法研究： (1) 椅式和船式环己烷的稳定性； (2) 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. 采用PM3方法优化苯环上一个H原子被X基团 (X=N(CH3)2、NH2、NO2)取代后的构型，要求： (1) 给出C—N键的键长； (2) 考察取代后环上各碳原子的电荷分布情况，并结合 有机化学知识给予解释； (3) 在构型优化的基础上预测三个体系IR/Raman光谱。
(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：
3. 软件主要使用方法 (1) 软件界面
菜单条
工具条 模型窗 状态栏
其它显示 窗(隐藏)
信息窗
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)
Chemdraw文件(cdx) Gaussian, Gamess量化 软件输入文件 ISIS/draw文件(skc) Mol文件由Weblab viewer产生 晶体结构文件(cif)
选择操作：利用工具条上的选择按钮
通过点击左键操作可选择单个原子/化学键，也 可按住左键，选择分子的部分或整体。此外，可 结合Shift键，选择多个原子或化学键。选择后 的对象用黄色标记。 注：选择好对象之后，可用delete键删除原子或 化学键.
选择单个原子/化学键
选择分子的局部
用Shift键选择多根化学键
在文本区域内键入原子符号及数量(化学式)即可
创建4-甲基-2-戊醇的构型， CH3CH(CH3)CH2CH(OH)CH3，按下回车键即可
利用类似方法还可以在原结构上加入或修改取 代基，通过文本工具点击任一需要添加取代基 位置的原子，在文本区域写上新的基团(缩写或 分子式均可)
C6H5 或Ph
课堂习题： (1) 绘制反式1,2-二甲基乙烯，并利用旋转 操作转化为顺式构型; (2)直接绘制丹参醌的三维构型图:
选择整个分子
选择后的对象用黄色标记
放大、缩小操作
或用鼠标中间滚轮进行操作
旋转操作
当鼠标箭头在模型窗之外时，中间滚轮也可 进行旋转操作(固定某一轴向)
其它特殊旋转操作
拖动指针调 整旋转角度 手动输入旋 转角度 旋转时相应 调整坐标 绕x,y,z轴旋转 绕某根键旋转 通过旋转调整 某个二面角
绕某根键旋转：
(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) 追加构型 构型替代 清除构型
锁定窗口 同步更新 从Chem3D 复制构型到 Chemdraw 构型自动调整
(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
MM2分子力学功能：
能量最小化(构型优化) 分子动力学模拟 性质计算
显示计算所使用的参数
Gamess计算功能： 能量最小化(构型优化) 优化过渡态构型 性质计算 IR/Raman/NMR光谱计算 输入和输出文件控制
表面绘制菜单：用于绘制分子轨道、静电势以及 电荷密度图像等 选择所要绘制的图像 图像显示方式 图像颜色设置 图像分辨率设置 选择所要绘制 的分子轨道 图像取值范围 图像正负颜色设置
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： 从头算方法
HF MP2 DFT GVB MCSCF CI以及CC等 MNDO AM1 PM3
半经验方法
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。
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 绕轴旋转等动 画演示 各种谱图显示
构型的显示方式设置(可按空格键切换)：
Wire frame
Stick
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
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
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
3D动画 背景色设置 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
第四章、三维构型图的创建 -Chem 3D 使用
1. 分子构型的三维描述方法
直角坐标系方法
C C H H H H 0.7 -0.7 0.87 -0.87 -0.87 0.87 0.0 0.0 0.5 0.5 -0.5 -0.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0