有机化学分子建模_ 有机分子结构建模_22 分子的极性、电荷分布和静电势能图_
用几何画板绘制分子间相互作用力及分子势能
用几何画板绘制分子间相互作用力及分子势能几何画板（Geoboard）是一种可用于进行几何学教育的工具，广泛应用于中小学教育中。
它是由一个平面底板和垂直于底板的钉子组成的，带有一定间距的钉子形成了网格状的网格，可以通过在钉子之间连接线条来绘制几何图形。
本文将介绍如何使用几何画板绘制分子间相互作用力及分子势能。
1.分子间相互作用力相互作用力（intermolecular forces）是指分子之间的力，这些力在许多物理和化学现象中起着重要作用。
在分子之间存在四种主要相互作用力：范德华力、氢键、离子键和共价键。
范德华力是指非极性分子之间的相互作用力。
这些分子之间没有极性，因此没有氢键或离子键可供利用，但它们仍然可以相互吸引。
在几何画板上，可以通过使用橡皮筋模拟范德华力，将每个分子视为一个点，并在它们之间拉伸橡皮筋，以表示他们之间的相互作用。
氢键是水分子之间非常常见的相互作用力。
在氢键中，弱的电负性氢原子与带有强的电负性基团的分子之间形成了中间键。
在几何画板上，可以使用红色橡皮筋代表氢键，将相邻的氢原子和带有强电负性基团的原子之间连接起来，以呈现氢键的特征。
离子键是正离子和负离子之间的相互作用力，通过电荷吸引而成。
在几何画板上，可以使用蓝色橡皮筋代表离子键，将正离子和负离子之间的原子连接起来，以呈现离子键的特征。
共价键是两个或多个原子共享电子而形成的化学键。
在几何画板上，可以使用黑色橡皮筋代表共价键，将相邻的原子之间连接起来，以呈现共价键的特征。
2.分子势能分子势能（molecular potential energy）是分子之间势能的总和。
根据万有引力定律，所有分子之间都存在着相互作用力。
这些相互作用力会导致分子在拥有势能的平衡位置上进行振动。
在化学反应中，分子的势能是非常重要的，因为它可以确定反应物之间的反应能量和反应速率。
在几何画板上，可以使用高度调整钉子的位置和振动来呈现分子势能图。
在绘制分子势能图时，可以将几何画板视为坐标平面。
大学常见有机分子3D模型库
1-戊烯-4-炔1
1-戊烯-4炔2
3-戊烯-1-炔1
3-戊烯-1-炔2
4-甲基-1-庚烯-5-炔1
4-甲基-1-庚烯-5-炔2
1,3-己二烯-5-炔1
1,3-己二烯-5-炔2
2,2,5-三甲基-3-己炔1
2,2,5-三甲基-3-己炔2
环丙烷1
环丙烷2
环丁烷1
环丁烷2
环己烷1
氟代正丁烷1
氟代正丁烷2
溴代异丙烷1
溴代异丙烷2
大学常见有机分子3D虚拟模 型库
• 1 烷烃 • 2 烯烃 • 3 炔烃 • 4 环烷烃 • 5 芳香烃 • 6 卤代烃
目录
甲烷1
甲烷2
乙烷1
乙烷2
丙烷1
丙烷2
正丁烷1
正丁烷2
异丁烷1
异丁烷2
正戊烷1
正戊烷2
异戊烷1
异戊烷2
新戊烷1
新戊烷2
正己烷1
正己烷2
异己烷1
2-苯基-1-氯丙烷2
2,4-二溴甲苯1
2,4-二溴甲苯2
四苯乙烯1
四苯乙烯2
氯化苄1
氯化苄2
氯乙烯1
氯乙烯2
3-溴丙烯1
3-溴丙烯2
3-氯-4-溴己烷1
3-氯-4-溴己烷2
4-甲基-2-氯己烷1
4-甲基-2-氯己烷2
氯代叔丁烷1
氯代叔丁烷2
碘代仲丁烷1
碘代仲丁烷2
2,3-二甲基-1,3-丁二烯2
1,4-戊二烯1
1,4-戊二烯2
乙炔1
乙炔2
丙炔1
丙炔2
1-丁炔1
1-丁炔2
2-丁炔1
2-丁炔2
1-戊炔1
《分子立体结构》课件
3
动力学与热力学关系
动力学参数可以推算热力学参数，反之亦然。
THANKS
感谢观看
生物大分子研究
分子光谱技术可以用于研究生物大 分子的结构和功能，对于药物研发 和生命科学等领域的发展具有推动 作用。
05
CATALOGUE
分子的电子结构与性质
分子轨道理论
分子轨道理论的基本概念
分子轨道理论是一种描述分子中电子行为的量子力学理论。它认为分子中的电子是在一系列的分子轨道上运动，这些 轨道是分子所有电子的能量状态。
在特定的方向上进行排列。因此，不同的取代基排列方式会导致分子具
有不同的立体结构。
对映异构
对映异构
由于手性碳原子的存在，使得分子具有手性，从而产生对映异构体。
总结词
对映异构是由于手性碳原子的存在，导致分子具有手性，从而产生对映异构体。
详细描述
在分子中，如果存在手性碳原子，则该分子具有手性。手性碳原子是指连接了四个不同基 团的碳原子。由于手性碳原子的存在，使得分子可以存在两种不同的立体结构，即对映异 构体。
共价键合特点
具有方向性和饱和性，能 够形成稳定的分子结构。
共价键合类型
包括单键、双键和三键等 类型，不同类型的共价键 合具有不同的性质和稳定 性。
分子几何构型
分子几何构型定义
分子中原子或基团的空间排列方式。
分子几何构型分类
包括直线型、平面三角形、四面体等类型，不同类型的分子几何构 型具有不同的性质和稳定性。
构象异构
要点一
构象异构
由于单键的旋转，使得分子中的原子 或基团在空间上产生不同的排列方式 ，从而产生不同的立体结构。
要点二
总结词
构象异构是由于单键的旋转，导致分 子中的原子或基团在空间上产生不同 的排列方式，从而产生不同的立体结 构。
分子模拟PPT—第二章 力场
2. 蒙特卡罗随机采样法
分子内能
分子的能量
Etot Eele Evib Erot Etrans
分子的振动自由度 = 3N-6 = 3N-6 分子的振动能 非线性 线性
Evib Ebonds Eangles Etorsions Ecross
分子间相互作用能
1. 范德华能
AMBER
• / • "Amber" refers to two things: a set of molecular mechanical force fields for the simulation of biomolecules ;and a package of molecular simulation programs which includes source code and demos. The current version of the code is Amber version 10, which is distributed by UCSF subject to a licensing agreement described below. • Amber is now distributed in two parts: AmberTools and Amber10. AmberTools 1.2 & Amber 10 is now available! • Amber was originally developed under the leadership of Peter Kollman, and Version 9 is dedicated to his memory.
第二代力场
• 第二代力场的形式远较上述的经典力场复杂，需 要大量的力常数。其设计的目的为能精确地计算 分子的各种性质、结构、光谱、热力学特性、晶 体特性等资料。其力常数的推导除引用大量的实 验数据外，还参照精确的量子计算的结果。尤其 适用于有机分子或不含过渡金属元素的分子系统。 • 第二代力场因其参数的不同，包括CFF91、 CFF95、PCFF与MMFF93等。
有机分子结构图
结构要求必
顺-1,4-二取代物优势构象 因为顺的限制，必一a一e
反-1,4-二取代物优势构象 因为反的限制，必一a一e
π键、某些共轭体系和氢键
乙炔CH≡CH
π键
σ键
H
H
π键
乙烯CH2=CH2
π键
H H
σ键
H
H
CH2=CH-CH=CH2
H H
H
H
H
H
CH2=CH-CH2
H H H
+
H
H
CH2=CH-Cl
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Cl
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
N
H
H
N
H
H
H
H
N
H
N
H
H
H
H
H
-
H
H
H
H
从纽曼投影式转换成费歇尔投影式
b
a C c f C b d
c f
e d
SN2反应历程
Nu-
R2 c
C
d
顺-1,2-二取代物优势构象 因为顺的限制，必一a一e
反-1,2-二取代物优势构象 反式可满足两键都是稳定e
顺-1,3-二取代物优势构象 顺式可满足两键都是稳定e
反-1,3-二取代物优势构象，反式
H
-
H
H
H
H
水分子和水分子
-
H
H
+
H
H
H
+ CH2
分子模拟实验-势能面
分子模拟实验报告
一、H-H-F共线结构势能面图的绘制
绘制H-H F线型分子，改变H-H和H-F间距离，在MP2/DZV理论水平计算单点能，将R H-H、R H-F 和能量输入Origin软件，绘制3D势能面图（图1）和势能面投影图（图2）。
图1 H-H-F共线结构的3D势能面图
图2 H-H-F共线结构的势能面投影图
二、乙烷分子内转动势垒计算
在Chem3d中画出NO分子，点击Surfaces-ChooseSurface-MolecularOrbital绘制分子轨道等值面图，通过SelectMolecularOrbital选择不同的分子轨道，截图如下。
LUMO+1 （163.115 eV）LUMO（-2.832 eV）
HOMO（-2.832 eV）HOMO-1 （-12.846 eV）
HOMO-2 （-21.326 eV）HOMO-3 （-21.326 eV）
HOMO-4 （-23.922 eV）HOMO-5 （-52.100 eV）
图3NO分子的八个分子轨道等值面图
按轨道的能量从低到高的顺序排列，使用Origin软件绘制NO的分子轨道能级图（图4）。
图3NO分子的分子轨道能级图
三、自我测评
本次实验继续练习了Chem3D中的扫描操作，学习了Origin软件中三维势能面图和势能面图的绘制和
Chem3D中分子轨道相关功能。
分子结构模型(精)
学科 化学 化学 化学 化学 化学 化学 化学 化学 化学 化学 化学 化学 化学 化学 化学 化学 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物 生物
编号 3111 3112 3113 2639 6472 7501 6101 6102 6273 7022
数量 1套 1套 1套 2台 30 个 250 克 100 个 100 个 大小各 50 个 500 克*4 500 克*2 500g 500g 1000g 30 个 10 个 2件 30 套 1套 1套 1套 30 个 1件 100 个 30 个 20 个
2瓶 2瓶 5瓶 5瓶 5瓶 5瓶 2瓶 2瓶
2袋
30 只 10 个 15 块 2只 10 只 1台 2辆 20 套 2套 2个 2个 2组 1个 2个 1台 2个 2个 2套 2套 1套 30 套 1套 1台 1台 1台 1台 1件 1套 1个 1套 1套 1对 1个 1对
物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理 物理
1对 1个 1件 1台 １套 1对 1组 1件 1个 2个 1件 1套 1台 1台 30 套 5套 1套 1套 1套 2套 1套 1套 1台 1个 1台 2套 200 张 20 根 20 根 60 根
2305 2307 2314 2367 2368 2401 2406 2409 2415 2419 2431 2441 2446 2472 2482 2483 2484 2501 2508 2531 8012 8013 8206 8215 8221
ch2 Lewis结构与共振论
1 2
×8]=0
N：5－[0+
1 2
×8]=1
HH HCNH
HH
分子的静电荷=+1
28
(c) SO42
S：6－[0+
1 2
×8]=2
O OSO
O
O：6－[6+
1 2
×2]=－1
所以
O
2
O S2+ O
O 29
二、Lewis结构式的书写程序及优势结构
以NO2的Lewis结构为例 1、计算价电子总数
NO2=5+2×6=17 2、写出原子实符号，填入电子数
第三周期小于等于10 、 12
25
5、形式电荷（Formal Charge） 形式电荷= 原子实电荷—电子主权数
原子成键前的价 成键后所具有 电子数（族数） 的价电子数 未共享电子数加上成键电子数的一半=电子主权数
分子中所有原子的形式电荷之和就等于该分子的电荷
26
例如：确定下列分子中每个原子的形式电荷：
Zeolite RHO 甲胺合成的活性催化剂
留住副产物三甲胺 甲胺和二甲胺通过分子筛的孔隙 结构和功能关联性的直接体现
14
有机化合物的结构理论
The structure theory of organic chemistry
成键理论定性和定量两个方面来描述化学成键作用。
15
基本化学键理论
一、价键理论和杂化轨道理论 二、共振论 三、分子轨道理论
5
（1） 球棒模型
（2）棍棒模型
（3）比例模型
（4）电子密度图 模型
（5）带色标尺彩色 静电势能图模型
（6）彩色静电势 能图模型
《分子结构》课件
分子的几何构型
分子的空间排列
分子的几何构型影响其物理性质 和相互作用。
键角和键长
键角和键长决定了分子在空间中 的形态和键的强度。
分子的对称性
分子的对称性影响其光学性质和 反应行为。
动力学与热力学
1 动力学研究
分子结构的变化和反应速 率的测定。
2 热力学分析
分子结构与能量变化的关 系，热力学特性的定量描 述。
分子结构的分析
分析分子结构的方法有X射线衍射、质谱、核磁共振等，通过这些方法可以确定分子的几何构型和原子连接方 式。
分子数据库
分子结构和性质的大规模数据收集和整理，为科学研究和工程应用提供了宝 贵的资源。
分子图像学
利用先进的成像技术，如扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM），观察和研究分子的形态和表面结 构。
《分子结构》PPT课件
引言：分子结构是化学研究的核心。探索分子构成、连接和相互作用的本质 是我们理解化学世界的关键。
什么是分子结构？
化学的基石概念。
原子的组装
分子结构描述了原子是如何 通过化学键连接在一起形成 稳定的分子实体。
多样性与复杂性
分子结构的多样性和复杂性 使得化学在不同领域具有广 泛的应用。
化学键
键的类型 共价键 离子键 金属键
键的特性 电子共享 电子转移 电子云共享
原子轨道与分子轨道理论
原子轨道
描述了一个原子中电子的位置 和能量。
分子轨道
描述了分子中电子的位置和能 量分布。
价键理论
通过共价键的形成解释分子的 稳定性和反应性。
价键理论与键型理论
1
价键理论
描述了共价键的形成和解离过程。
分子结构的研究方法
分子立体结构28页PPT共29页文档
- A的价电子数 n×B最多能接受的电子数±离子的电荷数
2
阳离子-离子的电荷数；阴离子+离子的电荷数
小结:ABn型分子或离子的空间构型
价层电 n+孤对 A的孤对 n VSEPR 分子的 子对数 电子数 电子数 值 模型名称 立体构型
实例
2
0+2
0 2 直线形 直线形 HCN
三 杂化轨道理论简介
此理论是鲍林为解释分子的立体构型提出的
内容要点： 杂化轨道：原子内部能量相近的原子轨道重新 组合形成一组新轨道。
新形成的杂化轨道数与组成杂化轨道的原子轨 道数目相等。
杂化轨道只用于形成σ键或容纳未参与成键的
孤对电子为用于杂化的P轨道可形成∏键。
杂化轨道
在成键时，能量相近的原子轨道形成杂化轨道。
• 2.下列分子的立体结构，其中属于直线型
分子的是
（BC ）
• A.H2O B.CO2 C.C2H2 D.P4
课堂练习
• 3.若ABn型分子的中心原子A上没有未用于形 成共价键的孤对电子，运用价层电子对互斥模
型，下列说法正确的（C ）
• A.若n=2，则分子的立体构型为V形 • B.若n=3，则分子的立体构型为三角锥形 • C.若n=4，则分子的立体构型为正四面体形 • D.以上说法都不正确
1、一类是中心原子上的价电子都用于形成共价键（无孤对电子）
分子 电子式
: :
CO2
:O::C::O:
结构式
O=C=O
中心原子
有无孤对电子无源自=:O: :CH2O
: H:C :H
O H-C-H
无
:: --
CH4
分子力学简介课件PPT
基本假设：
Born-Oppenheimer近似下对势能面的经验性拟合。
量子力学中的薛定谔方程 （非相对论和无时间依赖的情况下）：
2021/3/10
(R,r) E(R,r)
体系的哈密顿算符e(r与; R原)子核（ER）(和r电; R子)（r）位置相关的波函数 n(R) E(R)
2021/3/10
莫斯函数（Morse Function）
E s D e[e x p ( A (l l0)) 1 ]2
•TRIPOS, Cherm-X, CHARMM和AMBER采用谐振 子函数形式
•CVFF, DRIEDING和UFF既支持莫斯函数也支持谐 振子模型
•MM2和MMX用二阶泰勒展开的莫斯函数
核运动方程： (Tˆ Eel ) N (R) E N (R)
②
核运动的波函数
13
ke 0
ke 0
电子运动方程： (Hˆ el VNN )e (R, r) Eele (R, r) ①
核运动方程： (Tˆ Eel ) N (R) E N (R)
②
方程①中的能量Eel(势能面)仅仅是原子核坐标有关。相应的，方程 ②所表示的为在核势能面E(R)上的核运动方程。
2021/3/10
24
二面角扭转能 Torsion Rotation
ET
N Vn[1cos(n)]
n0 2
• V n 为势垒高度（barrier height），定量描述了二面角旋转的难易程度；
• N 为多重度（multiplicity），指键从0°到360°旋转过程中能量极小点的个 数；
分子结构ppt模板
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序言
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有机化学分子模型
（3） 环己烷 (cyclohexane) （4）异庚烷 （isoheptane）
有机化学分子模型
（5）反-十氢合萘 (transdecahydronaphthalene)
（6）顺-十氢合萘 (cisdecahydronaphthalene)
有机化学分子模型
（7）乙烯 (ethene)
（8） 1,3-丁二烯 (1,3-butadiene)
(95)苯并-4-吡喃酮 benzo-4-pyrone
(96) 嘌呤 purine
有机化学分子模型
(97) D-(+)-甘油醛 D(+)-glyceraldehyde
(98) D-(-)-果糖 D-(-)-fructose
有机化学分子模型
(99) D-(-)-赤藓糖 D-(-)-erythrose
（101）D-(-)-核糖 （102）D-(-)-阿拉伯糖 （103）D-(-)-来苏糖 （104）D-(-)-木糖
（105）D-(+)-阿洛糖 （106）D-(+)-阿卓糖 （107）D-(+)- 葡萄糖 （108）D-(+)-甘露糖
（109）D-(+)-塔罗糖 （110）D-(+)-半乳糖 （111）D -(-)-古罗糖 （112）D-(-)-艾杜糖
有机化学分子模型
(39) 环己酮 cyclohexanone
(40) 环己酮肟 cyclohexanone-oxime
有机化学分子模型
(41)溴化乙基镁 ethylmagnesium bromide
(42) 三甲基氯硅烷 trimethylsilane chloride
有机化学分子模型
(43)甲苯tolune
百余个常见有机分子的球棍模型ppt课件
48
(91) 吡嗪pyrazine
(92)喹啉quinoline
最新版整理ppt
49
(93)异喹啉isoquinoline
(94)苯并吡喃benzopyran
最新版整理ppt
50
(95)苯并-4-吡喃酮 benzo-4-pyrone
(96) 嘌呤 purine
最新版整理ppt
51
(97) D-(+)-甘油醛 D(+)-glyceraldehyde
最新版整理ppt
62
(119) 赖氨酸 lysine
(120) 色氨酸 tryptophan
最新版整理ppt
63
(121) 柠檬醛 b citral b
最新版整理ppt
64
(122) 维生素A vitamin A
最新版整理ppt
65
(123) 雌酮激素 estrogenic hormone
最新版整理ppt
最新版整理ppt
30
(55) 苯磺酸 benzenesulfonic acid
(56) 苯磺酰氯 benzenesulfonyl chloride
最新版整理ppt
31
(57)苯甲酸benzoic acid
(58) 阿斯匹林 aspirin
最新版整理ppt
32
(59) 甲酸 formic acid
(60) 乙酸 acetic acid
最新版整理ppt
33
(61)邻苯二甲酸 o-phthalic acid
(62) 邻苯二甲酸酐 o-phthalic anhydride
最新版整理ppt
34
(63) 乙酸酐acetic anhydride
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2.2.1 分子的极性和电荷分布
共价键可以有极性共价键和
非极性共价键，而分子也可以分
为极性分子和非极性分子。
我们在学习传统的有机化学
时，对于键的极性和分子的极性
主要通过文字和图表来理解，但
计算化学提供了直接的计算结果
来描述有关键的极性和分子的极
性。
甲醛丙酮
一. 共价键的极性与偶极矩
分子中以共价键相连的原子吸引电子的能力是不同的。
电负性大，吸引电子能力大；电负性小，吸引电子能力小。
相同两原子形成的共价键，电子云对称分布在两核中间——无极性。
如：H —H Cl —Cl (非极性共价键)
不相同的两个原子形成的共价键——有极性。
一. 共价键的极性与偶极矩
部分元素的电负性H 2.15
Li Be B C N O F
0.95 1.5 2.0 2.6 3.0 3.5 3.9
Na Mg Al Si P S Cl
0.95 1.2 1.5 1.9 2.1 2.6 3.1
K Ca Br
0.8 1.0 2.9
I
2.6
一. 共价键的极性与偶极矩
共价键极性的大小是用键的偶极矩来量度的。
键的极性大，偶极矩大。
键的极性小，偶极矩小。
偶极矩（μ）——等于正、负电荷中心距离（d）与其所带电荷（q）的乘积。
即μ= d×q单位：D（德拜）
偶极矩的单位为德拜（Debye. P 荷兰物理学家),简写为D。
1D=10-8Cm 10-10 静电单位。
一. 共价键的极性与偶极矩
μ= 0 D μ= 0 D Cl
H H H C 一氯甲烷甲烷H H H H C 四氯化碳C
Cl Cl Cl Cl μ= 1.94 D
O C O μ= 0 D H —Cl μ=1.03D 多原子分子的偶极矩是分子中各个键偶极矩的矢量和具有方向性。
双原子分子的极性就是
其键的极性.
二. 分子的极性和电荷分布
Gaussian软件对分子优化的常规结果中，就包含了分子极性及电荷分布的信息。
这些信息对于了解分子的结构和反应活
性非常重要。
下面列举卤代甲烷在气相中的偶极矩，其方向为CH3—X *
CH3F CH3Cl CH3Br CH3I
μ/10-30 C·m 6.07 6.47 5.74 5.47
μ/10-30 C·m 6.97 7.20 6.96 (B3LYP/6-31+g(d,p))
二. 分子的极性和电荷分布
Gaussian软件对分子优化的常规结果中，就包含了分子极性及电荷分布的信息。
这些信息对于了解分子的结构和反应活
性非常重要。
下面再列举一些常见分子计算所得到偶极矩和电荷分布
乙烯乙炔
二. 分子的极性和电荷分布
Gaussian软件对分子优化的常规结果中，就包含了分子极性及电荷分布的信息。
这些信息对于了解分子的结构和反应活
性非常重要。
下面再列举一些常见分子计算所得到偶极矩和电荷分布
甲醛丙酮。