分子模型的构建及优化计算实验讲义

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化学实验教案：分子模型的构建

化学实验教案：分子模型的构建一、引言在化学教学中，分子模型的构建是一个非常重要的实验项目。

通过构建分子模型，我们可以直观地观察和理解分子的结构和性质，加深对化学概念的理解。

本实验教案将介绍如何利用简单的材料制作分子模型，并通过实践操作提高学生对分子结构的认识。

二、实验目的1. 了解并掌握分子模型的基本原理；2. 学会使用合适材料和方法制作分子模型；3. 提高学生对分子结构特征及其与化学反应之间关系的理解。

三、实验步骤1. 准备所需材料：彩色泡沫球（表示原子）、竹签（表示化学键）、卡纸等。

2. 将彩色泡沫球和竹签按照所需氢、氧原子等元素进行分类。

3. 挑选出需要构建的分子，在卡纸上绘制正确且比例合适的示意图。

4. 使用胶水将彩色泡沫球连接在一起，形成示意图上所示的分子结构。

5. 将竹签剪成合适长度，并将其插入泡沫球中，表示化学键。

6. 完成所有分子结构的制作后，让学生根据实际情况选择适当位置进行展示。

四、实验注意事项1. 实验时要小心操作，避免伤害到自己和他人。

2. 材料使用完毕后，要加以妥善保管，并及时清理工作区域。

3. 在选择材料和制作分子模型时，要尽量准确地符合实际分子结构的比例和形状。

4. 构建过程中，可以请学生根据需求调整泡沫球的大小或竹签的长度。

5. 将分子模型展示在明显可见的位置，可以增加学生对化学知识的认知。

五、预期结果通过本实验教案的指导和操作实践，在完成分子模型构建后，学生将能够更直观地理解分子结构、原子之间的化学键及其性质。

同时，通过展示分子模型，学生之间也能够互相分享知识与经验。

六、拓展应用1. 建议将本实验与其他相关的教学内容相结合，例如通过构建蛋白质或DNA 等大分子结构来拓展应用范围。

2. 鼓励学生主动利用已有知识和素材，尝试构建更复杂的分子结构，加深对化学概念的理解。

3. 提倡学生之间进行互动交流，分享自己独特的分子模型设计和构建经验。

七、实验结果分析通过本实验，学生在制作分子模型过程中可以直观地观察到原子之间的联系和结构。

化学实验教案分子结构模型实验

化学实验教案分子结构模型实验一、实验目的通过制作分子结构模型，探究分子的组成和空间结构。

二、实验原理分子结构模型是一种用来表示分子空间结构的模型。

分子由原子组成，原子之间通过化学键相连形成分子。

通过制作分子结构模型，我们可以直观地观察到不同原子的排列方式以及它们之间的相对位置。

三、实验材料1.模型原子球（不同颜色的小塑料球）2.连接棍（塑料棍）3.实验指导书四、实验步骤1.根据化学式确定所需的原子种类和数量。

2.按照比例和示意图在桌面或实验台上摆放所需的原子球。

3.使用连接棍将原子球连接成分子结构模型。

4.观察并记录分子的结构，注意化学键的类型和排列方式。

五、实验注意事项1.在制作模型时，保持整洁和安全，避免小球和棍子掉落。

2.使用指导书指引，确认连接方式和化学键的类型。

3.尽量使用不同颜色的小球代表不同的原子，以方便观察和记录。

4.注意模型的稳定性，避免模型倒塌或分子结构变形。

六、实验结果与分析制作完成后，我们可以观察到模型中的分子结构。

通过分子结构模型，我们可以更好地理解分子的组成和空间结构，探索不同原子之间的连接方式和化学键类型。

七、实验拓展1.通过制作不同分子的模型，比较它们之间的结构差异。

可以选取一些具有代表性的小分子，如水、氨气等。

2.利用分子模型展示有机化合物的结构，了解有机化合物的特点和性质。

3.结合实际应用，制作具有特定功能的分子模型，如药物分子、大分子材料等。

八、实验总结通过本实验，我们通过制作分子结构模型，深入理解了分子的组成和空间结构。

分子结构模型为化学学习提供了直观且具体的形象，帮助我们更好地理解和记忆化学知识。

此外，通过观察分子模型，我们还能发现不同分子之间的相似性和差异性，进一步加深对化学结构的理解。

九、参考资料无。

计算化学实验_分子结构模型的构建及优化计算

计算化学实验_分⼦结构模型的构建及优化计算实验9 分⼦结构模型的构建及优化计算⼀、⽬的要求1．掌握Gaussian 和GaussView程序的使⽤。

2．掌握构建分⼦模型的⽅法，为⽬标分⼦设定计算坐标。

3．能够正确解读计算结果，采集有⽤的结果数据。

⼆、实验原理量⼦化学是运⽤量⼦⼒学原理研究原⼦、分⼦和晶体的电⼦结构、化学键理论、分⼦间作⽤⼒、化学反应理论、各种光谱、波谱和电⼦能谱的理论，以及⽆机、有机化合物、⽣物⼤分⼦和各种功能材料的结构和性能关系的科学。

Gaussian程序是⽬前最普及的量⼦化学计算程序，它可以计算得到分⼦和化学反应的许多性质，如分⼦的结构和能量、电荷密度分布、热⼒学性质、光谱性质、过渡态的能量和结构等等。

GaussView是⼀个专门设计的与Gaussian配套使⽤的软件，其主要⽤途有两个：构建Gaussian的输⼊⽂件；以图的形式显⽰Gaussian计算的结果。

本实验主要是借助于GaussView程序构建Gaussian的输⼊⽂件，利⽤Gaussian程序对分⼦的稳定结构和性质进⾏计算和分析。

三、软件与仪器1．软件：Gaussian03、GaussView计算软件，UltraEdit编辑软件。

2．仪器：计算机1台。

四、实验步骤1．利⽤GaussView程序构建Gaussian的输⼊⽂件打开GaussView程序，如图9-1所⽰，在GaussView中利⽤建模⼯具（View→Builder→），如图9-2所⽰，在程序界⾯元素周期表的位置处找到所需的元素，单击即可调⼊该元素与氢元素的化合物。

图9-1 GaussView打开时的界⾯图9-2点击Builder及双击图标后出现的元素周期表窗⼝图若要构建像⼄烷这样的链状分⼦，需要先点击⼯具栏中的按钮，常见的链状分⼦就显⽰在新打开的窗⼝中，如图9-3所⽰。

图9-3 常见链状官能团窗⼝图若要构建像苯、萘等环状结构的分⼦结构，需要双击⼯具栏中的按钮，常见的环状有机分⼦就显⽰在新打开的窗⼝中，如图9-4所⽰。

化学实验教案：分子模型的构建

化学实验教案：分子模型的构建一、引言化学实验是帮助学生理解和掌握分子结构及其特性的重要手段之一。

在化学教学中，分子模型的构建被广泛应用于教学实践中，以帮助学生更好地理解分子结构与性质的关系。

本文将介绍如何编制一份高质量的化学实验教案，具体内容为分子模型的构建。

二、背景知识在进行分子模型的构建之前，首先需要向学生介绍有关原子和键的基础概念。

例如，原子是构成物质的最小单元，在化合物中通过共价键或离子键相互连接形成分子或离子晶格。

此外，对于常见元素的电子排布、共价键和离子键的推导也需逐步讲解。

三、实验目标实验目标是明确实验的目的并指导学生迈向预期结果。

我们可以设定以下几个实验目标：1. 了解原子间相互作用和空间排列对分子结构和性质的影响。

2. 学会使用简单材料搭建不同类型分子模型。

3. 探究不同类型分子模型之间存在的异同，并找出规律。

四、所需材料进行分子模型构建实验所需的材料一般可以在实验室或者学校化学教具库中找到。

以下是一些常见的所需材料：1. 带孔棍状球体或塑料模型球体2. 磁性原子模型（可使用磁铁吸附）3. 彩色软质小球（表示不同元素）4. 小磁铁（用于合成有机化合物）5. 硬纸板和剪刀（用于制作基座）五、实验步骤1. 介绍分子结构和键的概念，并让学生理解如何根据原子间的相互作用来搭建分子模型。

2. 根据提供的分子式，先由学生自主尝试搭建分子模型，然后与同组同学进行讨论，寻求最佳构建方法。

3. 学生们通过对比不同类型分子模型之间的异同以及其结构与性质之间的关系，推断出规律并展示给全班。

六、实验注意事项1. 实验过程中注意安全第一，避免导致任何伤害。

2. 细心处理小零件，避免损坏或误食。

3. 指导学生正确使用材料，并注意保存实验用具，以便下次实验使用。

七、效果评估在实施完分子模型构建实验之后，可以进行效果评估以了解学生对所学知识的掌握程度。

下面是一些建议的评估方式：1. 小组讨论：组织小组讨论，让学生分享他们对于分子模型构建过程中的发现和体会。

（精品资料）实验1-分子构型优化

GaussView 的主要界面包括图 1-1 所示的两个窗口。上面的界面是程序的主控制面板，包括菜单栏、各种工具和当前片段（Current Fragment）窗口。下面的界面是正在创建分子的窗口。
图 1. GaussView 的主要窗口
GaussView 主控制面板主要分为三部分：（i）菜单栏和当前片段（Current Fragment）窗口；（ii）各种工具栏。默认状态下，这些工具栏是放在菜单栏下面的，但是可以根据需要，把它们调出来（如图 1-2 所示）。当然也可以根据需要，重新安排这些工具栏的位置；（iii）可以打开一个或多个分子可视化窗口。
图 1. 势能面中的驻点
计算化学研究分子性质，是从优化分子结构开始，这一点要牢记！这是因为我们通常认为，在自然情况下分子主要以能量最低的形式存在。只有低能的分子结构才具有代表性，其性质才能代表所研究体系的性质。在建模过程中，我们无法保证所建立的模型具有最低的能量，所以，计算化学工作的起点都是分子结构优化，要将分子优化到一个能量的极值点。如图 2-1 所示，在势能剖面图中，无论是极小点还是鞍点，都是有意义的分子结构。只有找到这些合理的分子构型，才能保证其后所得到的计算结果有意义。 2.2 确定能量极小值
图 3. 分子计算中 Gaussian 程序调用的模块
2.3 计算收敛的标准优化计算不能无限制地进行下去，判定是否可以结束优化计算的判据就是我
们常说的收敛标准。分子结构优化收敛的判据和标准是什么呢？首先，要明确的一点是，精确的极小点位置是不可能达到的，我们只能无限地接近它，也就是分子受力趋于 0，坐标变化也趋于 0。在 Gaussian 程序中有两个标准来判断分子结构优化是否收敛。第一个判据是分子受力情况：即分子内所受的最大力（Maximum Force）小于 0.00045 eV/Å，力的均方差（RMS Force）小于 0.00030；收敛的第二个判据是前后两次位移的情况：前后两次的坐标位移要很小，即最大位移（ Maximum Displacement ）需要小于 0.0018 Å ，位移均方差（ RMS Displacement）要小于 0.0012。只有同时满足了这两个判据，你才会在输出文件中看到如图 2-4 所示的四个 YES，表明分子优化已经完成，计算正常结束。特别地，在优化过程中，有时会出现只有前两个 YES 出现，这种结果也是可以接受的。因为 Gaussian 程序默认，当计算所得的力已比收敛指标小两个数量级时，

分子结构模型的构建及优化计算

分子结构模型的构建及优化计算分子结构模型的构建是化学研究和计算化学领域的重要一环，对于理解分子的性质和行为具有重要意义。

优化计算则是对构建的分子结构模型进行调整和优化，以求得最稳定和最符合实验结果的结构体系。

本文将介绍分子结构模型的构建方法以及常用的分子结构优化计算方法。

一、分子结构模型的构建1.实验室试验方法：实验室试验方法通过实验手段确定分子的构型和结构。

常用的实验方法包括谱学方法（如红外光谱、拉曼光谱、核磁共振等）、X射线方法和电子显微镜等。

这些实验方法可以提供分子的一些基本信息，例如键长、键角、晶胞参数等。

不过该方法需要实验设备和实验条件，有时也受到实验技术的限制。

2. 理论计算方法：理论计算方法主要通过量子力学计算、分子力学模拟和分子动力学模拟等，从基本粒子的角度计算分子的结构和性质。

在量子力学计算中，常用的方法有Hartree-Fock（HF）方法、密度泛函理论（DFT）方法、紧束缚模型（TB）方法等。

在分子力学模拟和分子动力学模拟中，常用的方法有分子力学（MM）方法、分子动力学（MD）方法等。

二、分子结构优化计算分子结构优化计算是对构建的分子结构模型进行调整和优化的过程，以找到最稳定和最符合实验结果的结构体系。

1.线性规划方法：线性规划方法是寻找一个解向量，使得目标函数最小或最大。

在分子结构优化计算中，可以通过线性规划方法来优化分子结构的内部参数，如键长、键角等。

2. Monte Carlo方法：Monte Carlo方法是一种通过随机抽样的方式来进行优化计算的方法。

在分子结构优化计算中，Monte Carlo方法可以通过随机调整分子的内部参数，以整个构象空间，寻找最稳定的构象。

3.遗传算法：遗传算法是通过模拟生物进化过程来进行优化计算的方法。

在分子结构优化计算中，可以将每一个分子结构看作一个个体，通过交叉、变异等操作模拟自然选择，以寻找最优解。

4.分子动力学模拟：分子动力学模拟是通过求解分子的运动方程，模拟分子的运动和变化过程。

分子平衡几何构型优化及分子性质计算

一、实验目的1、学会从实际操作出发，掌握程序的使用，得到正确的数据。

2、学习Gaussian 程序使用，运用程序进行几种分子模型的构建及优化。

3、利用Gaussian 程序对分子体系薛定谔方程所代表的化学理论加深理解。

4、掌握构建分子模型的方法和分子几何构型的输入方法，为目标分子设定计算坐标，模拟化学分子，能够正确解读计算结果，采集有用的结果数据。

二、实验原理1、Gaussian 程序可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能等等。

它还可以预言分子和化学反应的许多性质，如，分子能量和结构、过渡态的能量和结构、电子密度分布、热力学性质、振动频率、红外和拉曼光谱、NMR 化学位移、极化率和静电势，等等。

本实验教材的重点，通过驻点(分子和反应势能面上的极小点和鞍点)的优化和性质计算，进行结构与性质关系的预测和化学反应动力学，包括反应速率和反应机理的预测。

2、HF 方程自洽场近似：在结构化学中，“变数分离”方法对于单电子体系(氢原子和类氢离子)的Schrödinger方程进行精确求解。

但是对于多电子的分子体系，由于第i 个电子与其余电子间的排斥能取决于所有电子的坐标，使这种分离变为不可能。

但可以在定核近似下将核的运动分离出去后，在固定的核势场中近似求解多电子体系的能量本征方程。

具体做法是，对第i 个电子，可以假定一个单电子的分子轨道(单电子近似)，并将它用现成的原子轨道线性展开(LCAO 近似)。

这时，Schrödinger方程由微分方程变成一个齐次线性的代数方程组。

求解该方程组，即求各分子轨道能级及相应的分子轨道展开系数。

具体过程是在给定的核坐标下，先猜测一组展开系数(极端情况均为0)，代入方程组得到一组新的系数，再代入方程组求解，周而复始，直到前后两组系数相同，称为“自恰场迭代”。

这就是HF 自恰场分子轨道方法。

3、基组用于描述体系波函数的若干具有一定性质的函数。

分子模拟实验1

双键单双键交替
双键链成环自动共轭
三键
实验一 — 分子结构优化计算
步骤 1: 建模的三种方式化学键建模可以用字符输入改变原子
点击要改变的原子输入目标元素
实验一 — 分子结构优化计算
步骤 1: 建模的三种方式化学键建模可以改变键级
选中要改变的键点击鼠标右键或用快捷键 ctrl+1, 2, 3
实验一 — 分子结构优化计算
步骤 3: 分子结构参数的最优化问题1-5. 按如下步骤, 计算水的二聚体的结构, 考查不同理论方法所得结果的影响 1-5b: 用MM2优化, 记录氢键长度(OO)和能量E1
1-5c: 用MM2优化单个H2O分子, 记录能量E2. 计算氢键强度D = E1 - 2E2
Gamess按如左图设置 MP2/6-31++G(d)
Hale Waihona Puke 1-5f: 用Gamess优化, 记录氢键长度和能量E1 1-5g: 用Gamess优化单个H2O分子, 记录能量 E2. 计算氢键强度D = E1 - 2E2
Gamess按如左图设置 B3LYP/6-31++G(d)
1-5h: 用Mopac优化, 记录氢键长度和能量E1 1-5i: 用Mopac优化单个H2O分子, 记录能量E2. 计算氢键强度D = E1 - 2E2
设置键级
实验一 — 分子结构优化计算
步骤 1: 建模的三种方式 ChemDraw→Chem3D建模
2D平面图
3D分子结构图
实验一 — 分子结构优化计算
步骤 1: 建模的三种方式 ChemDraw→Chem3D建模键 ChemDraw工具栏碳链环
选择字符电子云

《DNA分子模型的搭建(实验)》PPT课件(广西县级优课)

（1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。
A
T
C
G
A
T
A
T
C
G
G
C
A
T
G
C
DNA分子的结构特点
（1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。
（2）DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基在内侧。
A
T
C
G
A
T
A
T
（2）1951年：生物物理学家威尔金斯和富兰克林的DNA衍射图谱可
推算出DNA分子的结构是呈螺旋结构。（3）1952年：奥地利的生物化学家查哥夫发现：DNA分子的碱基数
总是为“A=T、G=C”。
请大家根据这些科学依据，利用手中的材料，建立DNA 分子的结构平面模型，并解决P49思考与讨论。10分钟，每组拍照上传。1、2组相互点评，3、4组......11、12组相互点评。
脱氧核糖核苷酸
4种脱氧核苷酸怎么连接在一起形成DNA呢？
P
P
脱氧
A
核糖
脱氧
T
核糖
腺嘌呤脱氧核苷酸胸腺嘧啶脱氧核苷酸
P
脱氧
G
核糖
鸟嘌呤脱氧核苷酸
P
脱氧
C
核糖
胞嘧啶脱氧核苷酸
建立DNA分子双结构主要依据
（1）早在20世纪30年代：研究已经表明了DNA分子是由4 种脱氧核苷酸连接而成的脱氧核苷酸长链。
A
T
G
C
-OH + -H =H2O
A
T
C
G
ATA来自TCG
G

武汉大学分子模拟实验作业第七章分子结构模型创建和优化计算

实验一分子结构模型创建和优化计算7-1-1绘图区直接输入C2H6即可。

HCOOH直接在Chem 3D窗口中选择按钮A，在3D绘图区直接输入HCOOH即可。

3DH3PO47-2-1-7-3-1 MM2O 和O 距离为2.765AE 1=-5.4331Kcal/Mol E 2= 0.0289 Kcal/Mol D=E 1-2E 2=-5.3753 Kcal/MolHF/6-31++GO 和O 距离为3.0 ÅE1= -95408.4 Kcal/mol (-152.04313 Hartrees) E2== -47701.8 Kcal/mol (-76.01774 Hartrees) D=E1-2E2=-4.8 Kcal/mol = (-0.00765 Hartrees) MP2/6-31++GO 和O 距离为2.9 ÅE1=-95650.8 Kcal/mol (-152.42932 Hartrees) E2=-47822.3 Kcal/mol (-76.20978 Hartrees) D=E1-2E2=-6.2 Kcal/mol (-0.00976 Hartrees) DFT= B3LYPO 和O 距离为2.8 ÅE1= -95870.8 Kcal/mol (-152.77997 Hartrees) E2= -47932.5 Kcal/mol (-76.38545 Hartrees) D=E1-2E2=-5.8 Kcal/mol (-0.00907 Hartrees)MOPAC-PM3O 和O 距离为3.0 ÅE1= -108.7 Kcal/molE2=-53.4 Kcal/molD=E1-2E2=-1.9 Kcal/mol7-4-2”化学意义”：RuClClPNN简介：第二代Grubbs催化剂是Grubbs在1999年对第一代催化剂的改进。

Grubbs 通过系统地对催化剂结构－性能关系进行研究，发现催化剂的活性与其中一个膦配体的解离有关，认为催化循环过程中经过一个高活性的单膦中间体，然后才与烯烃发生氧化加成。

武汉大学分子模拟实验第七章分子结构模型创建和优化计算

武汉大学化学与分子科学学院《分子模拟实验》实验报告分子结构模型创建和优化计算指导老师：侯华姓名：陆文心专业：化学弘毅班学号：2012301040179日期：2014年9月25日一、实验目的无论哪种类型的计算或模拟，第一步的工作就是建模，就是创建所要研究的分子体系的三维空间模型。

这与平常所描绘的2D平面结构图不同，实际计算需要的是3D结构，每一个原子都需要三个空间坐标(x,y,z)。

因此，熟练掌握各种分子模型的创建，是计算化学最基础的技能。

实际的理论模拟计算，无论最终结果是什么，无论采用什么方法，都需要用户为所研究的分子体系提供一个合理的“初始猜测”结构，既是计算的需要，也是保证计算成功的前提之一。

当对一个新型分子体系知之甚少时，当缺乏实验数据参考时，怎么样使创建的分子模型更“合理”，也是进行本实验的目的。

本实验将介绍Chem3D提供的各种分子模型创建方法，同时介绍怎样调整、修改、显示所感兴趣的空间立体分子结构的技巧，直至满足用户的要求为止。

二、实验要求（1）熟悉Chem3D软件各项功能的含义；（2）掌握三维分子结构的创建方法；（3）掌握分子结构的调整和优化技巧；（4）了解复杂分子结构的创建和显示。

三、实验内容（1）建模：几种分子结构输入的方法；（2）处理：加氢饱和价键，加电荷；（3）优化：分子结构参数的最优化；（4）合理化：分子结构的确定。

7.1 建模的三种方式1. 分子式输入直接建模法问题7-1-1 采用该建模方法，尝试得到下列分子的正确结构：CO，CO2，NO2，NO3，C2N2，C2H6，C6H5OH，HCOOH，CH3COCH3，C2H5NO2，HNO3，H3PO4，H2CO3答：2. 化学键建模法3. 利用ChemDraw二维平面图建模4. 其它建模方式问题7-1-2 画“三键链”的结果是什么？答：结果为丙炔。

问题7-1-3 画出多个联苯环的共轭结构。

答：7.2 结构处理1. 加氢饱和价键2. 加电荷7-2-1 画出脯氨酸两种不同结构的分子骨架，并正确加氢、加电荷。

分子构型优化实验报告

一、实验目的1. 了解分子构型优化的基本原理和方法。

2. 掌握使用分子模拟软件进行分子构型优化的操作步骤。

3. 通过实验，提高对分子构型优化在实际应用中的认识。

二、实验原理分子构型优化是指在一定条件下，通过计算方法对分子的构型进行优化，使其能量最低。

分子构型优化是研究分子结构、性质和反应过程的重要手段。

常用的分子构型优化方法有：梯度下降法、共轭梯度法、牛顿-拉夫森法等。

三、实验材料与仪器1. 实验材料：某有机分子模型。

2. 仪器：计算机、分子模拟软件（如Gaussian、DMol3等）。

四、实验步骤1. 启动分子模拟软件，打开实验材料。

2. 设置计算参数，包括优化方法、收敛条件、最大迭代次数等。

3. 运行优化计算，观察分子构型变化。

4. 计算分子优化后的能量和键长、键角等几何参数。

5. 分析优化后的分子构型，与初始构型进行比较。

五、实验结果与分析1. 实验结果（1）优化后的分子能量为：-XXX.XX kcal/mol。

（2）优化后的键长、键角等几何参数如下：键长（Å）：C-C：XXX.XX，C-H：XXX.XX，C-O：XXX.XX键角（°）：C-C-C：XXX.XX，C-H-C：XXX.XX，C-O-C：XXX.XX2. 结果分析（1）优化后的分子能量降低，说明分子构型优化是有效的。

（2）优化后的键长、键角等几何参数与初始构型相比，变化不大，说明分子构型优化并未引起分子内部结构的明显改变。

六、实验结论1. 分子构型优化是一种有效的计算方法，可以用于研究分子结构、性质和反应过程。

2. 使用分子模拟软件进行分子构型优化操作简单，易于掌握。

3. 本实验中，通过分子构型优化，得到了能量更低、结构更稳定的分子构型。

七、实验注意事项1. 在设置计算参数时，要合理选择优化方法和收敛条件，以确保优化结果的准确性。

2. 运行优化计算时，要注意观察计算进度，避免因计算时间过长而影响实验结果。

3. 分析优化结果时，要将优化后的分子构型与初始构型进行比较，以评估优化效果。

实验一、分子模型的构建和优化

实验一、分子模型的构建和优化一、实验目的1. 掌握用Gaussian软件优化分子结构的方法。

2. 掌握构建分子结构的方法。

3. 能够利用Gaussian输出文件分析实验数据并收集所需的数据。

二、实验原理Gaussian软件是一款量子化学软件，其可以通过计算得到分子和化学反应的许多性质，如分子的机构和能量、电荷密度分布、热力学性质、光谱性质、过渡态结构和能量等等。

分子几何构型的变化对能量有很大的影响。

由于分子几何构型而产生的能量的变化，被称为势能面。

势能面是连接几何构型和能量的数学关系。

对于双原子分子，能量的变化与两原子间的距离相关，这样得到势能曲线，对于大的体系，势能面是多维的，其维数取决与分子的自由度。

势能面中，包括一些重要的点，包括全局最大值，局域极大值，全局最小值，局域极小值以及鞍点。

极大值是一个区域内的能量最高点，向任何方向的几何变化都能够引起能量的减小。

在所有的局域极大值中的最大值，就是全局最大值；极小值也同样，在所有极小之中最小的一个就是具有最稳定几何结构的一点。

鞍点则是在一个方向上具有极大值，而在其他方向上具有极小值的点。

一般的，鞍点代表连接着两个极小值的过渡态。

几何优化做的工作就是寻找极小值，而这个极小值，就是分子的稳定的几何形态。

对于所有的极小值和鞍点，其能量的一阶导数，也就是梯度，都是零，这样的点被称为稳定点。

所有的成功的优化都在寻找稳定点，虽然找到的并不一定就是所预期的点。

几何优化由初始构型开始，计算能量和梯度，然后决定下一步的方向和步长，其方向总是向能量下降最快的方向进行。

大多数的优化也计算能量的二阶导数，来修正力矩阵，从而表明在该点的曲度。

当一阶导数为零的时候优化结束，但实际计算上，当变化很小，小于某个量的时候，就可以认为得到优化结构。

对于Gaussian，默认的条件是：力的最大值必须小于 0.00045均方根小于 0.0003为下一步所做的取代计算为小于 0.0018其均方根小于 0.0012这四个条件必须同时满足，比如，对于非常松弛的体系，势能面很平缓，力的值已经小于域值，但优化过程仍然有很长的路要走。

分子模型的构建(精)

分子模型的构建（1）Molecular Modelling Experiments (1)Institute of Applied and Metallurgical Physical ChemistryCentral South University——Model Building1 Introduction1.1 Theneed for computer modellingTraditionally chemists have synthesized molecules and then tested their properties by experiment. In the pharmaceutical industry , for example, it was in the past common for a company to produce hundreds of compounds for every one worth pursuing into the clinic. This is naturally very expensive. If instead a compound with the desired properties can be designed merely by executing an appropriate computer program, there are obvious benefits both intellectually and commercially. The same situation is in new function materials field.This hope has become in large part reality. All major pharmaceutical and agrochemical companies now employ specialists in computer-aided molecular design and the synthetic chemists are increasingly using these facilities for themselves. Long before the advent of computers, chemists used models to aid their understanding of molecules. Basically these were of two types: wire models such as the Dreiding sort which represent bonds by fine metal tubes giving an idea of the molecular skeleton, and space-filling models like the CPK (Corey, Pauling, Kolthun) type which represent each atom by a sphere of the appropriate radius and give an idea of the electronic “flesh”.These types of representation have been carried over into the computer graphic molecular modelling programs, as you will see during this experiment. There are, however, major advantages in the computer displays over mechanical models. Molecular geometries can be drawn from crystallographic databases so that they are realistic rather than average values of bond lengths and angles; the display is created in moments rather than weeks for large molecules; the pictures are not subject to gravity (!); the images may be manipulated interactively and parts may be removed oradded. It is possible, for example, to ‘observe’ the active site of a n enzyme from inside the protein. In fact the mostsophisticated modelling programs rival flight simulators, which is not surprising since the hardware and many aspects of the software have much in common. Most drugs and agrochemicals are small molecules of less than fifty atoms. Almost always the molecules are flexible and evoke their important biological response by binding to a specific site on a macromolecule, generally a protein or nucleic acid. Although it is possible to learn about the shape or conformation of the small binding partner from X-ray crystallography of the compound, or by nuclear magnetic resonance spectroscopy of solutions, these data are insufficient to understand the shape of molecules when they bind into the receptor slots of the macromolecule. The small molecules, and indeed the protein, may adapt their shapes on binding. Hence it becomes important to calculate the energy of the drug as a function of its shape so as to be able to answer the question "into what shapes could this molecule be distorted on binding without expending more than a given energy threshold?" It is this latter question which is answered by energy calculations. The computer performs the calculation and a graphics terminal can display the results.1.2 Calculating molecular propertiesTwo quite distinct approaches are used in the computation of the energy of a molecule as a function of its shape. The purer of the possibilities is the use of molecular quantum mechanics to solve the Schrödinger equation in an approximate Hartree-Fock manner. These computations may be of the so-called ab initio variety in which all the many millions of integrals implied in the theory are rigorously evaluated. The alternative is a semi-empirical calculation, in which time is saved by replacing computed values of integrals by experimentally determined parameters. Quantum mechanical calculations are the favoured approach if, in addition to a value of the energy or stability of a molecule, we also require some other molecular properties which can be derived from the molecular wavefunction (such as dipole moment, electrostatic potential or energies of individual molecular orbital).A different strategy is to use the so-called molecular mechanics methods. These are purely empirical. The methods treat a molecule as a collection of balls (the atoms) and springs (the chemicalbonds). Potentials are introduced for all atom-atom interactions; for the bending of bond angles and for torsional changes. The number of disposable parameters fixed by forcing agreement with experimental quantities, such as heats of formation, may be as large as a hundred, but over the years these potentials have been refined to the point where molecular calculations are reliable for many types of molecule even when they contain heteroatoms like sulphur or rings of atoms.Once the energy is calculated, the range of shapes which a molecule may adopt may be compared for molecules which fit a receptor site of interest with the hope of learning something about the demands of the binding process.1.3 Structure-activity relationshipsIn addition to computing the energy of an isolated small molecule, other calculable properties may be of utility, especially in the search for a relationship between molecular structure and biological activity. From the molecular wavefunction which is, along with molecular energy, the output from a quantum mechanical calculation, a large variety of molecular properties may be calculated. The square of the function at any point in the space surrounding a molecule is, of course, a measure of electron density. We may also compute at the same point the interaction energy of a unit charge (the electrostatic potential) or its gradient, the electrostatic field, which is a measure of the interaction energy a dipole would have at that position. Computer graphics permit representations of these important quantities to be made using colour coding and stereoscopic views. Such graphical displays permit qualitative connections to be made between properties and activity.For q uantitative structure activity relationships (“QSARs”) the numerical values of computed quantities are used in regression analyses to provide statistically supported predictions of the activity of hypothesized new compounds. The parameters used in this way include the charges on specific atoms; the electron density in bonds; the availability of electrons as judged by orbital energies; the capacity to accept electrons and perhaps most effectively the properties of the so-called frontier orbitals - those electrons which are least tightly bound by the molecule.1.4 Protein-drug calculationsThe use of computers described so far has concentrated on calculating and displaying properties of the small molecules which act biologically by binding to receptor sites on macromolecules. Computational techniques have been developed to the extent that the more logical approach of including the protein or nucleic acid macromolecule is now also possible. This adds a whole new dimension to molecular design.The first requirement is knowledge of the molecular structure of the large molecule binding partner. In ideal circumstances this comes from X-ray crystallographic studies of crystals of the macromolecule. High resolution refined crystal structures are now available for large numbers of proteins, mostly enzymes and for some oligonucleotides. Based on these crystal structures the architecture of similar proteins can be derived by a combination of computer techniques including recognizing similar structural elements, theoretical calculation of relative energies and computer-aided model building. This type of work is becoming increasingly important as gene sequences (and hence the amino acid secondary structure of proteins) become more readily available. Even artificial intelligence techniques are being used to predict the structures of the binding sites of receptors.If we have a reasonable knowledge of both the macromolecular binding site and the small molecular partner then the calculation of their binding energy is a most important quantity which can come from theoretical computation. If we want to design an inhibitor of an enzyme then that inhibitor must bind to the active site much more tightly than the natural substrate. If that inhibitor is to act as a drug then the stronger it binds, the smaller the dose which will be required medicinally.The actual calculation of binding energy can be done using the same types of computer program which are used to calculate the energetic properties of isolated small molecules. In quantum mechanical calculations, inclusion of every atom of receptor protein is too demanding in terms of computer time, so approximations such as treating atoms as point partial charges are introduced. The molecular mechanics calculations by contrast are rapid enough to cope with the tens of thousands of enzyme atoms. Both approaches have now reached a level of sophistication where the calculations of binding energy are in good agreement with experimental binding enthalpies so that novel inhibitors can now be designed.1.5 Introductionof molecular motionThus far molecular design has been treated almost like engineering design: molecules must fit together and bind tightly but they have been considered to have definite static shapes. In reality, of course, molecules are in dynamic motion. When a small molecule binds to an enzyme, it is not a key fitting a lock but a throbbing vibrating pair of species which interact. These dynamic effects need no longer be ignored. Since the molecular mechanics potentials can be computed readily, the gradients of the potential and dynamic behaviour may be predicted usingNewton's laws of motion. This use of so-called molecular dynamics has become particularly important now that experimental dynamic properties are emerging from nuclear magnetic resonance studies. It has added an extra level of realism to computer-aided molecular design and again is much clarified by using computer graphic displays to illustrate the motions involved.2 ProcedureThis experiment is run on a PC in the lower teaching laboratory. No special knowledge of computing is required.The experiment is in two parts. In the first, you will use the molecular modelling package Gaussian98(Chemoffice5.0or Hyperchem5or C2(Castep, Demol3))to complete a number of straightforward tasks, whose aim is to allow you to become familiar with the software. In the second, you will devise an exercise which uses Spartan to solve some appropriate chemical problem. You may find it easiest to propose a suitable project after you have spent some time becoming familiar with the program and have an clear understanding of what it can do, but it is essential that you discuss your ideas with a demonstrator before you start work on any project.The project forms the bulk of this experiment, and may require several hours work with the modelling program and possibly some time spent investigating the relevant literature. Once your exercise is approved, you will:(i) use the molecular modelling package to investigate your topic;(ii) prepare a suitable write-up, discussing your results, comparing them to any found in the literature and considering their reliability.A copy of your project will be added to the file beside the experiment, so that later students can learn from the approach you have taken, and any extra features of Spartan which you have used but are not described in these notes.3 StartingA ProgramGaussian98 (Chemoffice5.0 or Hyperchem5 or C2(Castep, Demol3))is a powerful program which can be run on a PC or Unix workstation. It requires th e presence of a hardware key (a “dongle”) connected to the rear of the computer. If the program will not run, check with the technician that the dongle is present. To start a program, double click on the program icon. The principle aim of this experiment is to use the program to solve a real chemical problem. In order to do this, you will need to become familiar with various aspects of the program, and the best way to do this is through the completion of tasks which illustrate the capabilities of the software. Print out or record in your data book any graphics or data which seem interesting, but do not print everything, otherwise you will collect huge volumes of paper!Task 1. Building and manipulating a small moleculeTo get you started, you will first build and display a small molecule, such as HF/ H2O/ CH4/ C2H3Br /C6H6 /(CBrH2-O-CH3). et al, Once the molecule is built, you will determine its equilibrium geometry and dipole moment. New molecules are built by selecting atomic fragments from a menu and joining them as required. As you will discover later, it is possible to specify geometry, stereochemistry, charge, multiplicity and other characteristics of the molecule.a) Click the left hand mouse button (lmb) on the File menu and select New. (Alternatively, you can click on the New icon, which is the leftmost icon.) A panel of common molecular fragments will appear, with tetrahedral carbon already highlighted. Move the cursor to the middle of the green display area and click the lmb to place a tetrahedral carbon as the starting point for your structure.b) Click on the -Br box in the fragment panel and then click the lmb over the end of one of the carbon single bonds to add the bromine.c) Select from the fragment panel the singly-bonded oxygen atom and add that to the structure.d) Finally add a second tetrahedral carbon to the free oxygen bond. All remaining free valences will automatically be completed with hydrogen atoms.You can rotate the molecule by pressing and holding down the lmb in the display area and moving the mouse. You can move the molecule using the rmb. Try both now.e) You can determine the molecular mechanics strain energy by selecting Minimise from theBuild menu. (Alternatively, you can use the icon for this, which is the E with a downward-pointing arrow). The geometry will adjust rapidly as the calculation is in the progress, and the final strain energy will be displayed at the bottom right, together with the molecular point group. Record both of these in your data book.The molecule can be displayed on screen in several different formats.f) Choose View from the Build menu and note the effect of selecting different types of display from the Model menu. The molecule can be rotated and moved in each display type. Print out one of the structures if you wish..g) Return to the ball and wire model. In this format (and in the wire model) it is possible to display atom and bond labels. Select Configure Labels...from the Model menu and make sure that Labels in the Model menu is ticked. Click OK, and the select Labels from the Model menu. You can remove labels by again selecting Labels from the Model menu.Task 2. Determining molecular geometryIt is simple to make measurements of the geometric parameters for your molecule.a) Return to the ball-and-stick model. Select Measure Distance from the Geometry menu. Click the mouse on two atoms in succession, or (if you wish to measure the distance between bonded atoms) on the bond which joins them to display the distance between the atoms. Measure the length of each of the C-O bonds and record the distances in your data book. Comment on the values.b) Determine the C-Br bond length and compare this to the average value quoted in any standard chemistry textbook.c) Choose Measure Angle from the Geometry menu. Click three atoms in succession (or on two bonds sharing a common atom) to determine the angle between the two bonds. Determine the angles aroundthe bromine-bonded carbon atom and comment on their values.Task 3. MO CalculationsA variety of parameters can be found through a MO calculation. The first step required is to choose the type of calculation.a) Select Calculations...from the Setup menu. In the dialogue box which opens up select Equilibrium geometry from the leftmost pull-down menu. Select Hartree-Fock and 3-21G from the two rightmost menus to specify a Hartree-Fock calculation using the 3-21G split-valence basis set. Verify that the Total Charge is Neutral and the Multiplicity is singlet. Click on OK to remove the dialogue.b) Select Submit from the Setup menu. A file browser appears. Choose the default name (probably "Spartan1" or something similar) and click on Save. This step will start your calculation off-line. Click OK to remove the message.c) Once the calculation has completed (between ten seconds and several minutes will be required depending upon the complexity of the calculation and speed of the machine) you will be notified. You can, if you wish, inspect output from the job using Output in the Display menu. Of particular interest is the dipole moment. To find this, select Properties from the Display menu. Record the dipole moment and compare it to the literature value for this molecule of 2.06 Debye(CBrH2-O-CH3). Task 4. Displaying electron density and potential energy surfacesa) Select Surfaces from the Setup menu. Click on Add...Now select density from the Surface menu and none from the Property menu. Click a second time on Add...and this time select density from the Surfaces menu and potential from the Property menu. This specifies the calculation of an electron density surface onto which the value of the electrostatic potential has been mapped. Click on OK.b) Submit the job (Submit from the Setup menu); you do not need to remove the dialogue window to do this. When the calculation is complete again select Surfaces. Click on the line density Completed 0.002. Click on the density surface. A menu will appear at the bottom right of the screen. Note the effect of changing the display style and print out one of the figures.Select Close from the File menu to remove the molecule from the screen.Task 5. Specifying molecular conformations; calculating and displaying Molecular OrbitalsDepending upon the project you propose, you may need to specify the conformation of a molecule, or calculate and display molecular orbitals. This section explains how those tasks can be completed.a) Construct trans-acrolein (CH2=CHCHO) as follows: Ensure any previous molecule has been removed from the screen. Select New from the File menu and click on trigonal planar sp2 hybridised carbon. Click on the screen, rotate the molecule is necessary to identify the free double bond and click again on that to make ethylene. Click on any of the free valances to add the third carbon, then finally add a doubly-bonded oxygen.b) In the trans molecule the two double bonds point in the same direction. If the molecule you have made is in the cis configuration, change the conformation as follows: Click on the \?\ icon in the icon bar. Click in order on the oxygen and the three carbons. The value of the dihedral angle which these atoms define will appear in a box at the bottom right. Replace 0 by 180 and press the return key; the correct conformation will be created.Acrolein and otherα,β-unsaturated carbonyl compounds are known to undergo both nucleophilic addition at the carbonyl carbon and Michael addition at the b olefin position. We can determine which is more likely in acrolein by calculating and displaying the LUMO, into which it is likely an incoming pair of electrons in a nucleophile will be directed. (The carbon on which the LUMO is most localised will be the most susceptible to attack by a nucleophile).a) Enter the Surfaces dialogue. Click on Add...and select LUMO from the Surface menu. Click on OK and submit the job.b) When the job has completed, click on the line LUMO Completed 0.032inside the Surfaces dialogue. Print out the resulting surface and comment on whether this is consistent with experimental evidence for reactivity ofα,β-unsaturated carbonyl compounds.Task 6. Calculation and display of vibrational frequenciesIt is possible to calculate and display the vibrational motions of molecules using Spartan. In this step you will do this for acetylene, which is one of the species whose IR spectrum is recorded inexperiment 7.05.a) Remove any molecules from the screen, then construct acetylene (ethyne).b) Select Calculations...from the Setup menu. Select Equilibrium geometry from the leftmost menu and Hartree-Fock and 3-21G from the two rightmost menus. Click on the Frequencies box, then click on OK and submit the job.c) Once the job has completed, display the vibrational frequencies by selecting Vibrations under the Display menu. Make a note of the predicted vibrational frequencies with their symmetry, and compare with those measured experimentally for acetylene (in the low resolution spectrum of acetylene, bands appear centred around 750, 1250, 1630 and3200 cm-1). Calculated frequencies are typically high by around 10% and it is common practice to scale frequencies (by0.9 in the case of the 3-21G basis set) to nbring them more into line with experimental data. You should also bear in mind that combination and difference bands, though not calculated by this program, may appear in the spectrum.d) To animate a vibration, click on its frequency in the vibrations dialogue. You can stop the animation by clicking a second time on the frequency. You may adjust the display style to give the clearest motion. Check that the form of each vibration is consistent with what you would expect from the symmetry shown in the vibrations table. Sketch the form of each vibration, indicate which frequency is associated with which vibration, and identify those which should be Infrared active. Task 7. Building more complex moleculesChemoffice5.0 and Hyperchem5.0 contain a small library of pre-formed molecules and fragments, which simplify the building of complex molecules. A few examples will illustrate how you can construct large molecules.a) Pydrine: Click on New in the File menu. Click on Rings in the model kit and select benzene. Place it on the screen. Select aromatic nitrogen (nitrogen with two single bonds and a dotted third bond) from the atomic fragments, position the cursor over a ring carbon and double click to make pyridine.b) Furufral:Click on Rings in the model kit and select a cyclopentane ring. Choose an Oxygen atom with two single bonds and double click on a ring carbon. To make the double bonds, select Make Bond from the Build menu. Click on one of the free valences of each of the two carbons you wish tojoin to make the double bond. Click on the minimize energy icon, then add the carbonyl group from the Groups menu.c) Camphor: Remove any molecules from the screen and click on New in the File menu. Place a cyclohexane ring on the screen. Place an sp2 hybridized carbon in the ring, then add the carbonyl oxygen. Click on sp3 hybridized carbon and click on an axial free valance on one of the carbons adjacent to the carbonyl group. Click on the make-a-bond icon (8th from the left). Click on one of the free valances of the atom you have just added and then on the equatorial free valence on the carbon on the opposite side of the ring. Create a refined structure by clicking on the minimize icon. then add three methyl groups to complete the structure.d) Sulfur tetrafluoride:SF4 is a simple molecule to construct, but cannot be done from the standard model kit since sulfur is not in its normal bent dicoordinate geometry, but in a trigonal bipyramidal form.Bring up the expert model kit by clicking on the expert tab at the top of the model kit. Click on S in the periodic table, check in the window above the table that it is 5-coordinate; if it is not, select trigonal pyramidal co-ordination from the buttons below the table. Place the five co-ordinate sulfur anywhere on screen. Select F from the table and the one-coordinate entry -J from the list of atomic hybrids Click on both of the axial free valences of sulfur and two of the equatorial free valences. You need to delete the remaining free valance on sulfur, otherwise it will be assumed to be attached to a hydrogen atom. Click on the delete symbol (the 7th icon from the left) and then on the remaining free valence. Run the molecular mechanics minimisation, and check that the molecule has C2v symmetry. If the symmetry is Td instead, exit the program and restart.Other facilitiesPrograms in our Work Station also allow the calculation of:●low-energy conformations usingMonte Carlo methods,●enthalpies of reaction,●barriers of rotation,●electron distribution in LUMOs and HOMOs,●properties of intermolecular complexes,●the location of transition states,●the variation of energy as reaction occurs, and the properties of molecules withunpaired electrons.Details of how to accomplish these tasks may be given in the past projects which are available by the PC used in the experiment. If not, and you wish to use one or more of these features of the software, ask the technician for the Spartan Pro tutorial; note that this must be signed for and returned to the technician at the end of the experiment.Project（you can get Program Manual in Chinese from technician）Devise a suitable project, and discuss your ideas with a demonstrator before starting. After approval, use the program to carry out your project, and try to find in the literature whether or not published data are available so you can compare experiment with prediction. Once your project is complete, and written up, provide a copy for the files to act as a resource for later students doing this experiment. A list of past projects will be made available on the web as experience with the software grows.Lab ReportsOne of the goals of the course is to help you learn to write clear, well organized lab reports.We will work on the report for Experiment 1 together in class, and you will have the opportunity to revise the report. Lab reports are due one week from the day of the completion of the experiment and should be done individually (even though the data may be collected in groups). Lab Reports (including tables and plots) should not exceed six single sided pages. The format of the lab reports is given in the text (Chapter 1). Read the section carefully, including the section on appendices. Each lab report is worth100 pts. as follows:Lab ReportsDescription Points Abstract Concise presentation of experiment results and conclusions 15 Introduction Theory and background; present background, motivate subject 1010Experimental Methods, conditions, chemical used. This section should becomplete enough to allow replication of the experiment.20Results Experimental data presented as tables and/or figures. Equationsused in the calculation final results. Experimental data and resultsmust be reported with the corresponding (units and) uncertainties.30Discussion This section is your chance to display your deeper understandingof the experiment performed and the physical chemistry explored.Here are some topics that could be include in your discussionsection:（1）Comparison of the final results with experimental ortheoretical values from literature. This discussion of accuracyshould be quantitative and take precision and statisticalsignificance into account.（2）Account for discrepancies in theresults. Does the data conform the model? Discussapproximations made and determine error.（3）The theoreticalsignificance of the results. Validity and applicability of the modelused to construct theoretical treatment. Implications of the theoryand results.（4）Comment on determinate and indeterminate(random) errors. Suggest ways to reduce these and the expected(quantitative) effect on the results.（5）Brief suggestions forimprovement of the experiment.Citations Must reference all literature used in JACS style 510Appendix Calculations, statistical analysis, error propagation presented usinga spreadsheet when possible. Also include duplicates ofphotocopies of pertinent laboratory notebook pages.Total100References1). W.G.Richards, Quantum Pharmacology, Butterworths,London, 1983, [Hooke Re25].2). W.G.Richards, Computer-aided molecular design, Sci. Progr., Oxf. (1988), 72, 481-492.。

分子动力学模拟中的模型构建与参数优化技术

分子动力学模拟中的模型构建与参数优化技术分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation, MD）是一种重要的计算模拟方法，可以用来研究原子和分子间的相互作用、热力学性质以及宏观材料的宏观性质。

在进行MD模拟之前，必须构建合适的模型并确定参数，以保证模拟结果的准确性和可靠性。

本文将介绍分子动力学模拟中的模型构建与参数优化技术。

一、模型构建在进行分子动力学模拟之前，首先需要构建模型。

模型的构建涉及到选择合适的分子、晶体、纳米材料等，并确定模型的尺寸和结构。

对于有机分子模拟，可以使用化学软件如Gaussian、Schrödinger等进行分子结构优化，获得准确的原子坐标和键长角度等信息。

对于晶体和纳米材料模拟，可以利用实验数据、理论计算和经验规则，通过控制晶胞参数、晶面指数等来构建所需的晶体结构。

此外，还可以利用晶格模型进行晶体结构构建，如周期性边界条件、原子排列方式等。

模型表达方式有两种常见的形式，即原子坐标格式和拓扑格式。

原子坐标格式将每个原子的坐标和类型记录在一个文件中，而拓扑格式则记录原子间的连接关系和键的类型。

模型构建过程中应注意保持模型的平衡和稳定性，避免出现过度拉伸、错位等现象。

对于大分子模拟，可以采用连接分子动力学模拟（Coarse-grained MD）方法，将多个小分子连接在一起，减少模拟系统的规模。

二、参数优化模型构建完成后，还需要确定模型中分子的力场参数。

力场包括键能、角能、二面角能、相互作用势函数等。

常用的力场包括分子力场（Molecular Force Field），如AMBER、CHARMM、OPLS等，以及多体力场（Many-body Force Field）如ReaxFF等。

确定力场参数的方法有多种途径，包括实验测量、量子化学计算和模型拟合等。

实验测量可以通过测定物质的物理性质如密度、熔点、热容等来确定力场参数。

量子化学计算可以通过计算分子结构和能量来获得力场参数。

分子结构模型的构建及优化计算

分子结构模型的构建及优化计算分子结构模型的构建通常通过两种主要方法：实验方法和计算方法。

实验方法包括化学合成和晶体学等实验技术，它们可以用来确定分子的几何结构和相互作用。

计算方法包括分子力场方法和量子化学方法，它们可以用来预测分子的结构和相互作用。

对于小分子，实验方法通常是直接合成所需的分子，并通过晶体学方法确定其准确的几何结构。

对于大分子和复杂体系，实验方法常常不能得到准确的几何结构，此时计算方法就显得尤为重要。

分子力场方法是一种基于经验的力场模型，可以用来模拟分子的力学性质和相互作用。

常用的分子力场包括力场参数和分子动力学方法。

力场参数是一组数值，描述了分子中原子之间的相互作用，这些参数通常通过实验数据拟合得到。

分子动力学方法是一种通过求解牛顿运动方程来模拟分子运动和相互作用的方法。

通过改变分子的初始构型和参数设置，可以得到一系列不同的分子结构模型。

量子化学方法则是通过求解分子的薛定谔方程来计算其几何结构和能量等性质。

常用的量子化学方法包括Hartree-Fock方法和密度泛函理论方法。

Hartree-Fock方法是一种最简单的量子化学方法，它通过假设波函数是一个单行列式来近似求解薛定谔方程。

密度泛函理论方法则通过引入电荷密度的概念，将分子的能量表示为电荷密度的泛函，通过最小化能量泛函来求解分子的几何结构和能量。

分子结构模型的优化计算是指在给定的计算条件下，寻找分子的最佳构型和能量。

常用的优化算法包括克劳德最小化算法、共轭梯度算法和遗传算法等。

克劳德最小化算法是一种基于梯度下降法的最优化算法，它通过不断地改变分子的构型和参数来寻找最低能量的构型。

共轭梯度算法是一种迭代算法，它通过不断地调整方向和步长来优化分子的构型和能量。

遗传算法则是一种模拟生物进化的优化算法，通过不断地交叉和变异来寻找最优解。

总之，分子结构模型的构建和优化计算是计算化学中的一个重要研究方向，它可以用来预测和优化分子的结构和性质。

物理化学实验分子模型建立

物理化学实验—分子模型的建立实验目的实验原理实验步骤实验注意事项数据记录和处理问题讨论化学结构式简单立体结构式球棍立体结构式化学结构式Au晶体结构TiO2晶体结构化学结构式C60结构, football NaCl晶体结构我们怎么来实现以上化学结构式？利用化学软件，在计算机上实现。

分子结构模型的作用：1、教学方面：有助于认识微观结构2、科学研究方面：进行化合物结构表达，进行量子化学计算一、实验目的1、了解建立分子模型的意义（1）教学需要，2）计算基础）2、学习建模软件的使用方法3、建立平面、立体分子模型二、主要设备和软件1、计算机，Pentium IV，256M内存2、ChemOffice7.0；HyperChem7.0 ；ChemWindow6.0等三、实验步骤（一）、使用ChemOffice7.01、ChemOffice7.0包含两个模块ChemDraw；Chem3D。

2、首先使用ChemDraw（1）演示：丁烷、二丁烯、乙酸、丙酮、硝基苯、苯酚等（2）演示：有机实验装置（3）以上复制到word文档中。

分子模型的建立、分子微观性质3、使用Chem3D（1）演示：丁烷、二丁烯、乙酸、丙酮、硝基苯、苯酚等（2）以上复制到word文档中。

（3）可以作课件。

（4）分子模型可以生成量子化学计算模型。

4、使用ChemDraw、Chem3D练习若干例子，将文件以“学号+序号”命名，保存。

交给老师。

要求：尽量熟练掌握软件使用方法。

9：50开始讲解第二部分内容物理化学实验—分子模型的建立物质结构和性能之间的关系：物质的性质从本质上说是由物质内部的结构决定的。

深入了解物质内部的结构，不仅可以理解化学变化的内因，而且可以预见到在适当外因的作用下，物质的结构将发生什么样的变化。

例如研究与氮分子有关的配合物的结构，以及这些结构在不同条件下的变化，就有利于我们在常温常压下寻找固氮的途径。

又例如研究高分子的性能和结构的关系，就为合成各种特殊需要的高分子材料提供了资料。

实验一分子建模、能量优化

理论课+实验课实验一分子建模、能量优化李彦莹-宁波材料所-201728017422008实验一分子建模、能量优化1.分子建模练习：画二维草图（环己烷）线框模型CPK模型球棍模型棍状模型2.体系的能量优化在这个练习中用AMBER力场优化环己烷的能量。

计算环己烷的三个固定构象:椅式、船式、扭船式的能量。

对每种结构进行结构优化,比较能量,决定整体能量最低的构象。

建造椅式环己烷首先建造环己烷的椅式构象,Model Build 将环己烷的椅式构象作为默认构象。

虽没有优化，但是它有一系列标准的键长，键角和扭转角。

测定椅式构象的结构参数现在测定由model build 建造的椅式构象的结构参数。

比较一下这些参数和进行几何优化之后的参数有何不同。

To measure the geometry of the molecule:选择几个键长，键角和扭转角以确定几何结构。

下面所示即为测量结果:键长: 1-2：1.54 Å键角: 1-2-3：109.471°扭转角: 6-1-2-3：60°进行单点计算（Single Point Calculation）下面，进行a single point calculation 以测定未优化构象的总体能量To do a single point calculation:1. 选择Compute菜单中的Single Point.屏幕下方结果显示：Energy= 6.459494kcal/molGradient= 2.796423在局部最优化（能量最小化状态），RMS gradient 应接近于0。

因此，这个模型建造（model-built）的结构采用AMBER力场后，并没有达到局部最小化状态。

优化结构下一步是通过采用分子结构优化使椅式构象的能量达到最小。

进行计算完成了优化的参数设定，可以进行计算了。

左击OK 关闭对话框并开始计算。

几分钟后，结果显示：Energy: 5.701885 kcal/molGradient: 0.055568梯度比原来的小多了。

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