利用Hyperchem软件进行分子结构构建及性质计算

利用Hyperchem软件进行分子结构构建及性质计算实验目的1.初步了解分子模型方法的原理和应用。

2.学习使用Hyperchem软件构建简单的分子并使用适当方法优化结构。

3.学习使用Hyperchem软件计算简单分子的几何和电子性质。

实验原理化学的学习使我们认识了许多分子的分子式及二维结构，如何得到分子的三维结构，以及分子在空间的几何特征和电子特征，则可以借助于理论计算的工具和方法去模拟计算。

HyperChem软件是HyperCube公司开发的Windows界面程序。

是常用的分子设计和模拟软件。

它可以应用于构建简单及复杂的分子模型并进行综合计算与分析。

分子构建过程可以通过熟练各个菜单及工具栏的操作来实现，计算和分析需要我们了解常用的计算方法。

在本实验室中我们需要了解一下计算方法，这些方法位于HyperChem的Setup菜单下。

(1)分子力学(Molecular Mechanics)方法：分子力学又叫力场方法，目前广泛地用于计算分子的构象和能量。

适用于超大规模体系，超低精度计算。

分子力学的基本假设：玻恩-奥本海默近似，原子核的运动与电子的运动可以看成是独立的；分子是一组靠各种作用力维系在一起的原子集合。

这些原子在空间上若过于靠近，便相互排斥；但又不能远离，否则连接它们的化学键以及由这些键构成的键角等会发生变化，即出现键的拉伸或压缩、键角的扭变等，会引起分子内部应力的增加。

每个真实的分子结构，都是在上述几种作用达到平衡状态的表现。

分子力学从几个主要的典型结构参数和作用力出发来讨论分子结构，即用位能函数来表示当键长、键角、二面角等结构参数以及非键作用等偏离“理想”值时分子能量的变化。

不同的分子力场方法采用不同的势能函数。

MM+：适用于有机分子的计算。

Amber：适用于有机分子、蛋白质和核酸等大分子的计算。

(2)半经验计算(Semi-empirical)方法：是求解HF(Hartree-Fock)方程时采用各种近似，或者直接使用拟合的经验参数来近似求解自洽场。

采用单电子近似，完全不考虑双电子作用而挑选的等效单电子Hamilton算符。

适用于大规模体系，低精度计算。

其中AM1和PM3方法都适用于基态分子的计算。

(3)密度泛函(Density Functional，DFT)方法，是基于量子力学和玻恩-奥本海默绝热近似的从头算方法中的一类解法，是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。

通过电子密度的泛函计算电子相关。

通过把电子能量分成动能，电子-核相互作用，库仑排斥和说明剩余电子相互作用的交换相关项这几部分进行分别计算。

适用于小规模体系，高精度计算。

DFT中包含很多泛函计算方法，其中B3LYP泛函是经常使用的方法。

此外需要选择合适的基组。

基组是体系轨道的数学描述，对应着体系的波函。

将其带入到薛定谔方程中，就可解出体系的本征值（也就是能量）。

本次实验采用中等基组6-31G(d,p)或6-31G**。

6-31G是劈裂价键基组。

劈裂价键基组可以用于增大所描述轨道的大小(也就是轨道的尺寸)，但不能改变形状。

极化函数可以通过给轨道添加角动量来改变轨道的形状(或者说更准确的描述分子的轨道，因为有些分子有很强的共扼体系，对这样体系的描述加极化函数是非常有必要的)。

极化基组6-31G(d,p)，表明在6-31G劈裂价键基组的基础上对重原子(如C，N，S等)添加d函数，对H原子添加p函数。

模型计算软件及计算机Hyperchem软件Windows版，电脑一台。

实验步骤构建甲醇，甘油及环己醇分子及性质计算分析(1)打开Hyperchem软件界面，双击工具栏Draw，点中C原子，在界面上单击，出现一个C原子。

(2)点击Build，在下拉菜单里选择Add hydrogens，可以看到界面中出现CH4.(3)双击工具栏Draw，点中O原子，然后在CH4的一个H原子处，点击H原子，这时候H原子就被O原子取代，然后重复(2)操作，可以得到CH3OH.(4)点击Display，在下拉菜单里点Labels，在弹出对话框中选Symbol，可以在界面中看到元素的符号；然后Display--Labels--Bond Length，在界面中出现键的键长，记录下各个键的键长，此为初始键长。

(5)点Select，勾选Atoms和Multiple Selections，然后选中分子中的三个连续的原子，然后点Edit，在下拉菜单里点Set Bond Angle，在弹出对话框里可以看到角度值，记录下这三个原子之间的角度，依次类推，记录其它三个原子之间的键角。

此为初始键角。

(6)点Setup，在下拉菜单里点Molecular Mechanics，在弹出对话框里选MM+，然后OK。

(7)点Compute，在下拉菜单里点Geometry Optimization，然后OK。

可以看到界面窗口中分子在优化过程的变化情况。

计算完成后，我们在界面的左下角会看到Conv=Yes的字样，说明计算完成，还会显示分子的能量E,右下角是选用的计算方法，MM+。

(8)然后Display--Labels--Bond Length，在界面中出现键的键长，记录下各个键的键长。

(9)点Select，勾选Atoms和Multiple Selections，然后选中分子中的三个连续的原子，然后点Edit，在下拉菜单里点Set Bond Angle，在弹出对话框里可以看到角度值，记录下这三个原子之间的角度，依次类推，记录其它三个原子之间的键角。

(10)点Compute，在下拉菜单里点Properties，在弹出对话框里记录Total Energy，Dipole Moment及单位，然后点Details记录下进一步详细的数据。

(11)点Setup，在下拉菜单里点Molecular Mechanics，在弹出对话框里选Amber，然后OK。

(12)点Compute，在下拉菜单里点Geometry Optimization，然后OK。

可以看到界面窗口中分子在优化过程的变化情况。

计算完成后，我们在界面的左下角会看到Conv=Yes的字样，说明计算完成，还会显示分子的能量E,右下角是选用的计算方法，Amber。

然后重复步骤(8)，(9)，(10)，记录相关数据。

(13)点Setup，在下拉菜单里点Semi-empirical，在弹出对话框里选AM1，然后OK。

(14)点Compute，在下拉菜单里点Geometry Optimization，然后OK。

可以看到界面窗口中分子在优化过程的变化情况。

计算完成后，我们在界面的左下角会看到Conv=Yes的字样，说明计算完成，还会显示分子的能量E,右下角是选用的计算方法，AM1。

然后重复步骤(8)，(9)，(10)，记录相关数据。

(15)点Compute，在下拉菜单里点Plot Molecular Graphs,在弹出对话框中Property选Electrostatic Potential，然后在Representation里选2D Contours，这是在界面里出现静电势图，然后点Edit，在下拉菜单里点Copy Image，然后粘贴到Word文档里。

点工具栏里的Select，在界面上点击分子，则图像消失。

这时我们可以来显示其它图形。

同理，点Compute，在下拉菜单里点Plot Molecular Graphs,在弹出对话框中Property选Electrostatic Potential，然后在Representation里选3D Isosurface，然后点Edit，在下拉菜单里点Copy Image，然后粘贴到Word文档里。

(16)点Compute，在下拉菜单里点Orbitals，在弹出对话框中Orbital里选中LUMO (即最低空轨道)，在白色长条里输入0，记录Energy和Symmetry，然后Orbital Plotting里选中3D Isosurface，点Plot，界面中出现轨道图，然后点Edit，在下拉菜单里点Copy Image，然后粘贴到Word文档里。

同样，点Compute，在下拉菜单里点Orbitals，在弹出对话框中Orbital里选中HOMO(即最高占据轨道)，在白色长条里输入0，记录Energy和Symmetry，然后Orbital Plotting里选中3D Isosurface，点Plot，界面中出现轨道图，然后点Edit，在下拉菜单里点Copy Image，然后粘贴到Word文档里。

计算出(LUMO—HOMO)的能量差值。

(17)点Setup，在下拉菜单里点Semi-empirical，在弹出对话框里选AM1，然后OK。

(18)点Compute，在下拉菜单里点Geometry Optimization，然后OK。

可以看到界面窗口中分子在优化过程的变化情况。

计算完成后，我们在界面的左下角会看到Conv=Yes的字样，说明计算完成，还会显示分子的能量E,右下角是选用的计算方法，PM3。

然后重复步骤(8)，(9)，(10)，记录相关数据。

(19)重复(15)，(16)的操作，记录相关数值及复制图形。

(20)点Setup，在下拉菜单里点Density Functional，在弹出对话框里Orbital Basis Set选Large，然后OK。

(21)点Compute，在下拉菜单里点Geometry Optimization，然后OK。

可以看到界面窗口中分子在优化过程的变化情况。

计算完成后，我们在界面的左下角会看到Conv=Yes的字样，说明计算完成，还会显示分子的能量E,右下角是选用的计算方法，Density。

然后重复步骤(8)，(9)，(10)，记录相关数据。

(22)重复(15)，(16)的操作，记录相关数值及复制图形。

(23)基于以上对甲醇计算分析的基础上，分别构造甘油和环己醇的分子结构，然后重复步骤(20)和(21)的操作，记录相关数据。

(24)重复(16)的操作，计算出(LUMO—HOMO)的能量差值。

思考题1.比较Hyperchem下各种方法下计算得到的甲醇分子的键长的差别，同时与高斯软件计算的高精度的DFT计算值比较，并计算相对误差。

注：高斯高精度DFT计算值在B3LYP/6-31G(d,p)理论水平下完成。

计算值见下图。

2.比较Hyperchem下甘油和环己醇的DFT计算值与高斯软件计算的高精度的DFT计算值，并计算相对误差。

注：高斯高精度DFT计算值在B3LYP/6-31G(d,p)理论水平下完成。

计算值见下图。

3.简述静电势(Electrostatic Potential)的含义并举例说明分子的静电势可以解释哪些现象。

4.简述LUMO和HOMO，(LUMO—HOMO)能量差值的具体含义。