第四章-3D构型图-Chem3D

3. 软件主要使用方法 (1) 软件界面
菜单条
工具条 状态栏
其它显示 窗(隐藏)
模型窗
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)
➢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
原子(内)坐标列表
Chemdraw面板 构型参数列表
二面角变化图
绕轴旋转等动 画演示
信息窗控制 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
Ball & Stick (常用)
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
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HOMO轨道图
Display model子选项： 实心图
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
调用Gamess量化程序包 Jaguar和Mopac非内 嵌，需用户购买
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
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
6
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：
选择一定距离或其 它特定要求的原子
显示或隐藏 显示方式设定
显示元素符号/编号
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
修改键类型
学
键
与原子
属
属性内
性
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
(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.构造邻、间、对位三种硝基甲苯的构型: (1) 采用AM1方法对上述三个构型进行优化，比 较三者能量稳定性，并计算C—N和N—O键长； (2) 计算三种构型中硝基功能团所带电荷，考察位 置变化对硝基电荷的影响。
计算方法选择： 从头算方法
HF MP2 DFT GVB MCSCF CI以及CC等
半经验方法
MNDO AM1 PM3
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。
例：采用AM1方法研究正丁烷的结构稳定性
-15007.43 Kcal/Mol
-15006.36 Kcal/Mol
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
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
通过旋转调整 某个二面角
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:
(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)
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
键
(简并态)
LUMO (简并态)
反键
(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)
-15006.99 Kcal/Mol
-15004.63 Kcal/Mol
TS
TS
2.4 kcal
1.1 kcal
0.4 kcal
课堂习题： (1) 采用PM3方法优化(5,5)碳纳米管的构型； (2)计算O原子在(5,5)碳纳米管的吸附能:
(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
上机习题：
1.构造丹参醌的三维构型图,并在图中标出所有环上 的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°)；
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；
工具条显示控制选项：
计算正 在进行
终止计算
➢结构菜单：分子结构参数的测量以及对构型的定位 和反演等对称操作。
构型调整
结构参数包括键长、键角 以及二面角等
可直接标出结构参数
➢计算菜单：对所绘制构型进行分子动力学、构型优 化以及性质计算等
计算结果输出控制 终止计算
扩展Huckel计算(半经验) MM2分子力学计算
➢分子三维结构的绘制：包括原子、化学键等基 本绘制功能；
➢构型的测量：能便捷地显示体系的键长、键 角、二面角等信息；
➢多种分子构型的3D显示方式：包括线、棒、球— 棒、球堆积等；并可制作构型变化的3D动画；
3D动画：
300K
500K
冰在不同温度下构型变化的MM2分子动力学模拟
➢具有较强的计算功能：利用程序 内嵌的基于分子力学的MM2方法， 可对分子构型进行动力学模拟。同 时，利用内嵌的GAMESS量子化学 软件包，可对分子构型进行优化， 以及计算IR、Raman以及NMR等 性质。其方法覆盖了经验方法、半 经验方法以及不同水平的精确从头 算方法。
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 0.7 0.0 0.0 C -0.7 0.0 0.0 H 0.87 0.5 0.0 H -0.87 0.5 0.0 H -0.87 -0.5 0.0 H 0.87 -0.5 0.0
➢ 内坐标(z-matrix)方法
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
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
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
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
由输入的文 本创建构型
移动原子或
选择按钮
旋转
分子局部
整体平移 放大/缩小
删除按钮
从View菜单中的Toolbars选项激活Building工具条
➢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.
追加构型 构型替代 清除构型
锁定窗口
同步更新
构型自动调整 从Chem3D 复制构型到
Chemdraw
(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
显示每轮 迭代信息 记录每轮 构型(动 画显示)
状态栏：
输出每轮 结Βιβλιοθήκη Baidu参数
构型收敛标准
旋转时相应 调整坐标
绕x,y,z轴旋转
绕某根键旋转
绕某根键旋转： 先选择一根键
通过旋转调整某个二面角：
先选择三根键 旋转过程中原子间的相对位 置发生改变
➢平移操作 整体平移：
局部平移：
➢对象属性编辑操作 选择对象后，点击鼠标右键来修改对象属性
原 子 属 性
颜色设定 原子范围
将该原子所用 输入文本取代
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
分子绕轴/键旋转
(2) 构型基本操作方法
➢选择操作
➢放大、缩小操作 ➢旋转操作
需要激活建模(building) 工具条后进行
➢平移操作
➢对象属性(原子/键/标识)编辑操作
➢与其它软件的接口(构型的导入与导出)
Building工具条说明： 定义键类型
键角 2
二面角 4
3 1
键长
3 1
C 4
5 2 C
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
对同一构型，内坐标的表示并不唯一
在同侧共面
1 2
C 3
5 4 C
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。
(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
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：
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：
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
显示远近和深浅控制 显示x，y，z轴取向 背景以及颜色控制
显示元 素符号 和编号
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)