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
分子模拟上机报告
中国地质大学(武汉)
材料与化学学院
分子模拟与设计上机实践报告
班级：
学号：
姓名：
第一题：分别优化下面分子的构型：CH2=CH-OH, CH3CHO并将图片贴在下面空白处。
CH2=CH-OH
CH3CHO
第二题：分别优化1,3,5己三烯、1,3丁二烯、乙烷、乙烯分子的结构，对比他们的C-C键键长变化，并利用化学知识进行分析。
1,3,5己三烯
1,3丁二烯
乙烷
乙烯
由以上键长数据可以看出：
1.对于单键，单键长度乙烷>1 3丁二烯>1,3,5己三烯
2.对于双键, 双键长度乙稀<1,3丁二烯<1,3,5己三烯
原因是: 1,3丁二烯和1,3,5己三烯分子能够形成共轭体系,且1,3,5己三烯的共轭效应大于1,3丁二烯,形成的共轭分子单双键趋向于平均,使得单键变短,双键变长.
第三题：分别用GGA/PW91 和LDA/PPWC方法计算乙烯、丁二烯、苯的分子构型和能量，并作出对比。
GGA/PW91
乙烯
-25.02948eV
丁二烯
-45.39664eV
苯
-61.92826eV
LDA/PPWC 乙烯
-27.33594eV 丁二烯
-49.79371eV 苯
-68.11805eV
第四题：通过计算反应【HX H+ + X-】的反应热，判断苯酚和乙酸的酸性强弱，并将自己的学号标注在—OH上的H原子上。
乙醇
乙酸。
分子的几何构型优化计算
分子的几何构型优化计算分子的几何构型优化计算是一种计算化学方法，旨在确定分子的最稳定结构以及其构型参数，如化学键长度，键角和扭转角等。
构型优化计算对于研究分子的性质和反应机理以及药物设计等许多领域具有重要意义。
本文将介绍分子的几何构型优化计算的基本原理和常用方法。
分子的几何构型优化计算基于量子力学理论，可以通过求解分子体系的哈密尔顿算符来得到最稳定结构和相应的能量。
在构型优化过程中，分子的原子位置被调整以最小化分子的总能量。
常见的方法包括经典力场方法和量子力学方法。
经典力场方法是一种近似的计算方法，它根据力场参数和一些经验规则来描述分子体系的相互作用。
这些方法基于分子的力学和动力学性质，适用于大分子和复杂体系的计算。
常见的经典力场方法有力场参数优化、分子力学和分子动力学方法。
力场参数优化方法通过调整力场参数来获得最佳参数集合，以使计算结果与实验数据或高精度量子力学计算结果吻合。
这些参数通常基于原子电荷、键弹性常数和键角弹性常数等。
该方法的优点是计算速度快，适用于大分子体系。
但缺点是其计算精确度相对较低。
分子力学方法是一种基于力场模型的方法，其中分子体系的能量通过计算相互作用势能项的和来获得。
这些势能项包括键能、角能和非键相互作用能等。
分子力学方法可以应用于各种类型的化学反应和分子性质研究。
该方法的优点是计算速度快，适用于大分子体系。
但缺点是其计算精确度相对较低。
分子动力学方法是一种基于经典力学的方法，其中分子的运动通过计算每个原子的动力学方程来模拟。
该方法能够模拟分子的构型随时间的演化，以及动力学性质和能量转移过程。
分子动力学方法适用于模拟复杂反应和动态性质，具有较高的计算精度。
但该方法的缺点是计算速度相对较慢，尤其是对于大分子体系。
与经典力场方法相比，量子力学方法采用更精确的势能函数来描述分子体系的相互作用。
量子力学方法可以提供分子体系的电子能级、电子云分布和相互作用能等更详细的信息。
常见的量子力学方法有密度泛函理论（DFT）和分子轨道理论（MO）。
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。
分子的几何构型优化计算
分子的几何构型优化计算分子的几何构型优化计算（2）Molecular Modelling Experiments (2)(Gaussian98)1.优化目的：对分子性质的研究是从优化而不是单点能计算开始。
这是因为我们认为在自然情况下分子主要以能量最低的形式存在。
只有能量最低的构型才能具有代表性，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有最低的能量，所以所有研究工作的起点都是构型优化，要将所建立的模型优化到一个能量的极小点上。
只有找到合理的能够代表所研究体系的构型，才能保证其后所得到的研究结果有意义。
分子性质研究的一般模式:2 高斯中所用到的一些术语的介绍Gaussian98的界面2.1势能面在不分解的前提下，分子可以有很多个可能的构型，每个构型都有一个能量值，所有这些可能的结构所对应的能量值的图形表示就是一个势能面，势能面描述的是分子结构和其能量之间的关系，以能量和坐标作图。
根据分子中的原子数和相互作用形式，有可能是二维的，也有可能是多维的。
势能面上的每一个点对应一个具有一个能量的结构。
能量最低的点叫全局最小点，局域最小点是在势能面上某一区域内能量最小的点，一般对应着可能存在的异构体。
鞍点是势能面上在一个方向有极大值而在其他方向上有极小值的点，通常对应的都是过渡态。
优化的目的就是找到势能面上的最小点，因为这个点所对应的构型能量最低，是最稳定的。
2.2确定能量最小值构型优化就是找体系的最小点或鞍点。
能量的一阶导（也就是梯度，注意在数学中，一阶导表示着函数的变化趋势，一阶导为零就表明找到了极值点，这是确定最小值的数学基础）是零，这表明在这个点上的力也是零（因为梯度的负值是力）。
我们把势能面上这样的点称为静态点（也就是上面所说的极小点）。
所有成功的优化都会找到一个静态点，虽然有时找到的静态点并不是想要的静态点。
程序从输入的分子构型开始沿势能面进行优化计算，其目的是要找到一个梯度为零的点。
分子模拟PPT—第七章 MC计算方法
重要取样法
f(x)=g(x)
<g(x)>
g(x) f(x)
g(x)/f(x)
0 误差： 误差：
2
x
0
x
1 σ = [< ( g / f ) 2 > − < g / f > 2 ] L
Metropolis MC 模拟
• 系综平均
< A > NVT = A(r N ) exp(−U (r N ) / kT )dr N ∫ exp(−U (r N ) / kT )dr N ∫
N (riN ) ? • 如何产生 „&ˆ/ Metropolish=
Metropolis 计算法
• 问题：不知道分布函数p(x)，只知道 Boltzmann因子 exp(-βU(x)) • 解决方法：构造一系列构象使其分布函数正 比于Boltzmann因子 p(x) →exp(-βU(x)) • 从o构象到n构象的跃迁几率 1）选择几率 2）接受几率 π (o→n) = σ (o→n) × acc(o→n) • 在系统平衡条件下的细节平衡 p(o) π (o→n) = p(n) π (n→o)
b
I = (b-a) h (N’/N)
End
重要取样法
• g 的系综平均
< g >= ∫ dxg(x)p(x)
• p(x)分布函数 • 重要性取样就是计算平均值时，在p(x)大的 区域采样，而不是均匀取样
I =∫dxg(x)=∫dx
g(x) g(x) f(x)= f(x) f(x)
f
示意图
简单平均值方法
第十章 MC 计算方法
MC 模拟-stochastic 模拟
生物分子结构发现模型优化算法
生物分子结构发现模型优化算法随着生物技术的快速发展，生物分子结构发现在药物研发和生物工程领域扮演着至关重要的角色。
生物分子的结构决定了它们的功能和相互作用，因此了解和预测生物分子的结构对于设计新药物和研究蛋白质功能至关重要。
在分子结构发现的过程中，优化算法被广泛用于搜索最稳定和能量最低的分子结构。
本文将介绍一些常用的生物分子结构发现模型优化算法，为读者提供基本的了解和参考。
1. 分子力场分子力场是一种计算方法，通过定义原子间的相互作用势能，来预测生物分子的结构和性质。
它通过优化分子的力场参数，使其能够准确描述分子间的键长、键角和二面角等结构特征。
分子力场通常使用经典力场模型，如Amber，CHARMM和OPLS等，其中每个原子都受到相互作用势能的影响，通过模拟分子的力学运动，最终找到能量最低的结构。
2. 分子动力学模拟分子动力学模拟是一种基于牛顿力学原理，通过数值求解分子的运动方程，模拟分子在一定温度和压力下的运动过程。
该方法通过模拟分子的动力学行为，可以精确预测分子的结构和性质。
在分子动力学模拟中，优化算法通常使用梯度下降法或共轭梯度法来调整分子的坐标，以找到能量最低的结构。
3. 蒙特卡洛模拟蒙特卡洛模拟是一种基于随机抽样的优化方法，通过生成一系列的随机结构来搜索最稳定的分子能量。
该方法通过随机扰动分子的坐标来改变分子的结构，然后根据结构的能量差异决定是否接受新结构。
它通过重复这个过程，直到找到最佳的结构。
4. 遗传算法遗传算法是一种模拟生物进化的优化方法，被广泛应用于生物分子结构发现中。
遗传算法通过模拟基因的交叉和变异过程，来搜索最优解。
在生物分子结构发现中，每个分子都被看作是一个个体，其结构和能量被编码成染色体。
通过交叉和变异操作来生成新的结构，并根据适应度函数来评估结构的好坏，最终找到最稳定的分子结构。
综上所述，生物分子结构发现模型优化算法在药物研发和生物工程领域有着重要的应用价值。
通过使用分子力场、分子动力学模拟、蒙特卡洛模拟和遗传算法等优化算法，研究人员可以更准确地预测和优化生物分子的结构。
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。
分子构建实验通过模型搭建认识分子结构
分子构建实验通过模型搭建认识分子结构分子构建实验是一种通过搭建模型的方式，帮助我们更好地认识和理解分子的结构。
通过这种实验，我们可以直观地观察和探究分子之间的相互作用及其对物质性质的影响。
本文将介绍分子构建实验的基本步骤以及一些常用的模型搭建方法。
一、分子构建实验的基本步骤分子构建实验一般包括以下几个基本步骤：选择分子、收集实验所需材料、搭建模型、观察分子结构、记录实验数据和总结实验结果。
首先，我们需要选择适合的分子进行实验。
这些分子可以是一些有机化合物，也可以是一些无机化合物。
根据实验的目的，我们可以选择不同的分子。
例如，如果我们想研究酸碱中和反应，可以选择一些酸和碱的分子进行实验。
其次，我们需要收集实验所需的材料。
这些材料包括模型组件、连接器、标签等。
模型组件一般是由一些球体和棍状组件组成，通过连接器将它们连接起来，形成分子的结构。
然后，我们根据所选分子的结构特点，开始搭建分子的模型。
搭建模型的过程需要仔细思考和操作，确保模型的准确性和稳定性。
在搭建模型的过程中，我们可以根据需要调整分子的结构，以便更好地观察和理解分子的性质。
搭建完成后，我们可以通过观察模型来了解分子的结构。
观察时可以从不同角度、不同距离、不同方向等多个角度来观察分子的空间结构。
通过观察，我们可以更好地理解分子的平面构型、空间构型以及分子间相互作用等。
在观察的同时，我们还可以记录实验数据。
实验数据可以包括模型的尺寸、角度、键长等。
记录实验数据有助于我们分析和理解分子的结构特点，并可以用于后续的数据处理和分析。
最后，我们需要总结实验结果。
通过实验观察和数据记录，我们可以得出一些结论，比如分子的几何形状、键的类型、键的长度等。
这些结论对于我们深入理解分子结构和性质具有重要意义。
二、分子构建实验的模型搭建方法在分子构建实验中，我们可以采用多种方法进行模型的搭建。
下面介绍几种常见的模型搭建方法。
1. 空间填充法空间填充法是一种常用的模型搭建方法，通过将分子的球体模型组件安排在空间中，来模拟分子的结构。
分子模拟实验报告-结构优化
分子模拟实验报告一、优化分子几何构形（B3LYP/6‐31++G*）分子 结构 能量（Hartrees） 关键键参数H2O‐76.38552R O(1)‐H(2)=0.969Å∠H(3)‐O(1)‐H(2)=105.5°CH2O‐114.44963R C(1)=O(2)=1.209ÅR C(1)‐H(4)=1.109Å∠H(3)‐C(1)‐O(2)=121.9°HCOOH‐189.67894R C(1)‐O(2)=1.207ÅR C(1)‐O(3)=1.348ÅR C(1)‐H(4)=1.099ÅR O(3)‐H(5)=0.978Å∠O(2)‐C(1)‐O(3)=125.3°∠C(1)‐O(3)‐H(5)=108.1°CH3OH‐115.65888R C(1)‐O(2)=1.426ÅR C(1)‐H(3)=1.093Å∠O(2)‐C(1)‐H(3)=106.3°∠C(1)‐O(2)‐H(6)=108.7°CH4‐40.19567R C(1)‐H(2)=1.084ÅCH3F‐139.68417R C(1)‐F(2)=1.399ÅCH3Cl‐500.01335R C(1)‐Cl(2)=1.806ÅC2H6‐79.76845R C(1)‐C(2)=1.533ÅC2H4‐78.53512R C(1)‐C(2)=1.335ÅC2H2 ‐77.28198 R C(1)‐C(2)=1.208Å(NH2)2CO ‐225.15945 R C(3)‐O(4)=1.224ÅR C(3)‐N(1)=1.389ÅR N(1)‐H(5)=1.013Å∠C(3)‐N(1)‐H(5)=113.3°∠C(3)‐N(1)‐H(6)=118.2°∠O(4)‐C(3)‐N(1)=112.9°二、水的二聚体几何结构优化理论水平 结构AM1‐0.19356 Hartrees‐0.09441 Hartrees∆R O‐H R O‐O ‐0.00474 Hartrees2.158 Å3.117 Å 理论水平 结构HF/6‐31++G*‐152.04304 Hartrees‐76.01774 Hartrees∆R O‐H R O‐O ‐0.00756 Hartrees2.054 Å3.003 Å 理论水平 结构E EB3LYP/6‐31++G*‐152.77986 Hartrees‐76.38552 Hartrees∆ R O‐H R O‐O 0.00882 Hartrees1.959 Å2.935 Å 理论水平 结构MP2/6‐31++G*‐152.43071 Hartrees‐76.20978 Hartrees∆ R O‐H R O‐O 0.01115 Hartrees1.932 Å2.905 Å三、自我测评本次实验主要学习了使用GAMESS进行分子结构优化的操作，并且计算了水二聚体的氢键长度和氢键能量。
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一、目的要求1．掌握Gaussian09W 和GaussView5.0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。
Gaussian09W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。
GaussView5.0是一个专门设计的与Gaussian09W配套使用的软件，其主要用途有两个：构建Gaussian09W的输入文件；以图的形式显示Gaussian09W计算的结果。
本实验主要是借助于GaussView5.0程序构建Gaussian09W的输入文件，利用Gaussian09W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：Gaussian09W、GaussView5.0计算软件2．仪器：计算机1四、实验步骤H20:1. 分子的最稳定结构打开GaussView5.0程序，在GaussView5.0中利用建模工具（View→Builder →），在程序界面元素周期表的位置处找到所需的氧、氢元素，单击即可调入该元素与氢元素的化合物。
绘制出水分子的结构式后，把图形保存成.gif文件（File→Save，取名为1H2O.gif）构建分子成功后，可以利用GaussView5.0查看分子的对称性和坐标。
从Edit→point group路径可以查看所构建的分子点群；从Edit→atom list 路径可以产看所构建的分子内坐标和直角坐标。
用记事本打开刚才保存的1H2O.gif，把计算方法及关键词改为 #p HF/6-31G(d) opt (maxcycle=300) freq, 并对题目进行修改，再保存。
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。
实验分子构型优化
实验分⼦构型优化实验⼀分⼦构型优化⼀、⽬的要求1. 了解Gaussian程序中优化分⼦结构的基本原理和流程。
2. 掌握优化分⼦结构的计算技术及判断优化是否正常完成的标准。
3. 学会查看结果⽂件并能对简单出错信息进⾏处理。
⼆、基本原理寻找分⼦的平衡⼏何构型是计算化学中最常见最普遍的应⽤。
学过结构化学，我们知道，分⼦的结构决定其性质。
在实际的实验过程中，可能有很多原因，使我们很难观测到分⼦的稳定结构，如存在寿命很短的中间体、过渡态、或者是混合物难以分离、或者因为不稳定容易分解等很多因素，使得实验上测到分⼦稳定构型的可能性很⼩，这时我们就可以借助计算化学来帮忙预测。
2.1 势能⾯在进⾏分⼦结构优化前，⾸先我们需要了解势能⾯（Potential Energy Surface，PES）的概念。
根据Born-Oppenheimer近似，分⼦基态的能量可以看作只是核坐标的函数，体系能量的变化可以看成是在⼀个多维⾯上的运动，这个多维⾯就是势能⾯。
势能⾯是⼀个超平⾯，由势能对全部原⼦的可能位置构成，全部原⼦的位置可⽤3N-6个坐标来表⽰（双原⼦分⼦，独⽴坐标数为1）。
其中，在直⾓坐标系中，N指的是原⼦数，3N是指直⾓坐标数，描述平动坐标的数为3，描述转动坐标的数为3，独⽴的坐标数为3N-6；在内坐标系中，内坐标⾃由度的数⽬为3N-6。
具体来讲，在不分解的前提下，分⼦可以有很多个可能的构型，每个构型都有⼀个能量值，所有这些可能的结构所对应的能量值的图形表⽰就是⼀个势能⾯。
势能⾯描述的是分⼦结构和其能量之间的关系，以能量和坐标作图。
势能⾯上的每⼀个点对应⼀个结构。
势能⾯上的点最令我们感兴趣的是势能对坐标⼀阶偏导数为零的点，即梯度(gradient)都为零。
势能对坐标⼀阶偏导数对应着⼒，因此处于势能⾯上这样的点所受到的⼒为零，这样的点称为驻点（stationary point）。
驻点分为三种，极⼩点（Minimum）、极⼤点（Maximum）和鞍点（saddle point），如图2-1所⽰。
武汉大学分子模拟实验设计实验
武汉大学化学与分子科学学院《分子模拟实验》实验报告设计实验——有关消去反应的探究指导老师：侯华姓名：陆文心专业：化学弘毅班学号：2012301040179日期：2015年1月8日（周四下午）一、背景介绍消去反应（elimination ）是有机化学中一类常见的反应，根据机理的不同，主要可分为E1（单分子消去反应）、E2（双分子消去反应）和E1cb （单分子共轭碱消去反应）等类型。
它作为一类常见而常用的反应，其机理很早就被研究出来。
本实验旨在从计算化学的角度，利用已掌握的Chem3D 软件功能，结合本学期所学的一些分子模拟实验相关知识，对一个典型的消去反应：CH 3CH 2Br ——→OH -CH 2=CH 2 + HBr作出相关探究。
二、主要问题（1）资料显示，该反应属于E2反应。
设计出此反应的过渡态，并通过比较过渡态与原始构型，说明该反应的过程。
（2）绘出此反应的反应途径，计算活化能及反应热。
（3）探究溶剂（水、乙醇、甲苯）对此反应的影响。
（4）作出反应物CH 3CH 2Br 的红外及拉曼光谱，比较并分析二者的异同。
三、实验方案1. 过渡态的优化根据反应机理，氢氧根离子进攻与溴原子相连的碳原子邻位的碳原子，同时保证与溴原子处于“反式共平面”的位置关系。
由于该反应为双分子消去反应，氢原子与溴原子的离去是同时发生的，故可设计出反应的过渡态。
优化方法选用最常用的HF，关键在于基组的选择。
常用的为6-31，由于此反应物中含有重原子Br，为保证计算结果的准确性，使用弥散函数sp；由本学期所学的知识，在不确定壳层性质的情况下，优先选用RO（Restricted Open-Shell）。
故选用理论水平为ROHF/6-31++G(d)。
过渡态中氢氧根离子所带电荷为-1，故过渡态的净电荷为-1。
综上所述，相关设置界面如下：优化完毕，应计算频率，若只有一个虚频率，才可判断此过渡态为真正的过渡态。
2. 反应途径的绘制与热力学量的计算由Optimize to Transition State可得出过渡态的能量。
武汉大学分子模拟实验作业综合实验
Spectral Analysis:
Vibration 1: Frequency = -920.48 T-Dipole = 0.5510 Travel = 0.0846 Reduced Masses = 2.3325 Effective Masses = 10.2247
114.911
HOMO-4
-22.024
-31.921
-19.809
LUMO+11
74.281
HOMO-5
-22.41
-43.94
-20.395
LUMO+10
237.766
70.667
HOMO-6
-26.313
-21.054
LUMO+9
206.472
60.713
HOMO-7
-28.079
-21.781
2、构象搜索与分子间长程相互作用
（1）计算丁二烯分子绕CCCC二面角转动的构象，确定稳定构型，并计算内转动的能垒高度
内转动能垒高度计算：
E(-100 °)= 8.66 kcal/mol
E(100 °)= 8.68kcal/mol
E(0°)= 2.27kcal/mol
能垒高度：
ΔE1=8.66-2.27= 6.39kcal/mol
C2H4---HOMO= -17.603 eVC2H4---LUMO= -0.416 eV
C6H10---HOMO= -14.873 eVC6H10---LUMO= -1.484 eV
分子轨道能量
C4H6/eV
C2H4/eV
C6H10/eV
武汉大学 侯华 分子模拟实验报告 1分子优化
一、优化常见分子1.0841.3651.7850.9431.3980.9421.0881.182 1.3221.184 1.5271.3161.212二、水的二聚体HF/6-31 -95409.0-95651.6-95871.6-110.4三、收获与感想1.实验结果C-H键长约为1.08 Å，O-H键长约为0.94 Å，C=O键长约为1.18 Å，C-F键长约为1.37 Å，C-Cl键长约为1.79 Å，碳碳单键约为1.53 Å，碳碳双键约为1.32 Å，碳碳三键约为1.21 Å，等等。
水的二聚体实验结果为氢键长度O-O大约为 2.9~3.0Å；氢键强度D~5.0 kcal/mol。
HF/6-31++G(d)方法的计算结果与实验数据最接近。
2.理论方法在求解Hartree-Fock-Roothaan方程时，可以把分子轨道向某一基组（basis set）展开，从而把非线性的微积分方程转化为一组代数矩阵方程，简化计算过程。
3.模拟技巧建模要迅速采用最简便的方法，不要浪费太多时间。
本次实验都是简单分子，都可以采用分子式输入直接建模法。
水的二聚体建模，可以直接输入两个水分子，灵活运用shift键，调整好两个水分子之间的距离（1.8 Å左右）以及取向，右键勾选显示氢键，即可。
每次计算之前都要检查一遍设置选项，特别是五个重要选项，以免运行错误。
文件以及截图保存的文件名命名需要有序且注明内容。
可采取数字编号+分子式的格式。
以免需要再次打开时难以寻找。
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。
大学化学实践：分子结构模型制作教案
大学化学实践：分子结构模型制作教案1. 引言1.1 概述在大学化学教育中，实践是培养学生实际操作能力和科学思维的重要环节之一。
分子结构模型制作是化学实践中一项关键的技能，它能够帮助学生更好地理解和掌握分子结构，加深对其中化学原理的认识。
通过自己亲手制作分子结构模型，学生可以将抽象的化学概念具象化，提高自己的空间想象和创造力。
1.2 文章结构本文主要包括五个部分。
首先是引言部分，介绍了大学化学实践和分子结构模型制作教案的背景和意义。
其次是正文部分，详细阐述了本文讨论的主要内容及相关知识。
接下来，在第三部分将给出一个具体示例——分子结构模型制作教案，包括教学目标、实验步骤以及材料与仪器准备等内容。
然后，在第四部分将进行总结，并探讨该实践对于学生的启发和影响以及在实践过程中可能遇到的挑战和解决方法。
最后，在第五部分会对整篇文章进行总结，并展望未来可能的改进方向和研究方向。
1.3 目的本文的主要目的是以大学化学实践为背景，针对分子结构模型制作教案进行详细探讨。
通过引言部分，读者能够了解到这篇文章的整体框架、内容和目标。
本文旨在提供一个有关分子结构模型制作教案的全面指南，帮助教师设计出更有效、富有启发性的实践活动，并且对相关教育工作者、学生和研究人员具有一定的参考价值。
2. 正文：大学化学实践是化学教育中重要的一环，通过理论与实验相结合的方式，帮助学生更好地理解和应用所学的化学知识。
其中，分子结构模型制作教案是一种常见而有效的实践活动。
本节将详细介绍分子结构模型制作教案在大学化学实践中的意义、步骤、材料与仪器准备等方面内容。
2.1 分子结构模型制作教案的意义分子结构模型是一种以可视化形式展示分子结构和化学键之间关系的工具。
通过亲身参与分子结构模型制作，学生不仅能够深入理解分子间相互作用的规律，还可以巩固对有机化合物、无机离子等复杂结构的理解。
此外，制作分子结构模型还能培养学生观察、动手操作和团队合作能力，提高他们在实验中遇到问题时进行思考和解决问题的能力。
分子结构模型的搭建与解释
举例说明分子结构模型在科研和教学中的具体应 用，包括在哪些领域取得了重要的成果，以及如 何帮助学生更好地理解和掌握化学知识。
02
分子结构模型基本概念
分子结构定义
分子结构
分子中原子的空间排列，包括原子间的化学键和分子整体的几何 形状。
化学键
原子间通过共享或转移电子形成的相互作用力，决定分子的稳定 性和性质。
通过分子结构模型预测新 材料的性能，指导实验合 成。
晶体结构解析
利用分子结构模型分析晶 体的原子排列，揭示材料 的物理和化学性质。
材料性能优化
通过调整分子结构模型中 的参数，优化材料的力学 、热学、电学等性能。
生物学中的应用
生物大分子结构解析
01
利用分子结构模型揭示蛋白质、核酸等生物大分子的三维构象
分子结构模型的搭建与解释
汇报人:XX
2024-01-13
目
CONTENCT
录
• 引言 • 分子结构模型基本概念 • 搭建分子结构模型的步骤 • 解释分子结构模型的方法 • 分子结构模型在化学领域的应用 • 分子结构模型在其他领域的应用 • 总结与展望
01
引言
目的和背景
理解分子结构
通过搭建分子结构模型，可以直观地理解分子的三维构型 、键长、键角等关键信息，有助于深入掌握化学知识。
分子结构模型种类
球棍模型
用球表示原子，棍表示化学键，直观展示分子的三 维结构和空间构型。
比例模型
按照原子实际大小比例制作的模型，更真实地反映 分子内部结构。
电子云模型
展示电子在原子周围的概率分布，反映化学键的成 键方式和电子的运动状态。
搭建分子结构模型的意义
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
答：中性
等电点
7.3 结构调整和优化
以H2O的二聚体为例：
A. 画出(H2O)2的3D结构。
B. 理论水平HF/6-31++G*，用GAMESS优化(H2O)2，O—O距离为2.995 Å，H—O距离为2.046 Å，E1 = -152.04314 Hartree；用同样方法优化单个H2O分子，能量E2 = -76.01774 Hartree。
氢键强度D = E1 - 2E2 = -7.66×10-3 Hartree。
C. 理论水平MP2/6-31++G*，用GAMESS优化(H2O)2，O—O距离为2.889 Å，H—O距离为1.916 Å，E1 = -152.43071 Hartree；用同样方法优化单个H2O分子，能量E2 = -76.01774 Hartree。
氢键强度D = E1 - 2E2 = -0.39523 Hartree。
D. 理论水平B3LYP/6-31++G*，用GAMESS优化(H2O)2，O—O距离为2.891 Å，H—O 距离为1.919 Å，E1 = -152.78121 Hartree；用同样方法优化单个H2O分子，能量E2 = -76.01774 Hartree。
氢键强度D = E1 - 2E2 = -0.74573 Hartree。
E. 半经验方法PM3，用Mopac优化(H2O)2，O—O距离为2.769 Å，H—O距离为1.809 Å，E1 = -110.36328 kcal/mol；用同样方法优化单个H2O分子，能量E2 = -53.42650 kcal/mol。
氢键强度D = E1 - 2E2 = -3.51028 kcal/mol。
7.4 分子结构的确定
1. 原子类型的确认
问题7-4-1 指出下列分子中各原子的类型（氢除外）
CO2，C6H5NH2，HCN，CH3NO2
答：
2. 分子结构的合理显示
问题7-4-2 从样本文件中取出催化剂分子——Grubbs二代催化剂，作出你认为有“化学意义”的分子结构图，并说明原因。
答：
原因：钌原子显然是该催化剂的核心，是有化学意义的部位；而Grubbs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，设计出的第二代Grubbs 催化剂含有具有更强给电子能力和更高稳定性的N-杂环卡宾配体，故磷原子和此氮杂环也有化学意义；个人认为苯亚甲基起到了增加空间位阻的作用，且第一代催化剂中也含有此结构，故苯亚甲基也是具有化学意义的结构。
综上，笔者省去了与氮杂环结合的两个均三甲苯基、与磷原子结合的三个环己基（用线条图显示）。
四、收获与感想
通过本次实验，我基本掌握了Chem3D软件的一些基本操作，能够借助Chem3D，使用分子式直接输入法、化学键法、ChemDraw法熟练地创建不太复杂分子的三维结构，加氢饱和价键与加电荷，并首次尝试了使用Calculation工具对已创建的分子进行优化与调整，认识到了氢键在氢键络合物中降低能量的程度，最后学会了确定原子类型，知道如何选择性地突
出显示分子中的某些结构。
这次实验使我感受到了Chem3D软件的强大，以前自己使用时不知道其中的Calculation 功能，这次才了解到可以用它快速进行运算量庞大的计算、优化。
同时，也发现不同的理论水平与计算方法由于所处地位不同，对分子的优化给出的结果也不同，地位更高的量子化学方法能得到更为可靠的优化分子结构。