chemdraw-07-Chem3D详细指导

1、第四章、三维构型图的创建第四章、三维构型图的创建- -Chem 3D 使用使用章永凡章永凡1. 分子构型的三维描述方法分子构型的三维描述方法 直角坐标系方法直角坐标系方法C 0.7 0.0 0.0C -0.7 0.0 0.0H 0.87 0.5 0.0H -0.87 0.5 0.0H -0.87 -0.5 0.0H 0.87 -0.5 0.0 内坐标内坐标(z-matrix)方法方法 内坐标与直角坐标之间的区别在于，它侧重于从原子之间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的键连角度来描述原子间的相对位置相对位置，具体参数包括：，具体参数包括： 键长：两个原

2、子间的距离键长：两个原子间的距离( 需用两个原子描述需用两个原子描述) 键角：确定二根键之间的夹角键角：确定二根键之间的夹角(需用三个原子描述需用三个原子描述) 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 (需用四个原子描述需用四个原子描述)内坐标的输入格式为：内坐标的输入格式为： 原子原子1,原子原子2,键长键长,原子原子3,键角键角,原子原子4,二面角二面角1234键长键长键角键角二面角二面角CC123456CC 1 1.3H 1 1.0 2 120.0H 1 1.0 2 120.0 3 180.0H 2 1.0 1 120.0 3 0.0H

3、2 1.0 1 120.0 3 180.0在同侧共面在同侧共面对同一构型，内坐标的表示并不唯一对同一构型，内坐标的表示并不唯一CC241356HC,1,1.0H,2,1.0,1,120.0C,2,1.3,1,120.0,3,180.0H,4,1.0,2,120.0,1,0.0H,4,1.0,2,120.0,1,180.02. 软件简介软件简介 Chem 3D 软件是软件是ChemOffice的主要模块，用的主要模块，用于分子的三维空间模型显示与构造，并可以结合于分子的三维空间模型显示与构造，并可以结合分子力学分子力学(MM)或量子力学或量子力学(QC)方法对分子构型方法对分子构型进行优化和性质

4、计算，是一个具有较强功能的结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：构化学计算软件，主要功能如下：分子三维结构的绘制：包括原子、化学键等基分子三维结构的绘制：包括原子、化学键等基本绘制功能；本绘制功能；构型的测量：能便捷地显示体系的键长、键构型的测量：能便捷地显示体系的键长、键角、二面角等信息；角、二面角等信息；多种分子构型的多种分子构型的3D显示方式：包括线、棒、球显示方式：包括线、棒、球棒、球堆积等；并可制作构型变化的棒、球堆积等；并可制作构型变化的3D动画；动画；3D动画：动画：冰在不同温度下构型变化的冰在不同温度下构型变化的MM2分子动力学模拟分子动力学

5、模拟300K500K具有较强的计算功能：利用程序具有较强的计算功能：利用程序内嵌的基于分子力学的内嵌的基于分子力学的MM2方法，方法，可对分子构型进行动力学模拟。同可对分子构型进行动力学模拟。同时，利用内嵌的时，利用内嵌的GAMESS量子化学量子化学软件包，可对分子构型进行优化，软件包，可对分子构型进行优化，以及计算以及计算IR、Raman以及以及NMR等等性质。其方法覆盖了经验方法、半性质。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经验方法以及不同水平的精确从头算方法。算方法。3. 软件主要使用方法软件主要使用方法(1) 软件界面软件界面模型窗模型窗信息窗信息窗菜单条菜单条工具条

6、工具条状态栏状态栏其它显示其它显示窗窗(隐藏隐藏)菜单栏说明菜单栏说明 文件菜单：用于文件打开、保存和打印等文件菜单：用于文件打开、保存和打印等控制软件默认选项，包控制软件默认选项，包括模型的显示方式、模括模型的显示方式、模型构造、字体大小和颜型构造、字体大小和颜色等色等所支持的文件类型：所支持的文件类型：默认文件默认文件(c3xml)晶体结构文件晶体结构文件(cif)Chemdraw文件文件(cdx)ISIS/draw文件文件(skc)Gaussian, Gamess量化量化软件输入文件软件输入文件Mol文件由文件由Weblab viewer产生产生构型默认构型默认显示方式显示方式H原子、原

7、子、H氢氢键以及孤对电键以及孤对电子显示控制子显示控制是否显示元素是否显示元素符号和编号符号和编号背景色设置背景色设置3D动画动画控制控制原子球的大小原子球的大小原子扩展原子扩展空间大小空间大小化学键的粗细化学键的粗细颜色和字体设置颜色和字体设置原子颜原子颜色方案色方案缺省颜缺省颜色设置色设置字体类型、字体类型、大小和颜色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删除所选部分构型选择分子碎片选择分子碎片反向选择反向选择显示菜单：控制显示方式、定位以及坐标、构型参显示菜单：控制显示方式、定位以及坐标、构型参数表显示设置等

8、数表显示设置等显示模式显示模式显示方向以及定位显示方向以及定位工具条显示控制工具条显示控制构型浏览窗构型浏览窗Chemdraw面板面板原子原子(内内)坐标列表坐标列表构型参数列表构型参数列表信息窗控制信息窗控制二面角变化图二面角变化图各种谱图显示各种谱图显示绕轴旋转等动绕轴旋转等动画演示画演示构型的显示方式设置构型的显示方式设置(可按空格键切换可按空格键切换)：Wire frameStickBall & Stick (常用常用)Cylindrical bondsSpace fillingModel display其它选项：其它选项：H原子、原子、H氢键以及氢键以及孤对电子显示控制孤对电子显示控

9、制显示元显示元素符号素符号和编号和编号显示远近和深浅控制显示远近和深浅控制显示显示x，y，z轴取向轴取向背景以及颜色控制背景以及颜色控制View position子选项：子选项：选择显示中心选择显示中心改变图像大小改变图像大小定义显示的方定义显示的方向向(两个原子两个原子)或或平面平面(三个原子三个原子)工具条显示控制选项：工具条显示控制选项：计算正计算正在进行在进行终止计算终止计算结构菜单：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。和反演等对称操作。结构参数包括键长、键角结构参数包括键长、键角以及二面角等以及二面角等构型调整构型调整可直接

10、标出结构参数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优化以及性质计算等计算结果输出控制计算结果输出控制终止计算终止计算扩展扩展Huckel计算计算(半经验半经验)MM2分子力学计算分子力学计算调用调用Gamess量化程序包量化程序包Jaguar和和Mopac非内非内嵌，需用户购买嵌，需用户购买MM2分子力学功能：分子力学功能：能量最小化能量最小化(构型优化构型优化)分子动力学模拟分子动力学模拟性质计算性质计算显示计算所使用的参数显示计算所使用的参数Gamess计算功能：计算功能：能量最小化能量最小化(构型优化构型优

11、化)优化过渡态构型优化过渡态构型性质计算性质计算IR/Raman/NMR光谱计算光谱计算输入和输出文件控制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电荷密度图像等选择所要绘制的图像选择所要绘制的图像图像显示方式图像显示方式图像颜色设置图像颜色设置图像分辨率设置图像分辨率设置选择所要绘制选择所要绘制的分子轨道的分子轨道图像取值范围图像取值范围图像正负颜色设置图像正负颜色设置Choose surface子选项：子选项：溶剂接触区域溶剂接触区域Connolly表面表面 (蛋白质蛋白质)总电荷密度总电荷密度总自旋密度总自旋密度分

12、子静电势分子静电势分子轨道分子轨道除去所绘制表面除去所绘制表面苯分子总电荷密度图苯分子总电荷密度图苯分子苯分子HOMO轨道图轨道图Display model子选项：子选项：半透明图半透明图实心图实心图网格图网格图动画控制菜单：用于动画播放控制以及绕某个轴动画控制菜单：用于动画播放控制以及绕某个轴进行旋转等进行旋转等动画播放控制动画播放控制分子绕轴分子绕轴/键旋转键旋转(2) 构型基本操作方法构型基本操作方法选择操作选择操作放大、缩小操作放大、缩小操作旋转操作旋转操作平移操作平移操作对象属性对象属性(原子原子/键键/标识标识)编辑操作编辑操作与其它软件的接口与其它软件的接口(构型的导入与导出构型

13、的导入与导出)需要激活建模需要激活建模(building)工具条后进行工具条后进行Building工具条说明：工具条说明：选择按钮选择按钮整体平移整体平移旋转旋转放大放大/缩小缩小移动原子或移动原子或分子局部分子局部定义键类型定义键类型由输入的文由输入的文本创建构型本创建构型删除按钮删除按钮从从View菜单中的菜单中的Toolbars选项激活选项激活Building工具条工具条选择操作：利用工具条上的选择按钮选择操作：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通过点击左键操作可选择单个原子/化学键，也化学键，也可按住左键，选择分子的部分或整体。此外，可可按住左键，选择分子的部分或整体

14、。此外，可结合结合Shift键，选择多个原子或化学键。选择后键，选择多个原子或化学键。选择后的对象用黄色标记。的对象用黄色标记。注：选择好对象之后，可用注：选择好对象之后，可用delete键删除原子或键删除原子或化学键化学键.选择单个原子选择单个原子/化学键化学键选择分子的局部选择分子的局部用用Shift键选择多根化学键键选择多根化学键选择整个分子选择整个分子选择后的对象用黄色标记选择后的对象用黄色标记放大、缩小操作放大、缩小操作或用鼠标中间滚轮进行操作或用鼠标中间滚轮进行操作旋转操作旋转操作当鼠标箭头在模型窗之外时，中间滚轮也可当鼠标箭头在模型窗之外时，中间滚轮也可进行旋转操作进行旋转操作(

15、固定某一轴向固定某一轴向)其它特殊旋转操作其它特殊旋转操作拖动指针调拖动指针调整旋转角度整旋转角度手动输入旋手动输入旋转角度转角度旋转时相应旋转时相应调整坐标调整坐标绕绕x,y,z轴旋转轴旋转绕某根键旋转绕某根键旋转通过旋转调整通过旋转调整某个二面角某个二面角绕某根键旋转：绕某根键旋转：先选择一根键先选择一根键通过旋转调整某个二面角：通过旋转调整某个二面角：先选择三根键先选择三根键旋转过程中原子间的相对位旋转过程中原子间的相对位置发生改变置发生改变平移操作平移操作整体平移：整体平移：局部平移：局部平移：对象属性编辑操作对象属性编辑操作 选择对象后，点击鼠标右键来修改对象属性选择对象后，点击鼠标

16、右键来修改对象属性原原子子属属性性将该原子所用将该原子所用输入文本取代输入文本取代选择一定距离或其选择一定距离或其它特定要求的原子它特定要求的原子显示或隐藏显示或隐藏颜色设定颜色设定显示方式设定显示方式设定显示元素符号显示元素符号/编号编号原子范围原子范围当修改元素类型时，程序会调整相应的键长并自当修改元素类型时，程序会调整相应的键长并自动加氢原子动加氢原子利用利用View菜单下的菜单下的Cartesian Table来获取原子坐标：来获取原子坐标：窗口自动隐藏按钮窗口自动隐藏按钮化化学学键键属属性性与原子与原子属性内属性内容类似容类似标出键长标出键长修改键类型修改键类型当修改键的类型，程序会

17、自动调整当修改键的类型，程序会自动调整H原子的数目原子的数目可利用键长列表来修改键长：可利用键长列表来修改键长：与其它软件的接口与其它软件的接口(构型的导入与导出构型的导入与导出)a. 直接读取直接读取ISIS/draw所保存的所保存的skc文档；文档；b. 直接读取直接读取Chemdraw所保存的所保存的cdx文档；文档；c. 对于对于Weblab View所绘制的构型，存为所绘制的构型，存为mol格式后，可用格式后，可用Chem3D导入。导入。(3) 分子构型的创建分子构型的创建有三种方法：有三种方法：(a)利用利用Building工具中的单、双、叁键按钮来工具中的单、双、叁键按钮来创建分

18、子构型创建分子构型按下单键工具按钮，按住鼠标拖动，绘制完按下单键工具按钮，按住鼠标拖动，绘制完一根一根C-C键后，释放鼠标按钮，然后再以其键后，释放鼠标按钮，然后再以其中一个中一个C原子为起点，继续绘制其它键。最后原子为起点，继续绘制其它键。最后根据需要修改原子或基团类型。根据需要修改原子或基团类型。(b)利用利用Building工具中的文本工具按钮来创建工具中的文本工具按钮来创建分子构型分子构型在文本区域内键入原子符号及数量在文本区域内键入原子符号及数量(化学式化学式)即可即可创建创建4-甲基甲基-2-戊醇的构型，戊醇的构型，CH3CH(CH3)CH2CH(OH)CH3，按下回车键即可，按下

19、回车键即可利用类似方法还可以在原结构上加入或修改取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位置的原子，在文本区域写上新的基团(缩写或缩写或分子式均可分子式均可)C6H5或或Ph课堂习题：课堂习题：(1) 绘制反式绘制反式1,2-二甲基乙烯，并利用旋转二甲基乙烯，并利用旋转操作转化为顺式构型操作转化为顺式构型;(2)直接绘制丹参醌的三维构型图直接绘制丹参醌的三维构型图:(c)利用利用View菜单下的菜单下的Chemdraw面板来创建分面板来创建分子构型子构型(用于复杂分子的构造用于复

20、杂分子的构造)同步更新同步更新追加构型追加构型构型替代构型替代从从Chem3D复制构型到复制构型到Chemdraw构型自动调整构型自动调整清除构型清除构型锁定窗口锁定窗口(4) 分子构型的优化分子构型的优化(a) 利用利用MM2分子力学方法：分子力学方法：分子力学方法计算量小，适合于大体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系有机分子的构型优化显示每轮显示每轮迭代信息迭代信息记录每轮记录每轮构型构型(动动画显示画显示)输出每轮输出每轮结构参数结构参数构型收敛标准构型收敛标准状态栏：状态栏：例如：优化例如：优化(10,0)碳纳米管构型碳纳米管构型(b) 利用利用Gamess量子化学

21、软件包：量子化学软件包：计算方法计算方法基组类型基组类型波函数类型波函数类型添加极化添加极化/弥散基函数弥散基函数构型优化方法构型优化方法体系电荷体系电荷/自旋多重度自旋多重度自洽场迭代自洽场迭代参数控制参数控制溶剂效应溶剂效应及其模型及其模型MO初始初始猜测类型猜测类型点群及其主轴点群及其主轴内存定义内存定义所计算性质包括：所计算性质包括：偶极矩偶极矩电子密度电子密度静电势静电势动能动能Lowdin电荷和布居数电荷和布居数Mulliken电荷和布居数电荷和布居数势能势能总能量总能量计算方法选择：计算方法选择：HFMP2DFTGVBMCSCFCI以及以及CC等等从头算方法从头算方法其中从头算方

22、法计算结果可靠，但计算量大；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，仅适半经验方法计算量小，但精确度较差，仅适合有机分子体系。合有机分子体系。MNDOAM1PM3半经验方法半经验方法例：采用例：采用AM1方法研究正丁烷的结构稳定性方法研究正丁烷的结构稳定性-15006.36 Kcal/Mol-15007.43 Kcal/Mol-15006.99 Kcal/Mol -15004.63 Kcal/Mol0.4 kcal1.1 kcal2.4 kcalTSTS课堂习题：课堂习题：(1) 采用采用PM3方法优化方法优化(5,5)碳纳米管的构型；碳纳米管的构型；(2)计

23、算计算O原子在原子在(5,5)碳纳米管的吸附能碳纳米管的吸附能:(5) 分子性质的计算分子性质的计算(a) 采用采用MM2分子动力学方法研究构型在一定温分子动力学方法研究构型在一定温度下构型的转变度下构型的转变600K40ps(b) 采用采用Gammes软件包进行软件包进行IR、Raman以及以及NMR光谱的理论模拟和预测光谱的理论模拟和预测例：正丁烷例：正丁烷IR/Raman谱图的谱图的AM1计算结果计算结果注：计算性质前构型需先优化过注：计算性质前构型需先优化过(c) 分子轨道拓扑图像的绘制分子轨道拓扑图像的绘制构型优化后，选择构型优化后，选择Surfaces菜单下的菜单下的Choose Surface选项：选项：默认情况下，绘制的是最高占据轨道默认情况下，绘制的是最高占据轨道(HOMO)，可通过可通过Surface菜单下的菜单下的Select Molecular Orbital的选项来选择所要绘制的分子轨道：的选项来选择所要绘制的分子轨道：LUMO为最低未占据轨道为最低未占据轨道电子填充到电子填充到HOMO轨道轨道例：