第四章计算机图形化技术在化学中的应用

第四章计算机图形化技术在化学中的应用第一页，共二十九页，2022年，8月28日化学化工领域内涉及图形化技术的领域分子结构（包括平面结构和三维结构）的绘制反应机理示意图（包括反应式）绘制实验流程装置图绘制生产和工艺流程图绘制原子和分子微观状态图绘制及显示化学过程（包括各种分离分析过程）图形化显示实验数据的图形化制作和显示第二页，共二十九页，2022年，8月28日Q:计算机如何绘制图形？屏幕的构成？图形的描述方法？图形化语言？Q：计算机图形的基本要素有哪些？位置描述（坐标系）？灰度描述？色度描述？Q:分子结构也是一种图形，有什么特点？利用计算机技术完成分子结构绘制都可以使用哪些方法？Q:根据资源占用、使用方便、功能全面等角度考虑，分析不同方法的优劣。如何用占用资源最少，记录信息量最大，失真最小的方式描述一个分子结构？第三页，共二十九页，2022年，8月28日计算机图形格式：

计算机平面静态图形文件分为两大类：一类是位图，在编辑位图时针对的是像素点而不是形状，位图放大会产生失真，存储时占较大空间；一类是由函数集描述图像，占有少量空间及内存，因为是用数学函数描绘的，放大不会失真，但比较复杂的图像运算量非常大。第四页，共二十九页，2022年，8月28日常见计算机图形格式及其特点⑴.BMP(bitmap)―点位图格式,支持24bit色彩，保存的图像质量不变，要保存每个像素，文件比较大。⑵.JPEG(Jointphotographicexptrsgroup)―是一种有损压缩方案(压缩比达20倍），属于位图格式，常用于质量要求不高场合⑶.GIF(GraphicsInterchangeFormat)--是一种图像交换格式，可提供压缩功能，但只支持256色，适合网上传输。⑷.PNG―是网景公司开发的新型格式，综合JPG和GIF格式的优点，支持24bit色彩，压缩不失真适合网络使用。(5).rle(RunLengthCompressed)：是一种压缩位图文件格式。特点是无损失压缩，既节省了磁盘空间，又不损失任何图像数据。但是打开这种压缩文件时，要花费更多的时间。第五页，共二十九页，2022年，8月28日⑹TIF（TagImageFileFormat）―是一种跨平台的位图格式,采用的LZW压缩算法是一种无损失的压缩方案，常用来存储大幅图片。⑺.PCX―是一种跨平台格式,是Windows与DOS之间进行图形文件交换的桥梁。⑻.TGA―是Windows与3DS进行图形交换的格式。在实用中可以将动画通过视频软件转入电视。⑼.WMF(Metafile)―是一种清晰简洁的矢量图形格式,无论放大还是缩小，图形的清晰度不变，用于Word中。⑽.EPS――Adobe公司绘图软件Illustrator的矢量图格式，EPS格式常用于位图与矢量图之间交换文件。第六页，共二十九页，2022年，8月28日几种常见化学结构文件格式Moleculefiles:Eachmolfiledescribesasinglemolecularstructurewhichcancontaindisjointfragments.Rgroupfiles:AnRGfiledescribesasinglemolecularquerywithRgroups.EachRGfileisacombinationofCtabsdefiningtherootmoleculeandeachmemberofeachRgroupinthequery.Reactionfiles:Eachrxnfilecontainsthestructuralinformationforthereactantsandproductsofasinglereaction.MDLcurrentlyhastwotypesofrxnfiles:theREACCStypeandtheCPSS-rxnfilewrittenbyCPSSprogramsStructure-datafiles:AnSDfilecontainsstructuresanddataforanynumberofmolecules.TogetherwithRDfiles,SDfilesaretheprimaryformatforlarge-scaledatatransferbetweenMDLdatabases.Reaction-datafiles:SimilartoSDfilesinconcept,theRDfileisamoregeneralformatthatcanincludereactionsaswellasmolecules,togetherwiththeirassociateddata.RDfilesareusedprimarilybyISISandREACCS,MACCS-IIcanalsoreadandwriteRDfilesexceptforthereactionstructureinformation.CPSSreadsandwritesRDfileswithembeddedmolfilesandCPSS-rxnfiles.第七页，共二十九页，2022年，8月28日第八页，共二十九页，2022年，8月28日第九页，共二十九页，2022年，8月28日Aconnectiontable(Ctab)containsinformationdescribingthestructuralrelationshipsandpropertiesofacollectionofatoms.Theatomsmaybewhollyorpartiallyconnectedbybonds.Suchcollectionsmay,forexample,describemolecules,molecularfragments,substructures,substituentgroups,polymers,alloys,formulations,mixtures,andunconnectedatoms.TheconnectiontableisfundamentaltoallofMDL’sfileformats.分子结构描述语言（连接表）第十页，共二十九页，2022年，8月28日常用化学图形化软件种类分子结构绘制软件

分子模型绘制软件

化工装置和流程绘制软件(CAD)

化学实验装置绘制软件

实验数据处理与显示软件

除了第三条之外，一般把上述软件与化学数据库和电子报表等软件集成为化学办公软件第十一页，共二十九页，2022年，8月28日第一节化学办公软件化学办公软件的种类：图形绘制和化学文件制作软件，化学数据库应用软件，分子模型制作与显示软件，图谱分析软件等。化学办公软件的功能和应用：辅助完成实验报告、课题总结、学术论文、学术著作，学术交流演示材料的制作过程；科学管理和分析处理实验结果和数据。常见化学办公软件的种类：ISISDraw,ChemOffice,Chemsketch,Chemwindows,DSViewerpro,Alchemy等第十二页，共二十九页，2022年，8月28日分子结构式绘制软件ISISDraw的功能与应用生产厂家：美国MDL信息系统公司。流行版本：ISISDraw1.0,1.5*,2.0,2.2,2.3，2.4主要功能：绘制二维和三维分子式、绘制化学反应式、绘制反应机理示意图、简单化学反应装置、简单的曲线图和其他示意图。软件的大小：1.5版2.1Mb,2.0版4.8Mb,2.4版7.4Mb(压缩）.操作环境：Windows或Mac环境，采用windows资源。第十三页，共二十九页，2022年，8月28日ISISDraw软件的使用软件的安装：软件的菜单：软件绘制工具：分子模板：软件参数的设定：分子结构和图形的绘制：ISISDraw软件与其他化学软件的配合。ISISDraw软件与常见通用办公软件的配合。需要说明的一些问题。第十四页，共二十九页，2022年，8月28日ChemSketch软件的功能与应用ChemSketch的生产厂家:AdvancedChemistryDevelopmentInc.(ACD).最新版本为5.0软件的功能:

绘制分子结构式和化学反应式绘制几何、化学示意图、电子云图

化学实验装置显示分子的三维结构图计算分子的结构参数和其他简单性质 分子结构自动命名和其他功能软件的大小：8.5Mb(压缩),需要12.5Mb硬盘空间.软件的使用环境：windows9x,2000,me,NT

第十五页，共二十九页，2022年，8月28日ChemSketch软件的使用性能软件的菜单,窗口结构和操作指令调整窗口结构和设定参数绘制分子结构和反应式绘制电子云图和其他化学示意图绘制实验装置图三维分子模型的自动生成和演示根据分子结构自动进行命名根据绘制的结构测定分子性质测定分子的空间参数(角度\长度\两面角)第十六页，共二十九页，2022年，8月28日Chemsketch软件的实际应用绘制分子式和反应式绘制电子云图和分子轨道示意图绘制曲线图和其他简单图形绘制化学实验装置图将绘制的分子结构进行标准化命名将绘制的分子结构转换成三维分子模型进行简单的各种三维分子演示测定绘制的分子相关性质第十七页，共二十九页，2022年，8月28日Chemoffice软件简介生产厂商：CambridgeSoftCorporation（美国）公司网址：软件的主要组成（完整版Ultra）：Chemdraw(分子结构绘制软件）Chem3d(分子模型软件）Chemfinder（分子结构数据库软件）Cheminfo（分子字典软件）软件的主要版本：流行的有4.0，4.5，5.0，以及2005，2006，2008版等第十八页，共二十九页，2022年，8月28日软件的主要功能能够绘制各种分子结构与示意图能够转换并显示分子模型图能够建立并使用分子结构数据库（带检索功能）能够根据绘制的分子结构估计其NMR的化学位移数据进行简单的量子化学计算并给出分子的基本数据绘制化学装置图第十九页，共二十九页，2022年，8月28日软件的主要界面Chemdraw界面窗口Chem3d界面窗口Chemfinder界面窗口Chemoffice功能演示第二十页，共二十九页，2022年，8月28日ChemOffice

Pro

2008

(W)

ChemBioDraw

Ultra

11.0

ChemBio3D

Ultra

11.0

ChemNMR

Pro

11.0

ChemFinder

Pro

11.0

Struct=Name

Pro

11.0

ChemDraw/Excel

Pro

11.0

CombiChem/Excel

Pro

11.0

E-Notebook

Ultra

11.0

ChemScript

Pro

11.0

ChemDraw

ActiveX/Plugin

Pro

11.0

Chem3D

ActiveX

Pro

11.0

MestReC

Std

第二十一页，共二十九页，2022年，8月28日第二节计算机辅助建立分子结构模型建立分子模型的理论和实际意义显示微观世界，研究分子结构，提供反应机理，研究分子性质，测定分子结构参数。分子模型的表示（显示）方法线状显示，棒状显示，球棒状显示，电子云填充显示，分子外表面显示，其他显示方法。需要解决的技术问题建立和修改分子结构模型，化学和物理规则检验，三维演示功能，多种显示方式的转换，必要的结构信息分析与测定手段，分子结构的优化能力，分子模型的输出与输入方法。第二十二页，共二十九页，2022年，8月28日常见的分子模型演示软件Chemsketch附带的3DViewerISISDraw附加3D插件ChemOffice—附带的Chem3DWeblabViewer*（DSViewerpro)AlchemyII软件（兼有结构化学计算功能）第二十三页，共二十九页，2022年，8月28日DSViewerPro分子分析演示软件软件的基本特点：MolecularSimulationsInc(MSI)产品，目前版本为5.0版，压缩后体积为7.4Mb，需要硬盘空间13.5Mb，另外有一个4Mb左右的分子模型库，包括200余种各种常见分子模型。网址：。软件的功能：建立精确的分子结构模型，多种分子模型显示方式，分子结构参数测定功能，分子结构分析功能，图形格式转换功能，多种输出输入方式。软件的操作界面和基本操作指令:分子模型窗口，分子组成窗口，分子数据窗口。分子模型构建工具，分子操作工具。建立分子模型：直接建立分子模型，利用相似分子修改建立分子模型，第二十四页，共二十九页，2022年，8月28日显示分子模型：棒状、球棒状、空间填充状，生物大分子显示方法，矿物晶体显示方法，模拟电子显微镜下状态。分子结构分析：分子（晶胞、蛋白质等），链段（肽链，核酸链等），链组成（氨基酸、核酸等），原子组成，化学键组成。结构参数测定：键长、键角、两面角、分子组成等。常见各类分子模型库：DNA片断，与环境相关的物质，无机化合物，材料类物质，天然产物类，石油产品类，药物类，蛋白质类，小分子类，一般化合物类。分子模型的输出如输入方法：输出格式：.msv,PDB格式，MDL格式，XYZ坐标格式，VRML格式，GIF格式，JPEG格式，BMP格式等13种。输入格式共18种。第二十五页，共二十九页，2022年，8月28日DSViewerPro软件的安装与使用软件的安装：zip软件解压，setup安装软件窗口：3DWindow,hierarchyWindow,datatable.3DWindow:菜单（view,tools,modify,window),操作工具（分子模型建立工具，分子模型操作工具，分子模型测量工具等）hierarchyWindow：分子树，datatable：数据表，卡片标识软件的基本使用方法。第二十六页，共二十九页，2022年，8月28日DSViewerPro软件的使用方法介绍分子模型的建立和修改方法分子模型的演示方法分子结构参数的测定方法分子结构组成的分析方法分子模型数据的输出与输入方法第二十七页，共二十九页，2022年，8月28日第四章思考题1．化学工作者需要分子结构绘制软件做哪些工作？与手工绘制和绘图工具绘