Практические работы по компьютерной химии

Модуль 1. Основы работы с HyperChem

Практическая работа 1. Части окна HyperChem (0, 5 часа)

Основная панель

Панель инструментов

Рабочее пространство

Линия статуса

Помощь

Кнопка контрольного меню

Кнопки максимизации/минимизации

Использование мыши

Альтернативы клавиатуры

Горячие клавиши клавиатуры

Открытие типового файла

Прокрутка через список файлов

Изменение дарикторий

Выбор файла

Использование установок изображения

Использование меток

Использование Различных Молекулярных Представлений

Практическая работа 2. Основы рисования и методы редактирования

( 0, 5 часа)

Расширение окна HyperChem

Рисование атомов

Рисование связей

Выбор атомов

Выбор групп атомов

Удаление атомов

Копирование атомов в буфер

Очистка рабочего пространства HyperChem

Практическая работа 3 Создание небольших молекул в 2-D и 3-D

(0, 5 часа)

Рисование 2-D эскиза

Сохранение работы в файле

Изменение порядка связи

Создание ароматических колец

Пометка атомов

Редактирование отдельных атомов

Вызов построителя моделей

Сохранение структуры

Практическая работа 4. Сдвиг, вращение, и вычисление молекул (0, 5 часа)

Повторное открытие HIN файла

XY сдвиг

Z сдвиг

Использование инструмента изменения масштаба изображения

Центрирование и вычисление

XY Вращение

Z вращение

Z обрезание

Очистка рабочего пространства

Практические упражнения

Практическая работа 5.Измерение структурных свойств (0, 5 часа)

Создание 2-D эскиза

Редактирование эскиза

Построение 3-D структуры

Атомные характеристики

Измерение длины связей

Измерение углов между связями

Измерение торсионных углов

Измерение длин несвязанных расстояний

Водородные связи

Практические упражнения

Практическая работа 6. Создание Полипептида (0, 5 часа)

Использование диалоговой панели аминокислот

Построение и изображение полипептида

Создание цвиттер-ионов

Местноспецифический мутагенез

Сохранение структуры

Практические упражнения

Практическая работа 7. Выбор и изображение поднаборов (0, 5 часа)

Создание α-спирали

Пометка концов

Выбор каркаса

Окраска каркаса

Изображение только каркаса

Изображение боковых цепей

Дополнение поднабора

Прямоугольный выбор

Сферический выбор

Присвоение имени выбору

Выбор кольца

Выбор боковой цепи

Практическая работа 8. Работа с макромолекулами (0, 5 часа)

Чтение Brookhaven PDB формата файла

Открытие PDB файла

Удаление молекул воды

Изображение структуры

Изображение структуры каркаса

Изображение боковых цепей

Изображение -спирали

Изображение дисульфидных мостов

Выбор кольцевой структуры

Изображение водородных связей

Местноспецифический мутагенез

Вращение боковой цепи

Модуль 2. Вычисления HyperChem

Практическая работа 9. Минимизация энергии системы (2 часа)

Сохранение log файла

Выбор силового поля:

Построение циклогексана-кресла

Измерение структурных свойств циклогексана-кресла

Выполнение вычисления в отдельной точке

Введение комментариев в log файл

Оптимизация структуры

Установка переменных оптимизации

Запуск вычисления

Измерение свойств минимизированной системы

Преобразование циклогексана из кресла в ванну

Измерение осевых атомов водорода

Оптимизация циклогексана-ванны

Повторное измерение осевых атомов водорода

Создание твист-циклогексана

Оптимизация твист-циклогексана

Анализ результатов

Остановка log файла

Практические упражнения

Практическая работа 10. Динамическое моделирование и равновесное поведение (2 часа)

Упражнение 1: Создание изолированного цвиттер-иона аланина

Рисование эскиза цвиттер-иона аланина

Редактирование структуры

Назначение атомных зарядов

Выбор силового поля

Построение и исследование 3-D структуры

Выполнение вычисления в отдельной точке

Оптимизация изолированной молекулы

Сохранение структуры

Упражнение 2: Сольватация структуры

Установка периодических граничных условий

Определение размера периодической ячейки

Изображение растворенной системы

Наладка сокращений и диэлектрических опций

Оптимизация растворенной молекулы

Упражнение 3: Использование наложения

Удаление молекул воды

Слияние двух систем

Наложение молекул

Упражнение 4: Моделирование отжига

Установка динамического воспроизведения

Получение средних из молекулярной динамики

Динамическое протоколирование

Повторная оптимизация новой структуры

Упражнение 5: Langevin и Монте-Карло моделирование

Часть 1: Langevin динамика

Часть 2: Моделирование Монте Карло

Чтобы установить моделирование Монте-Карло

Установка воспроизведения Монте-Карло

Установка средних из Монте-Карло

Проведение моделирования и анализ

Продвинутые упражнения

Практическая работа 11. Молекулярно-орбитальные вычисления (2 часа)

Создание молекулы воды

Использование выравнивания структуры

Изображение атомных зарядов

Вычисление волновой функции

Графическое изображение электростатического потенциала

Графическое изображение общей плотности заряда

Графическое изображение общей спиновой плотности

Графическое изображение индивидуальных молекулярных орбиталей

Сохранение молекулы

Продвинутые упражнения

Практическая работа 12. Взаимодействие воды с N-метилацетамидом (2 часа)

Создание NMA молекулы

Изменение из цис- в транс-NMA

Оптимизация NMA структуры

Вычисление атомных зарядов

Сольватация карбоксильной группы

Слияние двух структур

Перемещение молекулы воды

Оптимизация поднабора системы

Повторное вычисление водородных связей

Характеристика взаимодействия системы

Продвинутые упражнения

Практическая работа 13. Электронные свойства белков (2 часа)

Чтение в и изображение молекулы

Выбор области интереса

Выбор классическо-квантовой границы

Вычисление волновой функции

Использование результатов в других вычислениях

Практические упражнения

Модуль 3. Ab Initiо вычисления

Практическая работа 14. Протолиз воды (1 час)

Установка изображения

Создание H₃O+

Выбор базисного набора

Минимальная энергетическая структура

Энергия протолиза

Практические упражнения

Практическая работа 15. Колебательные и переходные состояния аммиака (1,5 часа)

Создание молекулы аммиака

Выбор базисного набора

Колебательный анализ на пирамидальной молекуле аммиака

Оптимизация плоской молекулы аммиака

Колебательный анализ плоского аммиака

Поиск переходного состояния последовательностью собственного вектора

Поиск переходного состояния синхронным переходом

Практические упражнения

За дополнительной информацией

Практическая работа 16. Нижнее электронно-возбужденное состояние этилена (1,5 часа)

Навыки, охваченные в этом уроке

Оптимизация основного состояния молекулы этилена

Орбитали основного состояния этилена

CI и электронный спектр этилена

Геометрия и энергия триплетного этилена

Практические упражнения

Модуль 4 HyperChem & DDE

Практическая работа 17 (1 час)

Управление HyperChem из Exel

Требования урока

Упражнение 1: Вычисления на наборах молекул

Открытие HyperChem и Exel

Установка вычислений

Запуск макроса

Графическое изображение результатов

Упражнение 2: Управление молекулами из Exel

Изменение макроса

Запуск макроса

Упражнение 3: Графическое изображение энергии торсионного угла

Создание молекулы пероксида водорода.

Изменение макроса

Создание электронной таблицы

Установки вычисления

Запуск макроса

Графическое изображение результатов

Практическая работа 18. Запуск HyperChem из VB (1 час)

Требования урока

Открытие HyperChem и VB

Создание формы

Настройка интерфейса

Ввод кода VB

Создание выполнимого файла

Сохранение файлов VB

Добавление test.exe в меню Start

Создание других программ

Добро пожаловать в HyperChem®, молекулярное моделирование и программное обеспечение моделирования, которое позволит Вам выполнять комплекс химических вычислений на вашем настольном компьютере.

.Программа состоит из четырех частей. Первый урок знакомит с интерфейсом HyperChem и меню системы; второй сосредотачивается на химических вычислениях; третий фокусируется на Ab Initio квантово-механических вычислениях; четвертый дает инструкцию по связи HyperChem с другим программным обеспечением.

• Модуль 1, Основы HyperChem, представляет Вам HyperChem пользовательский интерфейс, и обучает Вас, как использовать меню и основные пункты меню для построения и работы с молекулами.

• Модуль 2, Вычисления HyperChem, сосредотачивается на химических вычислениях. Она обеспечивает пошаговые инструкции для выполнения одноточечных вычислений, оптимизации/минимизации, и молекулярной динамики, используя как полуэмпирический квантово-механический так и молекулярно-механический методы.

• Модуль 3, Ab Initio Вычисления, сосредотачивается на Ab Initio квантово-механических вычислениях для выполнения одноточечных вычислений, геометрической оптимизации, колебательного анализа, и электронно-спектральных вычислений.

• Модуль 4, HyperChem и DDE, показывает Вам, как создавать связи с другими приложениями Windows, используя Динамический Обмен Данными (DDE) в основном в Microsoft® Windows^ТМ.

Практическая работа 1. Части Окна HyperChem

Панель Названия

Панель названия показывает имя файла, с которым Вы работаете. Если Вы работаете с файлом, предварительно не сохраненным, имя появляется как untitled.

Панель Меню

Панель меню содержит имена различных меню HyperChem: File, Edit, Datebases, Setup, Compute, Cancel, Script и Help.

Панель Инструментов

С левой стороны панели инструментов содержится восемь икон инструментов которые Вы используете, чтобы рисовать, выбрать, изображать, и перемещать атомы и молекулы. Справа - toolbar иконы, которые обеспечивают горячие клавиши для действий типа чтение и запись файлов, копирования и совмещение структур, и использование on-line помощи.

Рабочее пространство

Рабочее пространство - это, где HyperChem показывает текущую молекулярную систему.

Линия статуса

Линия статуса показывает информацию типа числа атомов в молекуле, которая в настоящее время изображена, статус вычисления или энергию или величину градиента. Когда Вы выбираете пункт меню, на линии статуса появляется краткое описание пункта.

Помощь

Вы используете меню Help, чтобы получить доступ к on-line помощи.

Кнопка контрольного меню

Контрольное меню содержит команды, чтобы изменить размеры, переместить, максимизировать, и свернуть окно HyperChem. Оно также содержит команду Выключения, которая позволяет Вам активизировать другие окна.

Кнопки Maximize/Minimize

Эта кнопка расширяет окно до его максимального размера. Некоторые окна занимают весь экран, когда они максимизируются; другие изменяются только незначительно. Вы можете восстановить окно в его первоначальном размере щелкнув кнопку Maximize снова.

Использование мыши

Вы взаимодействуете с HyperChem главным образом, используя мышь, или другое точечное устройство, которое симулирует мышь. В то время как Вы двигаете мышь, курсор в окне соответствует движению. Вы связываетесь с вашим компьютером, нажимая кнопку мыши в то время как курсор находится в специальной области окна.

Следующие термины описывают использование мыши в HyperChem:

Точка - двигайте мышь так, чтобы курсор указал на то что Вы хотите выбрать в окне HyperChem.

L-щелчок - нажмите и отпустите левую кнопку мыши.

R-щелчок - нажмите и отпустите правую кнопку мыши.

Восновном, R-щелчок имеет противоположный эффект L-щелчка.

Двойной щелчок Нажмите и отпустите левую кнопку мыши дважды, быстро.

L-drag или R-drag Поддерживайте на нужном уровне левую или правую кнопку мыши, и двигайте курсор к новому положению в рабочем пространстве. Отпустите кнопку мыши.

LR-drag Нажмите и поддерживайте на нужном уровне левую кнопку мыши, затем правую кнопку мыши, и двигайте курсор к новому положению в рабочем пространстве. Отпустите обе кнопки мыши.

RL-drag То же самое как LR-drag, но нажмите правую кнопку мыши сначала.

Курсор мыши изменяет форму в зависимости от того, где он находится в окне и в какой функции HyperChem находится.

Чтобы увидеть, как изменяется курсор HyperChem:

1. Поместите на инструмент рисования и L-щелкните.

2. Передвиньте курсор в рабочее пространство.

Курсор принимает форму инструмента рисования.

3. Поместите на инструмент выбора и L-щелкните.

4. Передвиньте курсор в рабочее пространство.

Он принимает форму инструмента выбора.

5. Передвиньте курсор в меню Select на панели меню.

Курсор превращается обратно в стрелку.

Позже в этой обучающей программе, Вы узнаете больше об этих и других формах курсора.

Альтернативы клавиатуры

HyperChem обеспечивает стандартные Windows альтернативы клавиатуры использованию мыши.

Чтобы открыть меню, используя альтернативу клавиатуры:

1. Поддерживайте на нужном уровне кнопку [Alt], и одновременно нажмите [S] клавишу. Откроется меню Select.

Каждое меню на основной панели имеет подчеркнутую букву. Когда Вы нажимате кнопку [Alt] и эту букву, откроется меню.

Чтобы закрыть меню:

1. Нажмите [Alt] или [Esc] клавишу.

Меню выбора закрывается.

Чтобы выбрать пункт меню:

1. Поддерживайте на нужном уровне кнопку [Alt], и одновременно нажмите [S] клавишу.

Меню Select откроется. Каждый пункт меню имеет подчеркнутую букву.

2. Нажмите [A].

Это то же самое, как использование мыши, чтобы выбрать Atom в меню Select.

Обратите внимание: HyperChem Версия 5 для Windows Описание Пользователя содержит списки альтернатив клавиатуры.

Горячие клавиши клавиатуры.

HyperChem также имеет различные горячие клавиши клавиатуры. Используйте следующие горячие клавиши, когда Вы хотите избежать использовать эквивалентные меню или пункты меню:

[Ctrl] + [N] То же самое как New в меню File.

[Ctrl] + [O] То же самое как Оpen в меню File.

[Ctrl] + [S] То же самое как Save в меню File.

[Ctrl] + [X] То же самое как Сat в меню Edit.

[Ctrl] + [C] То же самое как Copy в меню Edit.

[Ctrl] + [V] То же самое как Paste в меню Edit.

[Alt] + [F4] То же самое как Exit в меню File.

[Spacebar] Нажатие кнопки пробела то же самое как использование Scale to Fit в меню Dysplay. Этот пункт меню центрирует и масштабирует молекулу или выбранные пункты в рабочем пространстве.

[F4] То же самое как Isosurface... в меню Dysplay.

[F9] То же самое как Copy Image в меню Edit.

[Esc] То же самое как Cancel пункт меню.

Открытие типового файла

Вы можете работать с молекулами тремя путями используя HyperChem:

• Используя инструменты и редактируя особенности, Вы создаете двухмерный (2-D) эскиз молекулы, и затем преобразовываете его Построителем моделей HyperChem в трехмерное (3-D) представление.

• Выбирая последовательность остатков из HyperChem библиотеки аминокислот и библиотеки нуклеотидов, чтобы построить белки и нуклеиновые кислоты.

• Читая атомные типы и молекулярные координаты, сохраненые в HyperChem вводе формате файла (HIN файл) или Brookhaven Базы Данных Белка формате (ENT файл).

В этом упражнении, чтобы узнать больше, как HyperChem работает, Вы прочитаете молекулярные координаты из HIN файла.

Чтобы открыть HIN файл:

1. Передвиньте указатель на File на панели меню сверху окна HyperChem.

2. L-щелкните на File.

Меню File открывается. Появляется эллипс после некоторых пунктов меню. Это означает, что диалоговая панель откроется, когда Вы выберите эти пункты меню.

3. L-щелкните на Open..

Появляется диалоговая панель файлов:

Прокрутка через список файлов

Список файлов расположен в середине диалоговой панели.

Чтобы прокрутить через список:

1. Укажите курсором на ячейке прокрутки и L-drag его вверх и вниз или влево и вправо.

HyperChem прокручивается через список имен файлов.

2. L-щелкните на клавишах вверх и вниз чтобы прокрутить на одну линию.

Изменение дарикторий

Если файл, который Вы хотите, не находится в текущей дериктории, ячейка списка дерикторий позволяет Вам изменять на другую дерикторию или дисковод.

Выбор файла

Чтобы выбрать файл:

1. В ячейке списка Файлов, идите в дерикторию Samples/Aromatic и L-щелкните на c60.hin.

HyperChem покажет это имя в диалоговой панели имен файлов.

Обратите внимание: Вы можете также ввести имя файла, введя его в текстовую ячейку имен файлов.

Когда имя файла помечено, любые комментарии содержавшиеся в пределах файла появляются в диалоговой панели комментариев внизу диалоговой ячейки открытия файла.

2. L-щелкните кнопку Open.

Диалоговая панель исчезает. Курсор превращается ненадолго в изображение песочных часов, чтобы сообщить, что HyperChem читает файл. При чтении файла HyperChem число атомов появляется на линии статуса внизу окна HyperChem.

Появляется молекула:

Обратите внимание: Вы можете также открыть файл, щелкнув дважды на имени файла.

Использование установок изображения

HyperChem автоматически использует установки изображения из последней сессии. Вы выбираете установки изображения, используя пункты меню в меню Dysplay.

Чтобы открыть меню Изображения:

1. L-щелкните на Dysplay на панели меню.

Открывается меню изображения:

Использование меток

Если молекула показана с метками, удалите их используя шаги 1 и 2. Иначе, приступите к "Чтобы использовать метки ".

Чтобы удалить метки:

1. L-щелкните на Labels.

Появится диалоговая панель меток. Даже если в настоящее время показанная молекула помечена, диалоговая панель открывается с указанием установки None как для атомов так и остальных типов меток.

2. L-щелкните на OK.

Диалоговая панель закрывается и метки удаляются.

Чтобы использовать метки:

1. L-щелкните на Labels.

Появляется. диалоговая панель меток

2. Выберите Symbol как тип метки атома, и затем выберите ОК.

Диалоговая панель закрывается и молекула помечается атомными символами.

3. Выберите Labels в меню Dysplay.

Хотя молекула помечена, диалоговая панель открывается с указанием установки None как для атомов так и остальных типов меток.

4. L-щелкните на ОК.

Диалоговая панель закрывается и метки удаляются.

Использование Различных Молекулярных Представлений

Вы можете использовать различные молекулярные представления, при показе молекулярной системы.

Чтобы изменить молекулярное предоставление:

1. Выберите Rendering в меню Dysplay.

Откроется диалоговая панель представлений:

2. Выбрать Balls в списке, и затем щелкните в "таблице" наверху помеченной Balls, чтобы показать список свойств опций шаров:

3. Если Shading включена (потмечена ), щелкните на ней, чтобы повернуть опцию на выключена (без ). Затем выберите ОК.

Это дает грубое, но быстро получаемое, заполненное представление молекулы. Молекула получается, с использованием непересеченных, незаштрихованных кругов.

4. Повторно откройте диалоговую панель Rendering. Выберите Spheres, и затем выберите OK.

Это дает заполненное представление, которое моделирует CPK модели. Оно использует заштрихованные сферы, чтобы представить атомы и вычисляет

пересечения между связанными сферами.

5. Выберите Rendering в меню Dysplay, чтобы открыть диалоговую панель еще раз.

6. Выберите Sticks & Dots. Затем выберите ОК чтобы закрыть диалоговую панель.

Это представление дает Вам хорошую идею относительно формы и объема занятых молекулой.

7. Выберите Rendering в меню Dysplay, чтобы открыть диалоговую панель еще раз.

8. Выберите Balls and Cylinders. Затем перейдите в список свойств шаров щелкнув на таблице Balls наверху диалоговой панели, и включите опции Shading, и Highlight (пометив обе ). Затем выберите ОК чтобы закрыть диалоговую панель.

9. Нажмите [F2] клавишу, чтобы восстановить предыдущие варианты представления. Это эквивалентно выбору Last Rendering в меню Dysplay, и верните изображение к палкам и точкам, которые были использованы перед самым недавним изменением опций представления.

10. Откройте диалоговую панель Rendering снова, выберите Sticks, и затем выберите OK.

Молекула появляется в ее первоначальном палочном представлении.

Выход из HyperChem

Сейчас выйдем из HyperChem.

Чтобы выйти из HyperChem:

1. Выберите Exit в меню File.

Если программа предупреждает Вас о cохранении изменений в файле, щелкните на "No".

Окно закроется.

Практическая работа 2. Основы рисования и методы редактирования

Навыки, охваченные в этом уроке

• Рисование атомов и связей

• Выбор атомов и связей

• Удаление, очистка, и копирование

В предыдущем уроке, Вы прочитали в молекулу из HIN файла. Урок 2 обучает Вас основам рисования и методам редактирования которые Вы используете позже, чтобы создать 2-D эскиз молекулы.

Повторно открываем HyperChem

Чтобы повторно открыть HyperChem:

1. Поместите икону HyperChem в рабочее пространство.

2. Щелкните дважды на иконе.

Окно HyperChem откроется.

Расширение окна HyperChem

Чтобы расширить окно на весь экрана:

1. L-щелкните на кнопке максимизации в правом верхнем углу окна HyperChem.

Теперь Вы имеете наибольшее рабочее пространство, чтобы рисовать в нем.

Рисование атомов

Чтобы нарисовать атом:

1. Откройте диалоговую панель таблицы элементов.

Есть два пути сделать это:

• Выберите Default Element в меню Build, или

• Щелкните два раза на инструменте Рисования.

Диалоговая панель таблицы элементов появляется:

Диалоговая панель указания элементов позволяет Вам выбирать указанный элемент из периодической таблицы.

2. Если Вы щелкните на кнопке Properties..., панель, показывающая физические свойства выбранного в настоящее время элемента будет изоражена. Или, если Вы shift-щелкните на кнопке элемента, свойства для этого элемента будут показаны. Пробуйте это для углерода (C):

Затем щелкните на 'ОК', чтобы убрать панель.

3. Если Allow ions, или Explicit hydrogens включен (отмечен значком ), L-щелкните на этих опциях, чтобы выключить их.

4. Выберите углерод в списке указанных элементов, затем закройте диалоговую панель элементов.

Диалоговая панель исчезает, и указанный элемент устанавливается на углерод.

Обратите внимание: Вы можете оставить диалоговую панель установки элементов открытой и переместите ее так, чтобы Вы могли видеть рабочее пространство HyperChem. Это полезно когда Вы хотите нарисовать молекулы со многими гетероатомами.

5. L-щелкните на инструменте Рисования и двигайте курсор в рабочее пространство.

Курсор изменяется на форму инструмента рисования, указывая Вам на функцию рисования.

6. L-щелкните в нижнем левом углу рабочего пространства.

Маленький круг окажется представляющим несвязанный атом углерода.

7. Нарисуйте несколько больше атомов в различных местоположениях в рабочем пространстве.

Ваше рабочее пространство должно выглядеть как-то подобно этому:

Рисование связей

Обычно, вместо того, чтобы рисовать несвязанные атомы, Вы рисуете связанные атомы:

Чтобы нарисовать связь:

1. Переместите курсор выше первого углерода, который Вы нарисовали.

2. Нажмите и поддерживайте на нужном уровне левую кнопку мыши.

Это - положение первого атома связи, которую Вы рисуете.

3. Продолжайте поддерживать на нужном уровне левую кнопку мыши и тяните (L-drag) по диагонали к вершине рабочего пространства.

4. Отпустите кнопку мыши.

Это - положение второго атома связи. Появляется линия, представляющая связь между двумя атомами углерода.

5. С курсором, помещенном в верхнем конце связи, L-drag по диагонали к нижнему правому углу рабочего пространства.

6. Отпустите кнопку мыши.

Это - местоположение третьего атома.

7. Запустившись из пустой области рабочего пространства, нарисуйте шесть связей в форме кольца.

Теперь, когда Вы знаете, как рисовать атомы и связи, Вы научитесь основным методам выбора.

Выбор атомов

В этом упражнении, Вы изучите основные методы выбора, выбирая атомы. Сначала, Вы должны установить уровень выбора (атомы, остатки, или молекулы), который Вы хотите.

Чтобы установить выбор уровня на атомы:

1. L-щелкните на меню Select.

Откроется меню выбора.

2. Если Atoms не выбраны (отмечены со знаком ), L-щелкните на Аtoms, чтобы выбрать их.

Затем, убедитесь, что Multiple Selections выключен.

Чтобы выключить многократный выбор:

1. L-щелкните в меню Select.

2. Если Multiple Selections включен (отмечены знаком ), L-щелкните на нем, чтобы выключить его; затем нажмите [Esc] или L-щелкните на главной панели чтобы закрыть меню Select.

Теперь, когда Вы выбираете атом или группу атомов, предыдущий выбор отменяется.

Чтобы выбирать атомы:

1. L-щелкните на инструменте выбора и двигайте курсор в рабочее пространство.

Курсор принимает форму инструмента выбора. Это означает что HyperChem в функции выбора.

2. L-щелкните на одном из атомов который Вы создали.

Это помечает атом. Когда Вы выбираете пункты, они помечаются в рабочем пространстве.

Обратите внимание: Вы можете установить тип метки, как Вы хотите в диалоговой панели Preferences. Preferences находится в меню File.

3. L-щелкните на середине одной из связей которую Вы создали.

Связь пометится.

Атомы в каждом конце связи выделяются, помечая линию, которая представляет связь.

4. R-щелкните в пустой области рабочего пространства.

Для всех атомов и связей выделение отменяется. Вы узнаете больше о том как отменить выбор атомов позже.

Выбор группы атомов

Чтобы выбрать группу атомов, используя прямоугольный выбор:

1. В меню Select, удостоверьтесь, что Select Sphere не включена.

2. Выбрите точку в пустой части рабочего пространства в верхнем левом углу.

3. LR-drag по диагонали, к нижнему правому углу рабочего пространства.

HyperChem изобразит прямоугольник, представляющий границу выбранной области.

4. Продолжайте LR-перемещение, пока несколько атомов не попадут в прямоугольник, подобно этому:

5. Отпустите кнопку мыши.

Все атомы в области выбора пометятся.

Чтобы выбрать вторую группу атомов:

1. Выберите Multiple Selections в меню Select.

Когда многократный выбор включен, новые выборы добавляются к предыдущим выборам.

2. LR-drag, как Вы делали прежде, чтобы выбрать вторую группу атомов.

3. Отпустите кнопки мыши, и вторая группа пометится.

Обратите внимание: Чтобы выбрать все атомы в рабочем пространстве, L-щелкните в пустой области рабочего пространства, когда Вы находитесь в функции выбора.

Чтобы отменить выбор атомов:

1. R-щелкните на несвязанном атоме.

Атом больше не помечен.

2. R-щелкните на середине выбранной связи.

Атомы на конце связи (и любые связи к ним) больше не помечены.

Чтобы отменить выбор всех атомов:

1. R-щелкните в пустой области рабочего пространства.

Для остальной части отобранных атомов выбор отменяется.

Удаление атомов

Чтобы удалить отдельный атом или связь:

1. L-щелкните на инструменте Рисования, чтобы войти в функцию рисования.

2. R-щелкните на атоме который Вы хотите удалить, или на середине связи которую Вы хотите удалить.

Атом или связь исчезают.

Чтобы удалить множество атомов или связей:

1. L-щелкните на инструменте выбора, чтобы войти в функцию выбора.

2. LR-drag, чтобы выбрать два или три объекта в рабочем пространстве.

3. Выберите Clear в меню Edit.

Диалоговая панель спросит хотите ли вы Вы удалить выбор.

4. Выбрите Да.

Копирование атомов в буфер

Чтобы копировать:

1. L-щелкните на инструменте Выбора, чтобы войти в функцию выбора.

2. L-щелкните на связи или атоме.

3. Выберите Сору в меню Edit.

Копия атома или связи, которую Вы выбрали, сохраннится в буфере.

4. Выберите Paste в меню Edit.

Копия связи или атома вставится в рабочее пространство.

Очистка рабочего пространства HyperChem

Чтобы очистить рабочее пространство:

1. Выберите New в меню File.

Окно спросит, хотите ли Вы сохранить текущие изменения.

2. Выберите Нет

HyperChem очищает оставшиеся атомы и связи с экрана.

Практическая работа 3. Создание небольших молекул в 2-D и 3-D

Повторно открываем HyperChem

1. Повторно откройте HyperChem, если это необходимо.

2. Расширьте окно HyperChem до полного размера.

Рисование 2-D эскиза

Чтобы нарисовать 2-D эскиз:

1. Щелкните два раза на инструменте рисования.

Откроется диалоговая панель таблицы элементов.

2. Включите Allow ions и выключите Explicit Hydrogens.

Если Вы рисуете с Explicit Hydrogens выключенным, атомы водорода автоматически не добавляются.

3. Выберите Углерод, затем закройте диалоговую панель.

Углерод установлен как указанный элемент и диалоговая панель закрывается.

4. Нарисуйте следующее:

Сохранение работы в файле

Прежде, чем Вы измените этот эскиз, сохраните вашу работу. Таким образом, Вы не должны будете изменять эскиз, если Вы сделаете ошибку когда Вы измените его.

Чтобы сохранить вашу работу:

1. Выберите Save в меню File.

Поскольку это - первый раз, когда Вы сохранили этот эскиз, HyperChem показывает диалоговую панель сохранения файла.

2. Если Вы желаете, выберите дерикторию, чтобы сохранить в ней файл L-щелкните на директивных папках.

3. Удостоверьтесь, что HIN выбран в ячейке типа файлов.

4. Передвинте курсор в поле File Name.

Заметьте, что курсор изменился от стрелки на вертикальную линию.

5. L-щелкните в поле

6. Введите propene.

Имя файла propene.hin появится в текстовой ячейке:

7. L-щелкните на ОК.

HyperChem сохранит ваш рисунок не диске в файле названном propene.hin. Имя файла появляется на панели имени наверху экрана.

В следующий раз когда Вы используете Save, чтобы сохранить этот файл, диалоговая панель не показывается.

Изменение порядка связи

Вы можете теперь изменить эскиз, чтобы подготовить его для построителя моделей HyperChem.

Для структуры, которую Вы строите, Вы должны увеличить порядок связи.

Чтобы изменить порядок связи:

1. Укажите не середину третьей связи слева и L-щелкните.

Порядок связи увеличится с одинарного на двойной.

2. L-щелкните на связи снова.

Двойная связь увеличится на тройную связь.

3. R-щелкните на связи.

R-щелчок уменьшает порядок связи.

4. R-щелкните снова на связи.

Она изменится обратно на одинарную связь.

5. Молекула, которую Вы строите, требует одной двойной связи, так что L-щелкните на середине связи снова.

Создание ароматических колец

Шестичленное кольцо в эскизе - в настоящее время циклогексановое кольцо со всеми одинарными связями. Для структуры, которую Вы строите, Вам нужно превратить его в кольцо бензола. Чтобы превратить кольцо в фенил-радикал, Вы должны явно указать, что кольцо является ароматическим.

Чтобы сделать кольца ароматическими:

1. Щелкните два раза на любой связи кольца.

Пунктирные линии укажут, что кольцо является ароматическим:

Обратите внимание: Если Вы щелкните два раза на связи, которая не находится в кольце, только связь станет ароматической.

Пометка атомов

Прежде, чем Вы начнете редактировать атомы, облегчте для восприятия то, что Вы сделали, пометив атомы.

Чтобы пометить атомы:

1. Выберите Labels в меню Dysplay.

Появляется диалоговая панель меток:

2. В ячейке атомных опций, L-щелкните на Symbol.

Радио-кнопка рядом с Symbol заполнится.

3. L-щелкните на OK.

Диалоговая панель меток исчезает, и все атомы помечаются атомным символом C.

Редактирование отдельных атомов

В Уроке 1 Вы установили указанный элемент на углерод, таким образом, все атомы на рисунке - углерод. Чтобы исправить топологию этой молекулы, Вам нужно изменить один из этих атомов углерода на кислород.

Чтобы редактировать отдельные атомы:

1. Щелкните два раза на инструменте рисования, чтобы открыть диалоговую панель таблицы элементов.

2. Выберите кислород, затем закройте диалоговую панель.

Диалоговая панель исчезает, и кислород устанавливается как новый указанный элемент.

3. L-щелкните на атоме углерода в левом конце алифатической цепи.

Атомный символ C изменяется на O и конец кислородной связи изменяется из голубого в красный (если Вы используете установленные цвета).

2-D рисунок 1-hydroxy-3-phenyl-2-propene выполнен.

Вызов построителя моделей

Чтобы преобразовать ваш 2-D эскиз в 3-D структуру, Вы используете построитель моделей HyperChem.

Чтобы вызвать построитель моделей:

1. Выберите Аdd H & Model build в меню Build.

HyperChem производит 3-D преобразование молекулы и автоматически добавляет водород:

2. Если водород не изображается, выберите Show Hydrogens в меню Display.

Сохранение структуры

Чтобы сохранить структуру:

1. Выберите Save в меню File.

HyperChem сохранит новую 3-D структуру в файле propene.hin.

Практическая работа 4. Сдвиг, вращение, и вычисление молекул

Повторное открытие HIN файла

Если файл, который Вы сохранили в Уроке 3, propene.hin, все еще изображен в рабочем пространстве, приступите к следующему разделу. Иначе, повторно откройте файл.

Чтобы повторно открыть файл:

1. Если необходимо, повторно откройте HyperChem.

2. Выберите Open в меню File.

Появится диалоговая панель открытия файла.

3. Используя ячейку списка дерикторий, двигайтесь в дерикторию в которой Вы сохранили propene.hin в Уроке 3.

4. Просмотрите список файлов, и щелкните два раза на propene.hin.

Заметьте, когда Вы щелкнули два раза на имени файла то Вы не нуждаетесь в L-щелчке на ОК.

Диалоговая панель исчезает. Через некоторое время, молекула появляется в рабочем пространстве.

Чтобы удалить метки атомов:

1. Выберите Labels в меню Display.

Диалоговая панель меток откроется.

2. Выберите None как метку атома, а затем выберите OK.

Это сделает экран менее загроможденным.

XY сдвиг

Вы используете инструмент XY сдвига, чтобы двигать молекулы или выбранные атомы по плоскости компьютерного экрана.

Вы можете управлять этим инструментом различными способами, также как и для большинства инструментов на панели инструментов.

В этом упражнении, Вы сделаете XY сдвиг сначала L-click-dragging в рабочем пространстве, а позже, определяя значение в диалоговой панели сдвига.

Чтобы использовать инструмент XY сдвига:

1. L-щелкните на инструменте XY сдвига.

2. Передвинте курсор в рабочее пространство.

Курсор принимает форму инструмента XY сдвига.

3. L-drag, пока молекула не напомнит это:

4. Откройте диалоговую панель сдвига еще раз

• щелкнув два раза на инструменте XY сдвига, или

• выбирая Translate в меню Edit.

Появляется диалоговая панель сдвига:

5. L-щелкните в dx текстовой ячейке и введите -5.0.

6. L-щелкните в dy текстовой ячейке и введите 0.0.

7. Нажмите кнопку [Tab].

Вы можете пропустить следующую текстовую ячейку, нажимая клавшу [Tab].

8. Введите 0.0 в текстовую ячейку dz и L-щелкните на ОК.

Молекула переместится в левую сторону экрана на 5.0 Ангстрем.

Z сдвиг

В предыдущем упражнении, Вы двигали молекулу назад и вперед поперек плоскости компьютерного экрана L-перемещением инструмента XY сдвига поперек рабочего пространства и открывая диалоговую панель сдвига.

В этом упражнении, Вы сдвинете молекулу от Вас (вдоль оси Z) используя инструмент Z сдвига.

Чтобы использовать инструмент Z сдвига:

1. В меню Display, выберите Rendering и убедитесь, что Perspective включена в диалоговой панели Rendering.

С перспективным видом все молекулы, кажутся, находящимися в перспективе:

более близкие атомы кажутся больше. Вы должны включить Perspective перед использованием инструмента Z сдвига, чтобы видеть все эффекты.

2. Выберите ОК, чтобы закрыть эту диалоговую панель.

3. L-щелкните на инструменте Z сдвига.

4. Двигайте указатель в рабочее пространство.

Указатель принимает форму инструмента Z сдвига.

5. L-drag медленно вниз рабочего пространства.

Молекула двигается ближе к Вам.

6. Продолжайте перемещать молекулу, пока она полностью не исчезнет.

Молекула больше не появляется, потому что Вы переместили ее за Z обрезающую плоскость. Позже Вы узнаете, как приспособить Z обрезающую плоскость.

7. Откройте диалоговую панель сдвига также

• щелкнув два раза на инструменте Z сдвига, или

• Выбрав Translate в меню Edit.

8. В dx и dy текстовых ячейках введите 0.

9. В текстовой ячейке dz, вdtlbnt -5, и выберите OK.

HyperChem сдвигает молекулу на 5А от Вас и молекула вновь появляется в рабочем пространстве. (Вы, возможно, должны повторить этот шаг, чтобы получить появление молекулы, если Вы переместили ее ближе к Вам чем шаг 5).

10. Нажмите [Spacebar] чтобы перецентрировать молекулу в рабочем пространстве.

Использование инструмента изменения масштаба изображения

Чтобы увеличить или уменьшить масштаб молекулы, используйте инструмент изменения масштаба изображения. Это полезно, например, когда Вы хотите исследовать структурные детали большой молекулы.

Пока Вы управляли инструментами из панели инструментов L-dragging в рабочее пространство, или определяя специфическую величину в диалоговых ячейках

Вы можете также управлять инструментами, типа инструмента изменения масштаба изображения, используя [Shift] клавишу и икону инструмента.

Чтобы использовать инструмент изменения масштаба изображения:

1. Нажмите клавишу [Shift] и L-щелкните около верхней правой части иконы инструмента изменения масштаба изображения.

Молекула становится меньше.

2. Продолжайте поддерживать клавишу [Shift] и L-щелкните около нижней левой части иконы

Увеличивайте масштаб изображения в молекуле, пока она не напомнит это:

Помните, Вы можете также управлять инструментом изменения масштаба изображения

• используя диалоговую панель изменения масштаба изображения, или

• L-dragging инструмент изменения масштаба изображения в рабочее пространство.

Центрирование и вычисление

Когда молекулярная система впервые загружается из файла системы, она центрируется в рабочем пространстве в стандартном размере. После того, как Вы используете инструменты сдвига или изменения масштаба изображения молекулы, Вы можете возвратить ее к первоначальному размеру и центрировать ее в рабочем пространстве. Scale to Fit использует текущий выбор, или целую систему, если нет никакого выбора.

Чтобы центрировать и изменить размер молекулы:

1. Выберите Scale to Fit в меню Display, или альтернативно, нажмите клавишу пробела.

Молекула возвращается к ее первоначальному размеру и поместится в центр рабочего пространства.

Обратите внимание: Вы можете получить, то же самое значение как Scale to Fit без центрирования системы, введя величину 1 в диалоговую панель изменения масштаба изображения.

XY Вращение

Чтобы вращать одну или болше молекул вокруг x или y оси или обоих осей, используйте инструмент XY вращения.

Чтобы вращать молекулу вокруг x и y осей:

1. L-щелкните на инструменте XY вращения.

2. Переместите курсор в рабочее пространство.

3. Используйте Labels диалог в меню Display, чтобы добавить символы к атомам, для ясности.

4. L-drag горизонтально.

Молекула вращается вокруг оси Y.

5. L-drag вертикально.

Молекула вращается вокруг оси X.

6. L-drag по диагонали, чтобы вращать молекулу и вокруг x и вокруг y осей.

7. Вращайте молекулу, пока она не напомнит это:

Z вращение

Инструментом Z вращения, Вы можете вращать молекулы вокруг оси Z.

Чтобы вращать молекулу вокруг оси Z:

1. L-щелкните на инструменте Z вращения.

2. L-drag горизонтально направо в рабочее пространство.

Молекула перемещается по направлению часовой стрелки.

3. L-drag горизонтально налево.

Молекула перемещается в направлении против часовой стрелки.

Обратите внимание: L-click-dragging вертикально не имеет эффекта.

Z обрезание

Инструмент Z обрезания помогает Вам рассматривать в молекулы, показывая Вам атомы в пределах молекулярной "пластины".

"Пластина" или вырезанный кусок для молекулярной системы имеют переднюю и заднюю плоскость, которые параллельны друг другу и компьютерному экрану. Видимы только атомы между плоскостями.

Установка обрезающего куска устанавливает обрезающие плоскости так, чтобы Вы могли видеть всю молекулу или молекулярную систему.

Чтобы помочь Вам увидеть, где находится обрезающая плоскость, диалоговая панель Z-обрезания показывает Вам вид над системой с обрезающими плоскостями позади и перед молекулой. Она также позволяет Вам изменять величины в интерактивном режиме или выбирать явные значения для обоих плоскостей.

Чтобы изменить обрезающую плоскость, используя диалоговую панель Z-обрезания:

1. Сначала, вращайте молекулу так, чтобы кольцо бензола сориентировалось или к или от передней обрезающей плоскости, подобно этому:

2. Щелкните два раза на инструменте Z обрезания.

Появится диалоговая панель:

3. Укажите на ячейку прокрутки, которая контролирует заднюю обрезающую плоскость.

4. L-drag ячейку вниз, пока задняя часть молекулы не обрежется.

Когда Вы тянете ячейку прокрутки, значение изменяется в текстовой ячейке для задней обрезающей плоскости.

5. L-щелкните на ОК.

Диалоговая панель исчезает. Обратная часть молекулы подрезается в рабочем пространстве.

6. Щелкните два раза на инструменте Z обрезания, чтобы открыть диалоговую панель Z обрезания снова.

7. Укажите курсором на стрелку в ячейке прокрутки для задней плоскости обрезания.

8. L-щелкните на стрелке над задней плоскостью молекулы, и затем выберите ОК.

Снова видима вся молекула.

Вы можете также изменить обрезающую плоскость, не используя диалоговую панель Z-обрезания.

Чтобы изменять обрезающую плоскость, используя мышь:

1. L-щелкните на инструменте Z обрезания.

2. L-drag в рабочее пространство.

На линии статуса, значение для передней обрезающей плоскости увеличится.

3. Продолжайте, L-drag пока передняя часть молекулы не подрежется.

Это случится, когда обрезающая плоскость достигнет около 53А.

4. L-drag обратно, пока вся молекула не станет видимой снова.

Передняя обрезающая плоскость - снова перед молекулой.

Очистка рабочего пространства

Чтобы очистить рабочее пространство:

1. Выберите New в меню File.

2. Если HyperChem спросит, хотите ли Вы сохранить ваши изменения, выберите - Нет.

Этот выбор очистит экран.

Практические упражнения

Пробуйте некоторые из этих практических упражнений:

1. Вращайте, и сдвигайте молекулу в то время как Show Inertial Axes включен в меню Display.

2. Если Вы имеете несколько молекул на экране, Вы можете выбрать одну из них, выбирая Molecules в меню Select, и вращая ее вокруг ее центра массы, используя R-drag вместо L-drag.

3. Выберите боковую цепь молекулы, и используйте инструмент Z вращения для вращения вокруг боковой цепи, используя R-drag.

4. Измените плоскость Z обрезания входя определенные значения в дималоговую панель Z обрезания.

Практическая работа 5. Измерение структурных свойств. Создание 2-D эскиза

Чтобы войти в фукцию рисования:

1. Если необходимо, повторно откройте HyperChem.

2. Выберите инструмент рисования.

Чтобы убедится, что указанный элемент - углерод:

1. Щелкните два раза на инструменте рисования.

Откроется диалоговая панель таблицы элементов.

2. Выберите углерод, если он еще не выбран, а затем закройте диалоговую панель.

Чтобы пометить атомы номером:

1. Выберите Labels в меню Display.

Откроется диалоговая панель меток.

2. Выберите Namber как метку атома, и затем выберите OK.

Этот шаг облегчит для Вас видение того, что Вы делаете при изображениии и редактировании 2-D структуры.

3. Нарисуйте 2-D структуру в порядке, показанном ниже:

Редактирование эскиза

Чтобы сделать кольцо ароматическим:

1. Щелкните два раза на кольце.

Кольцо появится с пунктирными линиями.

Чтобы редактировать атомы:

1. Установите указанный элемент на азот.

2. L-щелкните на атоме №8, чтобы заменить его на атом азота.

3. Установите указанный элемент на кислород.

4 L-щелкните на атоме №9, чтобы заменить его на атом кислорода.

Чтобы пометить атомы символом:

1. Выберите Labels в меню Display.

Откроется диалоговая панель меток.

2. Выберите Symbol как метку атома, и затем выберите ОК.

Ваш рисунок должен напоминать это:

Построение 3-D структуры

Чтобы преобразовать рисунок в 3-D структуру:

1. Проверить что Explicit Hydrogens в меню Build не выбрано.

2. Щелкните два раза на инструменте выбора.

Вместо выбора Add H & Model Build в меню Build, Вы можете также вызвать построитель моделей, щелкнув два раза на инструменте выбора.

Молекула строится с некоторыми указанными структурными параметрами. Следующие упражнения показывают Вам, как измерить эти параметры.

Атомные характеристики

Чтобы получить информацию об атомных характеристиках:

1. В меню Select, убедитесь, что Atoms выбраны и что Multiple Selections - нет.

2. L-щелкните на инструменте выбора.

3. L-щелкните на атоме кислорода.

Выбранный атом пометится и атомные характеристики появятся на линии статуса. Линия статуса показывает номер атома, тип атома, и заряд для текущего молекулярно-механического силового поля. Она также показывает x, y, и z координаты атома.

При включении меню Build становятся активными Set Atom Type Set Charge и Constrain Geometry. Это позволяет Вам определять не по умолчанию

атомные свойства для построителя моделей.

4. Выберите другие атомы и сравните атомные характеристики, показанные в линии статуса.

Измерение длины связей

Если Вы выберите связь, а не атом, информация относительно связи появится на линии статуса. HyperChem имеет библиотеку указанных длин связей между атомами специфического типа и гибридизации.

Когда длины связи нет в указанной библиотеке, HyperChem использует среднее число ковалентных радиусов этих двух атомов для построителя моделей.

Чтобы измерить длину связи:

1. L-щелкните на углерод-кислородную связь.

Связь пометится, и длина связи появится в линии статуса.

2. L-щелкните в меню Build.

Когда Вы выберете связь, пункт Constrain bond linghth в меню Build станет активным. Это позволяет Вам определять длину связи не по умолчанию для построителя моделей.

Измерение углов между связями

Чтобы измерить угол между связями, L-drag между двумя предельными атомами которые связаны с общим третьим атомом.

Чтобы измерить угол между связями:

1. L-drag от атома углерода связанного с кислородом к атому связанному с кислородом.

Обратите внимание на "притяжение", которое привлекает конец тянущейся линии к ближним атомам.

2. Отпустите кнопку мыши.

Угол выделится, и значение угла появится в линии статуса. Указанные углы выбираются построителем моделей для данной структуры основываясь на гибридизации тетраэдрический (109 градусов), треугольный (120 градусов), или линейный (180 градусов).

Обратите внимание: Когда Вы выбираете угол между связями, Constrain Bond Angle в меню Build становится активным. Это позволяет Вам определять не по умолчанию углы между связями для построителя.

3. Попробуйте измерить другие углы в структуре.

Измерение торсионных углов

Вы измеряете торсионный угол, протягивая курсор выбора между двумя предельными атомами четырехатомного торсионного угла.

Чтобы измерить торсионный угол:

1. L-drag между атомом углерода в кольце и атомом водорода соединенным с атомом азота, чтобы выбрать торсионный угол показанный ниже:

2. Отпустите кнопку мыши.

Торсионный угол помечается, и линия статуса показывает, какую он имеет величину - 60 градусов.

Обратите внимание: Когда Вы выбираете торсионный угол, Constrain Bond Torsion в меню Build становится активным. Это позволяет Вам определять неуказанные торсионные связи для построителя.

3. Поэкспериментируйте с L-перемещением между тремя соседними (ближними) атомами и сравните значения для углов.

Измерение длин несвязанных расстояний

Чтобы измерить длины несвязанных расстояний:

1. Включить Multiple Selections в меню Select.

Прежде, чем Вы измеряете несвязанные расстояния, Вы должны включить Multiple Selections. Это позволит Вам выбрать более чем один текущий пункт. Иначе, когда Вы выберите второй пункт, предыдущий пункт отсеется.

2. R-щелкните в пустой области рабочего пространства.

Все предыдущие выборы отсеятся.

3. L-щелкните, последовательно, на любых двух несвязанных атомах.

Расстояние появится на линии статуса.

4. Измерьте несколько пар несвязанных атомов и сравните расстояния.

Водородные связи

Чтоб помочь Вам создать благоприятные условия для водородного связывания, HyperChem вычисляет и показывает водородные связи.

Водородная связь образуется, если расстояние водород-донор меньше чем 3.2А а угол, образованный ковалентными связями донора к акцепторным атомам - меньше чем 120 градусов. Вам, возможно, необходимо вращать -NH2 группу или группу - ОН (смотрите "Вращение боковой цепи" на странице 116), чтобы выполнить эти условия прежде, чем Вы сможете изобразить водородную связь для этой структуры.

Чтобы подтвердить условия для водородной связи:

1. R-щелкните в пустой области рабочего пространства.

Все предыдущие выборы удаляются.

2. Включите Show Hydrogen Bonds в меню Display.

3. Выберите, Recompute H Bonds в меню Display.

HyperChem покажет водородную связь как пунктирную линию.

Водородная связь автоматически не рассчитывается для каждой конфигурации.

Когда Вы изменяете молекулярную геометрию, Вы должны повторно вычислить водородные связи.

Практические упражнения

Пробуйте эти практические упражнения:

1. Измерьте отсутствующие углы и отсутствующие торсионные углы.

2. Установите ограничения построителя используя Constrain Geometry, Constrain Bond Length, Constrain Bond Angle и Constrain Bond Torsion в меню Build.

3. Изменить модельно построенную структуру, используя Set Bond Length и Bond Angle в меню Edit.

Практическая работа 6. Создание Полипептида

Структура, которую Вы построите - брадикинин, гормоноподобный белок который подавляет воспалительные реакции.

Использование диалоговой панели аминокислот

Очистите рабочее пространство, или перезапустите HyperChem или выберите New в меню File.

Чтобы открыть диалоговую панель аминокислот:

1. Выбрите Amino Acids в меню Databases. Появится диалоговая панель аминокислот:

Диалоговая панель аминокислот - постоянная диалоговая панель. Она остается открытой, пока Вы соединяете остатки цепи вместе, чтобы построить полипептид.

Построение и изображение полипептида

Первый шаг в построении полипептида определяет вторичную структуру. В этом упражнении, Вы устанавливаете опции чтобы построить β-изогнутую структуру.

Чтобы установить конформацию:

1. Выберите Beta Sheet как конформацию.

Этот выбор автоматически устанавливает и phi и psi угол на 180 градусов.

2. Установите Omega угол на 180 градусов для транс-пептидной связи.

Обычно, белковый угол пептида Omega, соединяет остатки в транс.

Чтобы построить полипептид, начните с N-концевого конца и сцепляйте вместе остатки, пока Вы не достигаете C-концевого конца.

Чтобы выбрать остатки для полипептида:

1. L-щелкните последовательно на Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg.

Когда Вы выбираете Pro, HyperChem "подает звуковой сигнал". Это означает, что он не может использовать указанную конформацию. Пролин может только принять некоторые phi и psi углы, которые - не α и не β. В то время как Вы строите полипептид, HyperChem показывает те углы, для которых позволяет значение.

Чтобы закрыть диалоговую панель:

1. Щелкните два раза на ячейке контроля в верхнем левом углу диалоговой панели аминокислот, или L-щелкните на Close.

Полипептид появится в рабочем пространстве. Структура автоматически появится с метками из-за опции Labels который Вы установили в последнем уроке.

Чтобы отменить метки молекулы:

1. Выберите Labels в меню Display. Удостоверьтесь, что Вы выбрали None для атомов и остатков а затем выберите ОК.

Создание цвиттер-ионов

Белок, который Вы создали, имеет незавершенный остаток на каждом конце. Так как это существовало, если бы он был в середине пептидной цепи. Конец N-конца содержит HN-, а конец C-конца содержит -СО В этом упражнении, Вы преобразуете концы пептида в цвиттер-ионную форму, изменяя N-и C-предельные остатки.

Чтобы создавать цвиттер-ион:

1. Двигайте, и вращайте пептид, пока он не напомнит это:

2. Выберите, Make Zwitterion в меню Databases.

HyperChem добавляет кислород в конце C-конца: HyperChem также добавляет протоны к концу N-конца.

Местноспецифический мутагенез играет важную роль в построении белка. Замена специфической аминокислоты на критическом участке может изменить структуру и свойства белка, и затем, его функцию.

Чтобы изменить остаток: Сначала, пометьте белок остатками, чтобы облегчить наблюдение, того что Вы изменяете.

1. Выберите Labels в меню Display.

2. L-щелкybnt на Name+Seq как опции для того, чтобы пометить остатки, и затем выберите ОК.

В более ранних упражнениях, Вы использовали пункт меню Labels, чтобы пометить молекулу атомами. Вы можете также использовать этот пункт меню, чтобы пометить остатки.

3. Выберите Residues в меню Select.

4. L-щелкните на инструменте выбора.

5. R-щелкните в пустой области рабочего пространства, чтобы удостовериться, что ничто не выбрано.

6. L-щелкните на PHE 5.

Остаток пометится.

7. Выберите Mutate на меню Databases.

Обратите внимание: Пункт меню Mutate является неактивным (grayed out) в меню базы данных, пока Вы не выберите остаток.

8. В диалоговой панели мутации, прокрутите вниз список остатков и выберите Thr, затем выберите ОК.

Выбранный фенилаланин заменяется треонином:

Сохранение структуры

Чтобы сохранить структуру:

1. Выберите, Save в меню File.

Откроется диалоговая панель сохранения файлов.

2. В ячейке списка дерикторий, выберите дерикторию в которой выхотите сохранить этот файл.

3. Введите polyp в ячейку имен файлов, и затем выберите ОК.

4. Выбрать New в меню File, чтобы очистить рабочее пространство.

Практические упражнения

1. Создайте нуклеиновую кислоту, используя Nucleic Acids в меню Databases.

Практическая работа 7. Выбор и изображение поднаборов

Очистите рабочее пространство, или перезапустите HyperChem или выберите New в меню File.

Чтобы создать α-спираль:

1. Выберите Amino Acids в меню Databases.

Откроется диалоговая панель аминокислот.

2. Выберите Alpha helix как тип конфигурации.

3. Установите Omega на 180 градусов.

Это определит транс пептидные связи.

4. L-щелкните на Phe шесть раз.

5. Щелкните два раза на ячейке управления, в верхнем левом углу диалоговой панели, или выберите Close.

Диалоговая панель закрывается и структура появляется в рабочем пространстве:

6. Если структура появляется с атомами водорода и метками, удалите их с изображения.

Пометка концов

Чтобы лучше визуализировать N-концевой и C-концевой концы полипептида, Вы можете пометить концы.

Чтобы пометить концы:

1. В меню Select, удостоверьтесь что Atoms и Multiple Selections включены.

2. L-щелкните на инструменте выбора.

3. L-щелкните на N-концевом атоме азота в левом конце полипептида, чтобы выбрать N-концевой конец:

4. L-щелкните на C-концевом атоме углерода в правом конце полипептида, чтобы выбрать C-концевой конец:

5. Выберите Labels в меню Display.

Появится диалоговая панель меток.

6. Выберите Symbol как тип атомных меток, и затем выберите ОК.

N-концевой атом азота и C-концевой атом углерода должны будут пометиться как здесь:

Выбор каркаса

Чтобы исследовать α-спиральную природу данного полипептида, этому помогает визуализация каркаса.

Первый шаг - это выбор каркаса. Вы можете сделать это двумя путями:

• Выбрав ближайшую точку между двумя предельными концами

• Используя Select Backbone в меню Select

Чтобы выбрать кратчайшую точку между предельными концами:

1. Если необходимо, выключите Show Hydrogens в меню Display.

2. Если Вы не находитесь в функции выбора, L-щелкните на инструменте выбора.

3. L-drag от карбонильного атома углерода C-концевого конца к атому азота N-концевого конца:

Это выберет каркас полипептида.

Чтобы использовать команду Select Backbone:

1. Сначала, L-щелкните на инструменте выбора и R-щелкните в пустой области рабочего пространства.

Это отменяет предыдущий выбор.

2. Выберите Select Backbone в меню Select.

Окраска каркаса

Чтобы окрасить каркас:

1. Выберите Color в меню Display.

Появится диалоговая панель выбора цвета.

2. Выберите Yellow, затем ОК.

3. R-щелкните в пустой области.

HyperChem покажет каркас желтым.

Изображение только каркаса

Чтобы изобразить только каркас:

1. Выберите Show Selection Only в меню Display.

Изобразятся только каркас и метки.

2. Выберите Labels в меню Display.

Появится диалоговая панель меток.

3. Выберите None для типа меток остатков, затем выберите ОК.

Появятся только каркасоснование и предельные концы.

Изображение боковых цепей

Чтобы показать боковые цепи:

1. Вращайте, и двигайте каркас так, чтобы он находился в конце и Вы видели вдоль длинной оси, подобно этому:

2. Выберите Show All в меню Display.

Дополнение поднабора

Иногда, может быть полезно выбирать или показывать только части молекулярной системы, не выбранные в настоящее время. Вы можете сделать это используя Complement Selection в меню Select.

Чтобы выбрать и показать дополнение выбранного поднабора:

1. Выберите Complement Selection в меню Select.

Он выберет все части полипептида кроме каркаса.

2. Выберите Show Selection only в меню Display и R-щелкните инструмент выбора в пустой области рабочего пространства.

Это покажет все части полипептида кроме каркаса.

Прямоугольный выбор

Чтобы выбрать все атомы в 3-D прямоугольнике:

1. Выберите Show Hydrogens а затем щелкните на Show All в меню Display.

2. Удостоверьтесь, что Select Sphere в меню Select не включена.

3. L-щелкните на инструменте выбора, чтобы войти в способ выбора.

4. Начните в верхнем левом углу рабочего пространства, LR-drag к правому нижнему углу подобно этому:

5. Отпустите обе кнопки мыши.

Все атомы, замеченные в прямоугольной области пометятся

Сферический выбор

Чтобы выбрать атомы в пределах объема вокруг данного атома:

1. R-щелкните в пустой области рабочего пространства.

Это отменит выделение всех пунктов в рабочем пространстве.

2. Выберите Select Sphere в меню Select.

3. Поместите курсор выбора над атомом азота N-концевого конца.

4. LR-drag от атома азота.

Линия статуса показывает радиус сферы выбора.

5. Продолжайте, пока Вы не создадите радиус приблизительно 5.0 Ангстрем.

6. Отпустите обе кнопки мыши.

HyperChem выберет все атомы в пределах расстояния 5.0 Ангстрем от N-концевого конца молекулы.

Присвоение имени выбору

Часто полезно назвать выбор так, чтобы Вы могли удобно показать его позже. В этом упражнении, Вы назначаете имя ко всем атомам включенным в текущий сферический выбор.

Чтобы присвоить имя выбору:

1. Выберите Name Selection в меню Select.

Появится диалоговая панель выбора имени.

2. Удостоверьтесь что Other, выбран и введите n_sub в текстовую ячейку Other.

3. L-щелкните на ОК.

HyperChem сохранит все помеченные атомы в выборе названном n_sub.

4. R-щелкните в пустой области рабочего пространства.

Этот шаг отменяет выбор.

5. Выберите Select в меню Select.

Появится диалоговая панель выбора.

6. Выберите By name.

7. Выберите n_sub из списка имен, и затем выберите ОК.

Выбор выбран снова.

Выбор кольца

Чтобы выбрать кольцо:

1. R-щелкните в пустой области рабочего пространства.

Выбор отменяется для всех пунктов в рабочем пространстве.

2. Щелкните два раза на любой связи в кольце фенила.

Кольцо выбрано:

3. R-щелкните в пустой области, чтобы отменить выбор кольца.

4. Пробуйте выбрать другие кольца в полипептиде.

Выбор боковой цепи

Чтобы выбирать боковую цепь:

1. Указать курсором на связь, которая - не часть кольца.

2. Щелкните два раза в конце связи, замыкающей кольцо.

Боковая цепь выбрана.

3. Чтобы закончить этот урок, выберите Exit в меню File, и не сохраняйте текущие изменения.

Практическая работа 8. Работа с макромолекулами

Важная особенность HyperChem - способность управлять и вычислять свойства макромолекул, типа белков и нуклеиновых кислот.

Пока Вы использовали HyperChem, чтобы строить и изучать маленькие молекулы.

Теперь Вы изучите макромолекулу, сохраненную в формате файла Brookhaven Белковой Базы Данных (PDB).

В этом уроке, Вы работаете с PDB файлом для бычьего панкреатического ингибитора трипсина (BPTI).

Чтение файла формата Brookhaven PDB

Вы можете читать файлы в Brookhaven PDB формате в HyperChem. Файлы из Brookhaven Банка Данных Белка имеют .ent расширение. HyperChem может читать PDB файлы с распределительной ленты, обеспеченной Brookhaven или другим источником. Эти файлы должны сначала быть перемещены с ленты на средство (обычно диск) доступное HyperChem.

Открытие PDB файла

Чтобы открыть PDB файл:

1. Если необходимо, откройте HyperChem.

2. Выбрите Open в меню File.

Появится диалоговая панель открытия файла.

3. Используя ячейку списка дерикторий, измените на дерикторию /usr/lib/HyperChem/samples.

4. Выбрите PDB как формат файла.

5. L-щелкните на pdb5pti.ent в списке файлов.

Когда Вы выбираете PDB файл, ячейка Comments в диалоговой ячейке показывает HEADER, COMPDN, SOURCE, AUTHOR, REVDAT, JRNL и REMARK линии Brookhaven PDB файла.

6. Выбрите ОК.

Через некоторое время, молекула появляется в рабочем пространстве:

Когда Вы открываете PDB файл, HyperChem читает сопровождающий файл шаблона (.tpl расширение), который содержит информацию о соединении, атомах водорода, атомных зарядах, и типах атомов.

7. Если структура появляется с метками, используйте диалоговую панель Labels чтобы удалить их.

8. Удостоверьтесь, что Show Hydrogens выключен в меню Display.

Удаление молекул воды

Чтобы упростить этот урок, удалите молекулы воды окружающие BPTI.

Чтобы удалить молекулы воды:

1. Установите уровень выбора на Molecules.

2. L-щелкните на инструменте выбора, чтобы войти в функцию выбора.

3. L-щелкните на BPTI молекуле.

Это выбирает BPTI молекулу.

4. Выбрите Complement Selection в меню Select.

Это выбирает только молекулы воды.

5. Выберите Clear в меню Edit.

Откроется следующая диалоговая панель:

6. Выберите Да.

Это удалит молекулы воды. Структура должна выглядеть подобно этому:

Чтобы избежать изменения PDB файла для BPTI, сохраните файл под другим именем файла для этого урока.

1. Выберите, Save As в меню File.

2. Используя ячейку списка дерикторий, измените на дерикторию где Вы хотите сохранить вашу работу.

3. Выберите HIN как формат файла.

4. В ячейке Selection, L-щелкните после последнего штриха (/), введите testbpti, затем L-щелкните на ОК.

HyperChem сохранит измененную структуру как testbpti.hin.

Изображение структуры

Изображение каркаса структуры

Чтобы показать каркас структуры молекулы:

1. Удостоверьтесь, что Show Hydrogens выключен в меню Display.

Это поможет устранить загромождение изображения.

2. Выбрите Select Backbone в меню Select.

Это пометит каркас.

3. Нажмите кнопку пробела.

Вы получаете более близкое изображение каркаса. Если Вы нажимаете кнопку пробела когда выбрана область, Вы измените масштаб изображения в этой области.

4. Выберите Show Selection Only в меню Display.

Это покажет только каркас.

5. R-щелкните в пустой области рабочего пространства.

Это отменит выбор каркаса.

Изображение боковых цепей

Чтобы повторно изобразить боковые цепи

1. Выберите Show All в меню Display

Изображение -спирали

Чтобы изобразить альфа-спираль:

1. Удостоверьтесь, что Multiple Selections и Residues выбраны в меню Select.

2. Выберите Select в меню Select, чтобы открыть диалоговую панель выбора.

3. Удостоверьтесь что By number, выбран, и затем L-щелкните на Residue.

4. Введите 47 в текстовую ячейку Residue/namber затем выберите OK.

Это выберет SER 47. Это - легкий способ выбрать определенный остаток в молекуле.

5. Откройте диалоговую панель Select снова и определите номер остатка 55.

Остатки 47 и 55 пометятся.

6. L-drag между остатками 47 и 55.

Это выберет все остатки между 47 и 55.

7. Выберите Show Selection Only в меню Display.

Это покажет незагроможденное изображение выбранных остатков.

8. Нажмите кнопку пробела, чтобы центрировать выбор в рабочем пространстве.

9. R-щелкните в пустой области, чтобы отменить выбор остатков.

10. Выберите Select Backbone в меню Select, затем Show Selection Only в меню Display.

HyperChem изобразит только каркас альфа-спирали, сформированный остатками 47 - 55. Остальная часть каркаса выбрана, но не изображена.

11. Сдвигайте, и вращать альфа-спираль, так чтобы она находилась на конце. Она должна напоминать это:

12. Выберите Show All и Scale to Fit в меню Display.

13. Войти в функцию выбора и R-щелкните в пустой области рабочего пространства, чтобы отменить выбор.

Изображение дисульфидных мостов

BPTI содержит остатки цистина, которые формируют ковалентные связи вдоль основания белка. В этом упражнении, Вы увеличите масштаб изображения для части молекулы, чтобы показать эти связи.

Чтобы увеличить изображение дисульфидного моста:

1. Если весь белок не показан в рабочем пространстве, выберите Show All в меню Display, и нажмите кнопку пробела.

Это покажет и центрирует структуру в рабочем пространстве.

2. LR-drag инструмент выбора, чтобы включить остаток цистина с нижней правой стороны молекулы. Убедитесь, что начали в пустой области рабочего пространства. Вы можете включить несколько соседних остатков также.

Обратите внимание: остаток цистина появляется желтым, если Вы используете установку цвета. Также, если Select Sphere - отмечена в меню Display и Вы не делаете LR-drag запуск в пустой области рабочего пространства, Вы создаете сферический выбор, а не прямоугольный выбор.

3. Взгляните на линию статуса, чтобы удостовериться что остаток CYX14 выбран.

4. Нажмите кнопку пробела, чтобы центрировать выбор в рабочем пространстве.

5. Выберите Labels в меню Display, и выберите Symbol как тип метки атома.

Выбор помечается атомами.

6. Медленно вращайте, и увеличивайте масштаб изображения структуре, пока Вы не сможете легко идентифицировать -S-S связь.

7. R-щелкните в пустой области, чтобы очистить выбор.

Выбор кольцевой структуры

Вы можете использовать находящую кольцо особенность HyperChem, чтобы показать остатки, которые формируют кольцо в белке.

Чтобы показать кольцевую структуру:

1. Измените уровень выбора на Atoms.

2. Щелкните два раза в середине -S-S- связи.

Это выбирает кольцо, сформированное через двусернистые мосты между CYX 14 и CYX 38.

3. Нажмите клывишу пробела, чтобы центрировать кольцо в рабочем пространстве.

4. Выберите Show Selection Only.

5. Используя диалоговую панель Labels, выберите Name+Seq, чтобы пометить остатки по имени и последовательности.

Это покажет только кольцо, помеченное по имени и последовательности.

6. Вращайте кольцо, пока оно не напомнит это в рабочем пространстве:

Изображение водородных связей

Чтобы вычислить и изобразить водородные связи:

1. Войдите в функцию выбора и R-щелкните в пустой области, чтобы отменить выбор кольца.

2. В меню Display, выберите Show All, и затем Scale to Fit.

Вся молекула изобразится и центрируется в рабочем пространстве.

3. Удалите метки с изображения.

4. Включите Show Hydrogens и Show Hydrogen Bonds.

Show Hydrogen Bonds изобразит водородные связи между выбранными атомами, или, без выбора, покажет водородные связи для всех молекул в системе.

5. Выберите, Recompute H Bonds в меню Display.

HyperChem покажет водородные связи как пунктирные линии.

6. Нажмите [PgDn], чтобы увеличить масштаб изображения пока водородные связи не станут ясно видимыми.

7. Нажмите кнопку пробела, чтобы возвратиться к пригодному виду масштаба.

Обратите внимание: Если Вы измените устройство молекул в рабочем пространстве (например, XY сдвигом) или если HyperChem изменяет устройство в течение вычисления, выберите, Recompute Hydrogen Bonds, чтобы видеть текущие водородные связи.

Местноспецифический мутагенез

В Уроке 6 Вы выполнили местноспецифический мутагенез на брадикинине. В этом упражнении, Вы сделаете ряд мутаций на внешней стороне структуры.

Чтобы видоизменить структуру:

1. Удостоверьтесь, что Multiple Selections выключен.

2. Пометте остатки, выбирая Name+Seq.

3. Испольуйте диалоговую панель Select, чтобы выбрать остаток 58.

4. Увеличте масштаб выбора и поместите структуру так, чтобы выглядела подобно этому:

5. С ALA58 все еще отобранным выберите, Mutate в меню Databases, и замените ALA58 на VAL.

6. Используйте диалоговую панель Select, чтобы выбрать GLY57. Замените его на PHE.

7. Замените остаток 56 на ALA и остаток 55 на VAL.

Вращение боковой цепи

Вы можете изменить торсионные углы боковой цепи, используя особенности выбора боковых цепей и внутреннюю опцию вращения инструмента Z вращения.

Чтобы вращать боковую цепь:

1. R-щелкните в пустой области, чтобы очистить выбор.

2. Установите выбор уровня на Atoms.

3. Поместите структуру, чтобы она напоминала это.

4. Щелкните два раза на C^ стороне C^-C^ связи VAL, чтобы выбрать боковую цепь:

5. L-щелкните на инструменте Z вращения.

6. R-drag курсор Z-вращения горизонтально в рабочее пространство чтобы вращать боковую цепь валина.

Обратите внимание: Чтобы увеличить скорость вращения, удалите часть молекулы с экрана. Чтобы сделать это, выберите часть молекулы окружающую остаток валина. Выберите Show Selection Only в меню Display и R-щелкните в пустой области чтобы отменить выбор перед выбором боковой цепи для вращения.

7. Чтобы закончить этот урок, выберите New в меню File, и не сохраняйте текущие изменения.

Модуль 2

Вычисления HyperChem

Обучающая программа 2 фокусируется на химических вычислениях, которые Вы можете выполнить в HyperChem. Вы изучите постепенные инструкции для выполнения вычислений в отдельной точке, геометрической оптимизации, и молекулярной динамики, используя как полуэмпирических квантово-механические так и методы молекулярной механики.

Практическая работа 9. Минимизация энергии системы

Пока Вы использовали основные построительные, редактирующие, и изображающие инструменты HyperChem. Теперь Вы начинаете использовать инструменты анализа HyperChem которые помогут Вам понять молекулярное поведение и взаимодействие.

В этом уроке, Вы минимизируете энергию циклогексана, используя AMBER силовое поле. Прежде, чем Вы продолжите этот урок, важно понять некоторые из основных концепций минимизации энергии.

Минимизация энергии изменяет молекулярную геометрию, чтобы понизить энергию системы, и получить более устойчивое состояние. В процессе минимизации, она ищет молекулярную структуру, в которой энергия не изменяется при бесконечно малых изменениях геометрии. Это означает что производная энергии по всем декартовым координатам, называемая градиентом - около нуля.

Она известна как стационарная точка на потенциальной энергетической поверхности.

Если незначительные изменения в геометрических параметрах повышают энергию молекулы, состояние относительно устойчиво, и называется минимум. Если энергия понижается при небольших изменениях одного или большего количества измерений, но не для всех измерений, это - точка седла.

Молекулярная система может иметь много минимумов. Один с наиболее низкой энергией называют глобальным минимумом, а остальные называются локальными минимумами.

В этом уроке, Вы вычисляете три стационарных точки для циклогексана: кресло, ванна, и твист. Вы выполните молекулярно-механичесую оптимизацию для каждой формы и сравните энергии, чтобы определить глобальную минимальную энергетическую конфигурацию.

Сохранение log файла

Линия статуса внизу окна HyperChem изображает самые важные результаты вычисления. Вы можете держать эти сообщения, и другую информацию, касающуюся вычисления, в log файле. Это облегчит для Вас печатать, приготовление, или соединение информации из log файла в рукопись.

Чтобы запустить log файл:

1. Если необходимо, повторно откройте HyperChem.

2. Выберите Start Log в меню File.

Откроется меню открытия log и указанное имя файла, chem.log, появится в текстовой ячейке.

Если файл chem.log уже существует, Вы можете добавить к нему для проверки Append опцию.

3. L-щелкните на ОК.

log файл chem.log начинает собирать результаты любого вычисления, которые выполнены.

Выбор силового поля:

Прежде, чем Вы построите структуру кресла циклогексана и выполните молекулярно-механическую оптимизацию, Вы должны выбрать молекулярно-механическое силовое поле, обеспеченную HyperChem.

Силовое поле содержит типы атомов и параметры, которые должны быть назначенный в молекуле прежде, чем Вы выполните молекулярно-механическое вычисление. Для этого упражнения, Вы используете AMBER силовое поле.

Чтобы выбрать силовое поле:

1. Выберите Molecular Mechanics в меню Setup.

2. Когда появится диалоговая панель, выберите AMBER.

3. L-щелкните на Options, чтобы открыть диалоговую панель опций силового поля.

4. Установите Dielectric в Distance Dipendent.

Если никакие растворимые в воде молекулы не добавлены к вычислению, это обычное приближение, чтобы использовать расстояние-зависимую диэлектрическую постоянную, в которой Кулоновские взаимодействия уменьшаются как 1/r², а не 1/r, чтобы моделировать эффект растворителя. В противном случае, Кулоновские взаимодействия могут быть вычислены дополнительным фактором масштаба, если Вы выбираете величину, отличную от 1.0.

5. Установите Scale factor на 1.

6. Выберите Electrostatic и van der Waals 1-4 Scale factors на 0.5.

Эти установки определяют вычисление взаимодействий несвязанных расстояний для атомов, которые отдалены менее чем на три связи. AMBER параметры были получены с обоими факторами масштаба, установленными на 0.5 таким образом Вы должны обычно использовать их с AMBER силовым полем.

7. Установите Cutoff на None.

Для вычислений на больших структурах, возможно уменьшить масштаб вычисления, игнорируя взаимодействия дальнего действия. В этом случае, структура будет достаточно мала так что эта опция может игнорироваться.

8. Выберите ОК чтобы закрыть обе диалоговые панели.

9. Выберите Select Parameter Set в меню Setup.

10. Когда диалоговая панель появится, выберите amber2.

Несколько различных наборов параметра доступны для AMBER силового поля, и пользователи могут определить их собственные наборы параметров. Для дополнительной информации о различиях между версиями выбора параметров, пожалуйста смотрите руководство вычислительной химии HyperChem.

Построение циклогексана-кресла

Первая форма циклогексана, которую Вы построите - форма кресла.

Чтобы построить конфигурацию кресла:

1. Установите Default Element на углерод и войдите в функцию рисования.

2. Установите уровень выбора на Atoms.

3. Выберите Labels в меню Display, и пометьте атомы номером.

4. Убедитесь, что Explicit Hydrogens выключен в меню Build.

5. Нарисуйте 2-D структуру в показанном порядке:

6. Выберите, Add H & Model Build в меню Build.

7. Выключите Show Hydrogens в меню Display.

8. Вращайте, и перемещайте структуру, пока она не напомнит это:

Построитель модели строит форму кресла циклогексана как указанную структуру. Структура не оптимизирована, но она имеет стандартный набор длин связей, углов, и торсионных углов.

Измерение структурных свойств циклогексан-кресла

Теперь измерьте структурные свойства модельно построенной структуры. Позже, Вы сравните их с геометрическими размерами для оптимизированной структуры.

Чтобы измерить геометрию молекулы:

1. Войдите в функцию выбора.

2. Установить уровень выбора на Atoms и выключите Multiple Selection.

3. Выберите несколько связей, углов, и торсионных углов, чтобы исследовать геометрию структуры.

Следующие значения появятся на линии статуса после того, как Вы сделаете Ваш выбор:

Расстояние связи: 1.54 А

Угол: 109.47⁰

Торсионный угол: 60⁰

4. R-щелкните в пустой области рабочего пространства, чтобы удостовериться, что ничего не выбрано.

Выполнение вычисления в отдельной точке

Затем, Вы выполните вычисление в отдельной точке, чтобы получить общую энергию неоптимизированной конфигурации.

Чтобы выполнить вычисление в отдельной точке:

1. Выберите Single Point в меню Compute.

Вычисление в отдельной точке сообщает энергию в ккал/моль и полный среднеквадратический (RMS) градиент в ккал/(моль·Ангстрем) в текущей конфигурации атомов. Следующие значения появятся на линии статуса:

Энергия = 1.64

Градиент = 3.02

В местном минимуме, RMS градиент - близок к нулю. Таким образом, модельно-построенная структура - не местный минимум в используемом AMBER силовом поле.

Введение комментариев в log файл

Вся информация из вычисления в отдельной точке была сохранена в log файле. В дополнение к тому, что появляется на линии статуса, log файл также показывает компоненты энергии. Для будущего комментария, Вы можете добавить комментарий в log файл.

Чтобы ввести комментарий в log файл:

1. Выбрите Log Comments в меню File, и введите комментарий в текстовую ячейку как показано:

2. L-щелкните на ОК.

Оптимизация структуры

Следующий шаг должен минимизировать структуру кресла, выполняя молекулярно-механическую оптимизацию. Сначала Вы устанавливаете минимизационные значения, включая тип минимизатора, а затем запускаете вычисление.

Установка переменных оптимизации

1. Выберите Geometry Optimisation в меню Compute.

Появится диалоговая панель:

Опции диалоговой панели позволяют Вам выбрать алгоритм оптимизации и критерий согласования для минимизации энергии которую Вы собираетесь выполнять.

2. Выберите Polak-Ribiere как алгоритм минимизации.

Этот алгоритм - хороший оптимизатор общего назначения. Оба Polak-Ribiere и Fletcher-Reeves выполняют ряд одномерных исследований, или циклов, в сопряженном направлении градиента. Различные алгоритмы могут соответствовать различным обстоятельствам.

3. Используйте 0.1 для состояния RMS градиента, и укажите величины для других переменных.

Текстовые ячейки для RMS градиента и максимума циклов позволяют Вам устанавливать выбор, чтобы закончить вычисление. Когда вычисление досягает любго из этих критериев, вычисление заканчивается.

In vacio опция выполняет вычисление без периодических граничных условий. Это только один из выборов без системы установленной в периодическую ячейку. Периодические граничные условия отменяются в In vacuo опции. Она не запускается, если Вы используете опцию меню Periodic Box.

Запуск вычисления

Вы закончили установку переменных для оптимизации и готовы запустить вычисление.

1. L-щелкните на ОК, чтобы закрыть диалоговую панель и запустить вычисление.

Оптимизация геометрии начинается и информация о запуске появляется на линии статуса. Через некоторое время, запуск финиширует. Следующие величины появляются на линии статуса:

Энергия: 1.33

Градиент: 0.07

Градиент - намного меньше, чем градиент, приведенный для модельно-построенной структуры перед минимизацией.

Число циклов - это число использованных значений поиска (оба Fletcher- Reeves и Polak-Ribiere используют ряд одномерных исследований) и число пунктов - это число энергетических и градиентных оценок.

Измерение свойств минимизированной системы

Теперь сравните структурные свойства минимизированной системы

с таковыми из модельно-построенной структуры.

1. Выберите различные связи, углы, и торсионные углы.

Значения появятся на линии статуса, когда Вы сделаете ваш выбор:

Расстояния связей: 1.53 А

Углы: 110.2 ⁰

Торсионные углы: 58.0 ⁰

2. Сравните эти значения со следующими значениями для неминимизированной структуры:

Расстояния связей: 1.54А

Углы: 109.4 ⁰

Торсионные углы: 60 ⁰

Сравнение свойств структуры показывает, что минимизация энергии немного увеличивает углы от тетраэдрического и уменьшает торсионные углы на 2 градуса.

Преобразование циклогексана из кресла в ванну

В этом упражнении, Вы отразите один конец молекулы, чтобы принять форму иклогексана-ванны.

Чтобы определить плоскость отражения:

1. Включите Multiple Selection.

2. Если Вы не находитесь в функции выбора, L-щелкните на инструменте выбора.

3. Щелкните два раза на инструменте выбора, чтобы возвратиться к модельно построенной структуре.

4. L-щелкните на связях 1-2 и 4-5, чтобы выбрать плоскость отражения показанную здесь:

5. Выберите Name Selection в меню Select.

6. Выберите PLANE, а затем выберите ОК.

Чтобы отразить один конец молекулы:

1. Если необходимо, выберите Show Hygrogens, и используйте инструмент изменения масштаба изображения чтобы изменить молекулу так, чтобы вся молекула была в поле зрения.

2. LR-drag, чтобы расширить выбор, чтобы включить все атомы с одной стороны первоначально выбранных связей.

3. Выберите, Reflect в меню Edit.

Выбранные атомы отразятся через PLANE, производя преобразование в циклогексан-ванну.

Структура должна теперь напоминать это:

4. R-щелкните в пустой области рабочего пространства, чтобы отменить выбор атомов.

Измерение осевых атомов водорода

Два осевых атома водорода - очевидно близки друг к другу в структуре ванны.

Чтобы измерить расстояние:

1. L-щелкните на этих двух атомах:

Линия статуса сообщает о расстоянии только 1.84A. Это - весьма близко для атомов, которые являются несвязанными. Оптимизация структуры сдвигает эти атомы более обособленно, чтобы понизить энергию.

Оптимизация циклогексана-ванны

Чтобы минимизировать структуру ванны:

1. R-щелкните в пустой области рабочего пространства, чтобы отсеять атомы.

2. Выбрите Geometry Optimisation в меню Compute.

3. Выберите ОК чтобы начать минимизацию, используя предыдущие опции.

По мере появления каждой конформации в рабочем пространстве, величины для энергии и градиента появляются на линии статуса. После окончания минимизации, линия статуса показывает эти величины:

Энергия: 8.31

Градиент: 0.08

Повторное измерение осевых атомов водорода

1. L-щелкните на двух осевых атомах водорода.

Линия статуса показывает новое H-H расстояние (2.28А). Минимизация энергии немного сгладила структуру и переместила два осевых атома водорода обособленно.

Оптимизированная структура ванны - точка седла. Плоскость симметрии в стартовой структуре балансирует весь перпендикуляр сил на эту плоскость. Направления поиска оптимизатора базируются на этих силах, и поэтому, все направления поиска имеют ту же самую плоскость симметрии. HyperChem находит точку седла, которая является минимумом относительно всех измерений кроме плоскости симметрии.

Создание твист-циклогексана

Третья форма циклогексана, формы твист, является правильным местным минимумом. Простой способ получить его состоит в том, чтобы изменить форму ванны немного, налагая ограничение торсионных углов, восстановив, и оптимизировав структуру.

Чтобы установить ограничение торсионных углов:

1. R-щелкните в пустой области рабочего пространства, чтобы очистить выбор.

2. Выключите Show Hydrogens.

3. Выберите торсионный угол четырех углеродов, выбрав 6-1, 1-2, и 2-3 связи в том же порядке.

Вы должны выбрать связи в этом порядке так, чтобы указать правильный угол. Построитель моделей вычисляет конфигурации согласно порядка выбора; определение ограничения для этого специфического торсионного угла только изменяет положение углерода 6.

4. Выберите, Constrain Bond Torsion в меню Build, выбрав Other, и введите 30, чтобы установить ограничение на 30 градусов. Затем выберите ОК.

5. R-щелкните в пустой области рабочего пространства.

Отменено выделение торсионного угла, но ограничение остается установленным.

Чтобы установить молекулу с ограничением торсионного угла:

1. Щелкните два раза на инструменте Выбора, чтобы вызвать построитель моделей.

HyperChem установит структуру с установкой торсионного угла создавав каноническую твист форму циклогексана.

Оптимизация твист-циклогексана

Оптимизируйте эту геометрию, используя значения минимизации из предыдущей оптимизации.

Чтобы минимизировать твист-структуру:

1. Выберите Geometry Optimization в меню Compute.

2. Выберите OK чтобы начать минимизацию, используя предыдущие опции.

После завершения минимизации, следующие значения появятся на линии статуса:

Энергия: 7.22

Градиент: 0.07

Анализ результатов

Следующая таблица суммирует энергию в ккал/моль, и градиент в ккал/(моль·Ангстрем), для трех различных форм циклогексана после оптимизации геометрии:

кресло

ванна

твист

энергия

1,33

8,31

7,22

градиент

0,07

0,08

0,07

Структуры кресла и твист имеют энергии ниже структуры ванны и форма кресла - это глобальный минимум. Абсолютные энергии из этих вычислений не являются значащими, но Вы можете сравнить относительные энергии с экспериментом:

полученная

экспериментально определенная

ΔE (ванна-кресло)

6,98

6,9

ΔE (твист-кресло)

5,89

5,3

J.B. Hendrickson, J.. Chem. Soc. 83, 4537 (1961)

J.B. Hendrickson, J.. Chem. Soc. 89, 7036 (1967)

Остановка log файла

Теперь, когда Вы закончили запуск вычисления, Вы можете остановить log файл и исследовать его, используя текстовый редактор типа Notepad, или Write, которые включены в Microsoft Windows, или WordPad который включен с Windows 95.

Чтобы прекратить регистрировать вашу работу:

1. Выберите Stop Log в меню File.

logfile chem.log содержит отчет различных оптимизационных запусков. Вы можете исследовать его используя текстовый редактор, и можете также отредактировать log файл для использования с графическими изображениями или документами.

Чтобы открыть log файл:

1. Выйдите из HyperChem, не сохраняя вашу работу.

2. Определите местонахождение, и откройте приложение текстового редактора.

3. Выберите Открыть в меню Файл текстового редактора.

4. Щелкните два раза на [..], чтобы изменить на вашу дерикторию HyperChem

(например, c:\hyper).

5. В диалоговой панели имен файлов, введите chem.log, затем выберите Открыть.

Может появиться диалоговая панель и спросить, хотите ли Вы преобразовать файл.

6. Если такое предупреждение появится, выберите Нет.

7. Исследуйте содержание файла, используя ячейку прокрутки.

8. Когда Вы закончите, закройте текстовый редактор текста без сохранения ваших изменений.

Альтернативно, Вы можете редактировать log файл для использования с картами или другими документами.

Практические упражнения

1. Повторите, этот урок, используя ММ+ силовое поле и сравните результаты.

Практическая работа 10. Динамическое моделирование и равновесное поведение

Упражнение 1: Создание изолированного цвиттер-иона аланина

Рисование эскиза цвиттер-иона аланина

Хотя Вы можете легко использовать библиотеку аминокислот HyperChem чтобы изобразить аланин, как практическое упражнение, Вы построите его из эскиза.

Чтобы сделать набросок цвиттер-иона аланина:

1. Если необходимо, повторно откройте HyperChem.

2. Щелкните два раза на инструменте рисования, чтобы открыть диалоговую панель указания элементов

3. Включите, Allow ions и Explicit Hydrogens.

4. Выберите углерод, и затем закройте диалоговую панель.

5. Включите Show Hydrogens.

6. Установитe опцию метки, чтобы пометить атомы символом.

7. L-щелкните на инструменте рисования, чтобы войти в способ рисования.

8. Нарисуйте следующий эскиз.

Заметьте, что один углерод имеет только два атома водорода. Вы отредактируете эти атомы водорода, чтобы они стали атомами кислорода.

Редактирование структуры

Эта структура - только углеводород, и Вы должны отредактировать структуру, чтобы создать цвиттер-ион аланина. Определенно, Вы нуждаетесь в замене нескольких атомов на азот или кислород и сопряженную карбоксильную группу.

Чтобы редактировать структуру:

1. Откройте, диалоговую панель Default Element и измените указанный элемент на азот.

2. L-щелкните на одном из атомов метильного углерода, чтобы превратить его в атом азота, как показано ниже:

3. Замените указание элемента на кислород.

4. L-щелкните на двух атомах водорода, которые станут частью карбоксильной группы, чтобы превратить их в атомы кислорода.

5. Щелкните два раза на каждой из связей углерод-кислород, чтобы превратить их в сопряженные связи

6. Ваш рисунок должен напоминать это:

Назначение атомных зарядов

Следующий шаг должен разместить формальные заряды на некоторые атомы чтобы аппроксимировать представление распределения заряда в цвиттер-ионе. Вы

можете получить атомные заряды в HyperChem, используя следующие методы:

• если молекула построена из шаблона, типа PDB файла, шаблон может содержать заряды

• выполняя квантово-механическое вычисление

• делая приближение зарядов

В этом упражнении Вы делаете простое приближение формального заряда +1.0 на атоме азота и заряда -0.5 на атомах кислорода. Это результат ненулевых значений для этих трех атомов.

Чтобы назначать атомные заряды:

1. Войдите в функцию выбора, и установите уровень выбора на атомы.

2. Удостоверьтесь, что Multiple Selections включен.

3. Выберите атом азота.

4. Выберите Set Charge в меню Build, и назначьте заряд 1.0.

5. R-щекните в пустой области, чтобы очистить выбор.

6. Выберите оба атома кислорода и назначте заряд -0.5.

Это устанавливает заряд -0.5 для каждого из атомов кислорода.

7. R-щелкните в пустой области, чтобы отсеять атомы.

Выбор силового поля

Следующий шаг должен выбрать силовое поле. Вы должны выбрать силовое поле прежде, чем Вы вызовите построитель моделей потому что построитель модели назначает атомные типы на каждый атом согласно силовому полю, которое Вы определяете. Альтернативно, Вы можете явно назначить атомные типы в любое время используя, Calculate Types в меню Build. Однако, самый простой путь состоит в том, чтобы назначить правильное силовое поле прежде чем Вы вызовите построитель моделей.

Чтобы выбрать силовое поле:

1. Выберите Molecular Mechanics в меню Setup.

Откроется диалоговая панель Молекулярно-механического силового поля.

2. Выберите AMBER, затем L-щелкните на Options.

Откроется диалоговая панель опций силового поля.

3. Используйте следующие указанные значения, затем выберите ОК.

Если бы не сокращения и диэлектрическая функциональная форма, эти значения

являются стандартными для АMBER силового поля.

4. Выберите ОК, чтобы закрыть диалоговую панель опций силового поля.

5. Выберите ОК чтобы закрыть диалоговую панель Молекулярно-механического силового поля.

6. Если следующая диалоговая панель появится, выберите ОК.

Построение и исследование 3-D структуры

Вы готовы построить 3-D модель аланина и рассмотреть ее строение.

Чтобы построить и сориентировать структуру:

1. Щелкните два раза на инструменте Выбора, чтобы вызвать построитель моделей.

HyperChem построит и изобразит первое приближение цвиттер-иона аланина.

2. Вращайте, и перемещайте структуру, чтобы рассмотреть ее устройство.

Модельно построенная структура - только приближенная структура цвиттер-иона аланина.

3. Откройте диалоговую панель Labels в меню Display и выберите Chirality для атомов. Если центральный углерод помечен R а не S, тогда переключите на инструмент рисования, нажмите клавишу [Shift] и щелкните на центральном атоме углерода.

Вы можете использовать [Shift]+L-щелчок с инструментом рисования, чтобы вращать два соседа, таким образом изменяя хиральность. Вы можете также нарисовать клинья чтобы определить устройство или хиральность; см. Главу 8 Руководства пользователя для деталей.

4. Измените атомные метки назад на Symbol и включите снова инструмент выбора (если Вы заменили его на инструмент рисования на последнем шаге).

5. Сохраните структуру как alaz.hin.

Чтобы измерять ее структурные свойства:

1. Войдите в способ выбора и L-drag от атома кислорода до атома кислорода.

Построитель моделей построил O - C '- O угол 120 градусов.

2. R-щелкните в пустой области, чтобы очистить выбор.

3. L-drag от атома азота до одного из атомов кислорода.

O-C'-C^α-N торсионный угол ±60 градусов или ±120 градусов, в зависимости от порядка, который Вы использовали чтобы нарисовать атомы в структуре.

4. R-щелкните в пустой области, чтобы отсеять торсионный угол.

Чтобы показать AMBER атомные типы:

1. Откройте диалоговую панель Labels и установите тип метки атома на Type.

Выполнение вычисления в отдельной точке

Теперь, выполните вычисление в отдельной точке, чтобы вычислить энергию и градиент.

Чтобы выполнить вычисление в отдельной точке:

1. Выберите Single Point в меню Compute.

Через некоторое время, вычисление заканчивается и статусная линия сообщает о результатах:

Энергия = 74.59

Градиент =95.70

Оптимизация изолированной молекулы

Большая энергия и градиент указывают что модельно-построенная структура является совсем не оптимальной. Основное напряжение происходит из-за C-N и C-O расстояний.

Чтобы оптимизировать структуру:

1. Выберите Geometry Optimization в меню Compute.

Откроется диалоговая панель молекулярно-механической оптимизации::

2. Заполните диалоговую панель показанными значениями, и выберите ОК, чтобы запустить вычисление.

Через некоторое время, минимизация закончится.

Статусная линия покажет следующие значения:

Энергия = 18.10

Градиент = 0.10

3. Когда оптимизация будет выполнена, повторно измерьте O-C'-O угол и N-C^α-C'-O торсионный угол:

O-C'-O угол = 123.9 ⁰

N-C^α-C'-O торсионный угол = -51 и 99 градусов

Вспомните что для неоптимизированной структуры, O-C'-O угол измерен 120 градусов а N-C^α-C'-O торсионный угол имеет размер ±60 градусов или ±120 градусов.

Позже в этом уроке, Вы используете N-C^α-C'-O торсионный угол, чтобы продемонстрировать особенности молекулярной динамики HyperChem, так что сохраните этот угол как проименованный выбор.

• С углом, все еще выбранным, выберите Name Selection в меню Select.

• Выберите Other, введите ncco, затем выберите ОК.

4. R-щелкните в пустой области, чтобы отсеять угол.

Сохранение структуры

В этом пункте Вы должны сохранить оптимизированную изолированную структуру аланина так, чтобы Вы могли сравнить ее с сольватированной структурой, которую Вы создадите потом.

Чтобы сохранить структуру:

1. Откройте диалоговую панель Save File, нажав [Ctrl] + [S] как альтернатива использованию выбора меню.

2. Удостоверьтесь, что HIN выбран как формат файла.

3. Назовите файл ala-gas.hin.

4. L-щелкните в ячейке Comments. Как показано на следующей иллюстрации,

введите комментарии для файла:

Изолированный цвиттер-ион аланина оптимизированный АМBER

5. Выберите ОК.

Упражнение 2: Сольватация структуры

HyperChem позволяет Вам размещать молекулярную систему в периодическую ячейку молекул воды, чтобы моделировать поведение в водном растворе, как в биологической системе. В этом упражнении, Вы растворите цвиттер-ион аланина, который Вы создали в упражнении 1.

Прежде, чем Вы продолжите, следуете за этими шагами:

1. Удалите метки с изображения, используя указанные назначения в диалоговой панели Labels.

2. Выберите Periodic Box в меню Setup, чтобы открыть диалоговую панель опций периодической ячейки.

Установка периодических граничных условий

Чтобы растврить систему в HyperChem Вы определяете прямоугольную ячейку или куб равновесных молекул воды. Вы определяете размеры ячейки, помещаете растворяемый объект в центр, и определяете минимальное расстояние между атомами растворителя и растворяемого объекта. HyperChem удаляет все молекулы воды с атомами, которые подходят ближе к атомам растворяемого объекта, чем указанное расстояние.

Определение размера периодической ячейки

Есть несколько факторов, которые рассматриваются, когда Вы определяете размер периодической ячейки. Например, она должна быть больше чем размеры для Smollest Box Enclossing Solute, которые появляются в диалоговой панели опций периодической ячейки.

Размеры ячейки, по крайней мере, вдвое больше размеров растворенного объекта, чтобы избежать растворенный-растворенный взаимодействя при использовании установки сокращений. Растворенный-растворенный взаимодействий можно также избежать с меньшей ячейкой уменьшая радиус после сольватации (так, чтобы наибольшее растворенный размер плюс сокращенный радиус и диапазон - был меньше чем наименьший размер ячейки). Рекомендуемый куб воды сформирован из равновесного куба 18.70136А и его самых близких изображений, таким образом Вы не должны использовать измерения больше чем 56.10408A. Измерения эти являются кратными 18.70136A, минимизируя начальные плохие контакты.

Чтобы выбрать размер периодической ячейки:

1. Определите размер ячейки 12.0 10.0 12.0 Ангстрем, как показано на следующей иллюстрации.

2. Выберите ОК.

Это помещает структуру в центр ячейки окружая 40 молекулами воды.

Обратите внимание: поскольку ориентации молекул воды в ячейке не являются симметричными, Вы можете закончить с меньше чем 40 молекулами воды вследствие того, что те, которые слишком близки к вашей структуре удаленны. Если это случится, результаты, что Вы получаете из вычислений могут быть не теми же самыми как данные в этом уроке. Они будут зависеть от того, как ваша структура ориентирована прежде, чем Вы растворите ее.

Изображение растворенной системы

1. Выберите Rendering в меню Display.

2. Включите Perspective в диалоговой панели Rendering/Sticks а затем выберите OK.

3. Установите уровень выбора на Molecules.

4. Выберите связь или атом аланиновой молекулы, и вращайте всю систему, чтобы она напоминала это:

Наладка сокращений и диэлектрических опций

Когда Вы используете периодические граничные условия, Вам нужно проверить опции для сокращений и диэлектрика в диалоговой панели опций силового поля.

Чтобы проверить варианты для сокращений и диэлектрика:

1. Выберите Molecular Mechanics в меню Setup.

2. Выберите Options, чтобы открыть диалоговую панель силового поля.

3. Взгляните на опции Custoffs справа диалоговой панели.

Когда Вы выбираете опцию меню Periodic Box HyperChemа автоматически изменяет опции для сокращений для Inner и Other опций, на те которые являются более соответствующими растворенной системе с самым близким изображением периодические граничные условий.

Inner сокращение установлено на половину наименьшего размера ячейки, а Other сокращение установлено на 4А меньше, чтобы гарантировать, что нет пробелов в потенциальной поверхности.

4. Теперь взгляните на опции Dielectric, которые находятся наверху диалоговой панели.

Когда Вы используете явный растворитель, Вы должны использовать диэлектрическую постоянную.

5. Выберите Constant вместо Distance dependent.

Обратите внимание: диэлектрическая постоянная автоматически не меяется, потому что новая установка сохранена в chem.ini файле.

6. Выберите ОК чтобы закрыть диалоговую панель опций силового поля.

7. Выберите ОК чтобы закрыть диалоговую панель молекулярно-механического силового поля.

Оптимизация растворенной молекулы

Следующий шаг должен оптимизировать растворенную систему, используя периодические граничные условия. Так как молекула аланина имеет оптимальную геометрию (по крайней мере, в изоляции), оптимизация, прежде всего, релаксирует растворитель. Изменения в аланине отражают различие между изолированной и растворенной оптимальными структурами.

Чтобы оптимизировать молекулу в растворе:

1. Войте в функцию выбора и R-щелкните в пустой области чтобы отменить выбор аланина.

Когда есть активный выбор, оптимизация выполняется только на выборе. Поэтому, если Вы начнете оптимизацию с выбранным аланином, только положение атомов аланина способно измениться, а молекулы воды ограничатся.

Чтобы оптимизировать всю систему и позволить реорганизовать структуру растворителя в присутствии аланина, Вы должны очистить выбор.

2. Выберите Geometry Optimization в меню Compute.

Это откроет диалоговую панель молекулярнр-механической оптимизации.

3. Выберите ОК чтобы запустить оптимизацию растворенного аланина, включая молекулы воды.

Вычисление займет несколько минут.

4. Когда вычисления закончатся, следующие величины появятся на

линия статуса:

Энергия =-1102.46

Gradient=0.09

Обратите внимание: Если Вы имеете меньше чем 40 молекул воды в вашей системе, Вы получите другие величины.

Оптимизированная структура для растворенной системы может быть только местным минимумом. В системе со многими степенями свободы, типа этой, может быть много минимумов, и может быть очень трудно определить местонахождение глобального минимума.

Когда есть достаточно много степеней свободы, возможно что любое статическое строение является незначащим, и только статистическая обработка многих низко-энергетических конфигураций является соответствующей.

Позже в этом уроке, Вы узнаете что текущая структура для растворенного аланина - только местный минимум, а не глобальный. Однако, Вы сохраните эту структуру для более позднего использования.

5. Сохраните структуру как ala-liq.hin.

Упражнение 3: Использование наложения

Система, в настоящее время показанная - минимизированная структура для цвиттер-иона аланина в воде. Поучительно сравнить структуру с представлением изолированной оптимизированной структуры. Вместо сравнения молекул, измерением индивидуальных структурных свойств, Вы используете особенность наложения HyperChem, чтобы визуально сравнить две структуры через наложение.

Удаление молекул воды

Перед наложением, удалите молекулы воды из изолированной структуры.

Чтобы удалить молекулы воды:

1. Войти в функцию выбора, и установите уровень выбора на Molecules.

2. L-щелкните на молекуле аланина.

Это выберет аланин.

3. Выберите Compliment Selection.

Это выберет только молекулы воды.

4. Выберите Clear в меню Edit.

5. Если диалоговая панель спросит, хотите ли Вы удалить выбранные атомы, выберите Да.

6. Выберите Show Periodic Box так, чтобы она не была установлена и только молекула аланина была изображена.

7. Сохраните файл как ala-sol.hin.

Слияние двух систем

Следующий шаг - это слияние этой системы с изолированной системой. Прежде, чем Вы сольете эти две системы, Вы должны выбрать текущую систему так, чтобы Вы могли определить ее в рабочем пространстве послеслияния.

Чтобы слить две системы:

1. Выберите аланин.

2. Выберите Name Selection в меню Select, и сохраните выбор как solvated.

Это сделает его удобным для Вас чтобы показать этот выбор позже если Вы захотите вернуть его.

3. Выберите, Marge в меню File и откройте ala-gas.hin.

Изолированная и сольватированная структуры должны обе теперь быть на экране. Сольватированная структура должна все еще быть выбрана.

Слияние позволит Вам объединить текущую систему и другую систему которая была сохранена в файле. Этот союз становится текущей системой.

4. Если необходимо, используйте инструмент движения с правой кнопкой мыши

пока обе структуры не будут в полном виде.

В этом пункте, используйте ярлыки и цвет, чтобы разделить молекулы.

5. Окрасте выбранную растворенную структуру в желтый и пометьте молекулу символом.

Обратите внимание: Если Thick line не используется как опция Selection в диалоговой панели Preferences, растворенная структура не кажется желтой, пока для нее не отменен выбор.

6. Выберите Complement Selection в меню Select. Выбор растворенной системы отменен а изолированный аланин выбран.

7. Окрасте выбранный изолированный аланин фиолетовым и пометте его символом.

8. R-щелкните в пустой области, чтобы отменить выбор изолированного аланина.

Наложение молекул

Когда система включает, по крайней мере, две молекулы, как в этом примере, HyperChem может наложить молекулы. Наложение основывано на выборе трех неколлинеарных атомов в каждой молекуле. Чтобы начать, первые выбранные атомы каждой молекулы сделайте совпадающими. Затем, связи между первыми и вторыми выбранными атомами в каждой молекуле сделайте коллинеарными. Наконец, третий выбранный атом каждой молекулы поместите в ту же самую плоскость.

Чтобы выполнить наложение:

1. Войдите в функцию выбора, установите уровень выбора на Atoms, и включите Multiple Selections.

2. L-drag N-C^α-C' угол каждой молекулы. Вы должны вращать структуры, чтобы сделать это.

3. Выберите Overlay в меню Display.

4. R-щелкните в пустой области, чтобы удалить выбор.

5. Нажмите кнопку пробела, чтобы центрировать суперпозиционированные структуры в рабочем пространстве.

Текущая система должна теперь выглядеть подобно этому:

6. Выберите, Save As в меню File и сохраните наложившиеся молекулы как ala-sup.hin.

Упражнение 4: Моделирование отжига

Здесь Вы используете молекулярную динамику, чтобы отжечь систему, чтобы получить более низкий энергетический минимум. Вы должны сначала восстановить растворенный цвиттер-ион аланина чтобы выполнить молекулярную динамику с ним.

Чтобы восстановить растворенную систему:

1. Откройте ала-liqsn1.hin файл.

2. Если необходимо, включите Show Periodic Box, чтобы изобразить периодическую ячейку, которую Вы определили ранее.

3. Если необходимо, удалите метки с изображения.

Чтобы установить динамическое моделирование

1. Выберите Molecular Dinamics в меню Compute.

Диалоговая панель молекулярно-динамических опций позволит вам установить опции молекулярно-динамических расчетов. В данный момент взгляните на опции.

Динамический запуск имеет три возможные стадии: разогрев, текущая, и охлаждение. Первая стадия имеет место в период моделирования времени разогрева, используя начальную температуру чтобы установить начальные значения с паревычислением значений с ростом температуры, чтобы получить моделируемую температуру.

В центральной стадии, скорости повторно вычисляются только если выбрана постоянная температура.

Заключительная стадия происходит за период моделирования времени охлаждения, с перевычислением скоростей с увеличением температуры чтобы получить конечную температуру.

2. Установите Heat time на 0.1 пикосекунды.

3. Установите Temperature step на 30К.

Поскольку градиент очень мал в стартовой системе (передает почти нулевую температуру), короткое время нагревания 0.1 пикосекунды используются, чтобы поднять температуру от стартовой температуры 100K к температуре моделирования 300К, изменяясь с температурным шагом 30К.

4. Установите Run time на 0.5 пикосекунды.

Температуры используются здесь, чтобы установить начальные скорости атомов или регулировать скорости атомов. Эта кинетическая энергия может быть преобразована в потенциальную энергию в процессе моделирования, из-за чего рассчитанная температура уменьшится. Если температура в конечном счете понизится (как в этом примере), это означает что потенциальная энергия превратилась в кинетическую энергию так как система движется в более стабильное состояние.

5. Удостоверьтесь, что опция Periodic boundary conditions включена.

Эта опция автоматически включается HyperChem когда используются условия периодической ячейки, но она может быть отменена выбором In vacio.

6. Установите Step Size на 0.0005 пикосекунды.

7. Установите Data Collection period на 4.

Для систем типа этой, которые имеют явные водородные атомы, 0.5 пс размер шага присваивается для точного интегрирования движений, связанных с атомом водорода. Вы можете обновлять изображение через любое число временных шагов, чтобы изобразить молекулярную динамику в реальном времени. В зависимости от определенного "железа" если Вы используете сбор данных слишком часто это может замедить динамический расчет, таким образом период сбора данных установлен на 4.

8. Выключите Constant Temperature.

9. Установки в диалоговой панели должны напоминать это:

Установка динамического воспроизведения

Следующий шаг должен установить динамическое воспроизведение. Динамическое воспроизведение является удобным, потому что оно сохраняет, отнимающее много времени, динамическое моделирования для Вас, чтобы проанализировать позже.

Молекулярная динамика моделирует развитие системы через какое-то время, создавая траектории атомных позиций и скоростей. Эти вычисления могут быть очень трудоёмкими, и для статистически значащих результатов, долгое время моделирования, соответствует многим тысячам шагов времени, которые могут потребоваться.

Часто Вы захотите сохранить траекторию расчета для более позднего воспроизведения или анализа, вместо того, чтобы иметь повторное моделирование.

Чтобы установить динамическое воспроизведение:

1. Выберит Averages внизу диалоговой панели опций молекулярной динамики.

Откроется диалоговая панель снимков молекулярной динамики.

2. Введите ala-ran как имя файла.

HyperChem генерирует два файла с приставкой ala-ran.

Один файл, ala-run.hin, является HIN файлом, который содержит первоначальный снимок. Другой файл, ala-run.snp, двойной файл содержащий координаты и скорости атомов.

3. Используйте Snapshot на 1 шаг данных.

4. Выберите ОК чтобы вернутся к диалоговой панели молекулярно-динамических опций.

Получение средних из молекулярной динамики

Молекулярная динамика часто используется, чтобы получить макроскопическую информацию используя микроскопическое моделирование в течение длительного периода времени. Также полезно отследить энергетические и геометрические величины как модельные протоколы чтобы увидеть, стабилизирована ли система достаточно, например чтобы быть статистически значимой или нет.

Обратите внимание: Когда Вы запускаете функцию Averaging, HyperChem создает файл с расширением .csv в текущей рабочей дериктории (смотрите страницу 165). Однако, если Вы читаете файл снимка с CD, текущая дериктория находится на CD; Вы не можете создать файл там. Вам будет нужно сначала скопировать файл снимка на Ваш жесткий диск.

Чтобы установить средние:

1. Выберите Averages, чтобы открыть диалоговую панель молекулярно- динамических средних чисел.

2. L-щелкните на EKIN, EPOT, ETOT, и ncco в ячейке Selection, затем L-щелкните на Add чтобы к переместить их в ячейку Average only.

3. L-щелкните на EKIN, EPOT, ETOT, и ncco в ячейке Average only, затем L-щелкните на Add чтобы переместить их в ячейку Avg.&graph.

Это определяет участок полной энергии, потенциальной энергии, кинетической энергии, и N-C^α-C'-O торсионного угла который Вы сохранили раньше как поименованный выбор.

HyperChem генерирует файл называемый ala-run.csv (или chem.csv если воспроизведение динамики не настроено), который записывает величины чтобы усредненить в формате, который может быть легко прочитан графическими редакторами или электронными таблицами для анализа.

Динамическое протоколирование

1. Выберите ОК чтобы вернутся к диалоговой панели опций молекулярной динамики, затем выберите Proceed чтобы запустить динамику.

Таблица называемая молекулярно-динамические результаты откроется в рабочем пространстве.

2. Переместите таблицу так, чтобы Вы могли наблюдать моделирование.

Пока вычисление запущено, Вы можете изменять вид системы, используя вращение, сдвиг, инструменты изменения масштаба изображения, и обрезения. Вы можете также использовать приложения в других окнах, но это может замедлить моделирование.

3. При протекании моделирования, выберите Rescale, чтобы повторно измерить размещенные величины.

Как только стадия разогрева заканчивается, (когда энергия добавляется) полная энергия остается постоянной, и кинетическая энергия отражает потенциальную энергию.

Предостережение: Вы не можете возвратить участок, если Вы L-щелкните на Done. Чтобы вернуть участок, Вы должны использовать перезапуск динамики.

В начальной части запуска перед разогревом, потенциальная энергия и температура должны быть довольно устойчивы, но затем температура системы повышается. Потенциальная энергия в течение расчета, в конечном счете, снижается значительно. Молекулярная динамика при комнатной температуре позволяет системе преодолевать барьеры энергии на потенциальной поверхности и находит области более низкой потенциальной энергии которые не были бы достигнуты алгоритмом минимизации. Когда динамический запуск заканчивается, Вы можете оптимизировать систему, чтобы определить новый минимум.

Приблизительно после 10 минут, рассчет заканчивается.

Повторная оптимизация новой структуры

Теперь, когда динамический расчет закончен, Вы можете оптимизировать структуру чтобы определить новый местный минимум.

1. Выберите Geometry Optimization в меню Compute.

2. Выберите ОК чтобы выполнить молекулярно-механическую оптимизацию используя опции из предыдущего вычисления.

После завершения оптимизации, линия статуса показывает структуру, которая имеет более низкую энергию, чем местный минимум раствора, найденный ранее.

Результаты демонстрируют, что молекулярная динамика может использоваться, чтобы достигать термодинамически устойчивых состояний отделенных от первоначального состояния энергетическими барьерами. Таким образом, молекулярная динамика может использоваться, чтобы исследовать конформационное пространство.

В вычислениях этого типа, размер ячейки и период моделирования не так важен как тогда, когда Вы хотите усредненные результаты сопоставить с экспериментом. Такой выбор можно начать как только система была уравновешена, что часто судят по кинетической и потенциальной энергии, колеблющимся около постоянных значений длительный период моделирования.

Упражнение 5: Langevin и Монте-Карло моделирование

В этой обучающей программе Вы используете Langevin и Монте-Карло методы моделирования чтобы далее исследовать конформации системы цвиттер-иона аланина. Langevin динамический метод моделирует движение молекул, подвергнутых случайным столкновениям и силам трения и может использоваться, чтобы моделировать растворенную систему без явного включения молекул растворителя. Она обеспечивает информацию относительно развития во времени молекулярной системы. Метод Монте-Карло используется, чтобы моделировать равновесные свойства.

Часть 1: Langevin динамика

Langevin динамическое моделирование устанавливается почти таким же способом как молекулярно-динамическое моделирование, с маленькими различиями из-за дополнительного коэффициента трения.

1. Восстановить газовую стадию цвиттер-иона аланина, которую Вы сохранили как ala-gas.hin (см. Упражнение 1 в этой секции).

2. Установите молекулярно-динамические опции как в предыдущем упражнении.

3. Установите Friction coefficient на 0.05 ps-1.

Когда коэффициент трения установлен на ноль, HyperChem выполняет обычную молекулярную динамику, и нужно использовать временной шаг, который соответствует этому методу. С большими значениями коэффициента трения, движения, которые происходят за короткое время менее важны и могут быть использованы большие шаги времени.

4. Установите Set Time на 0.001 пикосекунды.

5. Установите Averages и Snapshots как в предыдущем упражнении.

6. Выберите, Proceed чтобы начать Langevin динамическое моделирование.

Как в технике молекулярной динамики, стадии нагревания и охлаждения могут также быть добавлены к Langevin динамическому моделированию. Равновесие системы не является критическим для расположения дополнительные низко-энергетических структур, но оно важно при сравнении моделируемых величин с экспериментальными свойствами.

Часть 2: Моделирование Монте Карло

Метод Монте Карло конфигурирует образцы из Больцман-взвешенного распределения при заданной температуре. С ростом температуры, эта техника может использоваться, чтобы сдвигать интересуемую молекулярную систему через потенциальные энергетические барьеры. В этом упражнении мы используем метод Монте-Карло, сопровождаемый геометрической оптимизацией как дополнительную технику поиска конформаций.

Чтобы установить моделирование Монте-Карло

1. Сначала восстановите систему растворенного цвиттер-иона аланина, которая была сохранена как ala-liq.hin.

2. Выберите Monte-Carlo в меню Compute.

Диалоговая панель опций Монте-Карло позволит Вам установить параметры моделирования Монте-Карло. В этом примере мы будем запускать моделирование с постоянной температурой с 1000 шагов. Для некоторых систем, может быть полезно добавить стадии дополнительного повышения температуры и охлаждения.

3. Установите Ran Steps на 1000. Установите Heat и Cool шаги на 0.

4. Установите максимальный размер шага, Max Delta, на 0.05 А.

Это устанавливает максимальное пробное атомное смещение. Если он слишком мал произойдет только ограниченно осуществленная выборка новых конфигураций. Если он слишком велик, могут генерироваться нефизические конфигурации. Это уменьшает эффективность моделирования.

5. Установите Simulation Temperature на 300 К.

6. Удостоверьтесь, что Periodic boundary conditions включен ().

7. Установите Data Collection period на 4 шага.

Установка воспроизведения Монте-Карло

8. Если хотите установите файл снимка.

Воспроизведение Монте Карло "траектория" устанавливается по тому же пути, как динамическое воспроизведение. Смотри "Установка динамического воспроизведения" на странице 162. Как в динамике, анализ моделирования может быть удобно выполнен при воспроизведении. Например, Вы может остановить воспроизведение в пункте моделирования где потенциальная энергия падает, и сохранить структуру в этой точке. Вы можете также изменить выбор графиков и средних перед воспроизведением запуска.

Установка средних из Монте-Карло

9. Установите Averages и Graphing по желанию.

Средние Монте-Карло устанавливаются, идентично установке средних молекулярной динамики. Есть дополнительный параметр который Вы можете контролировать в Монте Карло - приемное отношение. Оно появляется как ACCR в списке возможности выбора в диалоговой панели средних Монте-Карло; DACCR, среднеквадратическое отклонение ACCR от его среднего, также появляется. Приемное отношение - управляет средним числом отношения числа принятых шагов к предпринятым шагам. Оптимальное значение - близко к 0.5. Изменение размера шага может иметь большой эффект на приемное отношение. Для более детального обсуждения, смотри секцию Монте-Карло руководства вычислительной химии.

Проведение моделирования и анализ

Нет никаких существенных различий между процедурами для использования HyperChem, чтобы анализировать моделирование Монте-Карло, и теми, которые используют их чтобы анализировать молекулярно-динамическое моделирование. Окно результатов Монте-Карло может быть скопировано клавиатурой в Windows

и соединено с другими приложениями. Средние величины могут быть удобно установлены, открытием диалоговой панели средних Монте-Карло. L-щелкните на одном из свойств, предварительно выбранных для среднего; среднее значение сообщается несколько ниже.

Продвинутые упражнения

1. Следуйте этими шагами, чтобы рассмотреть динамическое воспроизведение:

• Откройте ala-run.hin файл.

• Откройте диалоговую панель опций молекулярной динамики и выберите Playback. Выберите Snapshots, чтобы определить часть моделирования, чтобы переиграть.

• Выберите, Proceed чтобы запустить воспроизведение динамики.

Моделирование будет воспроизведено существенно быстрее при первоначальном динамическом расчете.

2. Создать названные выборы для двух, трех, или четырех атомов, и используйте динамическое воспроизведение, чтобы поместить величины.

Практическая работа 11

Молекулярно-орбитальные вычисления

Этот урок знакомит Вас с различными типами полуэмпирических квантово-механических вычислений, которые может выполнить HyperChem. Молекула, которую Вы используете в этом уроке - вода.

Создание молекулы воды

Чтобы создать модельно построенную структуру воды:

1. В меню Display, удостоверьтесь, что Show Hydrogens включен а Perspective выключена в диалоговой панели Rendering.

2. В диалоговой панели Default Element, выключите Explicit Hydrogens, выберите Кислород, затем выберите Close.

3. L-щелкните в рабочем пространстве с курсором рисования, чтобы нарисовать атом кислорода.

4. Щелкните два раза на инструменте Выбора, чтобы вызвать построитель модели.

Построитель модели строит молекулу воды и добавляет водород.

5. Пометьте молекулу символами.

Ваш рисунок должен напоминать это:

Угол этой модельно построенной структуры тетраэдрический 109 градусов. Вы можете улучшить эту структуру, но для этого упражнения Вы вычисляете волновую функцию для модельно-построенной структуры.

Использование выравнивания структуры

Прежде, чем Вы вычислите волновую функцию, разместите молекулу в стандартной ориентации, выровняв вторичную инерционную ось молекулы воды (ось симметричная плоскости молекулы) с осью Y.

Чтобы сделать выравнивание структуры:

1. Выберите, Allign Molecules в меню Edit.

2. В ячейке Allign выберите Secondary, и в ячейке With выберите Y Axis.

3. Убедитесь, что Minor выключен; Вы не хотите определить вторичное выравнивание.

4. Выберите ОК.

Молекула воды должна ориентироваться в рабочем пространстве подобно этому:

5. Сохраните структуру как h2o.hin.

Изображение атомных зарядов

В Уроке 10 Вы вручную назначали атомные заряды используя Set Charges в меню Build. Заряды могут быть назначены автоматически если молекула, которую Вы используете, читается в из стандартного файла шаблона, такого как PDB файл.

В этом уроке, Вы получите атомные заряды, делая полуэмпирический квантово-механический расчет.

Сначала, покажите, что никакие заряды в настоящее время не назначены для молекулы воды.

Чтобы показать заряды:

1. Откройте диалоговую панель Labels.

2. Выберите Charge как опцию для Atom, затем выберите ОК.

Метки показывают, что никакие заряды не установлены для молекулы.

Вычисление волновой функции

Волновая функция строится из молекулярных орбиталей и описывает распределение электронов в молекуле. В этом упражнении, Вы вычислите волновую функцию для полной молекулы воды. Позже, в Уроке 12, Вы вычисляете волновую функцию для выбранной части структуры.

Чтобы вычислять волновую функцию:

1. Выберите Semi-empirical в меню Setup.

2. Выберите CNDO как метод, затем выберите Options.

Вы можете выбрать один из других доступных методов также, но в этом примере используется CNDO как метод вычисления.

3. Используйте следующие значения в диалоговой панели полуэмпирических опций:

Эти опции устанавливают ограниченный Хартри-Фока (RHF) расчет с пределом сходимости 0.0001, что означает, что вычисление заканчивается когда различие в энергии после двух последовательных повторений - меньше чем 0.0001 ккал/моль.

Iteration limit, установлен на 50 - это максимальное число повторений, которые используются чтобы достигнуть последовательной волновой функции. Total charge - 0, и Spin multiplicity - 1.

Вычисление выполняется для самого низкого состояния без специального ускорения сходимости.

4. Выберите ОК чтобы закрыть диалоговую панель полуэмпирических опций, затем выберите ОК чтобы закрыть диалоговую панель полуэмпирических методов.

5. Выберите Single Point в меню Compute.

Полученная энергия, градиент, и атомные заряды должны быть следующими:

(Ваша энергия и значения градиента могут очень немного отличаться).

Графическое изображение электростатического потенциала

Теперь, когда Вы вычислили волновую функцию, Вы можете изобразить контурную карту электростатического потенциала. Графическое изображение электростатического потенциала может потребовать большего количества времени чем вычисление квантово-механической волновой функции. Это из за того, что значения должны быть вычислены в большом количестве точек сетки, чтобы получить контуры.

Графическое изображение электростатического потенциала налагается на рабочее пространство HyperChem и остается, пока Вы не сдвигаете или изменяете молекулу или показываете другой участок.

Плоскость контурной карты всегда параллельна XY плоскости зрителя (плоскость рабочего пространства) со значением на экране Z, таким образом, Вы можете установить, используя эти определяющие принципы для выбора поднабора:

• если выбран атом, когда контурная карта устанавливается, контурная плоскость - относительно атома с нулевой установкой проходящей через атом.

• если выбрана связь, плоскость - относительно центра массы связи.

• Вообще, плоскость - относительно центра массы

выбора (или, если никакой выбор не был сделан, для всей системы). Погашение определяет расстояние плоскости размещения от центра массы выбора.

Чтобы графически изобразить электростатический потенциал:

1. Удалите метки с экрана.

2. Выберите Plot Molecular Properties в меню Compute чтобы открыть диалоговую панель опций графического изображения молекулярных свойств.

3. Выберите Electrostatic Potential как тип графика, который Вы хотите изобразить и выберите 2-D Contours.

HyperChem вычислит и покажет двухмерное контурное графическое изображение для электростатического потенциала.

4. Щелкните на таблице Contour Grid, чтобы показать собственные полосы контурной сетки.

5. Установите Horizontal grid points на 60.

6. Установите Vertical grid points на 60.

7. Установите Contour levels на 30.

8. Установите Plane Offset на 0.5А.

9. Выберите ОК чтобы начать вычисление.

10. Через некоторое время появляется электростатический потенциал.

Обратите внимание: число изображенных контурных линий изменится со стартовой величины и примет используемую величину графического изображения; ваше изображение может несколько отличаться от следующего рисунка.

11. Повторно откройте диалоговую панель Plot Molecular Properties Options и определите 3-D Isosurfase вместо 2-D Contours.

Это покажет электростатический потенциал как 3-D поверхность.

12. Щелкните на кнопке Isosurface Rendering, чтобы показать список свойств поверхностного представления. Определите Electrostatic potential contour value 0.1 в текстовой ячейке, и выберите Shaded surfase как Rendering type.

Поверхность покажет где в 3-D пространстве электростатический потенциал имеет значение 0.1 e/a0. Поверхность будет заштрихованной и твердой.

13. Щелкните на кнопке Isosurface Grid, чтобы показать лист свойств поверхностной сетки. Определите, что сетка должна быть Medium сеткой. Этот лист позволяет Вам выбирать, должна ли поверхность быть нарисована несколькими точками (для грубой картины, которая рисуется быстро) или многими точками (для гладкой картины, которая потребует больше времени, чтобы быть нарисованной).

14. Щелкните на ОК, чтобы начать вычисление поверхности. Это займет некоторое время, чтобы закончить. Затем покажется поверхность.

15. Повторно откройте диалоговую панель Plot Molecular Properties Options и определите 3-D Mapped Isosurfase.

Это изобразит поверхность, нарисованную со значением общей плотности заряда (см. следующую секцию), но окрашенную представлением электростатического потенциала.

16. Щелкните на кнопке Isosurface Rendering, чтобы показать лист свойств поверхностного представления. Определите Total charge density contour 0.135 в текстовой ячейке, и выберите Gouraund shaded surfase как Rendering type.

Поверхность покажет где в 3-D пространстве общая плотность заряда имеет значение 0.1 e/a0³

Поверхность будет очень гладкой, но это займет некоторое время, чтобы быть нарисованным.

17. Щелкните на кнопке Mapped Function, чтобы показать лист свойств опций нанесения функции на карту. Определите Minimum value -1.0 а Maximum value 1.0. Удостоверьтесь что опция Display Range Legend включена (отмечена ).

Поверхность будет окрашена согласно электростатическому потенциалу, в пределах от одного цвета для значения 1.0 e/a0 до другого цвета за значение -1.0 e/a0. Легенда будет нарисована, показывая, как цвет поверхности представляет различные значения.

18. Щелкните на ОК, чтобы начать вычисление поверхности. Это потребует некоторого времени, чтобы быть законченным. Затем покажется поверхность.

Графическое изображение общей плотности заряда

Вы можете также изобразить контурную карту общей плотности заряда (электронной). Так как CNDO и другие полуэмпирические методы доступные HyperChem не включают электроны внутренних оболочек (например, 1s электроны кислорода в воде), показываемая плотность заряда - это валентная плотность заряда.

Чтобы графически изобразить общую плотность заряда:

1. Откройте диалоговую панель Plot Molecular Properties.

2. Выберите, Total Charge Density как тип графического изображения, выберите 2-D Contours, а затем L-щелкните на ОК, чтобы закрыть эту диалоговую панель.

Через некоторое время, появится общая плотность заряда.

Общая плотность заряда может также быть изображена как 3-D поверхность, но не как нанесенная на карту 3-D поверхность.

Графическое изображение общей спиновой плотности

Общая спиновая плотность может быть графически изображена тем же самым способом как общая плотность заряда. Однако, в случае молекулы воды (и всех других систем, в которых все электроны спарены), величина общей спиновой плотности - 0 всюду, и нет ничего, чтобы графически изобразить. Спиновая плотность может быть рассчитана и показана для химических систем с непарными электронами.

Графическое изображение индивидуальных молекулярных орбиталей

Вы можете также графически изобразить любую индивидуальную молекулярную орбиталь - любую реальную орбиталь непосредственно или величину квадрата эквивалентную распределению вероятности - для электрона этой орбитали. Орбитали определяются относительно верхней занятой молекулярной орбитали (HOMO) или нижней незанятой молекулярной орбитали (LUMO).

Для этого упражнения, Вы графически изобразите молекулярные орбитали в порядке увеличения энергии. Для воды, CNDO использует базисный набор шести атомных орбиталей (2s, 2p на атоме кислорода и 1s на двух атомах водорода) и вычисляет шесть молекулярных орбиталей. Четыре из этих орбиталей (2a₁, 1b₂, 3a₁, и 1b₁ запускающиеся с низшей энергией) заняты а две (4a₁ и 2b₂) незаняты. Наиболее высокая занятая молекулярная орбиталь (HOMO) - это 1b₁, а самая низкая незанятая молекулярная орбиталь (LUMO) - 4a₁. Отсутствующие электроны внутренних оболочек 1s атома кислорода описываются 1a₁ орбиталью. Поэтому первая орбиталь, 2a₁, HOMO-3.

Чтобы графически изобразить индивидуальные молекулярные орбитали:

1. Выберите инструмент выбора и R-щелкните в пустой области, чтобы очистить рабочее пространство.

2. Откройте диалоговую панель орбиталей выбрав Orbitals в меню Compute.

3. Выберите HOMO-, затем L-щелкните в текстовой ячейке для орбитального погашения и установите значение 3.

Это выбирает орбиталь на 3 ниже в энергетическом положении чем HOMO. В этом примере, это самая низкая, вычисляемая орбиталь.

Наблюдайте, как самый низкий уровень в орбитально-энергетической диаграмме уровней выбирает цвет или становится пунктирным . Вы можете также выбрать орбиталь, щелкнув на самой низком орбитальном энергетическом уровне на диаграмме.

4. Выберите 3-D Isosurface.

5. Удостоверьтесь, что Orbital squared не выбран.

Диалоговая панель должна выглядеть как здесь:

6. Выберите ОК.

HyperChem накапливает сетку величин для орбитали 2a₁ один "лист" одновременно, и показывает индекс каждого листа в линии статуса.

Через некоторое время, появляется 3-D поверхность.

7. Откройте диалоговую панель опций поверхности, выбрав Isosurface в меню Display, или нажав [F4] клавишу.

Эта опция позволяет Вам изменять способ предоставления поверхности быстро и легко, без необходимости повторного вычисления данных поверхности.

8. Выберите Wire mesh как опцию Rendering, используя величину Orbital contour 0.05, а затем выберите ОК.

HyperChem показывает симметричную связывающую 2a₁ орбиталь воды:

9. Повторно откройте, диалоговую панель Orbitals и определите величину 1 для

HOMO-погашения. Щелкните на Options и используйте те же самые величины в диалоговой панели электронных опций как вы делали в шаге 7 и шаге 8, но изменените Rendering на Jorgensen-Salem.

Это изобразит 3a₁ орбиталь:

Нажмите [] клавишу несколько раз, чтобы вращать структуру. Обратите внимание что в этом способе представления, один лепесток орбитали может скрыть другой лепесток, но полная молекула всегда видима. Если цвет вашего окна установлен на белый, а цвет связи установлен на черный, орбитали будут нарисованы твердыми линиями для положительных лепестков и пунктирными линиями для отрицательных лепестков. Этот способ предоставления полезен для черно-белой печати.

Нажмите [] клавишу несколько раз, чтобы восстановить первоначальную ориентацию системы.

10. Повторите вычисление, используя величину 2 для HOMO-погашения и выберите Lines как Rendering option в диалоговой панели Options.

Это покажет 1b₂ орбиталь:

Обратите внимание, что молекула скрыта орбиталями. Если Вы вращаете систему [] или [] клавишей, Вы можете видеть что один орбитальный лепесток может скрыть другой.

Чтобы показать HOMO орбиталь непосредственно, Вы должны переориентировать молекулу так, чтобы она находилась в XZ плоскости (молекула, заметна только как линия), потому что орбиталь имеет узел в XY плоскости.

11. Выберите, Rotate в меню Edit.

12. Выберите X Axis, введите угол 90, выберите, Apply to Viewer, затем выберите ОК.

Выберите Display/Show Isosurface, или нажмите [F3] клавишу. Это скроет поверхность. Молекула появится как линия в рабочем пространстве, и графическое изображение орбитали сохраняется в буфере. Нажмите [F3] снова восстановив графическое изображение.

13. Откройте диалоговую панель Orbitals и повторите вычисления используя значение 0 для НOMO-погашения.

14. В диалоговой панели опций электронной поверхности, выберите Flat surfase. Введите величину 0.05, а затем выберите ОК.

Это покажет самую высокую, занятую молекулярную орбиталь воды, симметрии 1b1:

15. Выберите, Rotate в меню Edit, введите угол -90, затем выберите ОК.

16. L-щелкните на LUMO+ и используйте значения погашения 0 и 1, чтобы изобразить незанятые орбитали.

17. Когда диалоговая панель опций изобразится для этих орбиталей, выберите Shaded surfase как опцию представления, и используйте значение 0.05 для первого.

Для второго, выберите Transparent surfase для поверхности представления и замените молекулярное представление на Balls and Cylinders.

Откройте диалоговую панель File/Preferences и выберите Isosurface Colors список свойств; измените положительный и отрицательный цвета на красный и синий.

Эти орбитали лучше рассматриваются со значением 0.05. Так как другие графические изображения появляющиеся на изображении могут изменить используемые значения.

Сохранение молекулы

Вы используете эту молекулу воды, с рассчитанными зарядами , в следующем

уроке, так что Вы должны сохранить ее.

Чтобы сохранить молекулу:

1. Откройте диалоговую панель Save и сохраните молекулу как water.hin.

Продвинутые упражнения

1. Циклопропан - напряженная органическая молекула. Постройте ее, нарисовав треугольник атомов углерода используя построитель моделей. Экспериментально определенная длина связи циклопропана 1,510 A (CC связь) и 1,089А (СH связь). Выполните RHF оптимизацию модельно построенной структуры используя указанные критерии сходимости различными методами и сравните результаты с экспериментом.

2. Запустите log файл, затем постройте и оптимизируйте ацетон, который имеет экспериментальную теплоту образования -51.9 ккал/моль, и экспериментальный дипольный момент 2.88 Дебай, используя AM1. Посмотрите в log файле рассчитанную теплоту образования.

Практическая работа 12. Взаимодействие воды с N-метилацетамидом

В этом уроке, Вы выполните как молекулярно-механические так и полуэмпирические вычисления используя HyperChem, и вычисляя атомные заряды для последующего использования в молекулярно-механических расчетах.

Сначала, Вы создадите модельно-построенную структуру N-метилацетамида (NMA), ограничив геометрию чтобы изменить цис- форму на транс- форму, и перестроив молекулу. Затем, Вы вычислите волновую функцию перед и после растворения структуры в воде.

Создание NMA молекулы

Чтобы создать N-метилацетамид:

1. Выберите New в меню File, чтобы очистить рабочее пространство.

2. Откройте диалоговую панель Labels и установите опцию Atom на Symbol.

3. В диалоговой панели Default Element, выключите Explicit Hydrogens, и выберите углерод как указанный элемент.

4. Войдите в функцию рисования, и нарисуйте 2-D эскиз следующего каркаса:

5. Измените структуру, на показанную здесь:

Сделайте C-O связь двойной связью.

6. Щелкните два раза на инструменте выбора, чтобы вызвать построитель моделей и создайте 3-D структуру.

Изменение из цис- в транс-NMA

В зависимости от того, как Вы нарисовали каркас, построитель моделей построит либо trans-NMA, либо цис-NMA. Построитель моделей использует транс двугранные углы по умолчанию.

Если Вы нарисовали каркас в порядке O-C-N-C или C-N-C-O, близкие атомы (O и C) будут транс, а результатом будет цис-NMA:

Если Вы нарисовали каркас в порядке C-C-N-C или C-N-C-C, близкие атомы (C и C) будут транс, а результатом будет транс-NMA:

1. Вращайте модельно-построенную структуру, и определите структура - цис- или транс- форма.

Если форма цис-, показанная на первой иллюстрации изображения, Вам нужно изменить ее на транс- форму, добавляя ограничение торсионного угла и восстанавливая структуру как описано в следующих шагах. Если Вы построили транс- форму, приступите к следующему разделу, "Оптимизация NMA структуры".

Чтобы изменить цис- форму на транс форму NMA:

1. Войите в функцию выбора, и установите уровень выбора на Atoms.

2. L-drag от атома кислорода до атома водорода присоединенного к атому азота, чтобы выбрать четыре атома пептидного двугранного угла:

3. В меню Build, выберите, Constrain Bond Torsion.

4. Установите ограничение на Trans, затем выберите ОК.

5. R-щелкните в пустой области, чтобы отменить выбор угла.

6. Перестройте молекулу, щелкнув два раза на инструменте выбора.

Текущей системой должна теперь быть транс-NMA.

Следующие вычисления принимают ориентацию метильной группы такой, что CH связь - транс- к связи СО, но цис- к NH связи. Используйте Set Torsion в меню Edit чтобы получить торсионную конфигурацию по мере необходимости.

Оптимизация NMA структуры

Прежде, чем Вы вычисляете волновую функцию для молекулы, оптимизируете структуру, используя AMBER силовое поле.

Чтобы оптимизировать структуру:

1. Выберите Molecular Mechanics в меню Setup.

Если появится ячейка предупреждающего сообщения "Повторное вычислите тип атомов...", выберите "ОК".

2. Выберите AMBER как силовое поле, и выберите Mechanics Options.

3. Используйте следующие указанные опции силового поля:

4. Выберите ОК чтобы закрыть диалоговую панель опций силового поля.

5. Выберите ОК чтобы закрыть диалоговую панель молекулярно-механического силового поля. Вас могут предупредить, что будет необходимо повторно вычислить атомные типы; если так, выберите ОК.

6. Выберите Select Parameter Set в меню Setup.

7. Выберите amber3, затем выберите ОК.

8. Если HyperChem спрашивает Вас, хотите ли Вы повторно вычислить атомные типы, выберите ОК.

9. Выберите Geometry Optimization в меню Compute.

10. В диалоговой панели используйте указанные опции, но установите RMS градиент на 0.001, затем выберите ОК чтобы запустить вычисление.

Через некоторое время вычисление закончится и HyperChem покажет результаты на линии статуса.

Вычисление атомных зарядов

В Уроке 11, Вы получили атомные заряды для молекулы воды, выполняя вычисления волновой функции. В следующем упражнении, Вы вычисляете атомные заряды и используете их в последующем молекулярно-механическом рассчете NMA с водой.

Чтобы вычислить атомные заряды:

1. Сначала, пометьте структуру зарядами.

Метки покажут, что все атомы имеют заряд 0.00.

2. Выберите Semi-empirical в меню Setup.

3. Выберите CNDO как тип метода, затем выберите ОК.

4. Выберите Single Point в меню Compute.

HyperChem изобразит атомные заряды когда вычисление закончится. Ваши заряды, энергия, и значение градиента могут быть очень незначительно отличными от следующего:

5. Сохраните эту молекулу как nma.hin.

Сольватация карбоксильной группы

Слияние двух структур

В этой секции, Вы сольете NMA молекулу с молекулой воды из Урока 11 и вычислите их взаимодействие.

Чтобы показать NMA и молекулу воды как одну систему:

1. Выберите, Marge в меню File.

2. Откройте файл water.hin.

Рабочее пространство теперь показывает как NMA так и молекулу воды.

Перемещение молекулы воды

Затем Вы перемещаете молекулу воды в начальное положение{позицию} это приблизительно формирует водородную связь между атомом кислорода из карбоксильной группы и атомом водорода молекулы воды.

Чтобы сделать это, Вы выбираете ее и ориентируете относительно остальной части системы.

Чтобы переместить молекулу воды:

1. В функции выбора, R-щелкните в пустой области рабочего пространства чтобы удостовериться что ничто не выбрано.

2. Пометьте обе структуры символами.

3. Разместите молекулы, чтобы получить ориентацию, показанную на следующей иллюстрации.

Обратите внимание: Чтобы переместить одну молекулу одновременно, выберите молекулу которую Вы хотите сдвинуть, L-щелкните на инструменте движения или вращения, и R-drag. Чтобы быстро выбрать всю молекулу, выберите "Molecules" в меню Select, и L-щелкните инструментом выбора в любой части этой молекулы.

Оптимизация поднабора системы

В этом упражнении, Вы оптимизируете геометрию молекулы воды используя молекулярную механику.

Когда Вы выполняете оптимизацию геометрии в системе в которой выбор поднабора активен (по крайней мере один атом выбран), положение выбранных атомов изменяется в течение оптимизации. Это означает что, если Вы выбираете только молекулу воды, когда Вы выполняете оптимизацию, NMA молекула остается фиксированной в то время как молекула воды двигается к оптимальному положению. Это вообще быстрее чем позволение всех степеней свободы. Когда молекула воды - около позиции оптимума, Вы можете оптимизировать всю систему, если Вы хотите.

Чтобы оптимизировать поднабор воды:

1. Выберите Molecular Mechanics в меню Setup.

2. Выберите AMBER как метод, и выберите ОК чтобы использовать указанные опции силового поля.

3. Выберите молекулу воды, если она еще не выбрана. Вы можете получить сообщение предупреждающее, что типы атомов будут повторно рассчитаны; если так, выберите ОК.

4. Выберите AMBER как метод, и выберите ОК используя указанные опции силового поля.

5. Вы можете получить сообщение предупреждающее, что типы атомов будут повторно рассчитаны; если так, выберите OK. Выберите Geometry Optimization в меню Compute.

6. Используйте RMS градиент 0.01.

В зависимости от начального расположения, используемого алгоритма оптимизации, сходимости, и так далее, может потребоваться значительное число повторений для прекрасного положения молекулы воды так как межмолекулярные силы является малыми по сравнению с внутримолекулярными силами. Обнаружение правильного положения молекулы воды требует, лучшей степени оптимизации чем нужно для нормальных связанных взаимодействий.

7. Выберите ОК чтобы начать вычисление.

8. После того, как молекула воды оптимизирована, отмените выбор молекулы воды, и выполните оптимизацию геометрии на обеих молекулах.

Через некоторое время, вычисление заканчивается.

Повторное вычисление водородных связей

Чтобы повторно вычислить водородные связи:

1. Включите Show hydrogen bonds, и Recompute H Bonds в меню Display.

Конфигурация должна выглядеть подобно этому:

Характеристика взаимодействия системы

Чтобы помочь охарактеризовать сольватацию NMA, Вы выполните квантово-механическое вычисление на взаимодействующей системе. Вы можете затем сравнить результаты с более ранним вычислением мономера воды и NMA.

Чтобы вычислить волновую функцию системы:

1. Выберите Semi-empirical в меню Setup.

2. Выберите CNDO как метод, затем выберите ОК.

3. Выберите Single Point в меню Compute.

Это вычисляет волновую функцию для объединенной системы.

4. Пометьте систему зарядами, чтобы показать рассчитанные атомные заряды.

Это покажет изменение зарядов, связанное с формированием водородной связи. Ваши результаты должны быть подобны показанным на следующей иллюстрации:

Продвинутые упражнения

1. Повторите молекулярно-механическую оптимизацию с новыми зарядами. Вручную включите поляризацию, повторяя несколько раз молекулярно-механическую оптимизацию геометрии и полуэмпирические вычисления зарядов. HyperChem перестроит атомные заряды основываясь на новой конфигурации атомов.

2. Пробуйте графически изобразить плотность зарядов для различных видов взаимодействующих систем.

Практическая работа 13

Электронные свойства белков

В HyperChem, Вы можете смешать классические и квантово-механические вычисления в одной молекулярной системе. Это позволяет Вам делать квантово-механические исследования на частях больших молекул, типа активных участков фермента, в то время как это было бы затруднительно для всей системы.

Этот урок иллюстрирует вычисление электронной плотности для N-концевой области маленького белка бычьего панкреатического ингибитора трипсина (BPTI). Тип вычисления, которое может быть сделано на очень больших белках ограничено только размером части белка, которую Вы рассматриваете квантово-механически.

Вычисления белка, проиллюстрированные в этом уроке имеют по существу тот же самый путь что и полуэмпирические квантово-механические вычисления, которые Вы делали в Уроках 11 и 12, за исключением того, что граница между "классической частью" молекулы и "квантовой частью" молекулы определена.

Прежде, чем Вы начнете

Этот урок использует файл testbpti.hin, который Вы сохранили в Уроке 8. Если Вы не выполнили Урок 8, следуете за шагами "Чтение в PDB" и "Удалении молекул воды" в том уроке прежде, чем Вы продолжите Урок 13.

Чтение и изображение молекулы

Чтобы прочитать и увидеть BPTI молекулу:

1. Откройте диалоговую панель Labels, и выберите ОК.

Это выключает изображение сил из предыдущего урока.

2. Откройте testbpti.hin.

Это - структура BPTI, которую Вы сохранили в Уроке 8.

3. Если структура изображена с атомами водорода, выключите Show Hydrogens в меню Display.

4. Выберите Rendering в меню Display.

5. Изобразите молекулу, используя различные опции в диалоговой панели Rendering.

Полезно визуализировать молекулу с представлением структуры, чем указанное Sticks предоставление.

6. Используйте меню выборы в меню Select и Display чтобы показать только каркас молекулы белка.

7. Очистить любой выбор, выбрав, Ribbons из Rendering/Sticks списка свойств, а затем выберите, Display/Show Selection Only.

Это покажет вторичную структуру как ленту.

8. Вращайте структуру, чтобы получить ориентацию, подобную этому:

9. Откройте Rendering/Sticks лист свойств и включите Stereo.

Это изобразит ленты в стерео. Если Вы пересечете ваши глаза в суперпозицию к изображению, или если Вы имеете стереоскопический просмотрщик, лента, будет казаться, трехмерной.

Выбор области

Следующий шаг должен выбрать, к какую часть системы Вы хотите описать классически а какую Вы хотите описать квантово-механически. Чтобы достичь этого, Вы выбираете поднабор системы. Атомы которые выбрали во время, выполнения квантово-механического вычисления являются единственными атомами (с исключением, описанным ниже) на которых HyperChem выполняет квантово-механическое вычисление.

Например, Вы можете сделать сферический выбор на атоме и рассматривать каждый атом в пределах специфического расстояния от атома квантово-механически. Альтернативно, Вы можете сделать прямоугольный выбор, чтобы выбрать каждый атом в левой половине молекулы и рассматривать эти атомы квантово-механически.

Как Вы можете видеть, BPTI имеет боковую цепь аргинина, содержащуюся в левой верхней стороне молекулы. В этом упражнении, Вы выбираете этот остаток как часть молекулы, которую Вы рассмотрите квантово-механически.

Чтобы выбирать боковую цепь аргинина:

1. Выключите Stereo, чтобы отменить выбор каркаса, и изобразите все атомы.

2. Откройте диалоговую панель Select и выберите остаток 1.

Это выберет ARG1.

Это - часть молекулы, которую Вы рассмотрите квантово-механически.

3. Вращайте, и двигайте молекулу, пока Вы не получите незатененное представление выбранного остатка:

4. Нажмите кнопку пробела, чтобы центрировать выбранный остаток в рабочем пространстве.

Поместите остаток, так чтобы он напоминал это:

Выбор классическо-квантовой границы

Следующий шаг должен правильно установить границу между классической и квантово механической частью вычисления.

Кратко, то как HyperChem решает проблему границы: Каждый выбранный атом строго рассматривается квантово-механически а каждый атом, который не выбран, но является связанным с выбранным атомом, рассматривают как граничный атом.

Граничные атомы заменяются в квантово-механическом рассчете "атомами псевдофтора". Эти псевдоатомы параметризуются чтобы иметь как такую же электроотрицательность так и многие другие характеристики истинного граничного атома насколько возможно. Они закрывают набор атомов, которые рассматриваются квантово-механически. Граница происходит по середине связи между выбранным атомом и невыбранным атомом, хотя оба атома включены в квантово-механическое вычисление; один в его первоначальной форме а другой, граничный атом, является "псевдоатомом", аналогичным по псевдопотенциалу. Другие атомы в вычислении появляются как точечные заряды для квантово-механических атомов.

Чтобы заменить граничный атом одновалентным псевдоатомом, необходимо соответствие границы установки для одинарной связи между двумя атомами, которые являются оба sp3 гибридизированными. Мы рекомендуем чтобы Вы всегда использовали такую границу. С помощью, Extend to sp3 в меню Select расширте текущий выбор по всем направлениям пока она не выйдет в конец молекулы или найдет sp3-sp3 связь. В такой связи, внутренний атом - выбранный квантово-механический атом а внешний атом - граничный атом.

Чтобы установить классическо-квантовую границу:

1. Выберите, Extend to sp3 в меню Select.

Это расширяет выбор остатка аргинина до надлежащей границы.

HyperChem рассматривает углерод связанный с четырьмя атомами, азот, связанный с тремя атомами, и кислород связанный с двумя атомами как sp3. Таким образом, например, граница может произойти на N-C^ связи. Если атом азота, не будет полагаться sp3, было бы невозможно иметь границу в белковой цепи.

Вычисление волновой функции

Затем, Вы вычисляете волновую функцию. Сначала, определите имеет ли система формальный электронный заряд, глядя имеет ли атом азота присоединенный протон.

Чтобы увидеть, присоединен ли к атому азота протон:

1. Покажите молекулу с атомами водорода и пометьте выбор символами.

Три водорода присоединены к N-концевому атому азота. Также, в конце боковой цепи аргинина углерод присоединен только к трем атомам, два из которых атомы азота которые имеют два атома водорода каждый; это приводит к положительному заряду присоединенной группы.

Так как N-концевой атом азота имеет три атома водорода, этот атом азота имеет формальный заряд +1. Кроме того, боковая цепь положительно заряжена (характеристика аргинина при нейтральном pH). Поэтому часть молекулы, которую Вы выбрали для квантово-механического вычисления - двухвалентный катион с зарядом +2. Вы должны установить это, чтобы получить правильное число электронов в квантово-механическом вычислении.

Чтобы вычислить волновую функцию:

1. Удалите метки.

2. Выберите Semi-empirical в меню Setup.

3. В диалоговой панели, выберите CNDO как метод, и L-щелкните на Options.

4. В диалоговой панели Options, установите Convergence Limit на 0.1.

Так как Вы интересуетесь зарядами и качественной картиной орбиталей, а не энергией, используется менее строгий предел сходимости.

5. Установите Total charge на 2 определив двухвалентный катион.

6. Установите другие опции как показано, затем щелкните ОК:

7. Выберите Single Point в меню Compute.

Энергия и градиент появятся на линии статуса когда вычисление закончитcя.

8. Откройте диалоговую панель Plot Molecular Properties.

9. Выберите Total Charge Density и 2-D Contour в этой диалоговой панели.

10. Щелкните на клавише Contour Grid и затем установите горизонтальные и вертикальные точки сетки на 60 и уровни контура на 30.

11. Выберите ОК в диалоговой панели чтобы запустить изображение плотности.

Когда вычисление закончится, контурное графическое изображение появится:

Плоскость контурного графического изображения проходит через центр массы выбора и параллельна рабочему пространству. Вы можете получить другие представления, выбирая различные части боковой цепи и вращая представление перед повторным графическим изображением (с выключенной опцией Calculate). Число изображенных контуров будет зависеть от выбранных опций графического изображения.

Если Вы графически изобразите 3-D поверхность для вычисления, используя Gouraud Shading и Total charge density contour value 0.09, результат будет выглядеть как-то подобно следующему:

Использование результатов в других вычислениях

Заряды квантово-механической части теперь установлены по рассчитанным величинам. Вы можете использовать эти новые заряды в молекулярно-механическом вычислении полной системы.

Практические упражнения

1. Графически изобразите другие свойства, типа HOMO и LUMO орбиталей.

2. Пробуйте использовать 3-D Isosurface вместо 2-D Contours в диалоговых панелях Plot Molecular Properties и Orbitals. Используйте Isourface в меню Display (или [F4] клавишу), чтобы исследовать поверхности, которые получаются при использовании различных пороговых значений.

3. Выполните квантово-механическое вычисление на других частях системы.

Модуль 3. Ab Initiо вычисления

Обучающая программа 3 основывается на ab initio вычислениях, которые Вы можете выполнить в HyperChem. Вы изучите постепенные инструкции для выполнения вычисления в отдельной точке, оптимизации геометрии, колебательного анализа, и электронно-спектральных вычислений, используя ab initio методы. В то время как процедуры в этой обучающей программе подчеркивают ab initio вычисления, большинство из них может также быть применено к полуэмпирическим методам. Обучающая программа 3 имеет три урока, как описано в следующей таблице:

Практическакя работа 14. Протолиз воды

Эта обучающая программа представляет Вам основные действия, необходимые для выполнения ab initio вычислений.

Установка изображения

Чтобы приготовиться к рисованию H3O с явными атомами водорода:

1. Выберите Explicit Hydrogens в меню Build.

2. Выберите, Allow Ions в меню Build.

Если Вы не выбираете, Allow Ions, тогда будет невозможно нарисовать три связи от атома кислорода, так как для атома кислорода принято, что он имеет обычную валентность два. Рисование и модельный построитель не предусмотрены для формального заряда на молекулярной системе. Выберите Allow Ions чтобы позволить Вам нарисовать так много связей, как Вы желаете.

3. Выберите Labels в меню Display, чтобы вызвать диалоговую панель меток.

4. Выберите Symbols для меток, и отключите диалоговую панель щелкнув на ОК.

5. Выберите Default Element в меню Build, чтобы вызвать периодическую таблицу и затем дважды щелкните на O (Кислород), чтобы выбрать его как указанный элемент и отключите периодическую таблицу.

6. L-щелкните на инструменте рисования (верхний левый инструмент).

Он теперь готов нарисовать молекулы где водород явно изображен, а не добавлен автоматически. H₃O⁺ имеет больше атомов водорода, чем построитель модели может автоматически добавить.

Создание H₃O+

Чтобы нарисовать H₃O⁺:

1. L-щелкните один раз в рабочей области, чтобы создать атом кислорода.

2. Нарисуйте три связи от атома кислорода, чтобы создать рисунок из H3O как показано ниже:

Чтобы преобразовать рисунок в 3-D структуру:

1. Щелкните два раза на инструменте выбора.

Вместо того, чтобы выбирать Model Build в меню Build, Вы можете вызвать построитель моделей, щелкнув два раза на инструменте выбора в качестве короткого пути.

Чтобы добавить формальный положительный заряд для квантово механических вычислений:

1. Выберите Ab initio в меню Setup.

2. Щелкните на кнопке Options.

3. Введите значение 1 для Total charge а затем L-щелкните на кнопке OK, чтобы откючить диалоговую панель опций Ab Initio.

4. L-щелкните на кнопке OK, чтобы отключить диалоговую панель метода Ab Initio.

Это добавит формальный заряд +1 к молекуле для квантово-механического вычисления, по существу сократив число электронов на один. Формальный заряд не признается модельным построителем или большинством аспектов молекулярной механики.

Выбор базисного набора

Чтобы выбрать базисный набор:

1. Выберите Ab Initio в меню Setup.

2. Выберите Other для базисного набора.

3. Нажмите кнопку Assign Other Basis Set.

4. Выберите 4-31G из списка а затем выберите ОК.

Это добавляет 4-31G базисный набор в список базисных наборов, которые могут быть быстро выбраны радио-кнопкой. Базисные наборы, которые появляются в диалоговой панели Assign Other Basis Set включают все базисные наборы содержащиеся в CHEM.INI файле путем их базисно-установленной спецификации имени файла (*.BAS). Ограниченные базисные наборы могут быть добавлены в список, созданием нового *.BAS текстового файла и добавлением его к названным в CHEM.INI файле. Вместо того, чтобы использовать 4-31G базисный набор, однако, мы выберем меньший базисный набор, минимальный базисный набор.

5. Выберите Minimal (STO-3G) для Basis Set.

6. Выберите, или Apply Basis Set а затем ОК, или только выберите ОК чтобы закрыть диалоговую панель Ab Initio методов.

Теперь выбран базисный набор для каждого атома в молекуле - минимальный STO-3G базисный набор. Возможно определить выбранные атомы и использовать кнопку Apply Basis Set, чтобы поместить выбранный базисный набор только на выбранных атомах с последующим размещение различного базисного набора на различных выбранных атомах. HyperChem позволяет различные базисные наборы для различных атомов. Чтобы видеть, какой базисный набор применен к каждому атому, Вы можете изобразить соответствующие метки.

Чтобы увидеть базисный набор, приложенный на каждый атом:

1. Выберите Labels в меню Display.

2. Выберите Basis Set как метку атома, а затем выберите ОК.

Вы будете теперь видеть метки базисного набора как показано ниже:

Минимальная энергетическая структура

Чтобы вычислить оптимизированную геометрию для H₃O ⁺:

1. Выберите Ab Initio в меню Setup.

2. Выберите соответствующие опции для оптимизации геометрии щелкнув на кнопке Options, будучи уверенным что Вы выбрали Total charge = 1, Spin multiplicity = 1, Spin pairing = RHF, Convergence limit = 0.01, Iteration limit = 50, и Accelerate convergence = Yes. Опции Single Point only не используются при геометрической оптимизации и могут иметь любое значение.

3. L-щелкните на ОК, чтобы выключить диалоговую панель опции Ab Initio а затем L-щелкните на ОК, чтобы выключить диалоговую панель методов Ab Initio.

4. Выберите Geometry Optimization в меню Compute.

5. Выберите Polak-Ribiere как метод оптимизации и 0.1 для конечного RMS градиента а затем L-щелкните на ОК, чтобы начать оптимизацию. Обратите внимание на новую синюю HyperGauss икону пока Вы ждете завершения оптимизации.

Вы найдете, что оптимум STO-3G структуры для H₃O⁺ согнут с углом 113.74 ° и длиной связи 0.99А.

Чтобы вычислять полную энергию оптимизированной H₃O⁺, включая энергию корреляции:

1. Выберите Ab Initio в меню Setup, нажмите кнопку Options а затем выберите расчет MP2 энергии корреляции, щелкните на ОК в диалоговой панели опций Ab Initio а затем диалоговой панели Ab Initio метода, чтобы выключить эти диалоговые панели.

2. Выберите Single Point в меню Compute.

Вы должны найти что полная энергия H3O⁺ в STO-3G базисном наборе -47270.57 ккал/моль на уровне SCF и -47300.98 ккал/моль на MP2 уровне, когда Вы включаете-30.50 ккал/моль вычисленной энергии корреляции.

Энергия протолиза

Чтобы вычислить оптимизированную STO-3G энергию H₂O+H ⁺:

1. Выберите инструмент рисования и R-щелкните на одном из атомов водорода H₃O ⁺, чтобы удалить его и сформировать H₂O.

Электронная энергия H ⁺ - ноль, так что чтобы вычислить энергию протолиза H₂O нам нужно только вычесть предварительно расчетанную энергию H3O⁺ из соответствующей энергии H2O.

2. Выберите Ab Initio из меню Setup и нажмите кнопку Options, чтобы изменить Total charge с 1 на 0. Затем выберите ОК дважды выключив диалоговые панели.

3. Выберите Geometry Optimization в меню Compute и оптимизируйте H₂O, как Вы сделали для H₃O ⁺.

Вы должны найти оптимум STO-3G угла 100.0 ° и оптимальную длину связи 0.99А.

4. Выберите Single Point в меню Compute.

Вы должны найти что полная энергия H₂O в STO-3G базисном наборе -47041.82 ккал/моль на уровне SCF и -47066.21ккал/моль на MP2 уровне, когда Вы включаете -24.45 ккал/моль вычисленной энергии корреляции. Эти результаты приводят к энергии протолиза 228.75 ккал/моль на SCF уровне или 234.77 ккал/моль на уровне MP2. Эффект корреляции в этом примере небольшой.

Практические упражнения

1. Пробуйте эти вычисления с 3-21G а затем 6-31G* базисными наборами. Вы найдете, что двойной дзета базисный набор дает оптимум геометрии для H3O +, которая является плоской. Для большего базисного набора, однако, молекула (на уровне SCF) предсказывается согнутой. Аномалия на 3-21G уровне - возможно признак неуравновешенного базисного набора. Фактически, в пределе s и p базисные функции только, как в H₃O ⁺ так и в изоэлектронной ей NH₃ будут обе предсказаны быть плоскими. D-орбитали на тяжелом атоме необходимы чтобы получить разумно точное предсказание геометрии для этих молекул.

2. Исследуйте энергии протолиза HF, H₂O, NH₃ и CH₄ ряда и сравните с экспериментальными результатами.

3. Исследуйте реакцию между H ⁺ и H₂O, используя Ab Initio волновые функции и молекулярно-динамическую процедуру траектории эквивалентную примеру, включенному с HyperChem как сценарий REACT.SCR.

Практическая работа 15. Колебательные и переходные состояния аммиака

Эта обучающая программа исследует колебания молекулы аммиака и различий между пирамидальной и плоской формой NH₃.

Создание молекулы аммиака

Чтобы нарисовать молекулу аммиака:

1. L-щелкните на Explicit Hydrogens меню Build, если он не выбран.

2. Выберите Default Element меню Build, чтобы запустить диалоговую панель периодической таблицы.

3. Щелкните два раза на N (Азот), чтобы выбрать этот элемент и одновременно отключите диалоговую панель периодической таблицы.

4. L-щелкните на инструменте рисования, чтобы выбрать его.

5. L-щелкните один раз в рабочем пространстве, чтобы создать отдельный атом азота.

6. Выберите Add H & Model Build в меню Build, чтобы создать NH₃ в стандартной геометрии построителя моделей.

Выбор базисного набора

В этом уроке Вы будете использовать 3-21G двойной дзета базисный набор дополненный d орбиталями на атоме азота.

Чтобы выбирать базисный набор:

1. Выберите Labels в меню Display.

2. Выберите метку атома Basis Set, а затем выберите ОК чтобы закрыть диалоговую панель Labels.

Метки на каждом атоме должны теперь быть базисным набором для этого атома. В данной точке метки должны читаться, "None".

3. Выберите Ab Initio в меню Setup.

4. Выберите Small (3-21G) как базисный набор, а затем L-щелкните на Apply Basis Set. Затем L-щелкните на или OK или Close.

Вы должны теперь видеть метки на каждом атоме, которые читаются, "3-21G".

5. Выберите атом азота аммиака L-щелкнув на инструменте выбора, а затем L-щелкните на атоме азота. Только атом азота должен быть выбран, что обозначено маленьким кружком вокруг него. Чтобы выбрать индивидуальные атомы как здесь, Atoms в меню Select должны быть выбраны и быть наименьшей единицей выбора, а не Residues или Molecules.

6. Выберите Ab Initio в меню Setup снова.

7. Нажмите кнопку Advanced Options и убедитесь Six, выбрано как число d орбиталей перед щелчком на ОК и возвращением к диалоговой панели метода Ab Initio.

8. Нажмите кнопку Extra Basis Function и выберите тип оболочки D с Exponent 1.0 в диалоговой панели дополнительных базисных функций. Щелкните на ОК дважды, чтобы выключить диалоговую панель дополнительных базисных функций и диалоговую панель Ab Initio метода.

Вы имеете теперь добавленную дополнительную оболочку 6 примитивных орбиталей d-типа, каждую с орбитальной степенью 1.0, на атоме азота. Метка базисной функции для атома азота должна показать это.

9. R-щелкните в пустом месте, чтобы отменить выбор атома азота.

Вы теперь готовы выполнить Ab Initio вычисления аммиака с этим базисным набором.

Колебательный анализ на пирамидальной молекуле аммиака

Чтобы выполнять колебательный анализ:

1. Выберите Geometry Optimization в меню Compute и выполните Polak-Ribiere оптимизацию с RMS gradient 0.1. Используйте SCF сходимость - 0.01. Это может потребовать несколько минут в зависимости от скорости вашего компьютера.

Реультирующая структура (H-N-H угол = 106.5° и N-H длина связи = 1.01А), окажется, очень близкой к экспериментальным результатам. Это - "сбалансированный" базисный набор.

2. Выберите Single Point в меню Compute, чтобы вычислить полную энергию, включая MP2 энергию корреляции.

Полная энергия на уровне SCF -35086.49 ккал/моль а полная энергия, включая MP2 энергию корреляции -35191.11 ккал/моль.

3. Выберите Vibrations в меню Compute, чтобы выполнить колебательный анализ оптимизированной геометрии. Это вычисление требует численного вычисления всех вторых производных относительно Декартовых смещений атомов и потребует несколько минут.

4. Установите размеры окна HyperChem приблизительно на одну треть экрана и поместите его на правой стороне экрана.

5. Выберите Vibrational Spectrum в меню Compute, чтобы показать колебательный спектр как показано ниже:

6. Убедитесь, что Animate Vibrations выбраны как показано. Щелкните на самом низкоэнергетическом колебании в правой стороне спектра а затем нажмите кнопку Apply. Перемещайте окно спектра, пока Вы не сможете видеть оживляемое колебание в рабочем пространстве HyperChem.

Это - самая низкая частота, колебательного движения молекулы аммиака. Она имеет C_3V симметрию и по существу изменяет угол.

Вы можете пожелать наблюдать некоторые из других колебаний. Только щелкните на любом колебательном пике и нажмите Apply.

Линии, происходящие сверху окна показывают все колебательные переходы а линии, проходящие снизу окна показывают колебательные переходы с их инфракрасной интенсивностью. Когда Вы щелкните на линии колебания, ее частота и интенсивность покажется слева внизу окна.

7. Выберите нижний энергетический переход (справой стороны) снова. Нажмите кнопку Apply щелкнув на ОК чтобы закрыть окно колебательного спектра. Вращайте молекулу аммиака XY инструментом вращения, чтобы полностью осмотреть нижнюю колебательную частоту.

8. Выберите Cancel на панели меню, чтобы остановить мультипликацию. Выберите Labels в меню Display и щелкните на ОК, чтобы удалить любые показываемые метки. Выберите Rendering в меню Display. Щелкните на IR Vectors а затем ОК чтобы изобразить собственные векторы колебательной функции. Вращайте молекулу X-Y инструментом вращения, чтобы полностью наблюдать IR векторы колебательной функции как показано ниже:

9. Выберите Vibrational Spectrum в меню Compute, чтобы показать колебательный спектр снова. Щелкните на колебательном переходе и нажмите кнопку Apply, чтобы наблюдать колебательное движение с IR Vectors. Вы можете также наблюдать колебание используя сферическое представление, если Вы желаете. Однако, Вы должны сначала отключить окно колебательных спектров и отменить мультипликацию перед выбором нового сферического представления. Вы можете затем выбрать Vibrational Spectrum снова.

Важно: всегда важно выполнить геометрическую оптимизацию перед рассчетом колебательного анализа так как с основная колебательная процедура предполагает, что все первые производные энергии - ноль, т.е., молекула - в энергетическом экстремуме.

Оптимизация плоской молекулы аммиака

Вы теперь создадите оптимальную плоскую структуру для молекулы аммиака. Чтобы создать эту специфическую структуру, Вы будете использовать ограничения. Ограничения - дополнительные молекулярно-механические условия, добавленные к потенциалу, чтобы ограничить длины связей, углы, и торсионные углы. Вы будете использовать "несоответствующий торсионный угол", чтобы ограничить молекулу аммиака в плоской форме.

Чтобы добавить ограничение, которое держит молекулу аммиака плоской:

1. Удалите любые метки или IR векторы, которые все еще изображены.

2. Убедитесь, что Multiple Selections в меню Selection были выбраны и что Вы выбрали Atoms, а не Residues или Molecules.

3. Выберите в порядке очереди, атом азота, один из атомов водорода, а затем другие атомы водорода пока все четыре атома не будут выбраны (то есть выбраны все).

4. Выберите Name Selection в меню Select, выберите Other, и затем тип произвольного имени для выбора например "imptor". Закройте диалоговую панель выбора имени, выбрав ОК.

Выбор названный "imptor" теперь относится к несоответствующему торсионному углу в молекуле аммиака. Вы можете теперь ограничить этот несоответствующий торсионный угол к определенному углу (180 ° = плоский), добавляя ограничивающую силу для отклонений от этого угла. Это будет держать молекулу аммиака плоской, если сила является достаточно большой.

5. R-щелкните в пустом месте, чтобы отменить выбор всех атомов.

6. Выберите Restraints в меню Setup. Выберите 4-imptor (4-выбранных атома, названных imptor) и нажмите Add, чтобы добавить этот названный выбор к списку ограничений. Выберите Other для Restrained Value и введите значение 180 для торсионного угла. Выберите Other для Force Constant, и введите заведомо большее значение, 500, чтобы гарантировать, что аммиак сохранится плоским. Введите ОК чтобы отключить диалоговую панель ограничений.

7. Выберите Geometry Optimization в меню Compute для оптимизации к лучшей плоской структуре молекулы аммиака. Выберите Polak-Ribiere как метод и 0.1 для RMS градиента, как прежде. Щелкните на ОК, чтобы начать оптимизацию.

8. Оптимизированная структура, которую Вы получите, должна быть плоской с длиной связи 0.99 А.

9. Выберите Single Point в меню Compute, чтобы вычислить энергию плоской структуры, включая MP2 энергию корреляции.

Полная энергия на уровне SCF -35079.16 ккал/моль а полная энергия, включая MP2 энергию корреляции -35183.80 ккал/моль. Разница между этой энергией и энергией оптимизированной пирамидальной молекулы аммиака - инверсонный барьер молекулы аммиака. Значение SCF для него - 7.33 ккал/моль. Эффект энергии корреляции на этом барьере предсказан, чтобы быть незначимым 0.05 ккал/моль.

Колебательный анализ плоского аммиака

Чтобы выполнить колебательный анализ:

1. Выберите Restraints в меню Setup. Выберите 4-imptor ограничение и нажмите Remove, чтобы переместить этот несоответствующий торсионный угол из списка. Щелкните на ОК, чтобы отключить диалоговую панель и удалите ограничение.

Если Вы не удалите ограничение, в колебательный анализ будут включены вторые производные компоненты из молекулярной механики, ограничивающие силу так же как и от прямого квантово-механического Ab Initio вычисления на плоской структуре аммиака.

2. Выберите Vibrations в меню Compute, чтобы выполнить колебательный анализ в оптимизированной плоской геометрии. Этот расчет требует численного вычисления всех вторых производных относительно Декартовых смещений атомов и потребует несколько минут.

3. Установите размеры окна HyperChem приблизительно на одну треть экрана и поместите его с правой стороны экрана.

4. Выберите Vibrations Spectrum в меню Compute, чтобы показать колебательный спектр, как показано ниже:

Обратите внимание, что самая низкая колебательная энергия имеет отрицательную частоту. Фактически, решение уравнений для нормальных функций дают собственные значения, которые являются квадратом колебательных частот. Когда один из этих квадратов колебательной частоты является отрицательным, HyperChem изображает его как отрицательный из величины квадратного корня, а не как мнимое число. Таким образом это отрицательное значение, -, фактически означает, что есть мнимая колебательная частота. Единственная мнимая частота со всеми остальными частотами, являющимися натуральными подразумевает, что эта плоская структура - переходное состояние, а не структура с минимальной энергией, как пирамидальная структура.

5. Щелкните на отрицательной частоте перехода и оживите ее.

Вы увидите, что эта "нормальная функция" соответствует колебательной функции молекулы аммиака. Это - "реакционный путь" связанный с переходным состоянием. HyperChem не имеет дело непосредственно с ограничениями симметрии и внутренними ограничениями координат, но скорее работает только с декартовыми координатами.

Однако, возможно, через ограничения, получать многие из тех же самых результатов которые получаются через ограничение внутренних координат.

6. Щелкните на Close чтобы отключить окно Vibrational Spectrum, а затем на Cancel, чтобы выключить мультипликацию. Выберите New в меню File, чтобы очистить рабочее пространство.

Поиск переходного состояния последовательностью собственного вектора

В этом вычислении Вы будете использовать метод последовательности собственного вектора поиска переходного состояния, чтобы найти плоское переходное состояние для инверсии пирамидальной молекулы аммиака, без необходимости применения дополнительных структурных ограничений. Этот метод особенно полезен если одна из натуральных колебательных функций вашей структуры имеет тенденцию вести в переходное состояние.

1. Прочитайте оптимизированную пирамидальную структуру молекулы аммиака обратно в рабочее пространство.

2. Щелкните два раза на изображении инструмента выбора, для модельного построения структуры.

Оптимизатор последовательности собственного вектора не работает хорошо когда начальная точка для поиска - в местном или глобальном минимуме; даже если колебательная функция для последовательности определена, оптимальные атомные движения ведущие из минимума - не определяются хорошо.

3. Выберите Transition State... в меню Compute.

4. В диалоговой панели, определите Eigenvector following..., затем щелкните на ОК.

Панель статуса показывает, что HyperChem выполняет колебательное вычисление. Когда оно будет закончено, откроется диалоговая панель поиска переходного состояния.

5. Щелкните на нижнем энергетическом собственном векторе в правой стороне спектра. Как прежде, это соответствует самой низкой частоте колебательной функции молекулы аммиака, который перемещает атомы в направлениях, которые ведут к инверсии пирамиды.

Нижне-энергетическое колебание - часто функция, которая чаще всего соответствует искомому переходному состоянию.

6. Определите предел RMS градиента 0.1 ккал/(А моль), и щелкните на ОК.

HyperChem находит плоское переходное состояние.

7. Переходное состояние должно быть плоским с длиной связи 0.99 А. Выберите N атом, и затем три H атома в любом порядке, чтобы увидеть несоответствующий торсионный угол сообщаемый на линии статуса. Он должен быть очень близок к 0° или ±180°.

Поиск переходного состояния синхронным переходом

В этом вычислении Вы будете использовать метод синхронного перехода для поиска переходного состояния, чтобы найти плоское переходное состояние для инверсии пирамиды молекулы аммиака, без необходимости применения дополнительных структурных ограничений. Этот метод позволит Вам вычислять переходные состояния, когда реагент и конечные системы - очень отличаются, или если Вы хотите тщательно определить, как атомы перестраиваются через переходное состояние. Реагирующим и конечным атомам ставится соответствие, и отправная точка для поиска интерполируется из начальных и заключительных конфигураций.

1. Прочитайте сохраненный файл структуры молекулы аммиака снова в HyperChem.

2. Используйте Display/Labels, чтобы заменить метки на Namber.

3. Измените на инструмент рисования, щелкнув на его изображении. Держите [Shift] клавишу и щелкните на атоме N.

Один из H атомов переместится в "пустое" положение пирамидальной молекулы аммиака, полностью изменяя "хиральность" системы относительно пронумерованных атомов. Обычно Вы использовали бы это действие, чтобы изменять различные приложения к хиральному центру.

4. Оптимизируйте геометрию системы с градиентом 0.1 ккал/(А моль), как прежде.

Начальные и конечные наборы атомов должны быть оптимизированыпрежде, чем Вы найдете переходное состояние синхронным переходом.

5. Используйте File/Merge, чтобы добавить другую копию сохраненной оптимизированной структуры молекулы аммиака в рабочее пространство.

6. Измените на инструмент выбора, и выберите одну из молекул.

7. Используйте Select/Name Selections, чтобы назвать молекулу как REACTANT.

8. Используйте Select/Complement Selection, чтобы отменить выбор первой молекулы и выбрать другую молекулу.

9. Используйте Select/Name Selection, чтобы назвать эту молекулу как PRODUCT.

10. R-щелкните в рабочем пространстве, чтобы отменить любой выбор.

11. Щелкните на Reaction Map в меню Setup, чтобы открыть диалоговую панель картирования переходного состояния.

12. В диалоговой панели выберите N атом из списка Reactant и H атом от списка Product. Каждый атом в списках определяется его молекулярным номером, его атомным числом в пределах молекулы, и ее элементом.

Когда Вы выбираете атом из списка, он отмечается в рабочем пространстве для визуальной помощи.

Поскольку атомы не соответствуют (N атом в реагентах не может стать H атомом в продуктах), кнопка Add остается неактивной.

13. Выберите N атом и в списках Reactant и Product.

Поскольку атомы соответствуют, кнопка Add активизируется.

14. Щелкните на кнопке Add.

Атомы переместятся из списков реагента и продукта в список карты согласованных пар.

15. Выберите атом водорода №2 в списках реагента и продукта и переместите пару в список карты. Сделайте ту же самую вещь для других двух пар H атомов.

Поскольку мы пробуем инвертировать молекулу аммиака, порядок атомов важен.

Когда все атомы будут перемещены список карты, кнопка OK становится активной.

16. Определите значение 0.49 в текстовой ячейке Lambda.

λ(Лямбда) - интерполяционный параметр; значение его диапазона от 0 для состояния реагента до 1 для состояния продукта. Поскольку наборы атомов реагента и продукта - зеркальные изображения, значение  0.5 даст совершенно симметричную отправную точку для поиска переходного состояния. Оптимизатор не работает эффективно из совершенно симметричного начала. Значение  0.49 дает немного асимметричную отправную точку для поиска.

17. Щелкните на ОК.

Атомы из набора продукта удаляются, а атомы набора реагента повторно помещяются в координаты интерполяционной отправной точки для поиска переходного состояния.

18. Нажмите клавишу пробела, чтобы центрировать структуру, и вращайте ее так, чтобы Вы могли видеть ее устройство ясно.

Отправная точка должна быть почти плоской.

19. Выберите Transition State в меню Compute.

Открывается диалоговая панель опций поиска переходного состояния.

20. Определите Sinchronous Transit, Quadratic, и RMS Gradient критерий завершения 0.1 ккал/(А моль). Щелкните на ОК.

HyperChem выполняет расчет колебания, выбирая свой собственный вектор, и затем поиск переходного состояния. Так как он работает из хорошей отправной точки для поиска, он находит переходное состояние относительно быстро.

Вы можете также использовать интерполяционную отправную точку из диалоговой панели карты реакции как стартовую точку для поиска последовательности собственного вектора переходного состояния.

Практические упражнения

1. Сравните геометрию, барьер, и колебательный спектр молекулы аммиака с экспериментом.

2. Повторите вычисления с другими базисными наборами.

3. Сравните NH₃ результаты с изоэлектронными CH₃^- и OH₃⁺.

4. Вычислите вибрационные спектры формальдегида с разными базисными наборами и сравните с экспериментом.

5. Виниловый спирт (CH₂=CHOH) и ацетальдегид (CH₃COH) -таутамеры. Реакция перегруппировки вовлекает промежуточное звено типа [CH2CHO]^-; в зависимости от окружающей среды, протон (H⁺) может быть свободно приложен к промежуточному звену или протон может быть сольватирован и отдален. Исследуйте перестановку, рассчитав конфигурации и энергии анти-конформации винилового спирта, и затем gauche конформацию винилового спирта, ацетальдегида, и переходного состояния между последними двумя структурами, найденными синхронным переходом. Сравните с энергией и геометрией депротонированного промежуточного звена. (Помните, что энергия "состоящая" из депротонации может быть сбалансирована энергией, полученной из протолиза растворителя; см. "Энергия протолиза" на странице 217).

Практическая работа 16. Нижнее электронно-возбужденное состояние этилена

Эта обучающая программа исследует вычисление электронно-возбужденного спектра, сосредотачиваясь на триплетном   * переходе в молекуле этилена.

Оптимизация основного состояния молекулы этилена

Вы должны теперь иметь немного трудностей при выполнении простых Ab Initio вычислений, так что эта обучающая программа будут сокращать некоторые из инструкций.

Чтобы создать молекулу этилена с STO-3G базисным набором:

1. Выберите New в меню File, чтобы очистить рабочее пространство.

2. Удостоверьтесь, что Explicit Hydrogens не выбран.

3. Выберите углерод для указанного элемента и нарисуйте углерод-углеродную одинарную связь (одна линия), щелкните на середине связи, чтобы превратить ее в двойную связь.

4. Выберите Add H & Model Build в меню Build, чтобы создать этилен.

5. Выберите Ab Initio в меню Setup и выберите Minimal (STO-3G) для базисного набора. Убедитесь, что Вы имеете Total charge = 0, Spin multiplicity = 1, Spin pairing = RHF, Accelerate convergence = Yes и разумно напряженный SCF Сonvergence limit, скажем 0.0001. Нажмите кнопку CI в диалоговой панели опций Ab Initio и убедитесь, что None выбран для CI метода.

Чтобы оптимизировать основное состояние молекулы этилена:

1. Выберите Geometry Optimization в меню Compute. Выберите Polak-Ribiere для метода и 0.01 для RMS градиента. Выберите ОК, чтобы отключить диалоговую панель и начните оптимизацию.

Вы должны найти оптимизированную геометрию для этилена, который имеет длину связи C-C 1.31А, длину связи C-H 1.08А, и угол H-C-H 115.7 °.

Чтобы вычислять энергию корреляции:

1. Выберите Ab Initio в меню Setup, нажмите кнопку Options, и выберите MP2 correlation energy. Щелкните на ОК, чтобы отключить диалоговую панель, чтобы вернутся в рабочее пространство.

2. Выберите Single Point в меню Compute.

Вы должны найти SCF энергию -48364.64 ккал/моль а общую MP2 энергию -48438.61 ккал/моль, которая включает -74.97 ккал/моль энергию корреляции.

Могут иногда наблюдаться маленькие различия между энергией при оптимизации и сообщаемой в данной точке энергией. Они возникают потому что координаты атомов сохраняются со значением одинарной точности в переднем конце, но со значением двойной точности оцениваются при вычислении с обратного конца, где требуется точность. Передача координат между передним концом и обратными концами гарантирует сохранение только одинарных величин точности.

Орбитали основного состояния этилена

Чтобы увидеть диаграмму энергии орбиталей и орбитали:

1. Выберите Orbitals в меню Compute. Тяните мышь чтобы увеличить масштаб изображения наиболее высокой занятой (HOMO) и наиболее низкой незанятой (LUMO) орбиталей как показано в следующем представлении:

Эти две орбитали упоминаются как (HOMO) и *(LUMO) орбитали этилена. Самое нижнее возбужденное состояние этилена передает удаление одного электрона с  орбитали и размещение его на * орбиталь. Этот * (HOMO в LUMO) переход ведет как к синглетно-возбужденному состоянию, где электроны остаются с противоположным спином, так и триплетному состоянию где электроны на  и * орбиталях имеют параллельный спин.

2. Выберите любую из этих орбиталей, L-щелкнув на ней, и графически изобразите орбиталь. Ориентируйте молекулу этилена, пока Вы не получите вид как здесь. Например, следующее изображение * орбитали, после выравнивания ее основной оси с х осью, Edit/Align Molecules.

CI и электронный спектр этилена

Чтобы вычислить спектр этилена:

1. Выберите Ab Initio в меню Setup.

2. Щелкните на кнопке Options.

3. Щелкните на кнопке CI.

4. Выберите Singly Excited для CI метода.

5. Выберите Energy Criterion, а не Orbital Criterion. Введите большую величину, 1000, для Maximum Excitation Energy. Щелкните на ОК, чтобы отключить диалоговые панели, пока Вы не возвратились в рабочее пространство.

При выполнении вычисления отднократно-возбужденного конфигурационного взаимодействия (CI), оно включает вместе потенциально большее количество конфигураций (отдельные детерминанты; в действительности HyperChem не формирует спин-приспособленные конфигурации, но выполняет CI с отдельными детерминантами). Эти конфигурации вовлекают возбуждение одного электрона с одной из занятых орбиталей на одну из незанятых орбиталей. Нужно принять решение о том, сколько детерминант должно быть включено в смешивание. Это может быть сделано на основании включения всех возбуждений, вовлекающих некоторое число наиболее низких незанятых и наиболее высоких занятых орбиталей или на основе энергетического критерия связанного с различием в энергии между двумя вовлеченными орбиталями.

Выбор здесь 1000 приведет к включению всех однократно-возбужденных конфигураций в CI.

6. Выберите Single Point в меню Compute. Это инициирует CI вычисление в соединении с выполнением вычисления в отдельной точке. Пункт меню Compute, Electronic Spectrum, станет доступным, когда вычисление отдельной точки будет выполнено.

7. Выберите Electronic Specrum в меню Compute, чтобы изобразить спектр, показанный ниже:

Самый сильный пик приходится на 52.7 нм и не связан с π→π* переходом. Нижний энергетический переход (самая длинная длина волны) находится далеко справа на 313.7 нм и это триплетный ππ* переход. Это, конечно, запрещенный переход (нулевая интенсивность), как и все синглет-триплетные переходы (в первом приближении). Самая низкая энергия разрешенного перехода 106.4 нм - это синглетный  * переход.

Геометрия и энергия триплетного этилена

Поскольку нижнее возбужденное состояние этилена имеет отличное спин-состояние (триплет) чем основное состояние (синглет), возможно в HyperChem легко и непосредственно вычислить оптимизированную SCF волновую функцию для него. Это - не простое вычисление когда возбужденное состояние имеет ту же самую симметрию спина как и основное состояние и HyperChem в настоящее время не имеет возможности непосредственно вычислить возбужденное синглетное состояние этилена, кроме информации доступной из CI для основного состояния, типа только выполненного Вами выше. Триплетное состояние, однако, вычисляемо напрямую для одно-детерминантного SCF вычисления.

Чтобы вычислить геометрию триплетного этилена:

1. Создайте стандартную, модельно-построенную молекулу этилена в рабочем пространстве если Вы еще не имеете ее там.

Так как мы собираемся оптимизировать геометрию, фактическая стартовая геометрия не является критической, и ваша молекула этилена могла бы быть предварительно полученной оптимизированной структурой для STO-3G основного состояния.

2. Выберите торсионный угол в плоской молекуле этилена а затем выберите Set Bond Torsion из меню Edit, чтобы изменить торсионный угол на 30°.

Первая производная HyperChem оптимизатора не может легко найти неплоский оптимум (если он есть), если Вы начинаете со строго плоской конфигурации молекулы. Вы помогаете оптимизации, начав с общей неплоской структуры.

3. Выберите Ab Initio в меню Setup и выберите 3 (триплет) для Spin Multiplicity и UNF для Spin pairing. Результатом будет вычисление непарно-электронного триплетного состояния вместо нормального RNF парно-электронного синглетного основного состояния. Выберите 0.0001 для SCF сходимости. Убедитесь, что Вы используете минимальный (STO-3G) базисный набор а затем щелкните на ОК возвратившись в рабочее пространство.

4. Выбрать Geometry optimization в меню Compute. Выполните оптимизацию с RMS градиентом 0.0.

Эта оптимизация идет дольше чем Вы, хотите эт го. Результат, однако, то - что возбужденное триплетное состояние тройки искривлено на 90 ° от основного состояния. C-C двойная связь очень растянется до 1.49 А от его значения в основном состоянии показывающей 1.31 А, по существу, двойная связь будет нарушена и то что останется является близким к одинарной связи. C-H расстояние останется 1.08 А а H-C-H угол - теперь 117.8 °.

Чтобы вычислить энергии адиабатного возбуждения:

1. Выберите Ab Initio в меню Setup, нажите кнопку Options, и убедитесь, что MP2 correlation energy выбрана. Выберите ОК чтобы отключить диалоговую панель и выйти в рабочее пространство.

2. Выберите Single Point в меню Compute.

SCF энергия оптимизированного возбужденного триплетного состояния -48328.65 ккал/моль, которая является на 35.99 ккал/моль (794.4 нм) выше, чем оптимизированное синглетное основное состояние. Эта адиабатная энергия возбуждения измерена из энергетического минимума каждого состояния. MP2 энергия корреляции в возбужденном триплетном состоянии (-45.02 ккал/моль) - намного меньше чем в основном состоянии (-74.43 ккал/моль), так что с эффектом корреляции, энергия адиабатного возбуждения - 65.84 ккал/моль (434.3 нм). Эти числа могут быть сравнены с вертикальной энергией возбуждения (91.14 ккал/моль или 313.7 нм) рассчитанной CI для этого перехода. Вертикальная энергия возбуждения (та же самая геометрия для возбужденного состояния, что и для основного состояния) должна, очевидно, быть больше чем соответствующая энергия адиабатного возбуждения, как и есть.

Чтобы исследовать орбитали триплетного состояния:

1. Выберите Orbitals в меню Compute. Увеличте изображения альфа-орбиталей, чтобы увидеть следующую диаграмму:

Обратите внимание, что две занятые  и * орбитали стали вырожденными. Щелкните на этих орбиталях, чтобы выбрать их а затем графически изобразите их, чтобы исследовать их внешность.

Практические упражнения

1. Исследуйте эффекты на   * энергии возбуждения CI смешивания на других однократно-возбужденных состояниях. Какой, например, является энергия возбуждения для однократного (  * синглета или триплета) конфигурации?

2. Вычислите барьер вращеня C-C связи как в основном синглетном состоянии так и в триплетном возбужденном состоянии для молекулы этилена.

3. Повторите проведенные с молекулой этилена вычисления для n → p^* перехода молекулы формальдегида.

4. Исследуйте геометрические эффекты при расчете синглетной π → π^* энергии возбуждения используя CI. Косвенно оспорте геометрический оптимум синглетно возбужденного состояния.

Модуль 4. HyperChem и динамический обмен данных (DDE)

Обучающая программа 4 покажет Вам, как создавать связи с другими Windows приложениями используя динамический обмен данных (DDE) в особенности Microsoft Windows.

Практическая работа 17. Управление HyperChem из Exel

С открытым системным проектом HyperChem, Вы можете создать связи с другими приложениями Windows, типа Microsoft Excel, Microsoft Word^R для Windows, Microsoft Visual Basic, и Q&E, используя динамический обмен данных (DDE) в особенности Windows.

Вы можете создать макрос и объединять вычисления, используя встроенную сценическую способность, доступную для любого моделирования HyperChem и инструментов анализа, и передавая данные между приложениями Windows, с использованием клавиатуры.

Этот урок исследует выгоды связи HyperChem с программой электронной таблицы, Microsoft Excel. Вы можете также использовать другие приложения Windows, которые имеют DDE способности макроса.

Этот урок имеет три упражнения:

• В упражнении 1, Вы запускаете Exel макрос, который вызывает вычисления в отдельной точке на группе молекул. Затем Вы используете Exel чтобы поместить в таблицу общую энергию каждой молекулы.

• В упражнении 2, Вы изменяете и повторно запускаете макрос, чтобы вращать молекулу бензола. Это демонстрирует, кратко, как Вы можете использовать Exel, чтобы управлять и изображать молекулы в HyperChem.

• В упражнении 3, Вы изменяете и повторно запускаете макрос, чтобы вычислить изменение полной энергии при изменении длины связи. Вы сохраните результаты в Exel а затем поместите их в таблицу для сравнения.

Требования урока

Прежде, чем Вы начнете, Вы должны сделать следующее:

1. Установить Microsoft Excel на вашем компьютере.

2. Иметь следующие файлы в вашей HyperChem рабочей дериктории:

plot.xls (пример электронной таблицы)

plot.xlm (пример Exel макроса)

Anthrace.hin

Benzene.hin

Chrysene.hin

Coronene.hin

Naphthal.hin

Phenanth.hin

Pyrene.hin

Эти файлы включены в HyperChem.

Упражнение 1: Вычисления на наборах молекул

В этом уроке, Вы используете Exel макрос, чтобы сделать вычисления в отдельной точке на семи ароматических углеводородах. Результаты читаются назад в Exel а затем готовятся для анализа. Этот урок демонстрирует как Exel может сделать групповые вычисления на группе молекул. Прежде чем изучить запуск HyperChem из Exel, полезно, если Вы имеете основное знакомство с, операциями электронной таблицы Exel.

Открытие HyperChem и Exel

Чтобы открыть HyperChem и Exel в Microsoft Windows:

1. Откройте HyperChem и сделайте окно меньше. Поместите его в нижнем правом углу экрана.

2. Откройте Exel и поместите окно Excel в верхнем левом углу экрана.

Ваш экран должен напоминать это:

3. В Exel, выберите Открыть в меню Файл.

4. В ячейке дерикторий, щелкните два раза на [...] и замените дериктории на \Scripts или имя вашей HyperChem рабочей дериктории.

5. В ячейке файлов, откройте файл-пример электронной таблицы plot.xls и макрофайл-пример plot.xlm

Когда Вы откроете файлы, они появятся как отдельные окна в пределах окна Excel.

6. Выберите, показать Все в меню Окна.

7. L-щелкните на Sheet1, и затем закройте Sheet1, используя Закрыть в меню Файл.

8. Выберите, показать Все снова.

Ваш экран должен напоминать это:

Exel файлы электронной таблицы (с расширением .xls) могут содержать входящую информацию для вычислений HyperChem и могут получить конечные данные из этих вычислений.

Эта типовая электронная таблица включает колонки озаглавленные: молекула, полная энергия, длина, угол, торсионный угол, и vdW. В первой колонке под заголовком молекула, появляется список HIN имен файлов (без .hin расширения), для которых вычисления будут выполнены.

Exel обеспечивает макро-язык для того, чтобы писать DDE сообщения. Этот язык, вместе с HyperChem сценическими командами позволяет Вам выполнять выбор вычислений автоматически.

Типовой макро-файл, Plot.xlm, содержит команды HyperChem DDE.

Установка вычислений

Прежде, чем Вы запустите макрос, Вы должны установить опции для вычисления.

1. L-щелкните в рабочем пространстве HyperChem, чтобы вывести его впереди экрана.

2. Выберите Molecular Mechanics в меню Setup.

3. Выберите ММ + как Метод, а затем выберите Options.

4. Используйте следующие величины в диалоговой панели опций силового поля.

5. Выберите ОК.

6. Выберите ОК чтобы закрыть диалоговую панель молекулярно-механического силового поля.

Запуск макроса

Чтобы запустить макрос:

1. В Ехеl, выберите, Показать все в меню Окно, чтобы файл plot.xls появился в рабочем пространстве.

2. L-щелкните на benzene в ячейке A2 в plot.xls.

3. Перестройте ваш экран так, чтобы оба окна HyperChem, и Exel появились, как здесь:

4. Выберите Макрос в меню Сервис, и щелкните два раза на

PLOT.XLM! Compute.Results

чтобы запустить макрос.

Макрос инструктирует HyperChem открыть каждый HIN файл, выполнить вычисление в отдельной точке, и прочитать результаты назад в Exel.

При выполнении запуска, молекула изображается в HyperChem и величины появляются в файле электронной таблицы.

Обратите внимание: если Вы получите сообщение предупреждающее, что файл не может быть открыт, или файл - не там, или макрос plot.xlm должен быть отредактирован в OpenFile области, отразите правильный путь для выполнения, chem.exe.

Графическое изображение результатов

Вы можете теперь сравнить результаты для различных молекул, составив таблицу результатов в Exel. В этой таблице Вы сравниваете полные энергии.

Чтобы графически изобразить результаты:

1. Увеличте размер plot.xls, чтобы заполнить окно Excel.

2. L-click-drag от ячейки A2 и отпустите в ячейке B8, чтобы выбрать сначала две колонки.

Это выбирает имена молекул и вычисления полных энергий в вычислениях отдельной точки.

3. Выберите кнопку Мастер диаграмм на панели инструментов Exel. Выберите тип диаграммы Линейчатая, и определите "Использование сначала 1 колонки(ок) как категории метки оси (X)".

Гистограмма покажет полные энергии в файле chart1. Чтобы изменить появившийся графа, например, передвинуть метки выше оси вместо ниже ее - щелкните два раза на часть графика, который Вы хотите изменить, чтобы открыть диалоговую панель для форматирования.

Chrysene имеет наибольшую энергию Ван-дер-Ваальса (vdW), потому что некоторые атомы водорода - очень близки друг к другу, производя некоторое дестабилизирующее напряжение в молекуле.

4. Введите Закрыть в меню Файл чтобы закрыть окно plot.xls. Не сохраняйте изменения в chart1.

Упражнение 2: Управление молекулами из Exel

В этом уроке, Вы изменяете макрос Exel, чтобы вращать молекулу бензола.

Изменение макроса

1. Выберите plot.xlm в меню Окно.

2. Увеличьте размер окна plot.xlm на полный экран.

3. L-drag от A7 и отпустите на A15.

4. Выберите, Удалить в меню Правка, и если появится диалоговая панель выберите Ячейки со сдвигом вверх.

Это удаляет информацию в выбранных ячейках.

5. Теперь, чтобы вставить строки в макрос, L-щелкните на ячейке 7, и выберите Строка в меню Вставка.

6. Выберите, Повторить вставку строк в меню Правка четыре раза.

Теперь ячейки от B7 до B11 пусты.

7. L-щелкните на ячейке B7.

8. В ячейке B7, введите следующее:

=EXECUTE(Channel,"[open-file(benzene.hin)]")

9. Нажмите [], чтобы передвинутся в ячейку B8 и введите следующее:

=FOR ("Counter", 1,10)

10. Введите следующие две линии:

=EXECUTE (Channel,"[rotate-viewer(z 20)]")

=NEXT ()

Ваш файл должен напоминать это:

Запуск макроса

1. Уменьшите и переместите окно Excel так, чтобы Вы могли видеть окно HyperChem, как здесь:

2. В Exel, выберите Макрос в меню Сервис.

3. В диалоговой панели запуска, выберите PLOT.XLM!Compute.Results.

Бензол вращается в рабочем пространстве HyperChem.

Упражнение 3: Графическое изображение энергии торсионного угла

В этом упражнении, Вы создадите модельно-построенную структуру пероксида водорода и измените Exel макрос из упражнения 2, чтобы изменить торсионный угол между двумя атомами водорода. HyperChem читает результаты назад в Exel, и Вы создадите график, который графически изобразит энергию как функцию торсионного угла.

Создание молекулы пероксида водорода.

Сначала, создайте модельно-построенную структуру.

1. В HyperChem, выберите New в меню File, чтобы очистить рабочее пространство.

2. Щелкните два раза на инструменте рисования, чтобы открыть диалоговую панель таблицы элементов и выберите кислород.

3. Нарисуйте два атома кислорода связанных вместе.

4. Щелкните два раза на иконе инструмента выбора, чтобы вызвать построитель моделей и постройте 3-D модель.

Изменение макроса

Измените макрос из упражнения 2.

1. Войдите в Exel и увеличте окно plot.xlm на весь экран.

2. Удалить текст в ячейках от B7 до B9. Если появляется диалоговая панель удаления, выберите Ячейки со сдвигом вверх.

3. Выберите ячейку B7 и выберите Строки в меню Вставка.

4. Выберите, повторить вставку строк в меню Правка 5 раз.

5. Вставьте следующий текст:

=EXECUTE(Channel,"[menu-select-select-all]")

=WHILE(NOT(ISBLANK (SELECTION ())))

=EXECUTE(Channel, "[set-bond-torsion("&SELECTION()&")]")

=EXECUTE (Channel,"[do-single-point]")

=FORMULA.ARRAY(REQUEST(Channel,"total-energy"),"rc[1]")

=SELECT("r [1]c")

Ваш файл должен напоминать это:

Создание электронной таблицы

Создайте новую электронную таблицу, и введите значения для торсионного угла.

1. Выберите Создать в меню Файл, и выберите Книга.

Новая электронная таблица, Sheet2, откроется на экране.

2. В ячейках от A1 до A18, введите величины 10-180 с приростом на 10. Это соответствует значениям торсионного угла в градусах. Когда Вы закончите, электронная таблица должна напоминать это:

3. L-щелкните на ячейке A1.

Когда Вы запустите макрос, эта ячейка прочитается первой.

Установки вычисления

Прежде, чем Вы запустите макрос, Вы должны установить опции для вычисления.

1. В HyperChem, выберите Molecular Mechanics в меню Setup.

2. Выбthbnt ММ+ как Method.

Запуск макроса

Чтобы повторно запустить макрос:

1. Устройте окна так, чтобы Вы могли наблюдать HyperChem и Exel одновременно.

2. Выберите Macro в меню инструментов, и щелкните два раза на

PLOT.XLM!Compute.Results

В рабочем пространстве HyperChem, торсионный угол между двумя атомами водорода изменяется, как проинструктировано макросом, и соответствующие полные энергии сохраняются в новой электронной таблице.

Графическое изображение результатов

Чтобы изобразить результаты на графике:

1. Увеличьте размер Sheet2 и выберите ячейки от A1 до B18.

2. Выберите Создать в меню Файл, и выберите кнопку Мастер диаграмм на панели инструментов. Выберите тип диаграммы Линейчатая. Определите "Использование первой 1колонки(ок) для категории (X) меток осей".

3. В диалоговой панели Содержания первой колонки, выберите X-величины для XY-диаграммы.

Exel изобразит график, который изображает энергию как функцию торсионного угла. Минимум энергии проходится приблизительно на 110 градусов. Экспериментальная величина для угла - 111 градусов.

Обратите внимание: Вы должны далее изменить макрос, используемый в этом примере если Вы хотите вычислить энергию как функцию тосионного угла для молекулы с больше чем четырьмя атомами. Макрос, используемый в этом примере, инструктирует HyperChem вычислять только энергию четырех выбранных атомов. Чтобы сделать больше чем четыре атома, используйте поименованные выборы, а затем выберите мультиатомную часть по имени в макросе.

4. Чтобы закончить этот урок, закройте HyperChem и Exel. Не сохраняйте ваши изменения.

Практическая работа 18. Запуск HyperChem изVB

Требования урока

Прежде, чем Вы начнете, Вы должны установить Microsoft VB на ваш компьютер.

Открытие HyperChem и VB

Чтобы начать, Вы открываете HyperChem, устанавливаете опции для типа вычисления, которое Вы хотите выполнить, а затем открываете VB.

1. Откройте HyperChem и уменьшите размер окна. Поместив его в нижнем правом углу экрана.

2. Откройте файл benzene.hin.

Это - молекула, на которой Вы выполните вычисление в отдельной точке.

3. Выберите Molecular Mechanics в меню Setup.

4. Выберите ММ+ как Method, затем выберите OK.

5. Если диалоговая панель появится и спросит, хотите ли Вы повторно вычислить типы атомов, выберите ОК.

6. Откройте VB в Менеджере программ.

Ваш экран должен напоминать это:

Создание формы

В VB, форма - окно, которое Вы создаете и настраиваете. В формах, Вы рисуете графические объекты названные контролями, которые используются, чтобы получить пользовательский вход и изобразить выход. Контроли включают текстовые ячейки, кнопки команд, и ячейки списка.

Чтобы создать форму:

1. На панели инструментов, L-щелкните на инструменте текстовой ячейки.

2. Переместите указатель на Form1 и L-drag, чтобы нарисовать текстовую ячейку.

3. L-щелкните на инструменте командной кнопки.

4. Переместить указатель на Form1 и L-drag, чтобы нарисовать командную кнопку.

Form1 должен напоминать это:

Настройка интерфейса

Теперь, когда Вы создали форму, Вы можете настроить появление и поведение контролей, используя ячейку свойств.

VB дает текстовой ячейке указанное имя и заголовок Text1 а командной кнопке указанное имя и заголовок Command1. Для этого упражнения, Вы переименовываете заголовок командной кнопки на Сообщить вычисление.

Чтобы настроить интерфейс:

1. Пометте Command1 L-dragging текст в ячейке свойств.

2. Введите следующее:

Сообщить вычисление

Затем нажмите [].

Контроль теперь имеет заголовок Сообщить вычисление.

Ввод кода VB

Следующий шаг должен ввести код VB, который инструктирует HyperChem, сделать вычисление в отдельной точке.

1. Щелкните два раза на командной кнопке Сообщить вычисление.

Это открывает Code окно названное Form1.frm. Окно кода - это, где Вы пишете, показываете, и редактируете код VB.

2. Введите следующий текст, так чтобы окно Code напоминало это:

Заметьте, что мы преднамеренно не учли последний "t" в, "do-single-point".

Text1. LinkItem, который - "полная энергия" здесь, может быть любым из множества возможных сообщений HyperChem; смотрите Главу 10 из Руководства пользователя для списка сообщений HyperChem.

3. Выберите Start в меню Ran.

Form1 появится.

4. L-щелкните на командной кнопке Сообщить вычисление.

Следующее сообщение об ошибке появится:

Игнорируйте плохое текстовое сообщение: "do-single-poin".

5. L-щелкните на ОК.

Диалоговая панель спрашивает, хотите ли Вы выйти из HyperChem.

6. Выберите No

Сообщается о следующей ошибке:

Постороннее приложение не будет выполнять DDE метод или действие.

7. Выберите DEBUG или ОК (в зависимости от версии VB, которую Вы имеете).

VB показывает Вам линию, которая содержит ошибку.

8. Выберите End в меню Ran.

9. Исправте ошибку, добавив "t" в конце "do-single- point".

10. Выберите Start в меню Run.

Form1 появляется.

11. L-щелкните на командной кнопке Сообщить вычисление.

Это запустит вычисление в отдельной точке. Приблизительно через 1 минуту, окно сообщений названное, Project1 сообщает о полной энергии молекулы бензола.

12. Выберите ОК.

13. Выберите End в меню Ran.

Создание выполнимого файла

Чтобы создать автономный выполнимый файл:

1. Выберите, Make EXE file в меню File.

2. Введите следующее имя файла:

test.exe

Теперь Вы создали программу по имени test.exe. Вы можете запустить этот файл, когда Вы хотите сделать вычисление в отдельной точке и сообщить о полной энергии структуры в HyperChem.

Сохранение файлов VB

Чтобы сохранить вашу работу и выйти из VB:

1. Выберите, Save File As в меню File.

2. Сохраните файл как test.frm, затем выберите ОК.

3. Выберите, Save Project As в меню File.

4. Сохраните файл как test.mak, затем выберите ОК.

Добавление test.exe в меню Start

Чтобы добавить test.exe к программной группе:

1. Щелните на Start в панели задач.

2. Щелкните на Settings, затем на Taskbar.

Появляется диалоговая панель свойств панели задач:

3. Выберите список свойств Start Menu Programs. Щелкните на Add..., чтобы открыть диалоговую панель создания "горячих клавиш".

4. Определите местонахождение файла test.exe просмотрите, затем выберите ОК.

Это вернет Вас обратно в диалоговую ячейку Свойств программных пунктов.

5. Определите папку для "горячих клавиш", имя (TEST) и икону.

Затем выберите ОК в диалоговой панели свойств панели задач.

Икона, названная TEST появляется в новой папке в панели задач.

Чтобы открыть TEST, щелкните два раза на иконе.

Создание других программ

Вы можете использовать VB, чтобы создавать подобные вспомогательные программы как приложения HyperChem. Например, Вы могли написать настроенный оптимизатор геометрии в VB и использовать молекулярно-механические или квантово-механические приложения HyperChem через DDE интерфейс.