【文章內(nèi)容簡介】 22/2/14 趙文元 2022 50 ? 顯示分子模型：棒狀、球棒狀、空間填充狀，生物大分子顯示方法，礦物晶體顯示方法，模擬電子顯微鏡下狀態(tài)。 ? 分子結(jié)構(gòu)分析：分子（晶胞、蛋白質(zhì)等），鏈段（肽鏈，核酸鏈等），鏈組成（氨基酸、核酸等），原子組成，化學鍵組成。 ? 結(jié)構(gòu)參數(shù)測定：鍵長、鍵角、兩面角、分子組成等。 ? 常見各類分子模型庫： DNA片斷，與環(huán)境相關(guān)的物質(zhì)，無機化合物，材料類物質(zhì)，天然產(chǎn)物類，石油產(chǎn)品類，藥物類，蛋白質(zhì)類，小分子類，一般化合物類。 ? 分子模型的輸出如輸入方法：輸出格式： .msv,PDB格式，MDL格式， XYZ坐標格式， VRML格式， GIF格式， JPEG格式，BMP格式等 13種。輸入格式共 18種。 DS Viewer Pro軟件的安裝與使用 ? 軟件的安裝： zip軟件解壓， setup安裝 ? 軟件窗口： 3D Window, hierarchy Window, data table. ? 3D Window: 菜單（ view, tools, modify, window),操作工具（分子模型建立工具，分子模型操作工具，分子模型測量工具等） ? hierarchy Window：分子樹， ? data table：數(shù)據(jù)表，卡片標識 ? 軟件的基本使用方法。 DS Viewer Pro 軟件的使用方法介紹 ? 分子模型的建立和修改方法 ? 分子模型的演示方法 ? 分子結(jié)構(gòu)參數(shù)的測定方法 ? 分子結(jié)構(gòu)組成的分析方法 ? 分子模型數(shù)據(jù)的輸出與輸入方法 第四章思考題 ? 1． 化學工作者需要分子結(jié)構(gòu)繪制軟件做哪些工作 ？ 與手工繪制和繪圖工具繪制相比 ， 分子結(jié)構(gòu)繪制軟件具有哪些特點 ？ ? 2． 當前 “ 桌面出版 ” 系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)實 ， 分子結(jié)構(gòu)繪制軟件在新的出版行業(yè) ， 特別是出版化學類圖書中將起哪些作用 ？ ? 3． 與分子結(jié)構(gòu)式相似 ， 中文也是一種圖形化語言 ， 是否可以參照中文編碼輸入的方法 ， 解決分子結(jié)構(gòu)式的輸入問題 ？ ? 4． 與當前流行的各種 CAD軟件相比 ， 如電子電路 CAD， 分子結(jié)構(gòu)繪制軟件有哪些相同和不同點 ？ ? 5． 分子模型軟件在化學教學中主要起哪些作用 ？ 用計算機化的分子模型代替常規(guī)分子模型必須解決哪些問題 ？ ? 6． 所有的蛋白質(zhì)都是由肽鏈構(gòu)成的 ， 肽鏈是由有限的氨基酸構(gòu)成的 ， 氨基酸則是由各種原子構(gòu)成的 ， 如何描述每個層次的結(jié)構(gòu)參數(shù) ？ ? 7． 最常見的分子模型有棒狀 、 球棒狀和空間填充 （ CPK） 三種形式 ， 你能說出這三種結(jié)構(gòu)的特點和主要用途嗎 ？ 第四章練習題 ? 1． 完成 ISIS/Draw軟件的安裝過程 ， 學習基本使用技術(shù) 。 ? 2． 用 ISIS/Draw軟件繪制小分子結(jié)構(gòu) （ 二氧六環(huán) 、 苯甲酸 、 偶氮苯 、 異戊二烯等 ） 。 ? 3． 用 ISIS/Draw軟件繪制葉綠素分子結(jié)構(gòu) （ 具體結(jié)構(gòu)自行查閱 ） 。 ? 4． 用一個分子結(jié)構(gòu)繪制軟件完成甲苯的硝基化反應： ? 5． 用 WORD和 ISIS/Draw軟件共同完成上述硝基化反應 ， 并加以文字描述 。 ? 6． 用 ISIS/Draw軟件完成以下取代反應能量變化示意圖 。 ? 7． 用 WebLab ViewerPro軟件繪制環(huán)己烷的椅式構(gòu)象和船式構(gòu)象模型（ 球棒結(jié)構(gòu) ） ， 并從不同角度觀察 。 ? 8． 建立蔗糖分子模型 ， 并用三種顯示方式表示 ， 分子模型分別用存盤 、輸入到文本文件和打印機打印輸出 。 能量反應速度反應物苯取代反應甲苯間位取代甲苯鄰位取代第五章 :計算機在結(jié)構(gòu)化學計算和化學過程模擬中的應用 ? 計算機結(jié)構(gòu)化學計算方法：從頭計算 (ab initio calculation), 半經(jīng)驗計算 (semiexpirical calculation), 分子力學計算(molecular mechanics calculation)，其中后者還可以分成靜態(tài)計算、動態(tài)計算和 Monte Carlo計算。 ? 計算目標：分子的電子云數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)、熱力學數(shù)據(jù)等。 ? 計算機的化學過程模擬：采用計算機的運算和邏輯推理等功能模擬化學真實過程。 ? 化學工程模擬的目的：研究反應機理，推測反應結(jié)果，模擬反應過程，得到反應參數(shù)。 ? 化學工程模擬的意義：減少風險，降低費用，提高研究速度 第一節(jié)：結(jié)構(gòu)化學計算 AccuModel軟件的性能和使用 ? AccuModel軟件的性能和對系統(tǒng)的要求： ? AccuModel軟件的操作界面和基本操作： ? AccuModel軟件的基本應用方法 AccuModel軟件的性能和對系統(tǒng)的要求 ? 系統(tǒng)要求： windows操作系統(tǒng)， CPU486以上，內(nèi)存 16Mb以上，彩色顯示器，適當高標準顯卡。 ? 功能： ? 能夠建立并演示準確的分子結(jié)構(gòu)模型 ? 提供計算結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力學參數(shù)的手段 ? 基于優(yōu)化計算對分子模型能夠進行幾何和構(gòu)象處理 ? 利用能量計算方法對分子進行構(gòu)象分析 AccuModel軟件的操作界面和基本操作 ? 程序操作界面： ? 下拉菜單：位于頂部，共 9組 71條指令，包含所有操作指令。 ? 工具按鈕：位于菜單下面，共計 26個。主要用于常規(guī)模型控制與計算操作。 ? 工具板：位于窗口左側(cè)，共計 48項，主要用于建立準確的分子模型。 ? 模型顯示窗口：在屏幕中央，用于顯示建立的準確分子模型的三維圖形。 ? 文字信息顯示窗口：用于顯示用文字表述的計算結(jié)果。 ? 曲線圖形顯示窗口：以曲線圖形式表述在計算過程中熱力學參數(shù)的變化趨勢。 AccuModel軟件的基本應用方法 ? 建立準確的分子模型并進行多種格式顯示 ? 對分子模型進行能量最低化計算和優(yōu)化 ? 分子能量參數(shù)的計算 ? 分子基本參數(shù)的測定和計算 ? 分子的構(gòu)效分析 建立準確的分子模型并進行多種格式顯示 ? 啟動軟件，并進入分子模型構(gòu)筑狀態(tài) ? 選擇分子模板或者相應工具按鈕在窗口中初步建立分子模型骨架。 ? 對分子模型中的原子和化學鍵根據(jù)要求進行調(diào)整和修改。 ? 對分子模型進行能量最低化計算和優(yōu)化，得到準確的分子模型。 ? 采用三維多格式顯示。 對分子模型進行能量最低化計算和優(yōu)化 ? 建立或輸入一個符合要求的分子模型 ? 打開能量最低化參數(shù)設(shè)定窗口，進行計算參數(shù)設(shè)定，包括選擇計算方法、力場選擇、優(yōu)化和顯示參數(shù)選擇。 ? 通過 putation 指令或按鈕進行優(yōu)化運算，運算過程中分子模型結(jié)構(gòu)不斷隨之進行調(diào)整。 ? 打開文字信息窗口可以顯示計算過程得到的所有數(shù)據(jù)。 ? 打開曲線圖形窗口后進行能量最低化可以看到動態(tài)的能量曲線變化。 分子能量參數(shù)的計算 ? 建立或者輸入一個符合要求的分子模型 ? 啟動菜單中 putation/calculate energy指令進行能量計算，計算結(jié)果顯示在文字信息顯示窗口中。 ? 計算的能量包括分子的總能量、伸展能、彎曲能、扭曲能、電子能和其他組合能量 ? 如果要獲得更詳細的能量數(shù)據(jù)，需要啟動Computation/output energy detail指令，計算結(jié)果作為一個獨立的文件存儲，除了上述能量外還增加了其他類型的能量值 ? 分子模型窗口、文字信息窗口和曲線圖形窗口可以單獨打印和輸出。 分子基本參數(shù)的測定和計算 ? 輸入或者建立一個合理的分子模型，最好事先經(jīng)過能量最低化處理。 ? 啟動 analyze/calculate molecular properties指令進行計算，可以得到以下數(shù)據(jù)：分子組成式，分子量、分子外型尺寸、分子體積、偶極矩、對稱度、環(huán)指數(shù)、分子密度、中心分支度、分子柔性等。 ? 測定結(jié)果顯示在文字信息窗口中。 ? 對其他幾何信息也可以利用測定工具進行直接測定。 分子的構(gòu)效分析 ? 構(gòu)效關(guān)系的定義：通過理論分析或數(shù)學計算得到化合物分子結(jié)構(gòu)與相應性質(zhì)之間定量或定性關(guān)系的過程。 ? 測定方法是對輸入或建立的分子模型，通過analyze/calculate molecular properties/log P指令來進行。然后將得到的 log P與實際測得得性質(zhì)進行比較進行構(gòu)效分析。 第二節(jié) 化學過程的數(shù)值模擬 計算機化學過程模擬 ? 化學過程模擬的種類：化學動力學模擬、化學熱力學模擬、化工過程模擬。 ? 化學過程模擬得目的和意義：降低風險和費用、提高速度和效率、探索反應機理 ? 化學動力學的研究方法：代數(shù)分析法和數(shù)值模擬法。 ? 數(shù)值模擬法的研究方法：數(shù)值積分法和隨機統(tǒng)計模擬法。 ? 隨機統(tǒng)計模擬法的基本原理：根據(jù)分子碰撞反應理論，利用有限數(shù)目的粒子代替分子作為計算基礎(chǔ)，計算參與化學反應的反應物和產(chǎn)物濃度與時間等函數(shù)之間的關(guān)系。 Chemical Kiics Simulator ? CKS軟件的性能和特點： ? CKS軟件的使用環(huán)境： ? CKS軟件的界面窗口介紹： ? CKS軟件的使用方法： ? CKS軟件的應用事例： ? CKS軟件的適用范圍： CKS軟件的性能和特點 ? 可以在產(chǎn)物并不清楚的條件下使用，反應物和產(chǎn)物可以用代碼表示。 ? 處理范圍寬泛，濃度和速率數(shù)值范圍可達 8個數(shù)量級。 ? 除了能夠處理常規(guī)均相反應之外，還可以處理諸如界面吸附、膜形成、物質(zhì)交換等化學和物理過程中的動力學問題。 ? 軟件的使用需要事先了解必要的反應機理、速率常數(shù)、反應條件、相關(guān)熱力學常數(shù)、物質(zhì)的物理狀態(tài)、等信息。 ? 模擬結(jié)果以關(guān)系曲線圖和數(shù)據(jù)表格形式給出。 CKS軟件的使用環(huán)境 ? 硬件環(huán)境： CPU486以上，內(nèi)存 8Mb以上，VGA彩顯、配臵繪圖儀或圖形打印機。 ? 軟件環(huán)境： Windows或 OS/2操作系統(tǒng)。 ? 該軟件為典型的 Windows應用軟件，具有其一切特點。 ? 軟件壓縮在兩張高密度軟盤上面，包括一個模擬器、一組動態(tài)連接庫，一個文件轉(zhuǎn)換器和一個模擬樣本庫。 CKS軟件的界面窗口介紹 ? 本軟件的窗口形式多樣，根據(jù)不同階段和要求給出不同式樣的窗口。 ? 軟件的主窗口（在啟動運行后給出）：標題區(qū)，下拉菜單區(qū)，運行狀態(tài)顯示區(qū)，化學反應顯示區(qū)，操作按鈕區(qū)和在線幫助提示顯示區(qū)。 ? 一般執(zhí)行下拉菜單后都會給出相應的對話選擇窗口，用于填寫或選擇操作參數(shù)。 CKS軟件的使用方法 ? 建立化學反應文件： 點擊菜單 File/Create,在給出的對話框中輸入文件名和路徑等參數(shù)。確認后在出現(xiàn)的初始化窗口選擇物理量綱，確認。 ? 化學基元反應的輸入： 在出現(xiàn)的基元反應輸入窗口中輸入基元反應式，選擇速率常數(shù)形式，并輸入相應的Arrhenius相關(guān)常數(shù)（活化能、指前因子和溫度指數(shù)。確認后進行其他基元反應的輸入，直到完成。 ? 輸入反應條件： 包括化學物質(zhì)的初始濃度，物理狀態(tài)、反應狀態(tài)（恒溫、恒壓、恒容等） ? 輸入計算機模擬參數(shù)： 模擬樣本數(shù)、模擬限制參數(shù)、平衡監(jiān)測參數(shù)等。 ? 執(zhí)行模擬運算： Start ? 顯示和輸出模擬計算結(jié)果： output ? 模擬結(jié)果分析解釋。 第五章思考題 1． 結(jié)構(gòu)化學計算有三種方法 ， 分別稱從頭計算法 ， 半經(jīng)驗法和分子力學計算法 ， 它們分別有哪些特點 ？ 計算依據(jù)有哪些 ？適用的領(lǐng)域有什么不同 ？ 2． 分子結(jié)構(gòu)主要有三種表示方式 ， 分別為棒型結(jié)構(gòu) 、 球棒結(jié)構(gòu)和 CPK結(jié)構(gòu) 。 討論三種結(jié)構(gòu)分別表達哪些信息 ， 各有哪些特點 ？ 從結(jié)構(gòu)化學角度講 ， 建立三種結(jié)構(gòu)的化學依據(jù)是什么 ？ 3． 使用化學結(jié)構(gòu)計算軟件能夠?qū)⒔⒌姆肿咏Y(jié)構(gòu)利用能量最低化程序進行優(yōu)化 ， 優(yōu)化的基本原理是先小步調(diào)整分子結(jié)構(gòu) ， 再計算其能量 ， 與調(diào)整前的能量相比較 ， 如果后者小于前者 ， 則繼續(xù)沿該方向調(diào)整 ， 如果大于后者 ， 則改變調(diào)整方向 。 使用這種方法很容易陷于局部最優(yōu)結(jié)構(gòu) ， 而不是全結(jié)構(gòu)最優(yōu) 。 如環(huán)己烷的船式構(gòu)象 （ 椅式構(gòu)象最優(yōu) ） 。 探討如何通過程序解決上述問題 ， 或者通過手工調(diào)整分子結(jié)構(gòu)解決 。 4． 隨機模擬化學反應過程中需要選擇數(shù)量足夠的微粒數(shù)（ 模擬分子總數(shù) ） ， 用以代表參與反應的分子 。 當分子數(shù)目不足時有可能造成模擬結(jié)果錯誤 ， 根據(jù)統(tǒng)計方法解釋為什么 ？ 5． 在 CKS ， 比如壓力 、 溫度 、 體積三者的設(shè)定不能隨意確定 ， 而是有一定關(guān)聯(lián)的 。 根據(jù)理想氣體定律推算 ， 上述三個參數(shù)設(shè)定有那些規(guī)律 ？ 第五章練習題 1． 用 AccuModel 軟件 （ 也可以用其他軟件 ） 建立 18王冠 6的分子結(jié)構(gòu)模型 ， 進行能量最小化處理 ， 并計算分子的能量參數(shù) 。測定該冠醚的最小內(nèi)徑和最大外徑 。 2． 用 AccuModel 軟件 （ 也可以用其他軟件 ） 建立青霉素分子模型 ， 進行能量最小化處理 ， 計算分子的詳細能量參數(shù) 。 并分別測定其四元環(huán)和五元