Tài liệu Bài giảng Xây dựng, trình bày phân tử với Hyperchem pdf

Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU Tel: 0943457548; email: thokhtn@gmail.com Hanoi, 20/5/2008 Bi 1 xây dựng, trình by phân tử với Hyperchem I Mục đích: 1. Sử dụng chơng trình Hyperchem 2. Xây dựng phân tử 3. Trình by phân tử. II. Hớng dẫn 1. Khởi động Hyperchem: Nhấn đúp trái chuột vo biểu tợng của chơng trình (C:\Hyper6\Program\chem.exe) Hoặc khởi động từ menu Start - Nhắp vo nút Start - Chuyển con chuột đến Progams Hyperchem Release Hyperchem Professional - Nhắp chuột Để thoát chơng trình, chọn menu (menu File Exit). 2. Các chức năng về file Các chức năng về file bao gồm tạo mới, mở v lu file cấu trúc phân tử. + Để tạo một phần cho tính toán mới (file mới): chọn menu File New; Hoặc bấm phím tắt: Ctrt + N. (Mn hình khởi đầu của chơng trình Hyperchem ngầm định l file mới). Nếu có một file (một cấu trúc phân tử trên mn hình) hộp thoại sẽ hiện ra hỏi bạn có lu file không: Save current changes: <tên file>? Nhắp chuột vo nút Yes để lu phân tử đang có trên mn hình vo file (xem lu file); nhắp vo nút No để tạo thnh hình mới cho cấu trúc phân tử khác (file mới) m không lu phân tử đang có trên mn hình; nhắp vo nút Cancel để không tạo file mới (vẫn sử dụng phân tử đang có trên mn hình). + Mở phân tử đã có (file cũ): chọn menu File open; cửa sổ mở hiện ra (hình 1). 1 Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU Tel: 0943457548; email: thokhtn@gmail.com Hanoi, 20/5/2008 Hình 1 : Hộp thoại mở File. - File name: tên file để mở; đánh tên file muốn mở v chọn nút OK. Hộp liệt kê phía dới l các file đang có trong th mục nh hiện thời; có thể nhắp đúp núi trái chuột vo một file trong hộp ny để mở file trực tiếp. - Diretories: th mục hiện thời; sử dụng chuột nhắp đúp vo tên th mục trong hộp liệt kê phía dới để chọn th mục. Các file trong th mục đợc chọn sẽ hiện lên trong hộp liệt kê file. - File Type: Kiểu của file (phần mở rộng của file). Kiểu của file l kiểu khuôn dạng lu cấu trúc phân tử. Trong Hyperchem có tác dụng kiểu sau: Kiểu Khuôn dạng HIN Hyperchem PDB Brookhaven Protein Databank SKC ISIS Sketch MOL MDL MOL ML2 Tripos MOL 2 ZMT MOPAC Z - Matrix CHM CS Chem Draw - Comments: Chú thích của file (Xem mục lu phân tử). - Nút OK: Mở file có tên trong hộp file name (xem file name phía trên). - Nút Cancel: không mở file - Nút Network: (Chỉ sử dụng khi máy tính nối mạng) chọn th mục trên mạng. 2 Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU Tel: 0943457548; email: thokhtn@gmail.com Hanoi, 20/5/2008 + Lu phân tử: Sử dụng ghi lại phân tử đã đợc tính toán hoặc xây dựng đang có trên mn hình. Chọn menu File Save. Hộp thoại lu phân tử tơng ứng với hộp thoại mở phân tử (hình 1) để lu phân tử. Chọn th mục ( Diretories) chọn kiểu ghi (file type) Nhập tên File (File name) chọn nút Ok . Chú ý: - Nếu phân tử đã đợc lu trớc đó (đã có tên file) chơng trình sử dụng ngầm định tên file m không hỏi tên file để lu nữa. Nếu muốn lu theo file khác chọn menu File Save as. - Nếu muốn thêm dòng chú thích vo file, chuyển con trỏ xuống mục Comments v đánh một hay nhiều dòng chú thích. Để thêm dòng mới trong hộp ny, ấn tổ hợp phím Ctrt - Enter. 3. Log file. Logfile l file lu các kết quả, phơng pháp tính toán. Vì vậy luôn tạo log file trớc khi tính toán. Sử dụng một phần mềm soạn thảo văn bản để xem log file sau khi kết thúc. Dới đây l một số chức năng về log file. a, Tạo log file Chọn menu File Start log Hộp thoại mở file (hình 1) hiện ra; nhập th mục v tên file log để file cho lu kết quả tính toán. b, Đóng log file Chọn menu File Start log Đóng log file hiện đang đ ợc mở. Nếu log file bị đóng, kết quả tính toán sẽ không đợc sử dụng. c, Chú thích cho log file Thêm một hay nhiều dòng chú thích vo log file. 4. Xây dựng phân tử. 4.1 Vẽ phân tử. Các bớc thực hiện: a, Chọn nguyên tố: Chọn menu Build Default Element . Bảng hệ thống tuần hon hiện ra (Hình 2) Nhắp chuột vo nguyên tố cần chọn để chọn nguyên tố. 3 Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU Tel: 0943457548; email: thokhtn@gmail.com Hanoi, 20/5/2008 Hình 2. Bảng hệ thống tuần hoàn cho chọn nguyên tố. Chú thích: - Để sử dụng nguyên tố có nhiều liên kết hơn hoá trị của nó, đánh dấu hộp Allow Ions. - Để ngầm định nguyên tố ngoi cũng l Hydro, đánh dấu hộp Explicit Hydrogens. - Có thể đóng lại hoặc không cần đóng bảng hệ thống tuần hon khi vẽ phân tử. b, Vẽ cấu trúc phân tử với nguyên tố đã chọn: * Vẽ nguyên tử. Nhắp vo nút để vẽ các nguyên tố trong phân tử. Các nguyên tố đợc quy ớc từ lúc chọn nguyên tố (phía trên). Cách vẽ: - Nhắp vo nguyên tử trên mn hình, giữ chuột v kéo chuột tới một nguyên tử no đó đã vẽ để tạo liên kết của nguyên tử mới vẽ với nó. - Nhắp đúp chuột vo liên kết để tạo các nối bội. - Để xoá liên kết, nguyên tử: nhắp nút phải chuột vo liên kết hoặc nguyên tử đó. * Quay phân tử: - Nhắp vo nút để quay phân tử trong mặt phẳng mn hình. - Nhắp vo nút để quay phân tử trong không gian ba chiều. Cách quay: Nhắp vo nút trái chuột trên mn hình, dịch chuyển chuột để quay phân tử. * Phóng to, thu nhỏ phân tử. Nhắp vo nút sau đó nhắp v giữ nút trái chuột v kéo để phóng to, thu nhỏ phân tử trên mn hình. * Dịch chuyển phân tử. Nhắp vo nút sau đó nhắp v giữ nút trái chuột v kéo để chuyển phân tử trên mn hình. c, Lặp lại bớc a và b cho đến khi phân tử đợc xây dựng xong 4 Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU Tel: 0943457548; email: thokhtn@gmail.com Hanoi, 20/5/2008 4.2 Chức năng nhanh cho vẽ phân tử a. Menu Build Explicit Hydrogens. Khi đợc đánh dấu: Ngầm định vẽ nguyên tử Hydro cho liên kết đơn. Nhắp chuột vo nguyên tử ny sẽ đơc nguyên tố đã ngầm định. b. Menu Build Add Hydrogens. Thêm các nguyên tử hydro vo phân tử cho đủ số liên kết cần có của mỗi nguyên tố trong phân tử. c. Menu Build Modern Build Xây dựng nguyên tử theo mô hình không gian của phân tử. 5. Kiểu hiển thị 5.1 Kiểu vẽ mô hình phân tử. Chọn menu Display Rendering Hộp thoại chọn kiểu vẽ phân tử hiện ra nh hình 3. Hình 3: Hộp thoại chọn kiểu hiển thị phân tử + Sticks: Biểu diễn mỗi liên kết theo một đờng. Mỗi nửa của liên kết có mu ứng với mu của nguyên tử (xem mu của nguyên tử). + Disks: Biểu diễn phân tử bằng các đĩa phẳng xen phủ bởi các nguyên tử trong phân tử. + Spheres: Biểu diễn các nguyên tử trong phân tử theo các hình cầu xen phủ . + Biểu diễn bề mặt các nguyên tử trong phân tử theo các hình cầu xen phủ bởi các điểm chấm, chứng tỏ bán kính van der Waals . + Sticks & Dots: biểu diễn các liên kết v sự chiếm chỗ không gian của các nguyên tử trong phân tử. Các thuộc tính: + Stereo: Biểu diễn hai ảnh của phân tử (chỉ sử dụng cho kiểu Sticks) 5 Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU Tel: 0943457548; email: thokhtn@gmail.com Hanoi, 20/5/2008 + Perspective: hiển thị phân tử trong không gian (nguyên tử gần hơn thì lớn hơn; chỉ sử dụng cho kiểu Sticks). + Ribbons: hiển thị theo dạng dải (thờng sử dụng cho polypeptide hoặc protein; chỉ sử dụng cho kiểu Sticks. dots v Sticks & Dots). + Wedges: hiển thị phân tử theo hình "cái nêm" (nguyên tử gần hơn thì lớn hơn). + IR Vectors: hiển thị vector dịch chuyển mode dao động (sử dụng sau khi tính dao động). 5.2 Kiểu biểu diễn thuộc tính phân tử: Chọn menu labels, hộp thoại biểu diễn các thuộc tính phân tử hiện ra. Hình 4: Hộp thoại biểu diễn các thuộc tính phân tử Chọn kiểu hiển thị thích hợp để biểu diễn các nhãn của phân tử (ví dụ: None: không hiển thị nhãn; Symbol: hiển thị ký hiệu nguyên tố; Number: hiển thị số thứ tự đợc vẽ của các nguyên tố trong phân tử; Charge: Hiển thị diện tích (mật độ electron) sau khi tính toán .). 5.3 Thiết lập màu cho phân tử. Chọn Menu Display Element color, hộp thoại chọn mu cho các nguyên tố hiện ra (hình5). Để chọn mu, nhắp chuột vo nguyên tố ở hộp liệt kê bên trái sau đó nhắp chuột v một mu ở hộp liệt kê bên phải. Chọn Ok để đổi mu, Cancel để không đổi mu v Revert để đảm bảo mu cho nguyên tử. 6 Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU Tel: 0943457548; email: thokhtn@gmail.com Hanoi, 20/5/2008 Bi thực hnh Bi mẫu: Vẽ v biểu diễn hình học phân tử C 2 H 4 1. Chạy chơng trình Hyperchem Default element nhắp vo nguyên tử Cácbon. 3. Đóng bảng hệ thống tuần hon (nhắp chuột vo dấu chữ thập x tại góc phải trên bảng hệ thống tuần hon.) 4. Nhắp chuột vo nút . 5. Nhắp chuột vo một vị trí bất kỳ trên mn hình trống, một nguyên tử hiện ra (nguyên tử thứ nhất). 6. N hắp chuột vo vị trí bất kỳ bên cạnh nguyên tử vừa vẽ, tiếp tục giữ chuột v kéo chuột tới nguyên tử thứ nhất, nguyên tử thứ hai cùng liên kết giữa hai nguyên tử hiện ra. 7. Nhắp chuột vo liên kết giữa hai nguyên tử, liên kết đôi hiện ra. 8. Chọn Menu Build Add Hydrogens bốn nguyên tử hydro đợc thêm vo nguyên tử đợc tạo. 9. Chọn Menu Build Modern Build, phân tử đợc tạo có cấu hình không gian tơng đối theo dạng thật. 10. Sử dụng chức năng quay, biểu diễn để xem phân tử, Muốn lu lại phân tử ny, chọn menu File Save. Bài thực tập Vẽ các phân tử sau: CH C CH CH CH CH 3 N OO OH H H N H + Biểu diễn theo cấu trúc hình học + Biểu diễn theo các nhãn + Lu lại các file ny. + Thoát khỏi chơng trình Hyper Chem + Chạy lại chơng trình v mở lại các file ny. (Chú ý: để vẽ vòng liên kết giải toả trong vòng Benzen, nhắp đúp chụôt vo trong liên kết trong vòng Benzen). 7 Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU Tel: 0943457548; email: thokhtn@gmail.com Hanoi, 20/5/2008 Bi 2: Mo - Huckel I Mục đích Tính toán các hệ electron với phơng pháp HMO (MO - Hucken). II Cơ sở lý thuyết Đa số mục đích của bi toán hoá lợng tử l giải phơng trình Schrodinger không phục thuộc thời gian TISE (Time Independent Schrodinger Equation): H=E (1) Trong đó, l hm sóng không phụ thuộc thời gian, E l năng lợng tổng (trạng thái dừng) v H l toán tử Hamilton: H=T+V (2) Trong đó: T v V l toán tử động năng v thế năng tơng ứng. Dới gần đứng adiabatic (Born - Oppenheimer) các hạt nhân đợc coi l cố định, vì vậy động năng hạt nhân bằng 0, thế đẩy hạt nhân bằng hằng số. Khi ny, bi toán hoá lợng tử trở thnh bi toán giải phơng trình Schrodinger trong trờng hạt nhân dừng, với toán tử Hamilton cho các electron: nNn nN 2 sst i i=1 s=1 i=1 i<j s<t is ij st ZZZ 11 H=- - + + 2rrR (3) ở phơng trình ny, số hạng thứ nhất l động năng electron, số hạng thứ hai l lực hút hạt nhân - electron, số hạng thứ ba l lực đẩy electron - electron v số hạng cuối cùng l lực đẩy giữa các hạt nhân, bằng hằng số. Với ký hiệu l toán tử Laplace (= d/dq), N số hạt nhân, n số electron, r l khoảng cách, Z l điện tích hạt nhân. Giả sử các electron không tơng tác, toán tử Hamilton (3) trở thnh tổng ác toán tử Hamilton đơn electron: i H= h (4) N 2-1 isij s=1 1 h=- Zr 2 (5) Theo hệ qủa phơng trình trên, hm sóng trở thnh tích các hm sóng đơn hạt (gọi l tích Hatree): 12 n = . (6) Tơng ứng, năng lợng tổng của hệ trở tổng năng lợng hạt: n i i=1 E= (7) Từ đó, ngời ta xây dựng đợc định thức Slater: 8 Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU Tel: 0943457548; email: thokhtn@gmail.com Hanoi, 20/5/2008 11 1 12 1 22 2 12 2 12 () () . () () () . () E=(n!) . () () . () n n nn n n x xx x xx x xx ff f ff f ff f (8) Từ phơng trình (1), kỳ vọng năng lợng của hệ đợc định nghĩa: total H E < > = <> (9) Dới điều kiện chuẩn hoá: total E=< H > (10) Đối với phân tử, hm sóng đợc coi l tổ hợp tuyến tính các obitan nguyên tử (LCAO): vi i v =c (11) Từ (10) v (11), ngời ta đa ra định thức thế kỷ: ij ij H-SE=0 (12) Với ij H ii j h = (Tích phân Coulomb) ij S ij = (Tích phân xen phủ) Để tính toán hệ liên hợp , Huckel đa ra phơng pháp chỉ xét các orbital trong tính toán, còn các obital có đối xứng , các obital lõi (core - obital) đợc coi l hằng số. Toán tử electron cho electron gọi l toán tử Hamilton hiệu dụng H eff . Nguyên tắc chung của phơng pháp ny nh sau: + Loại bỏ tích phân xen phủ: ij S ij ij =< >= (13) ở đây, l ij l delta Kronecker (= 0 với ij; =1 với i=j) + Tất cả các tích phân Coulomb đều đợc coi l bằng nhau: ii i eff i i H=< H >= (14) + Các tích phân ieffi < H > đợc coi l bằng nhau khi hai nguyên tử i v j đứng cạnh nhau, v bằng 0 nếu chúng không cạnh nhau: ( i cạnh j) ij i eff j H=< H >= 0 (i không cạnh j) (15) Vì vậy, phơng trình thế kỷ v định mức thế kỷ (12) trở thnh: (16) 0 0 ij ij ij ij ij Hc H = = (17) 9 Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU Tel: 0943457548; email: thokhtn@gmail.com Hanoi, 20/5/2008 Thực hiện giải hai phơng trình (16) v (17), nghiệm v các tính chất của hệ liên hợp có thể thu đợc. Sử dụng chơng trình Huckel 1. Xây dựng file dữ liệu: File dữ liệu l file chứa định thức thế kỷ của phân tử có. Với các phần tử trên đờng chéo x đợc thay thế bởi số 0. Trong trờng hợp có dị tố trong phân tử (trong phân tử ngoi C, H còn có N, O, Cl ) thì thay x trong định thức thế kỷ bằng x v thay số 1 của cacbon cạnh dị tố bởi k C-X . Cấu trúc của file dữ liệu Dòng thứ nhất: chứa cỡ của định thức thế kỷ. Dòng thứ 2: hng thứ nhất của định thức thế kỷ Dòng thứ 3: hng thứ hai của định thức thế kỷ Ví dụ: + Với phân tử Butadien C 4 H 6 định thức thế kỷ biểu diễn nh sau: 100 110 01 1 001 x x x x Với x = -E/) Trong phai dữ liệu chứa: 4 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 + Với phân tử Furan ( C 4 H 4 O) có: x = 2, k C-O = 0.8, file dữ liệu chứa. 5 2 0.8 0 0 0.8 0,8 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0.8 0 0 1 0 10 [...]... Mở file bằng một ch ơng trình soạn thảo văn bản, thêm các từ khoá v o dòng đầu cho tính toán nếu cần thiết Bài mẫu Lập file dữ liệu v tính toán cho phân tử n ớc với ph ơng pháp MINDO/3 1 Chạy ch ơng trình HyperChem 2 Vẽ phân tử H - O - H 3 Chọn file Save để l u phân tử Khi hộp thoại l u file hiện ra, chọn save as type l MOPACZ - MATRIX (*.ZMT); sau đó chọn th mục cho l u phân tử (ở đây chọn l c:\mopac)... của file dữ liệu ấn tổ hợp phím Ctrl - Z để kết thúc + Với NotePad trong Windows Chạy ch ơng trình NotePad đánh các dòng của file dữ liệu Chọn file save để l u file dữ liệu, đánh tên th mục, file dữ liệu v chọn Ok Thoát ch ơng trình NotePad (menu file Exit) 2 Chạy ch ơng trình: Sau khi xây dựng file dữ liệu, chạy ch ơng trình HUCKEL EXE trong th mục chứa ch ơng trình n y Để chạy ch ơng trình: + Tại... đặt bằng 0 - Inter radius: khoảng cách tối đa giữa hai nguyên tử sử dụng tính t ơng tác không liên kết iii b i thực h nh Bài mẫu Tính toán ph ơng pháp hoá l ợng tử PM3 với phân tử C6H6OH (tối u hình học, năng l ợng, số đo độ d i liên kết, độ d i góc, mật độ điện tử, quang phổ ) 1 Chạy Hyperchem 7 2 Vẽ phân tử C6H5OH (xem b i 1) 3 L u phân tử v o đĩa File Save (C:\PHENOL.HIN) 4 Chọn menu setup semi -... của hai orbital trên cùng nguyên tử (tr ờng hợp monatomic) trong tích phân chứa lõi nguyên tử khác: ( | VB | ) = VAB (32) ở đây, (-VB) l toán tử thế năng l ợng của hạt nhân nguyên tử v phần vỏ electron trong của B, (-VAB) l t ơng tác của các electron hoá trị trên nguyên tử A với lợi của nguyên tử B 5 Đặt các phần tử không trên đ ờng chéo của ma trận lõi tỷ lệ với tích phân xen phủ: H core = 0 AB (33)... trình (38) đ ợc gọi l số hạng đẩy mở rộng (extra repulsive term) Trong tính toán các hệ lớn, Stewart sử dụng 2 thay cho 4 số hạng đẩy mở rộng, ph ơng pháp n y đ ợc gọi l ph ơng pháp PM3 Sử dụng ch ơng trình Mopac 1 Xây dựng file dữ liệu File dữ liệu của MOPAC là file có phần mở rộng bắt buộc là DAT Trong file n y l u trữ các khoá cho tính toán, chú thích của phân tử, phân tử trong toạ độ nội phân tử. .. MOPAC với các ph ơng pháp v thông số khác nhau cho các phân tử sau: CH3CN CH2CHCHCH2 Hanoi, 20/5/2008 C6H5OH 20 C6H5NO2 C6H5C6H5 Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU Tel: 0943457548; email: thokhtn@gmail.com B i 4 tính toán với HYPERCHEM I Mục đích 1 Tính toán cơ học phân tử 2 Tính toán bán kinh nghiệm 3 Tính toán không kinh nghiệm II khái quát lý thuyết 1 Tính toán cơ học phân tử Các ph ơng pháp cơ học phân. .. pháp: MM+; AMBER; BIO+ v OPLS Các ph ơng pháp cơ học phân tử thích hợp sử dụng cho tối u hoá các phân tử lớn nh : polyme, protein, axit nucleic a Ph ơng pháp MM+ Đây l ph ơng pháp tổng quát nhất cho tính toán cơ học phân tử, nó đ ợc phát triển áp dụng chủ yếu cho các phân tử hữu cơ nh mở rộng của MM2(tm) b Ph ơng pháp AMBER Đây l ph ơng pháp cơ học phân tử, hoặc tr ờng lực, có các tính toán hoá học Ph... tên file dữ liệu v có kiểu l LIS v ARC Sử dụng một trình soạn thảo văn bản bất kỳ để xem Trong đó: file LIS l u quá trình tính file ARC l u kết quả tóm tắt tính đ ợc B i thực h nh Trong phần n y, chúng ta sử dụng ph ơng pháp nhanh v đơn giản cho xây dựng file dữ liệu cho MOPAC 1 Sử dụng ch ơng trình HYPERCHEM 7 để vẽ phân tử v l l u lại khuôn dạng ZMT Trong hộp file name nhập tên file với phần mở... bởi ma trận đơn vị (loại bỏ các tích phân xen phủ trong sự chuẩn hoá các obitan phân tử) trong ph ơng trình Roothaan: (F i S )c (F i i )c i (29) 0 l delta Kronecker Với 2 Loại bỏ sự xen phủ khác nhau trong to n bộ các tích phân hai electron < | >=< | (30) > 3 Giảm việc tính tích phân kiểu Coulomb tới giá trị trên mọi cặp nguyên tử: Hanoi, 20/5/2008 15 < | >= AB với trên A, Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU... 0943457548; email: thokhtn@gmail.com Để xây dựng cấu trúc phân tử, có thể sử dụng các ch ơng trình soạn thảo văn bản nh NC, DOS, hoặc NotePad trong Window + Với NC: Chạy ch ơng trình NC Nhấn tổ hợp phím Shift +F4, cửa sổ hỏi tên file hiện ra: nhập tên file dữ liệu ấn ENTER, cửa sổ soạn thảo hiện ra Đánh các dòng của file dữ liệu Nhấn phím F2 để ghi Nhấn ESC để thoát + Với DOS: tại dấu nhắc DOS, gõ dòng . 20/5/2008 Bi 1 xây dựng, trình by phân tử với Hyperchem I Mục đích: 1. Sử dụng chơng trình Hyperchem 2. Xây dựng phân tử 3. Trình by phân tử. II. Hớng dẫn. 20/5/2008 + Lu phân tử: Sử dụng ghi lại phân tử đã đợc tính toán hoặc xây dựng đang có trên mn hình. Chọn menu File Save. Hộp thoại lu phân tử tơng ứng với hộp