Вычисление

Вы уже задали параметры оптимизации и готовы преступить к вычислению.

1. Щелкните левой клавишей мыши на кнопке ok, чтобы закрыть диалоговое окно и преступить к вычислениям.

Осуществляется процесс оптимизации конфигурации молекулы, информация о статусе прохождения процесса отображается в строке состояния. После завершения процесса оптимизации в строке состояния появятся следующие значения:

Энергия: 1.33

Градиент: 0.07

Данный градиент значительно меньше градиента, полученного для модельной структуры до ее минимизации.

Количество циклов соответствует количеству направлений поиска (метод Polak-Ribiere также как и метод Fletcher-Reeves осуществляют ряд плоскостных поисков), а количество точек соответствует количеству вычисления значений энергии и градиента.

Исследование свойств минимизированной системы

Теперь сравним свойства минимизированной и модельной систем.

1. Выделите несколько связей, углов или торсионных углов для определения конфигурации молекулы.

После выделения в строке состояния появятся следующие значения:

Длина связи: 1.53Å

Угол: 110.2°

Торсионный угол: 58.0°

2. Сравните полученные значения со значениями неминимизированной структуры:

Длина связи: 1.54Å

Угол: 109.47°

Торсионный угол: 60°

Итак, в результате минимизации энергии угол между связями слегка увеличился по сравнению с углом тетраэдра, а торсионный угол уменьшился на 2 градуса.

Преобразование конформации кресло в конформацию ванна для молекулы циклогексана

Чтобы преобразовать конформацию кресло в конформацию ванна нужно отобразить один конец молекулы относительно плоскости отражения.

Чтобы задать плоскость отражения:

1. Активируйте опцию Multiple Selections (Множественный выбор)

2. Если вы находитесь вне режима выбора, щелкните левой клавишей мыши на кнопке Select (Выбрать).

3. Дважды щелкните на кнопке Select (Выбрать) для возвращения в режим построения модели.

4. Щелкните левой клавишей мыши на связи 1-2 и 4-5 для выбора плоскости отражения, как показано на рисунке:

5. В меню Select (Выбрать) выберите команду Name Selection (Назвать выделение).

6. В появившемся окне выберите команду PLANE (Плоскость).

Чтобы отобразить один конец молекулы относительно плоскости отображения:

1. Если необходимо, активируйте опцию Show Hydrogens (Показывать водороды). Используйте кнопку Zoom Tool (Масштабирование) для отображения всей молекулы в видимой части экрана.

2. Щелкните левой клавишей мыши, потяните курсор вправо и щелкните правой клавишей мыши для выделения всех атомов по одну сторону от первоначально-заданных 1-2 и 4-5 связей.

3. В меню Edit (Правка) выберите команду Reflect (Отобразить).

Выделенные атомы отображаются относительно плоскости отражения и формируют конформацию ванна.

Молекула циклогексана должна принять следующий вид:

5. Щелкните правой клавишей мыши на пустой части рабочего листа, чтобы снять все выделения.

Измерение расстояния между осевыми водородами (водородами у атомов С₅ и С₃)

Два осевых водорода значительно сближены в конформации ванна.

Чтобы измерить расстояние:

1. Щелкните левой клавишей мыши на оба атома:

В строке состояния отобразится расстояние между атомами, равное 1.84Å. Это довольно близкое расстояние для несвязанных атомов. В процессе оптимизации расстояние между водородами увеличивается и энергия системы понижается.

Оптимизируйте молекулу циклогексана в конформации ванна.

При изменении конформации молекулы изменяются параметры энергии и градиента в строке состояния. После завершения процесса минимизации в строке состояния отобразится:

Энергия: 8.31

Градиент: 0.08Å

Повторное измерение расстояния между осевыми водородами

1. Щелкните левой клавишей мыши на оба осевых атома водорода.

В строке состояния отобразится новое значение расстояния между водородами (2.28 Å). В процессе минимизации структура слегка разгладилась, и два осевых водорода отдалились друг от друга.

В оптимизированной структуре, находящейся в конформации ванна, присутствует седловая точка. Плоскость симметрии в начальной структуре уравновешивает все перпендикулярные ей силы. Поиск направлений в процессе оптимизации основан на данных силах, поэтому все направления поиска имеют одинаковую плоскость симметрии. Если в точке находится энергетический минимум по всем направлениям, кроме направления плоскости симметрии она является седловой.

Построение молекулы циклогексана в конформации твист

В структуре, находящейся в конформации твист, имеется локальный минимум. Конформацию твист легко получить из конформации ванна. Для этого следует задать торсионные углы, изменить строение молекулы циклогексана и оптимизировать структуру.

Чтобы задать торсионный угол:

1. Щелкните правой клавишей мыши на пустой части рабочего листа, чтобы снять все выделения.

2. Отключите опцию Show Hydrogens (Показывать водороды).

3. Задайте грани торсионного угла, выделив связи 6-1, 1-2 и 2-3 в указанной последовательности.

Связи следует выбирать в данном порядке, чтобы задать правильный торсионный угол. Функция Model Builder (Построение модели) задает конфигурацию структуры, в зависимости от порядка выделения. Задавая торсионный угол вы изменяете только положение атома С₆.

4. В меню Build (Построение) выберите команду Constrain Bond Torsion (Задать значение торсионного угла). В появившемся окне, выберите команду Other (Другое) и введите 30, чтобы задать торсионный угол, равный 30 градусам. Нажмите OK.

5. Щелкните правой клавишей мыши на пустой части рабочего листа.

Выделение торсионного угла снято, но значение угла зафиксировано.

Чтобы изменить структуру молекулы с учетом торсионного угла:

1. Дважды щелкните на кнопку Select (Выбрать) для возвращения в режим построения модели.

Программа HyperChem изменит структуру молекулы циклогексана с учетом торсионного угла и преобразует ее в конформацию твист.

Оптимизация молекулы циклогексана в конформации твист

После завершения процесса минимизации в строке состояния отобразится:

Энергия: 7.22

Градиент: 0.07Å

Анализ полученных результатов

В таблице приведены значения энергии в ккал/моль и градиента в ккал/(моль· Å) для трех конформаций циклогексана после оптимизации конфигурации молекулы:

	конформация кресло	конформация ванна	конформация твист
энергия	1.33	8.31	7.22
градиент	0.07	0.08	1.07

Энергия конформаций кресло и твист ниже энергии конформации ванна, а в конформации кресло находится глобальный энергетический минимум. Значения абсолютной энергии данных вычислений не представляют никакой значимости, но вы можете сравнить значения относительной энергии с экспериментально полученными данными.

	теоретически рассчитано	экспериментально получено
∆Е (ванна-кресло)	6.98	6.9
∆Е (твист-кресло)	5.89	5.3

.