Использование программного пакета ChemCraft для моделирования и визуализации структуры и свойств молекулярных систем. Методические указания

Министерство образования и науки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА CHEMCRAFT ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ИВИЗУАЛИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ

ИСВОЙСТВ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ

Методические указания

Казань Издательство КНИТУ

2016

1

УДК 544.43:544.18

Составители: доц. Т.Н. Гришаева доц. А.Н. Маслий проф. А.М. Кузнецов

Использование программного пакета ChemCraft для моделирования и визуализации структуры и свойств молекулярных систем : методические указания / сост. : Т. Н. Гришаева, А. Н. Маслий, А. М. Кузнецов; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2016. – 56 с.

Описаны основные возможности программного пакета ChemCraft и приемы работы с ним для моделирования геометрии и визуализации свойств молекулярных систем, а также для получения высококачественного иллюстративного материала. Приведены практические задания для студентов магистерской формы обучения, изучающих дисциплину «Основы компьютерного моделирования структур химических соединений».

Предназначены для студентов, магистрантов и аспирантов очной формы обучения химико-технологических направлений, изучающих основы квантовой химии.

Подготовлены на кафедре неорганической химии

Печатаются по решению методической комиссии факультета химических технологий

Под редакцией доц. С. В. Борисевича

Рецензенты: д-р хим. наук, проф. Г. М. Храпковский д-р хим. наук, проф. О. Р. Ключников

2

ВВЕДЕНИЕ

Важную роль в химии играет строение химических соединений. Строение определяет как физические, так и химические свойства соединений, поэтому важной составляющей химического языка являются структурные формулы. Действительно, сложно представить какой-либо источник информации по химии, будь то учебник, научная статья в журнале или презентация на конференции, без структурных формул соединений. В настоящее время существует большое количество различных программных решений для создания и редактирования геометрических структур химических соединений. Компьютерная программа ChemCraft является широко распространенным средством для визуализации не только структуры, но и свойств молекулярных систем на основе результатов расчётов квантово-химических программных пакетов. В ChemCraft реализована также возможность моделирования геометрии химических соединений «с нуля», используя большой набор стандартных фрагментов.

В представленных методических указаниях авторы предприняли попытку изложить основные функции программы ChemCraft, необходимые для моделирования геометрии молекулярных систем, а также для получения высококачественного иллюстративного материала в виде статичных и анимированных изображений структуры и ряда отдельных характеристик химических соединений.

Данные указания предназначены в первую очередь для студентов магистерской формы обучения, изучающих дисциплину «Основы компьютерного моделирования структур химических соединений», а также дисциплины по квантовой механике и квантовой химии. Они также будут полезны студентам, аспирантам, преподавателям, сотрудникам университета и другим лицам, которым приходиться сталкиваться с проблемой подготовки иллюстративного материала по геометрии и свойствам молекулярных систем для педагогической деятельности или оформления результатов научного труда.

Авторы будут благодарны всем, кто выскажет свои замечания и пожелания по улучшению оформления и содержания пособия.

3

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММЕ

Компьютерная программа ChemCraft разработана как средство подготовки исходных данных для квантово-химических расчетов, а также визуализации и анализа их результатов. Первоначально программа предназначалась для обработки результатов расчётов квантово-химических программных пакетов GAMESS и Gaussian, однако, по просьбам пользователей, список пакетов был расширен. В настоящее время программа работает и с файлами других пакетов, включая ADF, Priroda, HyperChem, Jaguar, Orca, Dalton, QChem, MolDraw и др. Список поддерживаемых программных пакетов и программных функций постоянно обновляется.

Основные возможности программного пакета ChemCraft включают в себя:

- отображение трехмерной геометрической структуры молекул, с возможностью просмотра и изменения геометрических параметров (межатомное расстояние, валентный угол и т.д.);

-конструирование молекулярных систем с возможностью использования стандартного набора молекулярных фрагментов;

-визуализация отдельных характеристик молекулярных систем, в том числе:

порядок связей;

величина и направление градиента по энергии для каждого атома системы;

заселенности и заряды атомов по Малликену;

молекулярные орбитали;

частоты и направления колебательных мод системы;

дипольный момент системы и т.д.

- получение качественных статичных и анимированных изображений.

Официальный сайт программы Chemcraft расположен по адресу http://www.chemcraftprog.com. На сайте находится общая информация о программе, её доступные для скачивания версии, а также учебные и справочные материалы по ChemCraft. Chemcraft имеет версии для операционных систем Microsoft Windows, Apple Mac и Linux. Программа существует только в англоязычной

4

версии.

Разработчиками предусмотрено бесплатное использование полнофункциональной версии программы в течение 150 дней, после чего необходимо ввести регистрационный ключ, для получения которого требуется купить программу. Многим русскоязычным пользователям ключ к программе предоставляется бесплатно, в частности, за помощь в усовершенствовании программы. Помимо этого существует полностью бесплатная Lite-версия ChemCraft с ограниченной функциональностью, для которой не требуется введение регистрационного ключа.

ОСНОВНЫЕ ПУНКТЫ МЕНЮ И ПАНЕЛЕЙ ИНСТРУМЕНТОВ

Общий вид программы ChemCraft после запуска в операционной системе Microsoft Windows приведен на рис. 1. Для начала дадим краткое описание устройства главного окна.

Встроке-заголовке окна отображается путь и имя открытого файла программы. Здесь же размещены стандартные кнопки сворачивания окна, разворачивания на весь экран и кнопка, закрывающая программу.

Встроке меню размещены следующие пункты: File, Edit, View, Display, Tools и Help. Более подробно содержание этих пунктов меню будет рассмотрено ниже.

Далее приведены кнопки пяти режимов просмотра геометрии молекулы и данных выходного файла квантово-химического пакета: Image, Abstract, Source, Coord, Image/abs.

Режим Image является основным, в нем отображается геометрия молекулярной структуры. В этом же режиме возможно редактирование структуры молекулы и параметров ее отображения.

Режим Abstract позволяет просматривать основные данные («конспект») показанной молекулярной структуры (например, при визуализации выходного расчётного файла можно видеть номер шага оптимизации геометрии структуры, значение полной энергии системы, расчетный базис, параметры нормальных колебаний и т.д.).

Включение режима Source позволяет вывести на рабочую

5

работает, если после внесенных изменений по тексту вы переходили в режим Image.

Активация режима Image/abs. позволяет увидеть совмещенный режим просмотра рисунка молекулы и «конспекта».

Режимы Image и Coord активны даже при отсутствии какой-либо геометрии молекулы на рабочей области. Остальные режимы активируются в зависимости от типа и содержания открытого файла.

Остальные блоки панелей инструментов (Scroll buttons, Auxiliary objects, Image tools, Geometry editor), отображенные на рабочей области программы, являются опциональными и их наличие/отсутствие, а также положение могут быть заданы пользователем. Подробное описание возможностей этих панелей будет дано ниже.

В правой нижней части окна в виде текста выводится вспомогательная информация (необходимая последовательность действий при активации той или иной функции, перечисление выделенных атомов молекулы, сообщения об ошибках и т.д.).

Рассмотрим более подробно содержание и возможности пунктов меню программы ChemCraft.

Меню File

Clear Очищает рабочую область программы, удаляя отображенную структуру и всю дополнительную информацию об объекте с рабочей области (линии, метки с обозначением символа химического элемента атома, информацию о значениях длин связей, валентных углов и т.д.)

Open Позволяет открыть файл с данными геометрии молекулярной структуры, в том числе и файлы с исходными данными или результатами расчётов квантовохимических пакетов. Команда также вызывается использованием комбинации клавиш Ctrl+O.

Reopen Позволяет повторно открыть ранее использованные файлы. Функция крайне удобна при отслеживании результатов текущего расчета. Выбор производится из выпадающего списка. Комбинация Ctrl+R автоматически открывает последний открытый файл из списка.

7

Окончание таблицы

Save Сохраняет отображенную молекулу в декартовых structure координатах с использованием форматов XYZ и XMOL. Сохранение производится в файл с расширением «.xyz», которое подставляется автоматически. Отметим, что в случае выбора формата XYZ в сохраненном файле будет находиться порядковый номер химического элемента согласно таблице Менделеева и его координаты, для формата XMOL будут отображаться символ химического элемента и его координаты. В случае сохранения структуры в формате XYZ возможно дополнительное сохранение подписей к атомам и информации о длинах

связей. Комбинация клавиш Ctrl+S.

8

9

10