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

что и использование команды View/ Update rotation center.

задает новый центр, вокруг которого вращается молекула (если выбран один атом, то новым центром станут координаты этого атома, в случае выделения нескольких атомов точкой вращения станет центр между координатами этих атомов).

Следующая группа кнопок ,,, , является дублерами команд View/Labels on atoms/Type, View/Labels on atoms/Seq. number, View/Labels on atoms/Type+number in group, View/Labels on atoms/Labels style и View/Labels on atoms/Clear

labels соответственно. Таким образом, после нажатия кнопки на всех атомах молекулы появятся надписи символов

соответствующих химических элементов. Использование приведет к появлению на атомах молекулы надписей,

отображающих порядковый номер. После применения на атомах молекулы будет одновременно показана информация о символе химического элемента атома и его порядковом номере, причем для каждой группы идентичных химических элементов

системы используется своя отдельная нумерация. Кнопка вызовет появления окна, в котором можно изменять заданные по умолчанию параметры для меток атомов (положение метки, размер, тип, цвет шрифта и т.д.). Последняя в данном ряду

кнопка очищает все надписи на атомах текущей молекулы. Кнопка копирует команду меню View/Show axes. Таким

образом, после нажатия кнопки непосредственно на изображении молекулы появятся оси X, Y и Z. Повторное нажатие скрывает оси.

Следующая группа кнопок и позволяет переводить режим просмотра молекулы в режим изометрии или перспективы соответственно.

Последние две кнопки на панели инструментов и являются уникальными и не повторяют какие-либо команды

меню. Нажатие кнопки вызывает появление «лупы», повторное нажатие на кнопку приводит к ее исчезновению. Кнопка позволяет выделить группу атомов. После активации кнопки следует нажать на левую клавишу мыши на рабочей области и, удерживая клавишу, перемещать курсор мыши,

21

образуя прямоугольник вокруг тех атомов, которые должны быть выделены. Кнопку нужно нажимать каждый раз, когда требуется указать прямоугольную область, внутри которой следует выделить атомы. При необходимости далее левой клавишей мыши можно снять выделение отдельных атомов или выделить дополнительные атомы.

Панель инструментов Geometry editor

По умолчанию панель инструментов Geometry editor (рис. 4) расположена горизонтально в нижней части окна (рис. 1) слева от текстовой области программы ChemCraft, но может быть перемещена или скрыта пользователем. Чтобы отобразить данную панель на рабочей области, следует установить галочку в соответствующем пункте View/Toolbars или активизировать ее кнопкой в нижней текстовой области окна программы. Функции данной панели заключаются в получении информации о геометрических параметрах отображаемой системы с возможностью их изменения.

На рис.4(а) показан вид панели при выделении одиночного атома текущей молекулы. Как видно из рисунка, в области панели отображаются координаты x, y и z выделенного атома. В случае рис.

4(а) выбранный атом имеет следующие координаты x, y и z: 0,020; 0,000; -1,370. Для изменения координат атома после ввода необходимых значений координат в соответствующие окошки панели инструментов необходимо нажать кнопку . В случае действия по изменению координат атома не имеет значения, какая из кнопок или остается нажатой. Кнопка в

(а)

(б)

(в)

(г)

(д)

Рис. 4. Возможные виды панели инструментов Geometry editor

22

данном случае неактивна.

При выделении двух атомов молекулярной структуры вид панели похож на показанный на рис. 4(б). В этом случае в окошке отображается значение межатомного расстояния, а также информация между какими атомами (по порядковому номеру) измерялась длина связи. Так, согласно данным рис. 4(б), длина связи между первым и третьим по порядковому номеру атомами равна 0,96289 Å. Нажатие на кнопку выведет значение длины связи на экран. Повторное нажатие кнопки скроет надпись о длине связи. Значение длины связи между атомами, как и координаты отдельных атомов, можно корректировать. Для этого, изменив значение длины связи в окошке на нужное, следует нажать кнопку . При этом следует помнить, что изменение длины связи происходит двумя способами. В случае нажатия кнопки оба выделенных атома сместятся на одинаковое расстояние в противоположных направлениях до достижения введенного значения длины связи. При активации кнопки выбранный вторым атом сместится относительно атома, выбранного первым.

При выделении трех произвольных атомов текущей молекулы вид панели инструментов Geometry editor будет подобен виду, приведенному на рис. 4(в). Таким образом, на панели будет показана информация о том, между какими атомами измерялось значение валентного угла, его точное значение будет отображено в окошечке панели. Так, для случая, показанного на рис. 4(в), значение валентного угла, измеренного между атомами (по порядковому номеру) 1, 3 и 2 равно 37,133 градуса. Нажатие на кнопку выведет значение измеренного валентного угла на экран. Повторное нажатие кнопки скроет эту надпись. Алгоритм изменения валентного угла схож с последовательностью изменения межатомной длины связи. Для изменения значения валентного угла следует нажать на кнопку

после ввода необходимого значения величины в окошечко панели. Как и в случае с изменением длины связи, возможно два способа достижения требуемого значения валентного угла. В случае нажатия кнопки оба выделенных атома сместятся на одинаковое значение в противоположных направлениях. При активации кнопки выбранный вторым атом сместиться относительно атома, выбранного первым.

23

возможность отобразить стрелки на рабочей области. Третья клавиша панели позволяет вводить текстовую информацию в выделенной мышью области. Последняя клавиша открывает окно, позволяющее выбрать из списка необходимый объект какой-либо программы (Adobe Acrobat Document, Bitmap Image и

т.д) для вставки на текущее изображение (импортировать объект иной программы в рабочую область ChemCraft).

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СТРУКТУР СОЕДИНЕНИЙ

При построении новой молекулы и работе с ее изображением в режиме Image следует запомнить следующие основные операции:

Для получения статичных или анимированных изображений структуры или свойств химических соединений удобнее всего использовать уже имеющиеся файлы с частичной или полной необходимой структурой, например, выходные файлы квантовохимических расчетов, рентгеноструктурные данные молекулы в формате *.cif и т.д. Редактирование молекулярных структур подобных файлов в ChemCraft организовано доступно и легко, но порой приходится моделировать структуру «с нуля». Стоит отметить, что режим построения молекулярных систем с «нуля» (особенно сложных систем) в ChemCraft реализован не самым удобным способом, если только нужная частица не состоит из стандартных фрагментов базы данных программы. Наиболее

25

часто используемый способ задания геометрии новой молекулы заключается в использовании функций меню Edit Add atom и Add fragment, которые добавляют к текущей молекуле новые атомы или молекулярные фрагменты.

После активации пункта Edit/Add atom (быстрая команда Ctrl+A) открывается окно Atom selection с набором атомов, расположенных в виде таблицы Менделеева (рис. 6). Чтобы добавить первый атом, следует выбрать необходимый химический элемент, а затем в нужном месте рабочей области щелкнуть левой клавишей мыши. Если выбор типа химического элемента не осуществлен, то остается активным последний выбранный тип атомов. Последующие щелчки левой клавишей мыши по свободным областям окна приведут к появлению дополнительного количество атомов того же химического элемента, не связанных друг с другом. Число новых атомов определяется числом щелчков левой клавишей мыши. При необходимости добавить новый атом с образованием химической связи с уже существующим на рабочем окне атомом, следует щелкнуть левой клавишей мыши по атому, с которым необходимо установить связь. Значение длины связи при этом устанавливается автоматически. Так, для получения молекулы H2O на основе O-H группы, представленной на рис. 6, необходимо выбрать в окне Atom selection атом водорода, а затем щелкнуть левой клавишей по атому кислорода. Для смены типа химического элемента добавляемого атома следует выбрать нужный в окне Atom selection.

26

окна. Обратите внимание, что при открытом или даже свернутом окне Atom selection каждый щелчок левой мыши по рабочей

области (если не активна кнопка Drag atoms) приведет к добавлению нового атома. То же относится и к окну со списком молекулярных фрагментов при запуске команды Edit/Add fragment.

В большинстве случаев для получения необходимой структуры молекулы требуются дополнительные манипуляции по изменению автоматически задаваемых геометрических параметров. Для этого следует использовать рассмотренные выше пункты меню Edit, а также кнопки панелей инструментов

Scroll buttons, Image tools и Geometry editor.

РАБОТА СО СТРУКТУРОЙ И ОТДЕЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Файлы с результатами расчётов квантово-химических программ являются зачастую крайне сложными для восприятия и анализа полученных данных (не говоря уже о том, что они могут быть бинарными). В частности, не представляется возможным представить геометрию даже небольшой рассчитываемой молекулярной системы на основе выдаваемой текстовой информации о декартовых координатах ее атомов, не говоря уже о более сложных манипуляциях. ChemCraft позволяет значительно облегчить работу по анализу выходного файла, например, отследить, как изменялась геометрия рассчитываемой системы на каждом шаге расчета, визуализировать колебания молекулы и т.д. Для удобства обработки выходных файлов программой ChemCraft через меню Tools/Associate file types

можно указать расширения файлов, которые следует автоматически открывать в ChemCraft. При открытии в ChemCraft выходного файла он разбивается на отдельные группы, объединяя, например, информацию о геометрии молекулы на каждом шаге оптимизации или же информацию о модах колебаний и др. Эти группы отображаются в иерархическом списке слева (рис. 8). Количество и содержание отображаемых групп зависит лишь от содержания открытого файла.

29