Использование программного пакета ChemCraft для моделирования и визуализации структуры и свойств молекулярных систем. Методические указания
.pdfДополнить изображения могут и команды меню View. Например, пункты View/Labels on atoms (а также их кнопки-
дублеры на панели Image tools) или пункты View/Structural parameters позволят отобразить информацию о типе атомов и структурных параметрах молекулы (значения длин связей, валентных и двугранных углов). Информацию о значениях структурных параметров можно вывести и с использованием инструментов панели Geometry editor. Размер, стиль и цвет надписей, количество цифр после точки в отображаемых значениях и т.д. – все это легко изменяется пользователем для достижения необходимых целей создания картинки в соответствующих подпунктах Style.
Для того чтобы снабдить рисунок вспомогательными обозначениями (надписями, стрелками и др.), следует использовать функции панели Auxiliary designations.
СОЗДАНИЕ АНИМАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
ChemCraft предусматривает четыре варианта создания анимированных изображений: Molecule rotation, Frequencies animation, Scan animation и Custom animation. При этом возможно сохранение в форматах анимированного GIF или ряда последовательных изображений форматов BMP или JPG (число создаваемых при этом файлов зависит от числа необходимых кадров). В зависимости от содержания открытого файла с результатами расчётов эти варианты создания анимации доступны в подпунктах меню Tools/Create animation. Рассмотрим более подробно наиболее часто используемые варианты.
Режим Molecule rotation
При выборе опции Molecule rotation появляется окно Rotation animation (рис. 14), в котором следует задать параметры анимации. Стоит отметить, что все опции окна имеют какие-то заданные по умолчанию параметры, а значит, анимация с вращением молекулы может быть создана практически автоматически, однако не всегда выбранный по умолчанию тип и ракурс вращения удачны и удовлетворяют требованиям пользователя. В качестве варьируемых параметров анимации
41
предлагаются: число кадров видео Number of frames (по умолчанию их число равно 20); начальный и конечный градус вращения
Starting angle/ending angle; координаты точки, а также оси, вокруг относительно которых будет
осуществляться вращение молекулы
Rotate around point/Rotate along axis.
Так, если задать в окошках поля Rotate along axis значения X=1, Y=0, Z=0, то вращение молекулы будет осуществляться
вокруг оси X. Если выставить комбинацию X=1, Y=1, Z=0, то вращение молекулы будет под углом 45 градусов в осях XY.
Если нужно создать вращение молекулярной структуры относительно какого-то из ее атомов, то для удобства лучше всего перенести оси координат так, чтобы нужный атом располагался в центре координат. Для этого выделите нужный атом и используйте функцию Translate atomic coordinates/ Move coordinate center to selected atom.
Помимо вышеперечисленных опций пользователь может выбрать в каких координатах будет происходить вращение молекулярной системы. В случае выбора Axis in view coordinates за плоскость осей X и Y принимается плоскость экрана, при выборе Axis in natural coordinates используется система координат молекурной системы.
На рис. 15 показано окно предварительного просмотра анимированного изображения до момента его сохранения в файл. Кнопки со стрелками
позволяют изменить
42
Рис. 15. Окно предварительного просмотра анимации
текущий кадр анимации, перемещаясь к первому кадру, к предыдущему, к следующему и к последнему кадру соответственно.
Кнопка Rem. frame позволяет запомнить положение молекулярной структуры на экране для текущего кадра. Эта кнопка крайне удобна для создания пользовательской анимации. Кнопка Animate дает возможность просмотреть полученную анимацию. Нажатие Add позволяет добавить еще один кадр в создаваемое видео, причем на кадре будет отражена молекулярная структура, которая была отображена на экране в момент нажатия кнопки. Клавиша Delete позволяет удалить текущий кадр из создаваемого анимированного изображения. После нажатия кнопки Save будет открыто окно (рис. 16) для сохранения анимации в виде анимированного GIF-файла, либо же она может быть сохранена в виде нескольких растровых изображений или нескольких файлов формата JPEG. В открытом окне можно также выбрать опцию обрезания свободных краев, задать размеры изображения, указать интервал между кадрами в миллисекундах, а также использовать прозрачный фон для сохраняемой анимации. При использовании
кнопки Help появляется справочное окно программы
ChemCraft.
Обратите внимание, что при подготовке анимации
важно выбрать начальный ракурс (положение «камеры») молекулы, так как именно он будет являться стартовым. Важным является и тот факт, что при сохранении анимации в качестве анимированного файла формата GIF, разрешение изображения уменьшается до 256 цветов.
Режим Frequencies animation
Создание анимации, отражающее колебания молекулярной структуры, возможно через опцию Frequencies animation (доступно лишь для файлов, содержащих необходимую информацию о модах колебаний). После выбора опции на экране появляется окно, в котором необходимо выбрать из списка интересующую частоту колебания. После этого в открывшемся окне (рис. 17) можно задать необходимые значения для следующих опций: число кадров в анимации Number of frames, начальная и конечная фаза колебания Starting phase/Ending phase, степень смещения атомов во время колебаний Scale displacement. Помимо этого можно включить/отключить функцию пересчета связей Recount bonds.
После задания всех необходимых параметров и нажатия кнопки OK на экране появится окно Animation frames, позволяющее просмотреть полученное видео (рис. 15).
Возможности данного окна были рассмотрены ранее.
Окно задания параметров для сохраняемого анимационного изображения, отражающего колебания молекулярной структуры, аналогично окну
SaveAnimationForm, которое было рассмотрено ранее для
Molecule rotation (рис. 16).
Выбор варианта пользовательской анимации
Custom animation приводит к появлению на экране окна
Animations frames (рис. 15).
Далее следует придать
44
молекулярной структуре вид, который необходимо отразить на первом кадре видео, затем нажать клавишу Add, запомнив тем самым нужный кадр. Последовательность действий повторяется до достижения нужного числа кадров. Как уже было описано выше, функции окна Animations frames, кадры анимации можно удалять по необходимости, просматривать полученные результаты и т.д. После задания необходимого количества кадров, анимацию следует сохранить описанным выше способом.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
В некоторых случаях для выполнения сложных изменений геометрии удобно использовать окно консоли редактора, вызываемого активацией пункта меню Tools/Console editor. В данном окне в текстовом формате можно задать новые значения для произвольного множества геометрических параметров (длины связей, валентных или двугранных углов). Для того, чтобы установить новые значения параметров в структуре, следует ввести их в текстовом поле.
Для задания длин связей следует использовать следующие форматы записей:
r(n1-n2)=значение r(n1-n2)=r(n3-n4) r(n1-n2)=r(n3-n4)=значение
Для валентных и двугранных углов могут применяться следующие формы записей:
a(n1-n2-n3)= значение a(n1-n2-n3)=a(n4-n5-n6) a(n1-n2-n3)=a(n4-n5-n6)= значение d(n1-n2-n3-n4)= значение d(n1-n2-n3-n4)=d(n5-n6-n7-n8) d(n1-n2-n3-n4)=d(n5-n6-n7-n8)= значение
При введении требуемых значений геометрических параметрах в окне Console editor вместо n1, n2 и т.д., используемых в примерах, следует вводить порядковых номер атома в молекулярной структуре. Для удобства работы полезно вывести метки о порядковых номерах атомов с помощью функции Labels on atoms/Seq. number или дублирующей кнопки
45
на панели инструментов. Вместо слова «значение» следует вводить значение параметра. Если несколько параметров имеют одинаковое значение, то они могут быть введены в одну линию.
Рассмотрим пример использования Console editor. Если при наличии на экране четырех и более атомов ввести в окно Console editor строку, задающую одинаковую длину связей между атомами 1-2, 1-3, 1-4, 2-3, 2-4 и 3-4 равную трем ангстремам:
r(1-2)=r(1-3)=r(1-4)=r(2-3)=r(2-4)=r(3-4)=3,
то после нажатия кнопок OK или Apply атомы с порядковыми номерами 1,2,3,4 образуют равносторонний тетраэдр с длиной ребра три ангстрема.
Команда меню Tools/Build Z-matrix позволяет строить Z- матрицу входного файла для дальнейших квантово-химических расчетов. Стоит подчеркнуть, что в ChemCraft, в отличие, например, от программного пакета Molden, построение Z- матрицы «с нуля» невозможно, она строится лишь на основе отображенной в рабочей области молекулярной структуры. Поэтому перед использованием данной функции необходимо построить или открыть нужную геометрию.
Напомним, что Z-матрица является способом задания взаимного расположения атомов в молекуле на основе внутренних координат атомов, которыми являются межатомные расстояния (длины связей), валентные и двугранные углы. В случае использования внутренних координат Z-матрица состоит из семи столбцов, а число строк в ней равно числу атомов в молекуле. Первые четыре строки Z-матрицы можно представить следующим образом:
1)S1
2)S2, атом 1, длина связи
3)S3, атом 1, длина связи, атом 2, валентный угол
4)S4, атом 1, длина связи, атом 2, валентный угол, атом 3, двугранный угол.
Последующие строки по виду аналогичны строке 4. S1, S2, S3, S4, … – химические символы элементов или их порядковые номера в таблице Менделеева задаваемой молекулярной системы. Атом 1, атом 2, атом 3 представляют собой номера атомов в Z- матрице, которые выбраны для описания положения текущего атома.
46
Таким образом, выбранный первым атом S1 в Z-матрице не нуждается в дополнительной информации о своем положении.
Атом, выбранный вторым – S2, задается через длину связи до атома 1. Легко догадаться, что в этом случае в роли атома 1 может выступать лишь атом, располагаемый в первой строке Z- матрицы – S1, однако, в следующих строках выбор атомов 1-3 полностью определяется пользователем.
Положение третьего атома S3 характеризуется длиной связи между ним и атомом 1, а также валентным углом между этой связью S3-атом 1 и связью, соединяющей атом 1 и атом 2.
Положение четвертого (S4) и всех последующих атомов описывается заданием его длины связи с атомом 1; валентным углом, образованного связью S4-атом 1 и связью атом 1-атом 2; а также двугранным углом, образованным плоскостью, содержащей атом 1, атом 2, атом 3, с плоскостью, содержащей текущий атом S4, атом 1 и атом 2.
Выбор атомов для построения Z-матрицы в ChemCraft осуществляется последовательно представленному выше виду Z- матрицы.
После выбора нужного формата вида Z-матрицы первым выбирается атом, который необходимо назначить первым в Z- матрице (S1). После щелчка левой клавишей по атому на нем появится цифра 1. Первая строка готова. Далее следует выбрать второй атом (S2), при этом на нем должна появиться цифра 2. После этого выбирается атом 1, относительно которого будет задаваться положение второго атома через длину связи. После этого следует нажать кнопку ОК, две первые строки Z-матрицы будут записаны. Далее выбирается информация для третьей строки, т.е. есть сначала выбирается атом (S3), на котором отобразится цифра 3. После следует выбрать атом 1, через который задается длина связи с S3. Нажимается кнопка ОК, после чего информация о длине связи между атомом S3 и атом 1 внесется в Z-матрицу. Затем выбирается атом 2, после этого нажимается кнопка ОК, что позволит записать значение валентного угла между связью, образованной связями S3-атом 1 и атом 1-атом 2. Далее следует перейти к заданию четвертой строки и т.д. по аналогии с описанной выше схемой. Запись каждого нового параметра (длина связи, валентный или двугранный угол) осуществляется кнопкой ОК.
47
Стоит отметить, что для одинаковых значений параметров (например, четыре одинаковых длины связей С-Н в молекуле метана) можно выбирать уже имеющееся значение переменной из списка, а после нажимать ОК. Если же значение параметра не равно предложенному, то перед нажатием ОК следует выбрать строчку New parameter.
Нажав кнопку Show, можно увидеть результат в виде полученной Z-матрицы. В этом случае после закрытия окна с промежуточным результатом можно продолжить задавать строки Z-матрицы. После окончания задания Z-матрицы следует нажать кнопку Finish. Кнопка Copy в окошке с результатом позволит скопировать Z-матрицу.
Для тех, кто работает с расчетами параметров ядерного магнитного резонанса (ЯМР), в ChemCraft имеется возможность получения на основе данных открытого файла таблицы с величинами химических сдвигов, усредненных по заданным группам атомов. Данная функция вызывается через меню Show atomic properties table/, активируемого кнопкой Tools под списком слева (при этом в иерархическом списке окна проводника должен быть выбран пункт Optimized geometry).
В каталогах Samples программы ChemCraft можно найти примеры файлов, иллюстрирующие все возможности программы по визуализации различных элементов файлов.
Для более подробного описания возможностей ChemCraft можно рекомендовать использовать описания, вызываемые через кнопку F1 или Help.
48
ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАНИЙ
Практическая работа №1 «Моделирование структур молекулярных систем в ChemCraft».
Задание 1. В программном пакете ChemCraft построить структуры заданных соединений, сохранить структуры в формате
XYZ:
Вариант 1: пентан, 1,3-диметилциклобутан, 3,3-диметилбутен-1, уксусная кислота, 1,2-диметилбензол, толуол, ибупрофен ((RS)-2- (4-изобутилфенил)-пропионовая кислота).
Вариант 2: гексан, 1,1-диметилциклобутан, 4-метилпентен-1, малоновая (пропандиовая) кислота, 1,3-диметилбензол, фенол, лимонная кислота (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая кислота).
Вариант 3: гептан, изопропилциклопропан, 2,3-диметлбутен-1, акролеин (проп-2-еналь), 1,4-диметилбензол, дифенил, тиглиновая кислота (метилкротоновая кислота).
Вариант 4: октан, метилциклопентан, 2-метилпентен-1, ацетон, 1,3,5-триметилбензол, 2,4-динитротолуол, гистидин (L-α-амино- β-имидазолилпропионовая кислота).
Практическая работа №2 «Создание изображений молекулярных систем в ChemCraft».
Задание 1. Смоделировать структуру предложенной молекулы в программном пакете ChemCraft и подготовить ряд рисунков, удовлетворяющих нижеследующим требованиям. На всех рисунках непосредственно должен располагаться заголовок с номером рисунка и названием молекулы. Результаты следует представить в виде презентации.
Рисунок 1. Проволочная модель молекулы (схема отображения Sticks). На рисунке должны быть обозначены типы химических элементов атомов, составляющих молекулу, с использованием указывающей линии, а также нанесены значения основных длин связей и валентных углов молекулы.
Рисунок 2. Шаростержневая модель молекулы (схемы отображения Standart, Simple, Publication и т.п.). Дополнительно на рисунке должны быть нанесены метки с обозначением типов химических элементов атомов, располагающиеся непосредственно на атомах. Дополнительно на рисунке должны
49
быть отражены основные длины связей молекулы с использованием указывающей линии.
Рисунок 3. Шаростержневая модель молекулы (отличная от выбранной на рис. 2 схемы). Обозначение атомов должно быть выполнено курсивом с указанием типа химического элемента атомов и их порядковых номеров среди данного типа атомов. Цвет фона – отличный от стандартного цвета фона схемы отображения молекулы.
Рисунок 4. Шаростержневая модель молекулы (схема отличная от выбранных на рис. 2 и 3). Дополнительно на рисунке должны быть показаны сферы Ван-дер-Ваальсовых радиусов, а также оси X, Y, Z. Атомы молекулы обозначены лишь метками с символом химического элемента.
Рисунок 5. Шаровая модель молекулы (схема отображения Big atoms). Дополнительно на рисунке указываются метки с порядковыми номерами атомов. Цвет меток должен отличаться от черного.
Рисунок 6. Схема отображения молекулы – Publication. На рисунке должны быть отображены типы химических элементов атомов, значения основных длины связей (рядом со связью, но без указательных линий), а также значения основные валентных углов.
Рисунок 7. Создать собственную схему отображения молекулы на базе схемы Simple. Задать отличающиеся цвета отображения атомов и фона, а также цвета и размеры наносимых меток. Сохранить рисунок отображения заданной молекулы в пользовательской схеме с указанием типов химических элементов атомов и основных геометрических параметров системы. После сохранения рисунка пользовательскую схему удалить.
Варианты молекул: ибупрофен, лимонная кислота, тиглиновая кислота, гистидин, пикриновая кислота; N,N-диметилфениламин, тринитротолуол, гидропероксид изопропилбензола, парацетамол, стрептоцид, β-оксимасляная кислота.
50