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第四章化学结构的可视化 2020 3 30 本章主要内容 化学结构的表示和可视化ISIS Draw的使用ChemWindow的使用ChemDraw的使用Chem3D的使用 2020 3 30 第一节化学结构的表示和可视化 计算机图形学 分子图形学 分子结构显示 分子建模技术 分子图形学采用计算机图形技术处理分子结构的显示和操作 分子建模技术是分子图形学的一个重要分支 它包括三维分子结构的构建 操作及其物理化学性质的表示 2020 3 30 一 化学结构的表示 命名法线型编码法二维平面结构三维空间结构分子表面结构 2020 3 30 命名法 IUPAC 2 amino 3 phenylpropanoicacid Formula C9H11NO2 C6H5CH2CH NH2 CO2H 苯基丙氨酸的各种化学结构表示 Systematicname phenylalanine 线型编码 WLN VQYZIRROSDAL 1O 2 3O 2 4 5N 4 6 7 12 7SMILES NC Cclcccccl C O OSLN C 1 H CH CH CH CH C 1 CH2CH NH2 C O O 用线性顺序数字 字母的字符串表示化合物结构 缺点 缺少直观性 需要学习专门的编码规则 2020 3 30 二维结构 原子以元素符号表示 线条表示化学键 简单表示分子中化学键的拓扑结构 三维结构 表示出分子中原子在三维空间的位置信息 形象 逼真表示出分子真正结构 表面结构 在分子表面增加分子性质信息 如静电势等 2020 3 30 二进制的计算机 计算机绘制的结构图形 计算机内部表达方式的建立 矩阵方式 连接矩阵 距离矩阵 关联矩阵 成键矩阵 键 电子矩阵 分子中不同原子和成键类型可使用不同形式的矩阵表示 2020 3 30 成键连接表 表示分子中成键连接的方式 二 二维化学结构的表示和可视化 第一行和第一列代表分子中的原子 带编号 2020 3 30 2 最常用的绘制二维化学结构的软件 ISIS DrawChemWindowsChemSketchChemDraw 2020 3 30 1 分子三维表示法坐标表距离矩阵 三 三维化学结构的表示和可视化 二维化学结构描述分子中原子的连接 三维化学结构描述分子中原子在三维空间的排列位置 相比之下 三维空间结构表示更接近分子的真实情况 2020 3 30 直角坐标表 2020 3 30 距离矩阵表 表中数字为两个原子之间的距离 2020 3 30 2 三维空间结构的显示模式 线状表示法 Line 棒状表示法 Stick 最简单的一种 定长的直线表示化学键 直线的交点为原子突出分子的骨架 无立体感 较粗的圆棒表示化学键 棒与棒的交界处为原子具有空间立体感 2020 3 30 球棒表示法 BallandStick 电子云空间填充表示法 SpaceFill 圆球表示原子 圆棒表示化学键 最常用的分子结构表示方法 不同元素用不同颜色区分 用原子范德华半径的圆球来表示原子 体现分子中原子的拥挤程度和分子体积 更接近分子的实际形状 2 三维空间结构的显示模式 2020 3 30 ACD 3DViewerRasMol ISISDraw中嵌入 MDLChimeSymApps ChemWindow中嵌入 分子结构绘制与建模 Chem3D 综合功能最全面HyperChem 建模和计算功能最强DSViewerPro 显示功能最佳 有机和无机分子 蛋白质和DNA等生物大分子 金属配合物 合成和天然药物等 Alchemy2000 3 三维化学结构软件 仅具有显示功能 2020 3 30 分子表面显示可用于表示分子轨道 电子密度 范德华半径等分子表面的图形显示模式主要有网格状 立体状和半透明等三种目前已经提出多种分子表面的定义 最主要的定义类型有 范德华表面 vanderWaalsSurface 溶剂可及表面 Solvent AccessibleSurface Connolly表面 四 分子表面的显示 表示分子真实的空间状况 2020 3 30 范德华表面半透明图 范德华表面 是由一组表示原子的范德华球堆积形成的原子球表面 Connolly表面 通过优化得到的平滑表面 2020 3 30 溶剂可及表面网格图 溶剂可及表面立体图 溶剂可及表面 表示假想的溶剂分子球沿范德华表面运动时 其球心的运动轨迹所得到的面 2020 3 30 美国MDL信息系统公司的化学结构输入软件 其共享版可以从网上免费下载 其特点有 简单方便 分子式的下角标能根据化学规则自动设定 可以绘制电荷状态 电荷转移等结构示意图 可以使绘制的分子结构在三维空间内任意旋转 内设多种结构模板可供选择 第二节ISIS Draw的使用 2020 3 30 ISISDraw2 2的工作窗口 作图区 工具按钮区 2020 3 30 模板下拉菜单 23类模板 其中Templates中提供很多现成的模板以供选择 有23张模板页 270种模板结构 包含内容小至各种官能团 分子组件 电荷符号 大至复杂的杂环 糖类 冠醚 轨道图形 以及各种绘制化学反应式所需的箭头及反应条件标注等 2020 3 30 模板示例 2020 3 30 自定义模板菜单和模板工具 2020 3 30 图形编辑功能强可对分子结构图形进行组合或分块处理 支持图文混排 可对分子整体或局部进行放大 缩小 旋转等操作 放大 旋转 2020 3 30 具有一定的计算和检测功能对于复杂的有机化合物 可以快捷地计算其摩尔质量 并具有构型检测功能 2020 3 30 2020 3 30 支持多窗口工作支持多窗口操作 可同时运行多个文档 并可在各个窗口间切换 这一功能与Windows本身具有剪切 复制功能相结合可给作图带来极大的方便 2020 3 30 兼容性好与多数Windows应用软件具有良好的兼容性 所绘制图形和反应式可通过剪贴板或以图形的形式插入到Word WPS文档中 便于化学论文的书写 2020 3 30 快捷方式栏 主要是常用的官能团与分子模板的工具条 共13个按钮RunChemInspector 运行化学式检验 OpenLastTemplatePage 显示最后一个模板页面 DrawPreviewsTemple 绘制前一个模板 Cyclohexane 环己烷结构 Cyclopentane 环戊烷结构 Cycloheptane 环庚烷结构 12345678910111213 2020 3 30 7 Benzene 苯结构 8 Cyclopentane 环戊烷结构 9 Cyclopentane 环戊烷结构 10 Cyclopentadiene 环戊二烯结构 11 Cyclopentadiene 环戊二烯结构 12 Cyclobutane 环丁烷结构 13 Cyclopropane 环丙烷结构 在这个快捷方式栏上 点击鼠标右键还可以定义菜单栏和工具栏以及相应的设置 12345678910111213 2020 3 30 LassoSelect 绳索选取 2DRotate 2D旋转 Eraser 橡皮擦 Atom 绘制原子 SingleBond 单键 UpWedge 向上楔入 Chain 链 Plus 加号 Arrow 箭头 AtomMap 原子图示 Sequence 序列 Bracket 括号 Text 文本 StraightLine 直线 Rectangle 矩形 纵向工具栏 按钮的右下角的 黑三角 表示有多重选项 按住鼠标左键然后向右边移动 出现一个子菜单 选中所需要的按钮即可 2020 3 30 选择操作 选择整个分子 常用 选择矩形区域内的目标 选择单个目标 常用 可通过按住Shift键不放一次选择多个目标 2020 3 30 选择整个分子 选择了N原子以及两根C C键 2020 3 30 放大 缩小操作 通过调整四周选择区域进行目标放大 缩小 拉伸以及压缩等操作 2020 3 30 旋转操作 二维旋转 三维旋转 2020 3 30 目标属性编辑操作选择目标后 点击鼠标右键来修改目标属性 2020 3 30 原子属性控制 同位素 电荷 自由基 字体设置 H原子位置 编号 编号显示位置 2020 3 30 化学键属性控制 键类型 键长 线条颜色 线条粗细 拓扑结构 2020 3 30 线条属性控制 线型 线条粗细 线条颜色 线的箭头 2020 3 30 多边形 圆形 属性控制 边框线形 填充方式 填充颜色 透明 不透明 边框颜色 边框粗细 2020 3 30 一 分子结构图的绘制 2020 3 30 在模板工具栏中点击 Benzene 苯环 图标 并在窗口的适当位置点击 生成一个苯环 在模板工具栏中点击 Cyclohexane 环己烷 图标 点击苯环最右边键的中点 并接一个六元环 在屏幕左侧工具栏中点击 SingleBond 单键 图标 在苯环和六元环的特定位置点击鼠标并向一定方向拖拉 建立侧链结构 操作步骤 2020 3 30 在模板工具栏中点击 Cyclopentane 环戊烷 图标 在六元环上方的侧链上点击 在其上连接一个五元环 在屏幕左侧工具栏中分别点击 DoubleBond 双键 TripleBond 三键 图标 在二个单键的端部点击 将其接上双键 三键 2020 3 30 2020 3 30 在屏幕左侧工具栏中点击 Atom 绘制原子 图标 在需要添加显示原子或官能团的位置点击 并用键盘输入该原子或官能团符号 本次操作中为N O原子 或者在下拉菜单选择元素符号 在屏幕左侧工具栏中点击 UpWedge 向上楔入 图标 点击六元环上方碳原子并向N原子拖动 生成的实心楔形键表示化学键朝向平面外 点击 DownWedge 向下楔入 图标 点击六元环侧方碳原子并向O原子拖动 生成的虚线楔形键表示化学键朝向平面内 分子立体结构的绘制 有两种方法1 用楔形表示法来反映原子或基团的相对空间位置 前 后 纸面 2020 3 30 2 以实际观察角度来构建的直观立体结构 利用3D旋转来实现 2020 3 30 绘制对硝基苯酚的分子结构 在工具栏中选择带弧形箭头图标 在窗口适当位置按下鼠标左键并拖动 并改变弧形的大小和方向 形成一段弧形箭头 二 电子转移和原子特征的表示 1 电子转移的表示 2020 3 30 操作步骤 箭头调整方法 终点位置 起点位置 调整弯曲程度 拖动 2 原子编号的表示 2020 3 30 操作步骤 使用鼠标选择需要编号的分子或原子 使用Object EditMolecule命令 在Numberposition弹出窗口中 选择 Autoposition 点击 OK 按钮后原子编号将自动完成 需要去掉编号只需重复前述过程 在Numberposition弹出窗口中 选择 off 选项 原子编号将全部消除 2020 3 30 3 电荷的表示 选择N原子 使用Object EditAtom命令 在Charge输入框中键入1 三 化学反应式的绘制 操作步骤 依次绘制苯 乙酰氯和乙酰苯分子的结构等 并按反应物及生成物的顺序排列 点击 Arrow 和 Plus 工具图标 在窗口合适位置绘制箭头符号和 符号 建立一个化学反应式 先绘制所有化合物的结构图 并排列在合适位置 再用Plus工具和Arrow工具添加加号和箭头 最后再用Text工具添加反应条件 2020 3 30 点击 Select 工具图标 选择所有与反应式有关的图形 包括结构式 箭头 符号等 使用Object Align Horizontal命令 再点击Top BottomCenters选项 点击 OK 按钮 反应式就按上下居中的水平对齐方式排列 2020 3 30 化学反应的条件一般放在反应式箭头的上方或下方 多由分子式 分子结构 文字符号等组成 例如 从键盘输入AlCl3 程序会自动调整为AlCl3 选中所有反应物 生成物 加号和箭头等 使用Object Group命令 将它们组合为一个整体图形 2020 3 30 小技巧 2020 3 30 按下输入 H2SO4 输入 H 输入 H2O 输入 SO42 小技巧 按下输入SO4 S2 S输入H2O S S superscript上角标 大写的S 2020 3 30 四 化学反应机理示意图的绘制 ISIS可绘制简单几何图形及曲线 其中可利用ContinuousLine工具绘制连续折线 然后采用Object菜单中的Smooth选项对曲线进行平滑处理 连续折线 2020 3 30 苯亲电反应机理 2020 3 30 Object smooth 2020 3 30 五 其他功能 2020 3 30 1 分子量及元素分析理论值的计算结构式绘制完毕后 利用程序内嵌的库函数可以方便地计算出分子量及元素分析理论值 选中欲计算的结构式 点击 Chemistry CalculateMolValues Calculate 即在结构式下方给出计算出的分子量及各元素百分含量 十分方便 2020 3 30 2 三维结构模型图的展示ISIS Draw2 2可以展示出所绘结构式的模型图 选中结构式 点击 Chemistry ViewMoleculeinRasMol 即调出分子模型展示程序RasMol2 5版 说明 RasMol三维建模功能较弱 较少使用 一般只适合平面有机分子 Stick模式 Spacefill模式 Ball Stick模式 Wirefram