材料加工工藝

1、第四章 化學(xué)結(jié)構(gòu)的可視化 2022/9/7本章主要內(nèi)容： 化學(xué)結(jié)構(gòu)的表示和可視化 ISIS/Draw的使用 Chem Window的使用 ChemDraw的使用 Chem3D的使用2022/9/7第一節(jié) 化學(xué)結(jié)構(gòu)的表示和可視化計算機(jī)圖形學(xué)分子圖形學(xué)分子結(jié)構(gòu)顯示分子建模技術(shù)分子圖形學(xué)采用計算機(jī)圖形技術(shù)處理分子結(jié)構(gòu)的顯示和操作分子建模技術(shù)是分子圖形學(xué)的一個重要分支，它包括三維分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、操作及其物理化學(xué)性質(zhì)的表示2022/9/7一、化學(xué)結(jié)構(gòu)的表示命名法線型編碼法二維平面結(jié)構(gòu)三維空間結(jié)構(gòu)分子表面結(jié)構(gòu) 2022/9/7命名法IUPAC: 2-amino-3-phenylpropanoic acid

2、Formula: C9H11NO2, C6H5CH2CH(NH2)CO2H苯基丙氨酸的各種化學(xué)結(jié)構(gòu)表示：Systematic name: phenylalanine線型編碼WLN: VQYZIRROSDAL: 1O-2=3O, 2-4-5N, 4-6-7=-12-7SMILES: NC(Cclcccccl)C(O)=OSLN: C1H:CH:CH:CH:CH:C(:1)CH2CH(NH2)C(=O)O用線性順序數(shù)字、字母的字符串表示化合物結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：缺少直觀性，需要學(xué)習(xí)專門的編碼規(guī)則2022/9/7二維結(jié)構(gòu)：原子以元素符號表示，線條表示化學(xué)鍵，簡單表示分子中化學(xué)鍵的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)：表示出分子中

3、原子在三維空間的位置信息，形象、逼真表示出分子真正結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)：在分子表面增加分子性質(zhì)信息（如靜電勢等）2022/9/7二進(jìn)制的計算機(jī)計算機(jī)繪制的結(jié)構(gòu)圖形計算機(jī)內(nèi)部表達(dá)方式的建立 （矩陣方式）連接矩陣距離矩陣關(guān)聯(lián)矩陣成鍵矩陣鍵-電子矩陣分子中不同原子和成鍵類型可使用不同形式的矩陣表示2022/9/7C1C2C3C4C5C6C7C8C9O10O11N12C1010002000000C2102000000000C3020100000000C4001020000000C5000201100000C6200010000000C7000000010000C8000000101001C9000000010

4、210O10000000002000O11000000001000N12000000010000 成鍵連接表：表示分子中成鍵連接的方式二、 二維化學(xué)結(jié)構(gòu)的表示和可視化第一行和第一列代表分子中的原子（帶編號）2022/9/72. 最常用的繪制二維化學(xué)結(jié)構(gòu)的軟件 ISIS/Draw ChemWindows ChemSketch ChemDraw2022/9/71. 分子三維表示法 坐標(biāo)表 距離矩陣三、 三維化學(xué)結(jié)構(gòu)的表示和可視化二維化學(xué)結(jié)構(gòu)描述分子中原子的連接，三維化學(xué)結(jié)構(gòu)描述分子中原子在三維空間的排列位置。相比之下，三維空間結(jié)構(gòu)表示更接近分子的真實(shí)情況。2022/9/7XYZC1-3.73250

5、.00380.0000C2-3.7325-1.43620.0000C3-2.4855-2.15630.0000C4-1.2384-1.43620.0000C5-1.23840.00380.0000C6-2.48550.72390.0000C70.00430.72120.0000C81.24700.00380.0000C92.48980.72120.0000O102.48982.15630.0000O113.73250.00380.0000N121.2470-1.43110.0000直角坐標(biāo)表 2022/9/7C1C2C3C4C5C6C7C8C9O10O11N12C10.00C21.440.00

6、C32.491.440.00C42.882.491.440.00C52.492.882.491.440.00C61.442.492.882.491.440.00C73.814.323.812.491.442.490.00C84.985.184.312.872.493.801.430.00C96.266.595.754.313.804.982.491.440.00O106.587.196.585.184.315.182.872.491.440.00O117.477.606.585.184.976.263.802.491.432.490.00N125.184.983.802.492.874.312

7、.491.442.493.802.870.00距離矩陣表表中數(shù)字為兩個原子之間的距離2022/9/72. 三維空間結(jié)構(gòu)的顯示模式線狀表示法（Line） 棒狀表示法（Stick） 最簡單的一種，定長的直線表示化學(xué)鍵，直線的交點(diǎn)為原子突出分子的骨架，無立體感較粗的圓棒表示化學(xué)鍵，棒與棒的交界處為原子具有空間立體感2022/9/7球 棒 表 示 法（Ball and Stick） 電子云空間填充表示法（Space Fill） 圓球表示原子，圓棒表示化學(xué)鍵，最常用的分子結(jié)構(gòu)表示方法，不同元素用不同顏色區(qū)分用原子范德華半徑的圓球來表示原子。體現(xiàn)分子中原子的擁擠程度和分子體積，更接近分子的實(shí)際形狀2. 三

8、維空間結(jié)構(gòu)的顯示模式2022/9/7ACD/3D ViewerRasMol (ISIS Draw中嵌入)MDL ChimeSymApps (ChemWindow中嵌入)分子結(jié)構(gòu)繪制與建模：Chem3D：綜合功能最全面HyperChem：建模和計算功能最強(qiáng)DS ViewerPro：顯示功能最佳（有機(jī)和無機(jī)分子、蛋白質(zhì)和DNA等生物大分子、金屬配合物、合成和天然藥物等）Alchemy 20003. 三維化學(xué)結(jié)構(gòu)軟件：僅具有顯示功能：2022/9/7 分子表面顯示可用于表示分子軌道、電子密度、范德華半徑等 分子表面的圖形顯示模式主要有網(wǎng)格狀、立體狀和半透明等三種 目前已經(jīng)提出多種分子表面的定義，最主

9、要的定義類型有： 范德華表面（van der Waals Surface） 溶劑可及表面（Solvent-Accessible Surface） Connolly表面四、 分子表面的顯示表示分子真實(shí)的空間狀況2022/9/7 范德華表面 半透明圖 范德華表面：是由一組表示原子的范德華球堆積形成的原子球表面 Connolly表面：通過優(yōu)化得到的平滑表面2022/9/7 溶劑可及表面 網(wǎng)格圖 溶劑可及表面 立體圖 溶劑可及表面：表示假想的溶劑分子球沿范德華表面運(yùn)動時，其球心的運(yùn)動軌跡所得到的面 2022/9/7 簡單方便； 分子式的下角標(biāo)能根據(jù)化學(xué)規(guī)則自動設(shè)定； 可以繪制電荷狀態(tài)、電荷轉(zhuǎn)移等結(jié)構(gòu)示

10、意圖； 可以使繪制的分子結(jié)構(gòu)在三維空間內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)； 內(nèi)設(shè)多種結(jié)構(gòu)模板可供選擇；第二節(jié) ISIS/Draw的使用 2022/9/7ISIS Draw 2.2 的工作窗口作圖區(qū)工具按鈕區(qū)2022/9/7模板下拉菜單23類模板其中 Templates 中提供很多現(xiàn)成的模板以供選擇, 有23 張模板頁，270 種模板結(jié)構(gòu)，包含內(nèi)容小至各種官能團(tuán)、分子組件、電荷符號，大至復(fù)雜的雜環(huán)、糖類、冠醚、軌道圖形，以及各種繪制化學(xué)反應(yīng)式所需的箭頭及反應(yīng)條件標(biāo)注等。2022/9/7模板示例2022/9/7自定義模板菜單和模板工具2022/9/7圖形編輯功能強(qiáng) 可對分子結(jié)構(gòu)圖形進(jìn)行組合或分塊處理，支持圖文混排?？蓪Ψ?/p>

11、子整體或局部進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作 放大旋轉(zhuǎn)2022/9/7具有一定的計算和檢測功能 對于復(fù)雜的有機(jī)化合物，可以快捷地計算其摩爾質(zhì)量。并具有構(gòu)型檢測功能 2022/9/72022/9/7支持多窗口工作 支持多窗口操作,可同時運(yùn)行多個文檔,并可在各個窗口間切換，這一功能與Windows 本身具有剪切、復(fù)制功能相結(jié)合可給作圖帶來極大的方便 2022/9/7兼容性好與多數(shù)Windows應(yīng)用軟件具有良好的兼容性，所繪制圖形和反應(yīng)式可通過剪貼板或以圖形的形式插入到Word、WPS文檔中，便于化學(xué)論文的書寫 2022/9/7快捷方式欄，主要是常用的官能團(tuán)與分子模板的工具條，共13個按鈕Run Chem

12、 Inspector（運(yùn)行化學(xué)式檢驗(yàn)）Open Last Template Page（顯示最后一個模板頁面）Draw Previews Temple（繪制前一個模板）Cyclohexane（環(huán)己烷結(jié)構(gòu)）Cyclopentane（環(huán)戊烷結(jié)構(gòu)）Cycloheptane（環(huán)庚烷結(jié)構(gòu)）1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 132022/9/77. Benzene（苯結(jié)構(gòu)）8. Cyclopentane（環(huán)戊烷結(jié)構(gòu)）9. Cyclopentane（環(huán)戊烷結(jié)構(gòu)）10. Cyclopentadiene（環(huán)戊二烯結(jié)構(gòu)） 11. Cyclopentadiene（環(huán)戊二烯結(jié)構(gòu)）12. Cyclob

13、utane（環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)）13. Cyclopropane（環(huán)丙烷結(jié)構(gòu)） 在這個快捷方式欄上，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵還可以定義菜單欄和工具欄以及相應(yīng)的設(shè)置。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 132022/9/7 Lasso Select（繩索選?。?2D Rotate（2D旋轉(zhuǎn)） Eraser（橡皮擦） Atom（繪制原子） Single Bond（單鍵） Up Wedge（向上楔入） Chain（鏈） Plus（加號） Arrow（箭頭） Atom Map（原子圖示） Sequence（序列） Bracket（括號） Text（文本） Straight Line（直線） Rectan

14、gle（矩形）縱向工具欄按鈕的右下角的“黑三角”表示有多重選項(xiàng)，按住鼠標(biāo)左鍵然后向右邊移動，出現(xiàn)一個子菜單，選中所需要的按鈕即可。2022/9/7選擇操作選擇整個分子(常用)選擇矩形區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)選擇單個目標(biāo)(常用)可通過按住Shift鍵不放一次選擇多個目標(biāo)2022/9/7選擇整個分子選擇了N原子以及兩根CC鍵2022/9/7放大、縮小操作通過調(diào)整四周選擇區(qū)域進(jìn)行目標(biāo)放大、縮小、拉伸以及壓縮等操作2022/9/7旋轉(zhuǎn)操作二維旋轉(zhuǎn)三維旋轉(zhuǎn)2022/9/7目標(biāo)屬性編輯操作 選擇目標(biāo)后，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵來修改目標(biāo)屬性2022/9/7原子屬性控制同位素電荷自由基字體設(shè)置H原子位置編號編號顯示位置2022/9

15、/7化學(xué)鍵屬性控制鍵類型鍵長線條顏色線條粗細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2022/9/7線條屬性控制線型線條粗細(xì)線條顏色線的箭頭2022/9/7多邊形(圓形)屬性控制邊框線形填充方式填充顏色透明不透明邊框顏色邊框粗細(xì)2022/9/7一. 分子結(jié)構(gòu)圖的繪制2022/9/7 在模板工具欄中點(diǎn)擊“Benzene”（苯環(huán)）圖標(biāo)，并在窗口的適當(dāng)位置點(diǎn)擊， 生成一個苯環(huán)。 在模板工具欄中點(diǎn)擊“Cyclohexane”（環(huán)己烷）圖標(biāo)，點(diǎn)擊苯環(huán)最右邊鍵的中點(diǎn)，并接一個六元環(huán)。在屏幕左側(cè)工具欄中點(diǎn)擊“Single Bond”（單鍵）圖標(biāo)，在苯環(huán)和六元環(huán)的特定位置點(diǎn)擊鼠標(biāo)并向一定方向拖拉，建立側(cè)鏈結(jié)構(gòu)。操作步驟：2022/9/7在模

16、板工具欄中點(diǎn)擊“Cyclopentane”（環(huán)戊烷）圖標(biāo)，在六元環(huán)上方的側(cè)鏈上點(diǎn)擊，在其上連接一個五元環(huán)。 在屏幕左側(cè)工具欄中分別點(diǎn)擊“Double Bond”（雙鍵）、“Triple Bond”（三鍵）圖標(biāo)，在二個單鍵的端部點(diǎn)擊，將其接上雙鍵、三鍵。2022/9/72022/9/7 在屏幕左側(cè)工具欄中點(diǎn)擊“Atom”（繪制原子）圖標(biāo)，在需要添加顯示原子或官能團(tuán)的位置點(diǎn)擊，并用鍵盤輸入該原子或官能團(tuán)符號（本次操作中為N、O原子），或者在下拉菜單選擇元素符號。 在屏幕左側(cè)工具欄中點(diǎn)擊“Up Wedge”（向上楔入）圖標(biāo)，點(diǎn)擊六元環(huán)上方碳原子并向N原子拖動，生成的實(shí)心楔形鍵表示化學(xué)鍵朝向平面外。點(diǎn)

17、擊“Down Wedge”（向下楔入）圖標(biāo)，點(diǎn)擊六元環(huán)側(cè)方碳原子并向O原子拖動，生成的虛線楔形鍵表示化學(xué)鍵朝向平面內(nèi)。分子立體結(jié)構(gòu)的繪制有兩種方法1. 用楔形表示法來反映原子或基團(tuán)的相對空間位置：前后紙面2022/9/72. 以實(shí)際觀察角度來構(gòu)建的直觀立體結(jié)構(gòu) (利用3D旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn))2022/9/7 繪制對硝基苯酚的分子結(jié)構(gòu)； 在工具欄中選擇帶弧形箭頭圖標(biāo)； 在窗口適當(dāng)位置按下鼠標(biāo)左鍵并拖動，并改變弧形的大小和方向，形成一段弧形箭頭。 二、電子轉(zhuǎn)移和原子特征的表示1. 電子轉(zhuǎn)移的表示：2022/9/7操作步驟：箭頭調(diào)整方法：終點(diǎn)位置起點(diǎn)位置調(diào)整彎曲程度（拖動）2. 原子編號的表示：2022/9

18、/7操作步驟： 使用鼠標(biāo)選擇需要編號的分子或原子； 使用Object/Edit Molecule命令，在Number position彈出窗口中，選擇“Auto position”，點(diǎn)擊“OK”按鈕后原子編號將自動完成。 需要去掉編號只需重復(fù)前述過程，在Number position彈出窗口中，選擇“off”選項(xiàng)，原子編號將全部消除 2022/9/73. 電荷的表示：選擇N原子，使用Object/Edit Atom命令，在Charge輸入框中鍵入1。 三、化學(xué)反應(yīng)式的繪制操作步驟： 依次繪制苯、乙酰氯和乙酰苯分子的結(jié)構(gòu)等，并按反應(yīng)物及生成物的順序排列。 點(diǎn)擊“Arrow”和“Plus”工具圖標(biāo)

19、，在窗口合適位置繪制箭頭符號和“+”符號，建立一個化學(xué)反應(yīng)式。先繪制所有化合物的結(jié)構(gòu)圖，并排列在合適位置，再用Plus工具和Arrow工具添加加號和箭頭，最后再用Text工具添加反應(yīng)條件2022/9/7 點(diǎn)擊“Select”工具圖標(biāo)，選擇所有與反應(yīng)式有關(guān)的圖形，包括結(jié)構(gòu)式、箭頭、符號等，使用Object/Align/Horizontal命令，再點(diǎn)擊Top/Bottom Centers選項(xiàng)，點(diǎn)擊“OK”按鈕，反應(yīng)式就按上下居中的水平對齊方式排列。2022/9/7 化學(xué)反應(yīng)的條件一般放在反應(yīng)式箭頭的上方或下方，多由分子式、分子結(jié)構(gòu)、文字符號等組成。例如，從鍵盤輸入AlCl3，程序會自動調(diào)整為AlCl3。 選中所有反應(yīng)物、生成物、加號和箭頭等，使用Object/Group命令，將它們組合為一個整體圖形。2022/9/7小技巧2022/9/7按下輸入H2SO4輸入H+輸入H2O輸入SO42-小技巧按下輸入 SO4S2-S輸入 H2OSS : superscript 上角標(biāo) （大寫的S）2022/9/7四、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理示意圖的繪制ISIS可繪制簡單幾何圖形及曲線，其中可利用Continuous Line 工具繪制連續(xù)折線，然后采用Object菜單中的Smooth選項(xiàng)對曲線進(jìn)行平滑處理