化學(xué)化工常用化學(xué)軟件的繪制與應(yīng)用

化學(xué)化工常用化學(xué)軟件的繪制與應(yīng)用

代表化學(xué)信息的圖形和符號非常豐富：從簡單的方程、離子模式、電子模式到復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式、化學(xué)方程、氧化還原反應(yīng)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖，從原子結(jié)構(gòu)圖到復(fù)雜的有機(jī)結(jié)構(gòu)圖、聚合物結(jié)構(gòu)圖、生物大結(jié)構(gòu)圖的三維結(jié)構(gòu)圖，從單實(shí)驗(yàn)儀器到儀器裝置的圖，從靜態(tài)原理圖到動態(tài)過程模型，化學(xué)專業(yè)人員對該軟件提出了更高的要求。幸運(yùn)的是隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展,許多針對化學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)軟件被開發(fā)出來,包括化學(xué)工作者日常在PC機(jī)上使用的化學(xué)繪圖工具軟件。常用的化學(xué)軟件包括美國Bio-RadLaboratories公司開發(fā)的ChemWindow,美國Cambridgesoft公司出品的ChemDraw,加拿大ACD(AdvancedChemistryDevelopment)公司提供的ACD\ChemSketch,以及由MDLInformationSystems公司開發(fā)的ISIS/Draw。這些軟件基本上都可以繪制各種化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式、化學(xué)反應(yīng)方程式以及化工流程圖等化學(xué)化工所需的繪制功能,給化學(xué)學(xué)習(xí)者、工作者帶來了極大的方便。本文試圖對這些常用的化學(xué)繪圖軟件做簡單的介紹并對這些常用的化學(xué)繪圖軟件進(jìn)行對比分析,讓軟件使用者了解常用軟件的功能,方便軟件使用者根據(jù)自己工作和學(xué)習(xí)的需要最快速的選擇相應(yīng)的軟件完成學(xué)習(xí)、工作及教學(xué)科研、論文寫作任務(wù)。1繪制化學(xué)結(jié)構(gòu)的程序ChemWindow由SoftshellIntern.Ltd.1989年推出首版,到1993年發(fā)行了3.0版。該軟件主要功能是能繪出各種結(jié)構(gòu)和形狀的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式及化學(xué)圖形,具有比較強(qiáng)大的化學(xué)分子圖形編輯功能。ChemWindow在Windows環(huán)境下具有的友好用戶界面和便利的切換功能,使得其資料可共享于各軟件之間。ChemWindow現(xiàn)在最新的版本有ChemWindow6.0,ChemWindow6.0在功能上以及工具欄設(shè)計(jì)上都有不少的改動,在國內(nèi)很多網(wǎng)站都能下載獲得ChemWindow6.0免費(fèi)版本。在化學(xué)繪圖方面,對于一般的化學(xué)輸入,和其他很多軟件相似,ChemWindow6.0是制作有機(jī)分子三維動畫的最佳軟件。制作簡單易學(xué),熟練操作后,制作一個3D動畫只用1min左右的時間。此外ChemWindow6.0提供了用于立體化學(xué)的Newman投影和Angled反應(yīng)工具,可以幫助繪制反應(yīng)路徑和繪制三維結(jié)構(gòu),然而這些強(qiáng)大的功能在免費(fèi)軟件中是不能使用的,需要注冊付費(fèi)才能使用。由于ChemWindow6.0在常用化學(xué)繪圖軟件中相對簡單易學(xué),界面友好,很多化學(xué)工作者選擇這一化學(xué)繪圖軟件。ChemDraw是美國Cambridgesoft公司出品的重要產(chǎn)品ChemOffice的又一組件。ChemDraw是一個化學(xué)結(jié)構(gòu)繪圖軟件,能夠繪制和編輯高質(zhì)量的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖,包括立體結(jié)構(gòu)的識別和顯示,能夠?qū)Y(jié)構(gòu)和名稱(IUPACName)進(jìn)行轉(zhuǎn)換;能夠與Excel集成。其最新版本為ChemDraw8.0,ChemDraw8.0具有強(qiáng)大的繪圖功能,結(jié)合Chem3D,可以繪制各種化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)方程式、化學(xué)反應(yīng)圖表等,并且自身具有分子優(yōu)化功能。ChemDraw8.0具有多種輸入輸出功能,可以直接將繪制的圖片等以常見的格式輸出,而不需要經(jīng)過圖片制作軟件的幫助。ACD/ChemSketch是加拿大高級化學(xué)發(fā)展有限公司(AdvancedChemistryDevelopment,ACD)設(shè)計(jì)的用于化學(xué)畫圖用軟件包,該軟件包可單獨(dú)使用或與其他軟件共同使用。其最新版本為ACD/ChemSketch8.0,ACD/ChemSketch8.0已經(jīng)成為可以獨(dú)立使用的繪制化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式和圖形圖像的軟件包,是目前運(yùn)行于PC機(jī)用來繪制化學(xué)結(jié)構(gòu)的功能強(qiáng)大的化學(xué)軟件。其運(yùn)行速度快、使用方便,可用來繪制二維、三維化學(xué)結(jié)構(gòu)式、原子軌道、化學(xué)反應(yīng)圖解、實(shí)驗(yàn)裝置和圖形等。ISIS/Draw2.5由MDLInformationSystemsInc.公司開發(fā)。以其強(qiáng)大的功能及與Office套件極佳的兼容性而在國內(nèi)化學(xué)界廣泛流行。其早期版本為1.0版,最新版本為2.5版。該軟件為自由軟件,無注冊自由軟件,無注冊費(fèi)無使用期限。ISIS/Draw2.5主要用于繪制各種化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式、化學(xué)反應(yīng)方程式以及化工流程圖等化學(xué)專業(yè)圖形的繪圖軟件。ISIS/Draw2.5遵循以用戶為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)思想,具有十分友好的操作界面、豐富完備的模板及畫圖工具,大大提高了繪制化學(xué)專業(yè)圖形的效率和清晰度,給化學(xué)工作者帶來了極大方便,具有很好的應(yīng)用前景。2幾種常用化學(xué)構(gòu)圖軟件的功能和特點(diǎn)目前最常用的化學(xué)繪圖軟件主要是ChemWindow、ChemDraw、ChemSketch、ISIS/Draw,當(dāng)然還有國產(chǎn)的一些化學(xué)繪圖軟件,但鑒于其功能沒有上述四種化學(xué)繪圖軟件強(qiáng)大,同時都是漢語版,簡單易學(xué),所以在此不贅述。以上四種化學(xué)繪圖軟件的主要功能都是用于繪制二維和三維化學(xué)結(jié)構(gòu)及化學(xué)專業(yè)圖形的繪制、化學(xué)方程式的書寫及相關(guān)文本的編輯處理,免去了人工繪化學(xué)分子圖形的繁瑣工作,而且能與office等文檔聯(lián)用兼容。這四個常用化學(xué)繪圖軟件在功能和特點(diǎn)上有很多相似的地方,但是又各有特點(diǎn)。下面對這四個常用化學(xué)軟件進(jìn)行對比分析。2.1功能4:便捷互動界面ChemWindow、ChemDraw、ChemSketch、ISIS/Draw都為繪圖和編輯操作提供了非常直觀的圖標(biāo),通過鼠標(biāo)就能完成幾乎所有的操作,使用戶操作起來非常方便。ChemWindow、ChemDraw、ISIS/Draw都具有方便的快捷菜單,只要點(diǎn)擊右鍵就可以了,而ChemSketch沒有快捷菜單功能,它是將快捷菜單顯示在工具欄上的,這樣使界面顯得有些復(fù)雜。它們都有cleanstructure優(yōu)化鍵,可以將所畫的結(jié)構(gòu)優(yōu)化形成標(biāo)準(zhǔn)鍵長和鍵角。2.2分子模板即分子圖1ChemSketch提供了元素周期表、化學(xué)基團(tuán)表和模板窗口。ChemSkech中的這三個模板非常重要,對很多化合物都有現(xiàn)成的圖庫,使用者可以便捷的從模板中尋找所需要的圖,然后點(diǎn)擊鼠標(biāo)就完成了繪制工作,非常便捷。ChemWindows提供了元素周期表、分子結(jié)構(gòu)模板和“散裝元件”。選擇菜單Analytical/PeriodicTable即可利用元素周期表。點(diǎn)擊任一元素,即顯示該元素的原子序數(shù)、可能存在的價態(tài)和原子量。分子結(jié)構(gòu)模板提供了大量常用的分子結(jié)構(gòu)式,包括多(稠)環(huán)類、構(gòu)象和構(gòu)型類、環(huán)烷烴類、雙環(huán)烷烴類和芳香烴類,每一類都包括了30～35個分子結(jié)構(gòu),使用起來非常方便。該軟件還提供了大量畫分子式或分子圖形所需的各種“散裝元件”(如圖1),如各類型的化學(xué)鍵,分子母環(huán)(從三元到八元環(huán),包括六元環(huán)的船式和椅式構(gòu)型)、化學(xué)分子軌道、圓電荷、球(橢球)等,點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵就可選擇使用。ISIS/Draw菜單Templates(如圖2)下附帶有23張模板頁,283個模板結(jié)構(gòu),包括各種官能團(tuán)、分子組件、電荷符號,復(fù)雜的雜環(huán)、糖類、冠醚及軌道圖形,以及各種化學(xué)反應(yīng)式所需箭頭及反應(yīng)條件標(biāo)注等。在菜單Templates\Custo-mizeMenuandTools\TemplatesTools(如圖3)中可以根據(jù)需要設(shè)置快捷按鈕。ChemDraw業(yè)提供了元素周期表和分子結(jié)構(gòu)模板。在周期表中點(diǎn)擊任一元素,將顯示該元素的英文名、原子量、同位素、通常價態(tài)、熔沸點(diǎn)、密度、電離能、原子半徑及元素發(fā)現(xiàn)者。分子結(jié)構(gòu)模板中提供了大量的模型結(jié)構(gòu),包括氨基酸、芳環(huán)、雙環(huán)、DNA/RNA模板、立構(gòu)中心、高分子結(jié)構(gòu)、己糖、多面體、官能團(tuán)、化學(xué)儀器等。2.3功能4:可以控制圖形大小這四個常用化學(xué)繪圖軟件都能很好地處理繪圖過程,都能隨意繪制各種鍵、環(huán)、元素等,也能隨意調(diào)整圖形大小。這些軟件默認(rèn)設(shè)置和用戶自定義設(shè)置都可隨意保存和回復(fù)。都可以插入文字說明,添加注釋,并能夠根據(jù)需要定義文字和圖形的大小、字體、顏色等屬性,能夠?qū)Y(jié)構(gòu)、圖形進(jìn)行縮小、放大、旋轉(zhuǎn)、移動等操作,還能進(jìn)行剪切、粘貼、刪除、復(fù)制等操作。2.4結(jié)構(gòu)分析和模型檢驗(yàn)ISIS\Draw的化學(xué)檢測器能夠自動檢測繪制分子結(jié)構(gòu)式及化學(xué)反應(yīng)式過程中可能產(chǎn)生的錯誤,并給出警告和修改建議。對于用其他軟件繪制并輸入的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)式,頁可以利用化學(xué)檢測器對其整體結(jié)構(gòu)或者部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、核對,以確保所畫圖形的正確性。ChemWindow利用菜單other\checkChemistry可以對所繪制的分子結(jié)構(gòu)式進(jìn)行檢測,但對化學(xué)反應(yīng)式?jīng)]有檢測功能。在ChemDraw右鍵快捷菜單中選中DisplayWarnings后,就能在繪制的過程中及時指出錯誤。ChemSketch雖然沒有專門的分子結(jié)構(gòu)檢測器,但是一旦所繪制的分子結(jié)構(gòu)式不滿足價鍵規(guī)則時將給出錯誤提示。2.5制備dna雙螺旋結(jié)構(gòu)四個軟件都能繪制一些復(fù)雜的線、多邊形、圓周和弧、箭頭等圖形。但I(xiàn)SIS\Draw和ChemSketch比其他程序清楚:它們比其他程序多一些制圖工具,且可以填色及式樣。ChemSketch在貝塞爾曲線的編輯方面最優(yōu)秀;在各種形狀的簡單或有傾斜的顏色或者樣式填充方面也是最出色的,所以可用ChemSketch在很短的時間里繪制出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。但是ISIS\Draw不支持文字和文本的旋轉(zhuǎn),而ChemDraw可以輕松實(shí)現(xiàn)。3各種繪制軟件的對比通過對常用化學(xué)繪圖軟件的介紹以及分析對比可知,ChemWindow、ChemDraw、ChemSketch、ISIS/Draw這四個常用化學(xué)繪圖軟件都能完成化學(xué)結(jié)構(gòu)式、化學(xué)分子式、化學(xué)反應(yīng)方程式、化學(xué)軌道以及化學(xué)反應(yīng)裝置圖等的繪制。每種軟件都有自己的優(yōu)缺點(diǎn),最好的方式是結(jié)合起來使用,充分利用每個軟件的優(yōu)點(diǎn),克服其缺點(diǎn),為專業(yè)學(xué)習(xí)、課件制作、教案編排、試卷編輯、論文寫作提