VAMP模块计算过渡态ppt课件.ppt
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去使用VAMP软件进行结构优化和过渡态计算目的:使用 VAMP 软件研究分子的结构、性质和化学反应的过渡态 模块:Materials Visualizer,VAMP背景：VAMP 是一款半经验分子轨道计算软件，运行稳定快速，可在PC 机与工作站之间进行交互式计算。与通常的结构优化方法相比，此软件有许多改进，可优化一些不易计算的结构。VAMP 还可以优化过渡态，计算溶液，以及许多电子性质。引言：本课程将介绍如何使用VAMP 来优化分子，分析结果，计算分子性质，确定化学反应的过渡态。在第一部分，优化溶靛素的结构，这是一种天然色素。由计算出的波函数分析它的几个性质。在第二部分，计算产生杂环有机物的过渡态。内容:1.开始2.优化溶靛素的分子结构*绘制待优化的结构*优化溶靛素的分子结构*分析VAMP 的输出文件，显示电子性质3.寻找硝酮、乙烯反应形成1,3 氧氮杂环戊烷的过渡态*绘制将要计算的几个结构*计算并确定过渡态火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去1.开始新建D:class10，运行MaterialsStudio，选择creatinganewproject，按确定。找到建立Project的D:class10，写入indigo_V AMP作为 project 名称，单击OK按钮火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去如右图，名为indigo_VAMP的新project出现在ProjectExplorer中.在indigo_VAMP下产生两个新文件夹如右图，在ProjectExplorer中,鼠标移至indigo_VAMP根目录上，单击右键，选择NewFolder。重复一次，建立两个NewFolder。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去在NewFolder上单击右键，选择Rename，分别将两个新文件夹改名为Indigo和TS。2.优化indigo分子的结构(1).由MaterialsStudio数据库输入indigo分子的结构选择FileImport，打开Import文件对话框。在ProjectExplorer中,选中Indigo文件夹。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去依此由Structures/molecular-crystals/pigments/indigo_1.msi，找到indigo晶体结构文件indigo_1.msi。双击双击双击选中indigo_1.msi文件，左键单击“打开”，则在Indigo文件夹中输入了indigo_1.xsd晶体结构。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去现在已经输入了一个indigo多形体晶体结构。由上面的晶体结构，可以得到单个indigo分子的结构。选择 Build Symmetry Unbuild Crystal，再单击 Recenter 按钮，这样一个indigo分子出现在3D Viewer的中间。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 在Modules工具栏上单击 VAMP 按钮，从下拉菜单上选择 Calculation；或者从菜单栏上选 Modules VAMP Calculation，打开 VAMP 计算对话筐。(2).优化indigo结构使用半经验VAMP软件优化分子的结构。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去在Setup栏上,将Task由Energy改为GeometryOptimization。Hamiltonian设置为AM1.现在已经指定了计算任务，使用半经验Hamiltonian。在JobControl中将Gatewaylocation设为Mycomputer，使用本地机计算。其它设置保持默认值。单击Run运行，关闭对话框。ProjectExplorer中打开了一个新文件夹indigo_1VAMPGeomOpt.软件以chart和text文件记录了计算的进程。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去(3)分析VAMP的输出文件，显示电子性质新文件夹中的indigo_1.xsd是结构优化过的indigo分子结构。indigo_1.out是VAMP计算结果的文本输出文件。这一部分我们看看文本输出文件的内容，使用VAMP分析工具显示等值面。VAMP计算了分子的许多性质。默认情况下，文本输出文件包含了生成热、偶极矩、静态极化率、13C的化学位移。双击indigo_1VAMPGeomOpt文件夹中的indigo_1.out文件。按住CTRL，再按F，出现搜索对话框。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去写入Heat，单击FindNext按钮，搜索Heat，直到找到如下部分文件：固体物理，核核间排斥强。电子加入，才凝聚。VAMP 计算出的indigo 的生成热约为39kcalmol-1总电子能总核排斥能二者之和为总能量两个收敛判据,梯度模量和原子受力的均方根值。默认的梯度模量的收敛判据是0.4kcal/mol/。输出数据显示两个收敛判据都满足了。电离势占据的分子轨道数分子重量火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去Mulliken atomic charges这行下面显示了Mulliken 分析得到的原子净电荷。继续往下看输出文件，你会找到其它性质，如偶极矩 dipole moments,极化率static polarizabilities,键级bond orders,电子布局electron populations,和13C 化学位移chemical shifts.下面利用VAMP的分析工具在屏幕上显示分子的几个性质。按住CTRL，再按F，出现搜索对话框。写入Mulliken，单击FindNext按钮，直到找到Mullikenatomiccharges。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 选Modules VAMP Analysis，打开VAMP Analysis 对话框。可以用 VAMP Analysis 工具显示几种不同的性质。先看电子密度的等值面。单击 Import 按钮。在indigo_1VAMPGeomOpt文件夹中双击indigo_1.xsd。可以改变Grid 中的设置来提高等值面的显示质量，但同时影响图形操作的速度火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 选择 Isosurface 栏，将透明滑块拖向右侧，等值面变得越来越透明，逐渐显露出分子的结构。Display Style 对话框中有不同的工具，控制如何显示观察目标。其中一个工具是控制等值面的透明度。在 3D Viewer 上右击，选择 Display Style，打开 Display Style 对话框。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去分子的原子和键都显示出来了。作出等值面后，便可以在上面绘制其它性质，如静电势。为了显示静电势，需将静电势场的数据加到3DAtomistic文件上。选择Atom栏，将分子的显示方式改为Ballandstick.在VAMPAnalysis对话框中选择Potentials，单击Import。3DViewer上的图未变。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去选择DisplayStyle对话框的等值面栏，在mappedfield的下拉菜单中选择VAMPelectrostaticpotentialofindigo_1.这样静电势就被绘制到总电荷密度的等值面上，电势大小由不同的颜色表示。颜色代表的数值可由ColorMaps显示。静电势图有助于了解分子中的电荷分布。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去参考帮助文件中的Workingwithisosurfacesandslicestutorial，可以知道等值面和切片的更多知识。由切片可以得到分子不同部分的静电势数值。由ViewToolbarsVolumeVisualization，在工具栏中显示ColorMaps等工具。3DViewer为当前文件时，这些工具的显示处于活动状态。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 等值面从3D Viewer上移除后，电荷密度分布的数据仍然保留着。可以继续用此数据研究indigo 分子的轨道。有两种方法将等值面从分子结构上删除。1.选中等值面，按delete键；2.在VolumeVisualization工具栏上单击VolumetricSelection按钮，展开VAMPtotalelectrondensity节点，选中Isosurface1，按Delete键，关闭对话框。在VAMPAnalysis对话框中选择Orbitals。表格中出现计算出的轨道和相应的能量。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去将Filter中的All改为Minimal.这样表格中只出现最临近HOMO轨道的三个轨道。HOMO是分子的最高占据轨道。如果在Setup中选择了自旋极化计算，即Spin:UHF，则表格中还会列出自旋朝上和自旋朝下的轨道。Indigo_1.xsd为当前文件。在表格中选择HOMO，单击Import按钮。则indigo的HOMO轨道出现在屏幕上。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去在分子上单击轨道，选中，按Delete键，删除。在VAMP计算出的3DAtomisticdocument上显示电荷。VAMP优化的结构indigo_1.xsd为当前文件。在VAMPAnalysis对话筐中选择Populationanalysis。单击AssignCoulsonchargestostructure按钮。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去这样分子上就出现了由Coulson方法计算出的partialatomiccharges。在3DViewer上按右键，选择Label，打开Label对话框。在ObjectType中选择Atom,在Properties中选择Charge,单击Apply按钮。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去可以选择显示Mulliken电荷。在VAMPAnalysis对话框中将电荷类型改为Mulliken，再单击左侧的Assign按钮。在Label对话框中，单击Remove按钮，去处3DViewer上的Coulson电荷。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去同前，在Label对话框中选择atom和Charge，再按Apply按钮，这样分子上就出现了由Mulliken方法计算出的partialatomiccharges。在Label对话框中，单击Remove按钮，去处3DViewer上的Coulson电荷。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去在Label对话框中，将ObjectType设为Bond。在Properties中选择BondOrder。单击Apply按钮，关闭对话框。单击AssignMayerbondorderstostructure按钮，关闭对话框。这样依据VAMP的计算，更新了分子中的键。继续下面任务之前，保存并关闭所有的文件。操作：File|SaveProject,再Window|CloseAll火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去1.准备计算所需的分子结构 这部分将从产物1,3-氧氮杂环戊烷开始，准备分子结构，用于过渡态结构的优化。第二部分：硝酮(nitrone)和乙烯(ethylene)的1,3偶极环加成反应，生成1,3-氧氮杂环戊烷，这部分内容是寻找这个反应的过渡态。1,3-氧氮杂环戊烷分子结构单击 Sketch Ring 的下拉箭头，选择 5 Member。1,3-偶极环加成反应是合成功能化5节杂环系统及其它天然产物的重要途径。对过渡态的详细了解有助于预测产物的regiochemistry。在 Project 中,在TS 文件夹上按右键，选择 New|3D Atomistic Document。将鼠标移到3D Viewer上，单击左键。这样在3D Atomistic document上出现一个5节C环。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去重新设置鼠标为3D Viewer Selection Mode鼠标移到3DViewer上，按右键，选择再选择 按照前面1,3-氧氮杂环戊烷分子的结构，将两个C原子分别改为O、N。如右图，选中一个C原子(呈黄色)。在菜单栏中选择Modify/Modify Element/Oxygen，将选中的C原子改为O原子。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去同样，将另一C原子改为N原子。鼠标移到3DViewer上，按右键，选择再选择关闭对话框。单击 Adjust Hydrogen 按钮，添加H原子。再按 按钮，初步优化分子结构。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去优化结束后，Project 中出现一个新文件夹isoxazolidine VAMP GeomOpt。在 Project 中,鼠标移至3D Atomistic.xsd 上，按右键，选择 Rename，写入 isoxazolidine。这就是刚绘制出的分子(即产物)的名称。现在用 VAMP 来优化 isoxazolidine 的结构。打开 VAMP 计算对话框，在 Setup 栏,将 Task 改为 Geometry Optimization，所用的 Hamiltonian 是 AM1。按 Run 按钮开始计算，关闭对话框。优化火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去在新文件夹中查看输出的文本文件。在 isoxazolidine VAMP GeomOpt 文件夹中，双击isoxazolidine.out 文件，此文件为当前文件。用 CTRL+F 打开搜索对话框，输入关键字 Heat。单击 Find Next 按钮，直到找到如右图所示的部分文件。电子能量核排斥能分子总能量火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去选中临近CH2-N 键的 CH2-CH2 键。现在已经建立一个产物 isoxazolidine 的结构。将此结构的两个键断开，形成两个反应物。按住 SHIFT 键，选中 C-O 键。这时一共选中两个键。按 Delete 键，删除选中的两个键。用 Measure/Change 工具，测量刚刚删除的两个键的键长。如右图，选择Distance。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去如右图，将鼠标移到乙烯的左边一个C原子上，此原子变为放大的绿色，点击鼠标左键，该原子上出现一个十字叉丝。将鼠标移至C-N的C原子上，此原子变为放大的绿色，点击鼠标左键，则显示出两个C原子之间的距离。同样，测量出乙烯右边的C原子与O原子之间的距离。两个键的距离约1.5。为了构造反应物的初始结构，用于计算，需要将键断开的两部分分开。选中O原子，按鼠标右键，选择 Select Fragment，这样就选中了硝酮。选择 Selection Mode 工具火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去同时按住 SHIFT 和 ALT 键，用鼠标右键向上平移硝酮，直至距乙烯约2.2。打开 VAMP Calculation 对话框，将Task 设为 TS Optimization，Hamiltonian设为 AM1。2.计算并确定过渡态内容：使用 VAMP Calculation 对话框，优化所建结构的过渡态和振动模式。当前文件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去单击 More.按钮，打开 VAMP TS Optimization 对话框，将Method改为Powell。关闭对话框。在 Properties 栏中选上 Frequency。按Run运行，关闭对话框。这里已经指定了近似的Hamiltonian量进行计算，本例中用Powell算法搜索过渡态。在Properties栏中选择了Frequency,可以进行简正模分析。后面将看到与反应坐标相关的虚频简正模，证实了过渡态的存在。设定当前文件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去单击 Calculate 按钮。在Analysis 栏中出现一系列频率值,其中一个是负的。这个负频率对应一个过渡态。在菜单栏中选择Tools|Vibrational Analysis，打开 Vibrational Analysis 对话框。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去工作窗口显示负频率简正模的振动，这就是reaction mode。可以设置动画播放方式。选中负频率简正模，单击Animation 按钮，关闭对话框。保存计算结果：File|Save Project，Window|Close All.本部分教学介绍。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去AustinModel1(AM1)NextcameAM1,duetoDewaret al.(1985).AM1wasdesignedtoeliminatetheproblemsfromMNDOcausedbyatendencytooverestimaterepulsionsbetweenatomsseparatedbythesumoftheirvanderWaalsradii.ThestrategyadoptedwastomodifythecorecoretermsbymultiplicationoftheCoulombtermwithsumsofGaussianfunctions.IntheoriginalAM1paper,therearefourtermsintheGaussianexpansion.EachGaussianischaracterizedbyitspositionalongtheABvectorandbyitswidth.Thissignificantlyincreasedthenumberofparametersforeachatom.18.15PM3MNDOMINDO/3provedverysuccessfulbutithadanumberoflimitations;enthalpiesofformationofconjugatedmoleculesweregenerallytoopositive,bondangleswerenotwellpredicted,andsoon.DewarandThiel(1977)introducedthemodifiedneglectofdifferentialoverlap(MNDO)model,whichtheybasedonNDDOwhilstretainingthephilosophyofMINDO/3.Thecorecorerepulsionswerefurthermodified:withadifferentformulaforOHandNHbonds.(18.16)
