ChemOffice在化工中的应用

ChemOffice在化工中的应用

一、Chemoffice简介

ChembioOffice 是由CambridgeSoft（剑桥化学软件公司）开发的综合性科学应用软件包。该软件包是为广大从事化学、生物研究领域的科研人员个人使用而设计开发的产品。同时，这个产品又可以共享解决方案，给研究机构的所有科技工作者带来效益。利用ChemBioOffice 你可以方便的进行化学生物结构绘图、分子模型及仿真、可以将化合物名称直接转为结构图，省去绘图的麻烦；也可以对已知结构的化合物命名，给出正确的化合物名。

二、Chemoffice的用途

办公桌将成为科学家成功的起点，在这里科学家可以用ChemDraw 和ChemOffice 去完成自己的想法，和同事用自然的语言交流化学结构，模型和相关信息，在实验室，科学家用E-Notebook 整理化学信息、文件和数据，并从中取得他们所要的结果。ChemNMR 可预示分子化学结构的13C 和1H NMR 位移。

三、Chemoffice的组成

ChemFinder 化学信息搜寻整合系统，此外还加入了E-Notebook Ultra 10.0，BioAssay Pro 10.0，量化软件MOPAC、Gaussian 和GAMESS 的界面，ChemSAR, Server Excel, CLogP, CombiChem/Excel等等，ChemOffice Pro 还包含了全套ChemInfo 数据库，有ChemACX 和ChemACX-SC，Merck 索引和ChemMSDX 等等。

四、以Chemoffice2002为例介绍Chemoffice

Chemoffice2002与早期版本相比, 功能大大增加, 界面也更加简洁、友好。基本功能和特点简述如下:

Chem 3D将二维平面图形转化为三维的空间结构, 在分子和原子水平上利用分子力学、分子动力学和量子化学计算手段模拟和分析分子的立体构象, 从而使化学家从本质的分子作用机制出发, 理解和搞清化学反应的机理和难易程度以及分子间的立体结构和电性、疏水性的相似性, 探讨分子发生反应的可能性和体现生物活性的大小和其结构之间的必然本质的联系。得到的实验数据和分析结果

都可以从容的输人到chemfinder这个化学信息数据库中, 以供以后的随时检索和管理。

利用Chem Draw可以方便的读取和构造各种格式的化学结构式, 使文章编辑图文一体, 同时利用内置的分子性质预测模板计算所绘制的化合物的核磁共振图谱, 各种物理化学性质, 如: BP 、MP、lo g P、反应生成热、临界温度、临界压力、Gi b bs 自由能、折射指数等。

Chemfinder 数据管理系统具有很强的模糊识别和纠错能力, 可将多种标准加人查询提间式,全面检索化合物结构、亚结构、立体化学特性、分子式、物化性质

、生物活性等特征文本, 反应物、生成物、转移的功能基团均可作为提问式检索化学反应信息数据库, 并以原子映射的方式搜寻出相关反应数据, 下拉式菜单容许同时浏览多个检出记录。高性能的数据搜索算法可迅速准确的从成千上万的编码条目中检索出有关资料, 并可对检索出来的条目根据一定规则进行排序、分类和存储。

Chemlnfo 包含的多种化学通用数据库共四十多万个化合物的结构、性质、反应式、文献的检索条目的利用, 将极大程度上为化学家的目的化合物设计、反应路线选择和物化性质预测以及文献调用提供便利条件。

五、Chemoffice2002在化工中的应用

5.1 利用Chem3D将二维图形转化为三维图形

在Chem Draw 中建立分子结构式, 并保存(如图l), 然后在Che m 3D 中选择一显示模式打开该文件, 即可转化为结构模型(如图2),并可变为三维图形(如3)。此三维图形可以旋转,也可按电影形式播放。

5.2利用Chem 3D进行化学计算

化学计算是Chem 3D 的主要功能之一,它能进行包括计算键长、键角、二面角等基本参数,还能够结合M MZ、MOPA C、Gaussian 等程序进行分子力学计算和量子化学计算。可以对分子进行动力学模拟、化合物构象分析和过渡态能量最优化。

计算化学包括一系列的计算方法, 但主要包含两个主要分支: 分子力学计算方法和量子力学计算方法。分子力学计算应用经典物理学的原理, 不考虑原子核周围的电子影响。量子力学计算基于薛定鄂( Se ho r in g e r ) 方程, 对分子内的电子的相互作用加以描述。一般说来, 量子力学计算方法再可以细分为两个方面:从头计算法和半经验公式。因此, 计算方法可分为两个等级,包含三种方法。其结构如图4 所示:

5.4计算方法的选择

并不是每一个类型的计算都要用到所有的计算方法, 也并不是每一种计算方法都适用于任何一种计算。每一种计算方法在应用起来都有其利弊, 选择哪一种计算方法, 取决于因数的数目, 包括所要计算的分子种类; 所要获得的资料的类型; 以及实验上决定了的参数。这三种方法的最重要的标准如下: 模型大小; 参数的有效性; 计算机资源。对于一种独特的计算方法来说, 模型分子的大小是最重要的限制条件。一般说来, 分子中原子数目的限制使从头计算法和分子力学计算法之间有近似一个数量级的差别。从头计算法限制原子数目在3 0 个以内, 半经验量子化学计算法为30 个, 而分子力学计算法为几千个。

5.5.1分子优化

分子优化是Che m 3 D 的主要特点之一, 它们主要遵循能量最小化原理, 结合分子结构中的电子微扰效应, 使分子能量最低, 处于相对最稳定状态。主要还是利用上面所讲述的三种计算方法。Chem 3D 中MMZ 菜单和MOPA C 菜单内容相似, 只是后者可以生成输出文件, 在Windowsltemp文件夹中, 用户可以进行参考。

单击MMZ 菜单中的Minimize Energy命令, 即可实现分子优化, 在消息栏中显示优化的信息,并且记录了每一个祯。MMZ 和MOPA C进行分子优化的区别在于MMZ 考虑了孤对电子影响; 而MOPA C 优化时要先去掉孤对电子, 它考虑了分子间的偶极作用。MOPA C 进行分子优化后, 在信息栏中给出形成热吃Heat of Frormation )、梯度均方( GradientNorm)和偶极距( Dipole)的数据。

5.5.2 分子动力学模拟和过渡态能量优化

除两者在分子模型的大小方面有区别外, MMZ 和MOPA C在进行化学计算时各有所长, 前者能进行分子动力学模拟, 而后者可以进行过渡态能量优化。我们分别进行介绍:

选择MM Z 菜单中Moleeular Dynamies 命令, 打开Dynamies面板,设置各种参数, 然后转换到JobType面板, 选中Copy Measurem entto Messages , 则在信息窗口中可以看到动力学数据, 包括总能量、势能和虚拟温度。模型窗口中显示分子动力学过程。数据如表l :

如果选择了测量数据(如原子间距),则可以看到测量数据在不断发生变化。

选择MO p A C 菜单中的O p tim iz e to T r a n s it io n St a te 命令, 在T h e o 口面板中选择Method 和WaveFunction , 然后在Properties面板中选择性质, 可以选择一种或多种性质进行描述。例如: 选择形成热( Heat of Formation )、梯度均方(Gradient Norm )、偶极距(Dipole)和极化率(Pozariza bilities )等性质进行过渡态能量最优化, 数据如表2 :

5.6利用Chem Draw推测化合物的1H NMR和13C NMR谱图

Chem NMR Pro是Che m Draw Ultr a 一个独特的插件, 它能够推测和显示所选化合物中质子以及碳一13 化学位移( p p m )。

在C hem Draw的Windows版本中, 按照以下步骤来推测质子以及碳一13 核

磁共振谱图。

5.6.1 选择目标化合物结构或结构片段

5.6.2在Strueture菜单中,选择1H NMR Shift s 或者13C NMR Shifts。

5.6.3 Chem NMR Pro将重新建立一个文档窗口, 重新绘制出分子结构和化学位移, 并且显示出完整的线状核磁共振图谱, 如图5 :

5.6.4 同时系统自动在记事本中记录下光谱详细数据, 如表3 :

5.7利用Chem Draw分析化合物分子的物理化学属性

5.7.1 分析化学结构基本参数

Chem Draw 可以分析计算化合物结构的基本参数, 包括分子式、分子量、摩尔质量、质荷比和元素百分比, 并可以选择直接粘贴在文档中。如图6 ：

5.7.2 分析物理化学属性

进行物理化学属性分析时, 在view 菜

单中选择Show Chemiealpro vertiex

Windows , 就可以得到可以分析出的物理

化学属性, 如图7 所示为金刚烷的物理化

学属性:

点击右图的“Paste”按钮, 则可直接把

物理化学属性粘贴在文档中; 点击

“Report ”按钮, 则各种物理化学属性以

及计算方法将以记事本文件打开, 可以选

择保存文件。

六、结束语

Chemoffice 功能非常强大, 不仅可用于化学教学、化学分析、化学计算、创

建化学数据库, 还可用于化学研究领域, 是一个理想的桌面型化学软件, 值得化学工作者学习和应用。

参考文献:

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