Tài liệu Bài giảng Xây dựng, trình bày phân tử với Hyperchem pdf

Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU
Tel: 0943457548; email:
Hanoi, 20/5/2008

Bi 1
xây dựng, trình by phân tử với Hyperchem

I Mục đích:
1. Sử dụng chơng trình Hyperchem
2. Xây dựng phân tử
3. Trình by phân tử.
II. Hớng dẫn

1. Khởi động Hyperchem:

Nhấn đúp trái chuột vo biểu tợng của chơng trình

(C:\Hyper6\Program\chem.exe)
Hoặc khởi động từ menu Start
- Nhắp vo nút Start
- Chuyển con chuột đến Progams Hyperchem Release Hyperchem
Professional
- Nhắp chuột
Để thoát chơng trình, chọn menu (menu File Exit).

2. Các chức năng về file

Các chức năng về file bao gồm tạo mới, mở v lu file cấu trúc phân tử.
+ Để tạo một phần cho tính toán mới (file mới): chọn menu File New; Hoặc
bấm phím tắt: Ctrt + N.
(Mn hình khởi đầu của chơng trình Hyperchem ngầm định l file mới).

Nếu có một file (một cấu trúc phân tử trên mn hình) hộp thoại sẽ hiện ra hỏi
bạn có lu file không:
Save current changes: <tên file>?
Nhắp chuột vo nút Yes
để lu phân tử đang có trên mn hình vo file (xem lu
file); nhắp vo nút No
để tạo thnh hình mới cho cấu trúc phân tử khác (file mới) m
không lu phân tử đang có trên mn hình; nhắp vo nút Cancel
để không tạo file mới
(vẫn sử dụng phân tử đang có trên mn hình).
+ Mở phân tử đã có (file cũ): chọn menu File open; cửa sổ mở hiện ra (hình
1).
1
Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU
Tel: 0943457548; email:
Hanoi, 20/5/2008


Hình 1
: Hộp thoại mở File.
- File name: tên file để mở; đánh tên file muốn mở v chọn nút OK.
Hộp liệt kê phía dới l các file đang có trong th mục nh hiện thời; có thể
nhắp đúp núi trái chuột vo một file trong hộp ny để mở file trực tiếp.
- Diretories: th mục hiện thời; sử dụng chuột nhắp đúp vo tên th mục trong
hộp liệt kê phía dới để chọn th mục. Các file trong th mục đợc chọn sẽ hiện lên
trong hộp liệt kê file.
- File Type: Kiểu của file (phần mở rộng của file).
Kiểu của file l kiểu khuôn dạng lu cấu trúc phân tử. Trong Hyperchem có tác
dụng kiểu sau:
Kiểu Khuôn dạng

HIN Hyperchem
PDB Brookhaven Protein Databank
SKC ISIS Sketch
MOL MDL MOL
ML2 Tripos MOL 2
ZMT MOPAC Z - Matrix
CHM CS Chem Draw
- Comments: Chú thích của file (Xem mục lu phân tử).
- Nút OK: Mở file có tên trong hộp file name (xem file name phía trên).
- Nút Cancel: không mở file
- Nút Network: (Chỉ sử dụng khi máy tính nối mạng) chọn th mục trên mạng.
2
Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU
Tel: 0943457548; email:
Hanoi, 20/5/2008

+ Lu phân tử: Sử dụng ghi lại phân tử đã đợc tính toán hoặc xây dựng đang
có trên mn hình. Chọn menu File Save.
Hộp thoại lu phân tử tơng ứng với hộp thoại mở phân tử (hình 1) để lu phân
tử.
Chọn th mục ( Diretories) chọn kiểu ghi (file type) Nhập tên File (File
name) chọn nút Ok .
Chú ý: - Nếu phân tử đã đợc lu trớc đó (đã có tên file) chơng trình sử dụng
ngầm định tên file m không hỏi tên file để lu nữa. Nếu muốn lu theo file khác chọn
menu File Save as.
- Nếu muốn thêm dòng chú thích vo file, chuyển con trỏ xuống mục Comments
v đánh một hay nhiều dòng chú thích. Để thêm dòng mới trong hộp ny, ấn tổ hợp
phím Ctrt - Enter.
3. Log file.
Logfile l file lu các kết quả, phơng pháp tính toán. Vì vậy luôn tạo log file

trớc khi tính toán. Sử dụng một phần mềm soạn thảo văn bản để xem log file sau khi
kết thúc.
Dới đây l một số chức năng về log file.
a, Tạo log file
Chọn menu File Start log
Hộp thoại mở file (hình 1) hiện ra; nhập th mục v tên file log để file cho lu
kết quả tính toán.
b, Đóng log file
Chọn menu File Start log
Đóng log file hiện đang đ
ợc mở. Nếu log file bị đóng, kết quả tính toán sẽ
không đợc sử dụng.
c, Chú thích cho log file
Thêm một hay nhiều dòng chú thích vo log file.
4. Xây dựng phân tử.
4.1 Vẽ phân tử.
Các bớc thực hiện:
a, Chọn nguyên tố:

Chọn menu Build Default Element...
Bảng hệ thống tuần hon hiện ra (Hình 2)
Nhắp chuột vo nguyên tố cần chọn để chọn nguyên tố.
3
Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU
Tel: 0943457548; email:
Hanoi, 20/5/2008


Hình 2. Bảng hệ thống tuần hoàn cho chọn nguyên tố.
Chú thích:

- Để sử dụng nguyên tố có nhiều liên kết hơn hoá trị của nó, đánh dấu hộp Allow Ions.
- Để ngầm định nguyên tố ngoi cũng l Hydro, đánh dấu hộp Explicit
Hydrogens.
- Có thể đóng lại hoặc không cần đóng bảng hệ thống tuần hon khi vẽ phân tử.
b, Vẽ cấu trúc phân tử với nguyên tố đã chọn:

* Vẽ nguyên tử.
Nhắp vo nút
để vẽ các nguyên tố trong phân tử. Các nguyên tố đợc quy
ớc từ lúc chọn nguyên tố (phía trên).
Cách vẽ:
- Nhắp vo nguyên tử trên mn hình, giữ chuột v kéo chuột tới một nguyên tử
no đó đã vẽ để tạo liên kết của nguyên tử mới vẽ với nó.
- Nhắp đúp chuột vo liên kết để tạo các nối bội.
- Để xoá liên kết, nguyên tử: nhắp nút phải chuột vo liên kết hoặc nguyên tử đó.
* Quay phân tử:
- Nhắp vo nút
để quay phân tử trong mặt phẳng mn hình.
- Nhắp vo nút
để quay phân tử trong không gian ba chiều.
Cách quay: Nhắp vo nút trái chuột trên mn hình, dịch chuyển chuột để quay
phân tử.
* Phóng to, thu nhỏ phân tử.
Nhắp vo nút
sau đó nhắp v giữ nút trái chuột v kéo để phóng to, thu nhỏ
phân tử trên mn hình.
* Dịch chuyển phân tử.
Nhắp vo nút
sau đó nhắp v giữ nút trái chuột v kéo để chuyển phân tử trên
mn hình.

c, Lặp lại bớc a và b cho đến khi phân tử đợc xây dựng xong

4
Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU
Tel: 0943457548; email:
Hanoi, 20/5/2008

4.2 Chức năng nhanh cho vẽ phân tử
a. Menu Build Explicit Hydrogens.
Khi đợc đánh dấu: Ngầm định vẽ nguyên tử Hydro cho liên kết đơn. Nhắp
chuột vo nguyên tử ny sẽ đơc nguyên tố đã ngầm định.
b. Menu Build Add Hydrogens.
Thêm các nguyên tử hydro vo phân tử cho đủ số liên kết cần có của mỗi
nguyên tố trong phân tử.
c. Menu Build Modern Build
Xây dựng nguyên tử theo mô hình không gian của phân tử.
5. Kiểu hiển thị
5.1 Kiểu vẽ mô hình phân tử.
Chọn menu Display Rendering
Hộp thoại chọn kiểu vẽ phân tử hiện ra nh hình 3.

Hình 3: Hộp thoại chọn kiểu hiển thị phân tử
+ Sticks: Biểu diễn mỗi liên kết theo một đờng. Mỗi nửa của liên kết có mu
ứng với mu của nguyên tử (xem mu của nguyên tử).
+ Disks: Biểu diễn phân tử bằng các đĩa phẳng xen phủ bởi các nguyên tử trong
phân tử.
+ Spheres: Biểu diễn các nguyên tử trong phân tử theo các hình cầu xen phủ .
+ Biểu diễn bề mặt các nguyên tử trong phân tử theo các hình cầu xen phủ bởi
các điểm chấm, chứng tỏ bán kính van der Waals .
+ Sticks & Dots: biểu diễn các liên kết v sự chiếm chỗ không gian của các

nguyên tử trong phân tử.
Các thuộc tính:
+ Stereo: Biểu diễn hai ảnh của phân tử (chỉ sử dụng cho kiểu Sticks)
5
Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU
Tel: 0943457548; email:
Hanoi, 20/5/2008

+ Perspective: hiển thị phân tử trong không gian (nguyên tử gần hơn thì lớn hơn;
chỉ sử dụng cho kiểu Sticks).
+ Ribbons: hiển thị theo dạng dải (thờng sử dụng cho polypeptide hoặc protein;
chỉ sử dụng cho kiểu Sticks. dots v Sticks & Dots).
+ Wedges: hiển thị phân tử theo hình "cái nêm" (nguyên tử gần hơn thì lớn hơn).
+ IR Vectors: hiển thị vector dịch chuyển mode dao động (sử dụng sau khi tính
dao động).
5.2 Kiểu biểu diễn thuộc tính phân tử:
Chọn menu labels, hộp thoại biểu diễn các thuộc tính phân tử hiện ra.

Hình 4: Hộp thoại biểu diễn các thuộc tính phân tử
Chọn kiểu hiển thị thích hợp để biểu diễn các nhãn của phân tử (ví dụ: None:
không hiển thị nhãn; Symbol: hiển thị ký hiệu nguyên tố; Number: hiển thị số thứ tự
đợc vẽ của các nguyên tố trong phân tử; Charge: Hiển thị diện tích (mật độ electron)
sau khi tính toán .).
5.3 Thiết lập màu cho phân tử.
Chọn Menu Display Element color, hộp thoại chọn mu cho các nguyên tố
hiện ra (hình5).

Để chọn mu, nhắp chuột vo nguyên tố ở hộp liệt kê bên trái sau đó nhắp chuột
v một mu ở hộp liệt kê bên phải.
Chọn Ok để đổi mu, Cancel để không đổi mu v Revert để đảm bảo mu cho

nguyên tử.
6
Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU
Tel: 0943457548; email:
Hanoi, 20/5/2008

Bi thực hnh
Bi mẫu:
Vẽ v biểu diễn hình học phân tử C
2
H
4
1. Chạy chơng trình Hyperchem Default element nhắp vo nguyên tử Cácbon.
3. Đóng bảng hệ thống tuần hon (nhắp chuột vo dấu chữ thập x tại góc phải
trên bảng hệ thống tuần hon.)
4. Nhắp chuột vo nút
.
5. Nhắp chuột vo một vị trí bất kỳ trên mn hình trống, một nguyên tử hiện ra
(nguyên tử thứ nhất).
6. N hắp chuột vo vị trí bất kỳ bên cạnh nguyên tử vừa vẽ, tiếp tục giữ chuột v
kéo chuột tới nguyên tử thứ nhất, nguyên tử thứ hai cùng liên kết giữa hai nguyên tử
hiện ra.
7. Nhắp chuột vo liên kết giữa hai nguyên tử, liên kết đôi hiện ra.
8. Chọn Menu Build Add Hydrogens bốn nguyên tử hydro đợc thêm vo
nguyên tử đợc tạo.
9. Chọn Menu Build Modern Build, phân tử đợc tạo có cấu hình không gian
tơng đối theo dạng thật.
10. Sử dụng chức năng quay, biểu diễn để xem phân tử, Muốn lu lại phân tử
ny, chọn menu File Save.
Bài thực tập

Vẽ các phân tử sau:
CH C CH CH CH CH
3
N
OO



OH
H
H


N
H

+ Biểu diễn theo cấu trúc hình học
+ Biểu diễn theo các nhãn
+ Lu lại các file ny.
+ Thoát khỏi chơng trình Hyper Chem
+ Chạy lại chơng trình v mở lại các file ny.
(Chú ý:
để vẽ vòng liên kết giải toả trong vòng Benzen, nhắp đúp chụôt vo trong
liên kết trong vòng Benzen).

7
Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU
Tel: 0943457548; email:
Hanoi, 20/5/2008

Bi 2:
Mo - Huckel
I Mục đích
Tính toán các hệ electron với phơng pháp HMO (MO - Hucken).
II Cơ sở lý thuyết
Đa số mục đích của bi toán hoá lợng tử l giải phơng trình Schrodinger
không phục thuộc thời gian TISE (Time Independent Schrodinger Equation):

H=E (1)
Trong đó,
l hm sóng không phụ thuộc thời gian, E l năng lợng tổng (trạng
thái dừng) v

H l toán tử Hamilton:

H=T+V
(2)
Trong đó:

T
v

V
l toán tử động năng v thế năng tơng ứng.
Dới gần đứng adiabatic (Born - Oppenheimer) các hạt nhân đợc coi l cố định,
vì vậy động năng hạt nhân bằng 0, thế đẩy hạt nhân bằng hằng số. Khi ny, bi toán
hoá lợng tử trở thnh bi toán giải phơng trình Schrodinger trong trờng hạt nhân
dừng, với toán tử Hamilton cho các electron:
nNn nN
2

sst
i
i=1 s=1 i=1 i<j s<t
is ij st
ZZZ
11

H=- - + +
2rrR


(3)
ở phơng trình ny, số hạng thứ nhất l động năng electron, số hạng thứ hai l
lực hút hạt nhân - electron, số hạng thứ ba l lực đẩy electron - electron v số hạng cuối
cùng l lực đẩy giữa các hạt nhân, bằng hằng số. Với ký hiệu l toán tử Laplace (=
d/dq), N số hạt nhân, n số electron, r l khoảng cách, Z l điện tích hạt nhân.
Giả sử các electron không tơng tác, toán tử Hamilton (3) trở thnh tổng ác toán
tử Hamilton đơn electron:
i

H= h

(4)
N
2-1
isij
s=1
1
h=- Zr
2

(5)

Theo hệ qủa phơng trình trên, hm sóng trở thnh tích các hm sóng đơn hạt
(gọi l tích Hatree):
12 n
= ... (6)
Tơng ứng, năng lợng tổng của hệ trở tổng năng lợng hạt:
n
i
i=1
E=


(7)
Từ đó, ngời ta xây dựng đợc định thức Slater:
8
Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU
Tel: 0943457548; email:
Hanoi, 20/5/2008

11 1
12
1
22 2
12
2
12
() ()... ()

() ()... ()
E=(n!)
...
() ()... ()
n
n
nn n
n
x xx
x xx
x xx




ff f
ff f
ff f

(8)
Từ phơng trình (1), kỳ vọng năng lợng của hệ đợc định nghĩa:
total
H
E
< >
=
<>
(9)
Dới điều kiện chuẩn hoá:
total

E=< H > (10)
Đối với phân tử, hm sóng đợc coi l tổ hợp tuyến tính các obitan nguyên tử
(LCAO):
vi i
v
=c


(11)
Từ (10) v (11), ngời ta đa ra định thức thế kỷ:
ij ij
H-SE=0 (12)
Với
ij
H
ii j
h

= (Tích phân Coulomb)
ij
S
ij

= (Tích phân xen phủ)
Để tính toán hệ liên hợp , Huckel đa ra phơng pháp chỉ xét các orbital
trong tính toán, còn các obital có đối xứng , các obital lõi (core - obital) đợc coi l
hằng số. Toán tử electron cho electron gọi l toán tử Hamilton hiệu dụng H
eff
.
Nguyên tắc chung của phơng pháp ny nh sau:

+ Loại bỏ tích phân xen phủ:
ij
S
ij ij

=< >= (13)
ở đây, l
ij
l delta Kronecker (= 0 với ij; =1 với i=j)
+ Tất cả các tích phân Coulomb đều đợc coi l bằng nhau:
ii i eff i i
H=< H >= (14)
+ Các tích phân
ieffi
< H > đợc coi l bằng nhau khi hai nguyên tử i v j đứng
cạnh nhau, v bằng 0 nếu chúng không cạnh nhau:
( i cạnh j)
ij i eff j
H=< H >=

0

(i không cạnh j)
(15)
Vì vậy, phơng trình thế kỷ v định mức thế kỷ (12) trở thnh:
(16)
0
0
ij ij ij
ij ij

Hc
H


=
=

(17)
9
Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU
Tel: 0943457548; email:
Hanoi, 20/5/2008

Thực hiện giải hai phơng trình (16) v (17), nghiệm v các tính chất của hệ liên
hợp có thể thu đợc.
Sử dụng chơng trình Huckel
1. Xây dựng file dữ liệu:
File dữ liệu l file chứa định thức thế kỷ của phân tử có. Với các phần tử trên
đờng chéo x đợc thay thế bởi số 0.
Trong trờng hợp có dị tố trong phân tử (trong phân tử ngoi C, H còn có N, O,
Cl ) thì thay x trong định thức thế kỷ bằng
x
v thay số 1 của cacbon cạnh dị tố bởi
k
C-X
.
Cấu trúc của file dữ liệu
Dòng thứ nhất: chứa cỡ của định thức thế kỷ.
Dòng thứ 2: hng thứ nhất của định thức thế kỷ
Dòng thứ 3: hng thứ hai của định thức thế kỷ

..
Ví dụ:
+ Với phân tử Butadien C
4
H
6
định thức thế kỷ biểu diễn nh sau:
100
110
01 1
001
x
x
x
x

Với x = -E/)
Trong phai dữ liệu chứa:
4
0 1 0 0
1 0 1 0
0 1 0 1
0 0 1 0
+ Với phân tử Furan ( C
4
H
4
O) có:
x
= 2, k

C-O
= 0.8, file dữ liệu chứa.
5
2 0.8 0 0 0.8
0,8 0 1 0 0
0 1 0 1 0
0 0 1 0 1
0.8 0 0 1 0
10
Nguyen Huu Tho, CCC-DPC-FC-HUS-VNU
Tel: 0943457548; email:
Hanoi, 20/5/2008

Để xây dựng cấu trúc phân tử, có thể sử dụng các chơng trình soạn thảo văn bản
nh NC, DOS, hoặc NotePad trong Window...
+ Với NC:
Chạy chơng trình NC.
Nhấn tổ hợp phím Shift +F4, cửa sổ hỏi tên file hiện ra: nhập tên file dữ liệu ấn
ENTER, cửa sổ soạn thảo hiện ra.
Đánh các dòng của file dữ liệu.
Nhấn phím F2 để ghi
Nhấn ESC để thoát.
+ Với DOS: tại dấu nhắc DOS, gõ dòng lệnh sau:
COPY CON < tên file. Dat> ấn Enter
đánh các dòng của file dữ liệu
ấn tổ hợp phím Ctrl - Z để kết thúc.
+ Với NotePad trong Windows
Chạy chơng trình NotePad
đánh các dòng của file dữ liệu
Chọn file save để lu file dữ liệu, đánh tên th mục, file dữ liệu v chọn Ok.

Thoát chơng trình NotePad (menu file Exit).
2. Chạy chơng trình:
Sau khi xây dựng file dữ liệu, chạy chơng trình HUCKEL. EXE trong th mục
chứa chơng trình ny.
Để chạy chơng trình:
+ Tại dấu nhắc DOS, gõ dòng lệnh:
CD<th mục chứa file huckel.exe> ấn ENTER
+ Hoặc sử dụng NC , chuyển thanh sáng tới vị trí th mục chứa file huckel, ấn
enter để vo th mục ny. Chuyển thanh sáng tới file HUCKEL. EXE, ấn enter.
Bạn đợc thông báo:
TINH TOAN CHO PHAN TU GI:? Nhập tiêu đề phân tử tính toán.
number of electron: Nhập số electron pi
TEN FILE MA TRAN =
Nhập tên v đờng dẫn đầy đủ của file ma trận
TEN FILE GHI KET QUA = Nhập tên File tính kết quả.
Sau đó chơng trình sẽ thực hiện tính toán v đa kết quả ra mn hình dùng File
kết quả. Để xem file kết quả, sử dụng một chơng trình văn bản nh NC (ấn F3 hoặc
F4 khi thanh sáng ở file kết quả) NotePad trong windows (xem bi 1)
Bi thực hnh:
Bi mẫu:
Xây dựng ma trận mật độ v tính toán HMO cho các phân tử etylen
11