Ćwiczenie nr 2 Komputerowe modelowanie cząsteczek związków chemicznych przy uŝyciu programu HyperChem Lite

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr 2 Komputerowe modelowanie cząsteczek związków chemicznych przy uŝyciu programu HyperChem Lite

2 Część teoretyczna Cel ćwiczenia 1) Zapoznanie studentów z modelowaniem molekularnym 2) Zapoznanie studentów z programem HyperChem Lite 2.0 3) Modelowanie struktury cząsteczek związków nieorganicznych i organicznych przy uŝyciu programu HyperChem Lite 2.0 4) Obliczanie ciepła reakcji spalania wybranych związków organicznych przy uŝyciu programu HyperChem Lite 2.0 Wprowadzenie Czym jest Modelowanie Molekularne? Modelowanie molekularne jest zbiorem technik obliczeniowowych, które słuŝą do modelowania i przewidywania własności cząsteczek lub układów ponadcząsteczkowych. Modelowanie molekularne polega na tworzeniu dla cząsteczek chemicznych modeli, za pomocą których opisuje się lub przewiduje ich rzeczywiste własności fizykochemiczne. Za patrona modelowania moŝna by uznać André Kekulé'go, który na podstawie znanych mu wlaściwości i wzoru sumarycznego benzenu określił (trafnie!) jego strukturę. Według legendy doszedł do tego budując w wyobraźni model z sześciu małp trzymających się rękoma i nogami na kształt pierścienia. Wprowadzenie komputerów oraz rozwój fizyki molekularnej pozwoliło na stworzenie modeli teoretycznych opisujących oddziaływania występujące miedzy atomami oraz cząsteczkami. UmoŜliwia to symulacje zachowania prawdziwej cząsteczki na podstawie znanych nam praw fizycznych. Naukowcy tworzą specjalne systemy (tzw. algorytmy pól siłowych) opisujące oddziaływania rozmaitych typów atomów występujących w naturze. Jest to nazywane mechaniką molekularną. Właściwości niewielkich cząsteczek moŝna równieŝ przewidywać przy uŝyciu wzorów mechaniki kwantowej. Konieczne tu obliczenia dają znacznie dokładniejsze wyniki, wymagają jednak ogromnych mocy obliczeniowych. Moc obliczeniowa decyduje o dokładności wykonywanych symulacji rozmaitych zjawisk na poziomie pojedynczych cząsteczek. W układach o duŝej złoŝoności stosuje się uproszczone załoŝenia i/lub wychodzi się z pewnych załoŝeń początkowych, wynikających z wcześniejszych danych eksperymentalnych. Ośrodki naukowe zaangaŝowane w modelowanie molekularne posiadają własne centra komputerowe lub korzystają z czasu, jaki jest im przydzielony na superkomputerach naleŝących do innych. Obliczenia chemiczne prostych układów lub obliczenia przy uŝyciu mniej dokładnych metod moŝna juŝ przeprowadzać na komputerze osobistym. WaŜnym czynnikiem, który wpłynął na szybki rozwój badań teoretycznych jest koszt oraz czas badań teoretycznych, które są niejednokrotnie o wiele mniejszy niŝ wstępne badania praktyczne a uzyskane wyniki coraz bardziej zbliŝają się do wyników eksperymentalnych. Modelowanie molekularne znajduje m.in. zastosowanie w nanotechnologii, do projektowania leków, poznawania struktur biologicznych, których sekwencja jest znana a budowa i funkcja jeszcze nie, w badaniach materiałowych i w wielu innych miejscach.

3 Modelowanie molekularne odgrywa obecnie bardzo istotną rolę we wszystkich dziedzinach chemii. Rozwój chemii teoretycznej i opracowywanie nowych metod obliczeniowych pozwala na bardzo dobre oszacowanie właściwości fizycznych i chemicznych, modelowanie reakcji oraz stanów przejściowych, symulowanie widm spektroskopowych (IR, NMR), czy teŝ na badanie bardziej skomplikowanych układów, na przykład białek. Modelowanie komputerowe często nie moŝe dać jednoznacznej odpowiedzi na zadawane pytania, ale w znaczny sposób pomaga zrozumieć oraz rozwiązać problemy. Wszechstronnie wykształcony chemik powinien umieć korzystać z najnowszych dobrodziejstw, jakim niewątpliwie jest wsparcie badań eksperymentalnych obliczeniami. Niektóre programy uŝywane w MM: Gaussian HyperChem Cerius2 InsightII Molsoft ICM PyMOL VMD GROMOS Sirius NOCH Sybyl MOE Agile Molecule SPARTAN Millsian HyperChem Lite HyperChem Lite jest zintegrowanym i elastycznym programem słuŝącym do modelowania molekularnego przeznaczonym dla celów edukacyjnych, naukowych oraz profesjonalnego budowania modeli cząsteczek. Program pozwala na wizualizację, analizowanie oraz symulowanie cząsteczek, a takŝe dostarcza informcję o strukturze modelowanych cząsteczek. W celu zaznajomienia się z moŝliwościami i charakterystyką programu HyperChem moŝna zapoznać się z informacjami ze strony: Na tej stronie znajdują się informację o programie HyperChem i jego moŝliwościach. Istnieje moŝliwość ściągnięcia czasowej wersji programu, która moŝe być pomocna przy opracowywaniu sprawozdania. Materiały źródłowe:

4 Opis ćwiczeń Zajęcia (3 godziny) 1 godzina Sprawdzian z teorii (30 minut). Uruchomienie programu, informacje o konfiguracji i wprowadzenie do modelowania molekularnego z zastosowaniem Hyper Chem (ogólna charakterystyka). 2 godzina Omówienia wygląd okna menu rozwijalnego oraz paska narzędzi ze szczególnym uwzględnieniem menu BUILD. (pokaz) Budowanie prostych molekuł: (studenci wykonują te ćwiczenia samodzielnie). Nagrywanie zbudowanych struktur na dysk. Omówienie układów współrzędnych, powiększania, obrotu i róŝnych rodzajów zobrazowania (rendering), pomiaru obiektów lub ich części (pomiar odległości, kątów i kątów torsyjnych), nazywania części molekuł (Menu EDIT, SELECT, DISPLAY) o likwidowanie nazw. Pomiar róŝnych parametrów prostych molekuł: H 2 O, CH 4, C 2 H 6, C 3 H 8, C 4 H 10, C 6 H 6, NH 3, C 6 H 12, C 2 H 5 OH oraz zmiana sposobu prezentowania molekuł (studenci wykonują te ćwiczenia samodzielnie). 3 godzina Wykonanie ćwiczeń: 1) Samodzielne budowanie cząsteczek związków organicznych i nieorganicznych. Optymalizacja struktur wybranych cząsteczek przy uŝyciu metody MM+ oraz wyznaczenie energii tych cząsteczek (Precedura Single Point). Porównanie długości wiązań, kątów i kątów torsyjnych oraz energii po optymalizacji struktury cząsteczek róŝnymi metodami MM+ (Steepest Descent, Fletcher-Reeves, Polak-Ribiere, Block Diagonal Newton- Raphson)(studenci wykonują te ćwiczenia samodzielnie). 2) Obliczanie entalpii reakcji (wykorzystuje się energię cząsteczek obliczoną przy uŝyciu procedury Single Point) spalania wybranych związków chemicznych. Optymalizacja struktury cząsteczek przy uŝyciu róŝnych metod MM+ oraz porównanie wyników uzyskanych przy uŝyciu tych metod (studenci wykonują te ćwiczenia samodzielnie). Cząsteczki do wykonania zadań zostaną rozdane podczas ćwiczeń!!! Wymagania wiedza do sprawdzianu z teorii: 1. Zasada nieoznaczoności Heisenberga. 2. Liczby kwantowe. Zakaz Pauliego i Reguła Hunda 3. Pojęcie orbitalu atomowego i cząsteczkowego na przykładzie atomu wodoru, wegla, litu i berylu. 4. Pojęcie orbitalu wiąŝącego i antywiąŝącego. 5. Hybrydyzacja orbitali. 6. Rząd wiązania i energia wiązania.

5 Wskazówki do ćwiczeń: Ćwiczenie I Etapy wykonania ćwiczenia: 1) Narysować strukturę uŝywając narzędzi z menu Build pamiętać proszę o uwzględnieniu atomów wodoru oraz wolnych par elektronowych 2) Obliczyć energię narysowanej cząstki, znaleźć długości wiązań oraz kąty pomiędzy atomami cząsteczek. 3) Zapisać cząsteczkę na dysku we wcześniej załoŝonym folderze Modelowanie 4) Przeprowadzić optymalizację narysowanych wcześniej struktur przy uŝyciu dostępnych metod MM+ (Steepest Descent, Fletcher-Reeves, Polak-Ribiere, Block Diagonal Newton- Raphson) a następnie po kaŝdej przeprowadzonej optymalizacji obliczyć energię cząsteczki przy uŝyciu procedury Single Point z menu Setup. W tabeli wyników proszę podać energię zoptymalizowanej cząsteczki, jej symetrię oraz znaleźć długości wiązań oraz kąty pomiędzy atomami cząsteczek, które były wcześniej odczytane dla struktury niezoptymalizowanej. 5) W sprawozdaniu naleŝy omówić wszystkie wykonane czynności. Opisać jak zmienia się energia cząsteczki, długości wiązań i kąty podczas procesu optymalizacji. Ocenić, która z metod daje najlepszy wynik najlepszy oznacza strukturę o jak najmniejszej energii. Ćwiczenie II Etapy wykonania ćwiczenia: 1) Wszystkie obliczenia wykonać jak w Ćwiczeniu I, jednakŝe naleŝy skupić się jedynie na obliczeniu energii zooptymalizowanej cząsteczki. 2) Po uzyskaniu energii zoptymalizowanych cząsteczek naleŝy obliczyć ciepło reakcji. 3) Ciepło reakcji spalania obliczamy z poniŝszego równania: H sp = H prod - H sub pamietając przy tym, Ŝe naleŝy dodać energie cząsteczek po stronie produktów oraz energie po stronie substratów przy uwzględnieniu współczynników reakcji. Przykładowe obliczenie ciepła reakcji zostanie zaprezentowane podczas ćwiczeń. 4) W sprawozdaniu naleŝy omówić wszystkie wykonane czynności. Opisać jak zmienia się energia cząsteczki podczas procesu optymalizacji. Ocenić, która z metod daje najlepszy

6 wynik przy optymalizacji najlepszy oznacza strukturę o jak najmniejszej energii. Porównać ciepło spalania uzyskane eksperymentalnie do ciepeł spalania uzyskanych podczas ćwiczenia. Na podstawie tego porównania naleŝy ocenić przydatność metody obliczeniowej dla obliczania ciepła spalania wybranego związku. Pomocny przelicznik: 1 kcal = 4,184 kj Wszelkie pytania dotyczące wykonania ćwiczenia proszę zadawać prowadzącemu podczas zajęć, ewentualnie podczas konsultacji. Nie przewiduje się moŝliwości poprawiania sprawozdań.

7 Imię i Nazwisko... Grupa... Data... SPRAWOZDANIE - ĆWICZENIE NR 2 Komputerowe modelowanie cząsteczek związków chemicznych przy uŝyciu programu HyperChem Lite CZĘŚĆ I Budowanie, optymalizacja i wizualizacja cząsteczek związków nieorganicznych i organicznych 1. Opis procedur

8 2. Wyniki Długości wiązań Kąty Energia Symetria Ilość cykli przy (narysować cząsteczkę i (narysować cząsteczkę i (kcal/mol) Cząsteczki optymalizacji opisać na niej wartości) opisać na niej wartości) CZYTELNIE!!! CZYTELNIE!!! Struktura niezoptymalizowana Struktura zoptymalizowana przy uŝyciu metody MM+ Steepest Descent Fletcher-Reeves

9 Długości wiązań Kąty Energia Symetria Ilość cykli przy (narysować cząsteczkę i (narysować cząsteczkę i (kcal/mol) Cząsteczki optymalizacji opisać na niej wartości) opisać na niej wartości) CZYTELNIE!!! CZYTELNIE!!! Struktura zoptymalizowana przy uŝyciu metody MM+ Polak-Ribiere Block Diagonal Newton- Raphson

10 3. Omówienie wyników 4. Wnioski

11 CZĘŚĆ II Obliczanie entalpii reakcji spalania wybranych związków chemicznych przy uŝyciu róŝnych metod MM+. 1. Opis procedur

12 2. Wyniki Schemat Reakcji:

13 Metoda MM+ Cząsteczka Energia (kcal/mol) Steepest Descent Związek Entalpia Reakcji (kcal/mol) O 2 CO 2 CO C H 2 O N 2 Fletcher-Reeves Związek O 2 CO 2 CO C H 2 O Polak-Ribiere N 2 Związek O 2 CO 2 CO C H 2 O N 2 Block Diagonal Newton-Raphson Związek O 2 CO 2 CO C H 2 O N 2

14 3. Omówienie wyników 4. Wnioski