Используем Avogadro для визуализации геометрии молекул

Химия
3

Изучение химических сэндвичей

Авогадро можно использовать для рассмотрения \pi-\pi взаимодействий.

Для начала возьмем экспериментальную геометрию бензола. Если вы сохраните следующие данные в файле c расширением .xyz[1], например benzene.xyz, вы можете открыть этот xyz файл в Авогадро и увидеть привычную гаечку.

12
Experimental geometry for benzene
C	0.0000	1.3970	0.0000
C	1.2098	0.6985	0.0000
C	1.2098	-0.6985	0.0000
C	0.0000	-1.3970	0.0000
C	-1.2098	-0.6985	0.0000
C	-1.2098	0.6985	0.0000
H	0.0000	2.4810	0.0000
H	2.1486	1.2405	0.0000
H	2.1486	-1.2405	0.0000
H	0.0000	-2.4810	0.0000
H	-2.1486	-1.2405	0.0000
H	-2.1486	1.2405	0.0000

Если открыть этот файл в Авогадро и запустить оптимизацию структуры в MMF94, геометрия не изменится, но мы можем зафиксировать значение энергии: \pu{E= 67.9391 kJ mol-1}.

image
image994×798 21.5 KB

Теперь сделаем наш сэндвич: расположим еще одну молекулу бензола прям над первой на расстоянии 4.5 \AA.

24
Experimental geometry for benzene
C	0.0000	1.3970	0.0000
C	1.2098	0.6985	0.0000
C	1.2098	-0.6985	0.0000
C	0.0000	-1.3970	0.0000
C	-1.2098	-0.6985	0.0000
C	-1.2098	0.6985	0.0000
H	0.0000	2.4810	0.0000
H	2.1486	1.2405	0.0000
H	2.1486	-1.2405	0.0000
H	0.0000	-2.4810	0.0000
H	-2.1486	-1.2405	0.0000
H	-2.1486	1.2405	0.0000
C	0.0000	1.3970	4.5000
C	1.2098	0.6985	4.5000
C	1.2098	-0.6985	4.5000
C	0.0000	-1.3970	4.5000
C	-1.2098	-0.6985	4.5000
C	-1.2098	0.6985	4.5000
H	0.0000	2.4810	4.5000
H	2.1486	1.2405	4.5000
H	2.1486	-1.2405	4.5000
H	0.0000	-2.4810	4.5000
H	-2.1486	-1.2405	4.5000
H	-2.1486	1.2405	4.5000

Откроем в Авогадро. Сэндвич выглядит так (я включил отображение Labels в Display Types)

image
image828×880 32.8 KB

Давайте замерим расстояние между атомом углерода 1 и 13. Для этого выберем инструмент линейки и нажмем на эти два атома по очереди:

Расстояние 4.5 \AA, как мы и хотели:

image
image950×926 38.1 KB

Прежде чем запустим оптимизацию структуры, надо установить некоторые ограничения, чтобы одна молекула бензола оставалась параллельна второй. Для этого идем в Extensions → Molecular Mechanics → Constraints…

image
image698×1036 101 KB

И выставляем Fix atom X и Fix atom Y по очереди для атомов 1 и 13 (т.е. мы фиксируем их x и y координаты, они не могут меняться при оптимизации):

image
image1576×748 107 KB

Жмем ОК и запускаем оптимизацию с MMF94. Если вы все сделали правильно, вы увидите Constraints: 4 и через минуту (или две) оптимизация завершится:

image
image1050×722 32.5 KB

И тут у нас снова тот редкий случай, когда мы можем хоть что-то сделать с показателями энергии. Посмотрите на значение энергии, который получился в результате оптимизации сэндвича. Отнимите от этого значения две энергии бензола (\pu{E= 67.9391 kJ mol-1}, как было найдено выше) и вы получите энергию \pi-\pi взаимодействия.

Более точными квантовохимическими расчетами[2] можно получить расстояние между молекулами бензола в 3.9 \AA и энергию взаимодействия в районе \pu{7.32 kJ mol-1}. Насколько результаты MMF94 близки к этим числам? Повторите расчеты с силовым полем GAFF.

  1. xyz файлы имеют следующую структуру: на первой строчке указано количество атомов (N) в молекуле, вторая строчка для комментариев, а последующие N строчек указывают вид атома и его расположение в трехмерном пространстве: координаты (x,y,z) в \AA. 1\AA = \pu{10^-10 m} ↩︎

  2. CCSD(T) в complete basis set limit ↩︎

6 лайков