chembiodraw使用

CambridgeSoft.comChemBioNews.comChemBioFinder.comSciStore.comChemBioDraw和ChemBio3D中的NMR、IR光谱预测功能ChemBioDraw和ChemBio3D软件均包含NMR、IR光谱预测工具作者：JesseGordon公司：CambridgeSoft版本：19.2CHEMBIODRAW、CHEMBIO3D软件中均包含NMR(核磁共振图谱)和IR（红外）光谱预测工具。文本将介绍NMR和IR预测工具的主要功能和预测方法。与本文相对应的还有一个录制好的视频文件，以实例演示使用技巧，实例中的样本均可下载供用户亲自实践。本文中涉及的主题：ChemNMR:在ChemBioDraw中预测1H-NMR和13C-NMR在ChemBioDraw中设置NMR参数ChemBio3D中光谱预测的设置GAMESS（从头计算量子化学程序）:在ChemBio3D中预测NMR、IR图谱CambridgeSoft的ChemBio3D软件在程序编写时整合了多个计算化学包，NMR和IR预测模块就是已整合的计算化学包的一部分。这两个模块加上GAMESS和MOPAC均已整合到ChemBio3D软件中，无需另外付费。此外，ChemBio3D还为其他计算化学软件编写了接口，如Gaussian，Jaugar等。ChemBio3D还能够整合其它的计算化学包-如果有其他版本的NMR或IR光谱预测，CambridgeSoft会在未来的版本中将其囊括。在本文的结尾，附上对应的视频文件和ChemBio3D支持的计算化学包的介绍文章链接。ChemNMR:在ChemBioDraw中预测1H-NMR和13C-NMRChemNMR模块已整合在ChemBioDraw软件里—在绘制分子时候只需点击一个按键就能看到它的NMR图谱。要预测1H-NMR和13C-NMR图谱,首先需要选定目标化学结构式，然后在Structure菜单选择Predict1H-NMRShifts或者Predict13C-NMRShifts。ChemBioDraw根据预计的位移重绘一遍分子结构，显示出相关数据信息并在新的窗口中绘制出图谱。图1:（ChemBioDraw）选择要预测NMR图谱的结构式在新窗口中执行NMR预测(原来的分子式仍旧保留在初始窗口中)，新窗口中将标记以下内容：1.标记出每个氢原子的位移值（PPM）。2.显示带有耦合分裂（如果有的话）的NMR光谱。3.在图谱的下面列出相关的数字描述,有节点信息，位移值和用来帮助用户识别各个氢原子的注解。4.将鼠标移至分子中任意氢原子（内含氢）上，其在光谱中对应的峰以绿色高亮显示。5.反之，鼠标移至光谱中任意峰，对应的氢原子（内含氢）也会在分子结构式中以绿色高亮显示。（如果是密集峰，则会有不止一个氢原子被高亮显示)。图2.ChemNMR显示出每个氢原子的位移值当ChemNMR的预测质量比较一般时，位移值以粉红色显示，红色代表质量较低，蓝色则是质量较高的意思。如下例所示,阿司匹林,酸式氢的预测质量不高，因此以红色显示。ChemNMR以相对于TMS的PPM值评估位移,不能分配溶剂,因此属于无溶剂预测。一般，出现质量偏低或中等的结果是因为ChemNMR对特定氢的预测是依赖于溶剂造成的。图3.预测质量比较粗糙时位移值以粉红色或红色显示Carbon-13NMR预测方式类似于Proton-NMR。先选择分子，在Strcture菜单选择Predict13C-NMRShifts，然后ChemNMR预测位移，重绘分子，显示相关数据信息，并在新窗口显示光谱。Carbon-13NMR光谱是以与四甲硅烷（TMS）的相对迁移值（PPM）来表示。图4.Carbon-13NMR工作方法与Proton-NMR相似在ChemBioDraw中设置NMR参数ChemBioDraw的用户常常会问如何用不同的试剂做NMR预测-ChemNMR不支持试剂选择，但在ChemBio3D中的NMR预测是可以通过调节参数来实现试剂选择。在ChemBioDraw中，分子的形状与ChemNMR预测也是无关的—也就是说,如果您画了一个过渡态或扭歪形状的分子，ChemNMR使用分子版的cleanedup功能。ChemNMR的输出仍保留您绘制的分子样式（或变形的），样式上的改变并不影响NMR的预测。ChemBioDraw中的ChemNMR只有一个参数可以设置，并只在ProtonNMR生效—即磁场强度。默认值是300MHz.上述的光谱预测使用的都是这个磁场强度。如需重新设置，遵循以下步骤:1.选择要进行Predict1H-NMRShifts预测的分子。2.按下Alt键，同时选择下一个菜单项。3.在Structure菜单选择Predict1H-NMRShifts。4.出现一个对话框，指导用户录入分光仪频率。图5.分光仪频率输入窗口注意，图谱的输出信息里不会指出磁场强度的改变,并且在退出ChemBioDraw时改变依然生效。换句话说，为了避免混乱，在执行下一次NMR预测前最好将磁场强度设回默认的300MHz。改变磁场强度后选择Predict1H-NMRShifts(释放Alt键)NMR图谱即会出现。以下是900MHz下胆固醇的ChemNMR图谱预测,与300MHz下的做个比较。图6.900MHz磁场强度的NMR图谱预测换成60MHz磁场强度做出的NMR图谱，见下图。注意，PPM位移值一点都没有变化，峰更加分散。也就是说，峰形的变化导致光谱图像变了，但其数据是不变的。图7.60MHz下胆固醇的NMR图谱预测ChemBio3D中NMR的设定MOPAC计算化学包里包含NMR图谱预测功能。在此之前要先做结构优化，为图谱预测准备精确的构象结构。在ChemBio3D中绘制好阿司匹林分子后，最初的构象结构仅是基于几何学计算出来的(适当的键角,但不考虑3D约束)。如下图的3D渲染所示，两个氧原子间的位阻（现象）是可见的。为了强调初始的3D构象是扁平的，分子被旋转了（除了甲基上的氢原子）。图8.阿司匹林最初的3D构象是扁平的,能看到位阻（现象）用MOPAC进行结构优化,首先在ChemBio3D选择阿司匹林分子，然后执行以下步骤：1.在Calculations菜单,选择MOPACInterface。2.选择Minimizeenergy/geometry。3.点击Run（使用默认参数）。4.如下图所见，结构优化后位阻（现象）和扁平的构象都没了。图9.能量最小化后的阿司匹林3D构象不是扁平的，也没有位阻（现象）一执行完能量最小化就可以做IR光谱预测了。以下是MOPAC-2002认可的参数。为了强调一下能量最小化的必要,现将同一分子的MOPAC结构优化和GAMESS结构优化后的结果做个比较。除了GAMESS用的时间比MOPAC长一些以外，操作基本类似。与MOPAC相比，GAMESS使用了一套完全不同的算法进行内部运算，自然得到的结果是一个不同的3D构象--您可以用下面链接的文件做个比较Aspirin_by_GAMESS.c3xmlcomparedtoAspirin_by_MOPAC.c3xml。我们把这两个不同算法得出的结构覆盖在一起比较一下它们的不同—绿色的是GAMESS的，MOPAC的是紫罗兰色。图10.MOPAC最小能量化结构覆盖在GAMESS的上面增加内存容量是为光谱预测所做的另一项准备。使用GAMESS，需要10MB内存；但做光谱预测一般是不够用的（有时候运行能量最小化也捉襟见肘）。IR和NMR光谱预测需要的内存增加到30MB。要想改变内存参数，请在Caculations菜单选择GAMESSInterface。图11.GAMESS内存设定窗口以下分子用于举例比较MOPACChemNMR和GAMESSNMR—基于同一分子的IR光谱比较.GAMESSIR预测的步骤如下:1.用GAMESS执行能量最小化。2.选择CalculationsGAMESSInterfaceComputeProperties，将内存设置成30MB。3.选择CalculationsGAMESSInterfacePredictIR/RamanSpectrum。4.计算过程大概会持续几分钟,如ChemBio3D图标工具条上的进度指示。5.一旦完成，IR光谱将出现在光谱浏览器中，同时显示的还有内坐标和3D分子图形。6.通常ChemBio3DView选项是可用的。为了方便参照，我们将氢原子隐藏起来，只显示碳原子的序列号。7.用户可参阅内坐标窗口查看IR光谱预测的键长和原子角度。图12.通过ChemBio3D的GAMESS预测出冰片烯的IR光谱GAMESS:ChemBio3D中的NMR和IR预测功能GAMESS计算化学工具包括NMR和IR预测功能。以下举例说明GAMESS的NMR能够处理ChemBioDraw的NMR处理不了的案例—用7,7-dimethylnorbornene分子举例。这个分子有两个ChemBioDraw视为相同结构的甲基,但ChemBio3D则把它们当做不同化学结构区别对待。如下面的ChemBioDraw图形所示，默认情况下ChemBioDraw以同一的化学结构方法绘制将这两个甲基。左面的ChemBioDraw结构式是为了突出化学机构的不同而用手工编辑的分子图形--但ChemBioDraw和NMR仍把它们视为同一化学结构。而ChemBio3D显示的结构则很清楚的将这两个甲基的不同区分出来--一个接近环上的双键，一个靠近单键。下面的是最初的ChemBio3D结构—未经结构优化的—因此只是基于避免位阻和遵循其他标准规则的几何学计算结果。显而易见，与2D相比，在3D模式下观察分子结构具有其固有的优势。图13.冰片稀中的两个甲基的化学结构是不同的首先,让我们用ChemBioDraw执行一个ChemNMR图谱预测来做个基本的对比。ChemNMR给这两个甲基分配相同的位移值(0.99PPM），这是因为ChemBioDraw的NMR将它们视为同一化学结构：图14.ChemNMR图谱预测看一下通过GAMESS的NMR对同一分子做出的预测结果，在位移预测中有许多显著的不同。比如，把焦点放在两个甲基的氢原子上。在ChemBioDraw的ChemNMR中位移值均是0.99PPM。在GAMESS的NMR中，接近双键的甲基位移值是10.21PPM，单键旁的是10.56PPM。下图中高亮显示的是两个甲基中各自的一个氢原子—靠近双键的第20号氢原子和单键旁的21号氢原子。注意：GAMESS1H-NMR光谱不显示ChemBioDrawNMR中带有的耦合分裂。图15.GAMESSNMR区分冰片稀中的两个甲基看一下13C-NMR预测—处理方式是一样的。ChemBioDraw的13C-NMR预测模块也将两个甲基上的两个碳原子视为相同化学结构，位移值均是21.0PPM。图16.ChemNMR13C预测将两个甲基上的两个碳原子视为相同化学结构相比之下,GAMESS的13C-NMR将两个甲基上的两个碳原子视为不同的化学结构，预测的位移值分别是8号碳原子34.7PPM，9号碳原子31.8。双键旁的是8号碳原子，单键旁的是9号。为了使图像更清晰些，氢原子被隐藏起来了。AtomProperty窗口显示预测的数据。图17.GAMESS13C-NMR预测将两个甲基上的两个碳原子视为不同化学结构NMR和IR预测功能总结ChemBioDraw和ChemBio3D提供一整套NMR、IR光谱预测工具，有些参数是可调的。每种方法各具优势，将它们组合在一起可以满足大多科研机构的需要。各种不同方法具有的优势有：1.ChemBioDraw中的ChemNMR：oProtonNMR的耦合分裂预测o分子结构自动映射谱峰，反之亦然oNMR预测的数据信息可打印出来oProtonNMR的磁场强度可调整2.ChemBio3D中的MOPAC：o多种溶剂模型，还有其它参数可调oNMR、红外光谱预测o使用更加精确的3D构象预测光谱o半经验计算方法带来更快的计