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HyperChem
分子图形与分子模型设计
——HyperChem使用简介
厦门大学化学系
2005年3月
HyperChem使用简介
HyperChem是HyperCubeInc.的产品,它具有非常强大的综合计算与分析功能,是优秀的分子图形和分子设计的工具软件之一。
HyperChem是运行在Windows系统的分子计算与建模软件,具有量子化学(半经验和从头算)、分子力学、分子动力学、随机动力学、MonteCarlo模拟等计算功能,计算结果可以用三维图形显示。
它还提供用户VB、C/C++和FORTRAN等语言的应用程序接口。
HyperChem7.5版本已经推出。
图1是HyperChem的工作窗口,最下部是工作状态档。
在菜单下面是常用工具档。
图1HyperChem的工作窗口
HyperChem的操作可以使用鼠标和键盘两种。
在工具档从左开始有8个工具图标,当鼠标点图标之后,鼠标在工作区的形状也改变为该图标的形状:
1.绘图工具。
鼠标双击该图标可直接进入缺省元素周期表,选择所要绘制元素。
2.选择工具。
3.xy轴方向旋转工具,也可使用键盘的上下左右光标键进行相同的操作。
4.z轴方向旋转工具,也可使用键盘的Home和End键进行相同的操作。
5.xy轴平移工具,也可使用键盘的Shift+上下左右光标键进行相同的操作。
6.z轴平移工具。
7.缩放工具,也可使用键盘的PgUp和PgDn键进行相同的操作。
8.z轴截片工具。
鼠标操作有较为多样:
左点击、右点击、左拖拉、右拖拉、左右拖拉、Shift+左点击、Shift+右点击、双击等。
一般的旋转和平移操作是使用鼠标的左键进行,当完成了某个基团、分子的选择之后,可以使用右键对所选部分进行旋转和平移操作。
HyperChem的详细操作将结合具体的实例进行讲解。
以下通过对HyperChem5.1的菜单命令的介绍,说明它的主要功能和使用方法。
一、File
1.New(Ctrl+N):
新建一个沿尚未命名文件。
此时的工作窗口是空白。
2.Open(Ctrl+O):
打开一个已存在的分子结构文件。
可打开的文件格式如下:
HyperChem(HIN)、TriposMOL2(ML2)、MDLMOL(MOL)、BrookhavenPDB(ENT)、IsisSketch(SKC)、MOLPACZ-matrix(ZMT)、CSChemDraw(CHM)。
3.Merge:
将一个文件里的分子文件合并到工作窗口里,一般情况下,在工作窗口只能打开一个文件,若要同时调入多个分子文件,则必须使用合并文件的命令。
4.Save(Ctrl+S):
将工作窗口里的分子结构存盘,如是新文件要输入文件名并选择文件格式。
存储文件格式的扩展名如下:
HIN、ENT(PDB)、SKC、MOL、ML2、CHM、ZMT。
5.SaveAs(Ctrl+A):
将工作窗口里的分子结构另外存储为一个文件。
通过这一命令可给文件改名或增加注释。
文件存储的格式同上。
6.StartLog:
开始一个记录文件。
这个文件不但可以记录计算的结果,还可以记录计算过程中的情况以及开始条件和补充结果等。
7.StopLog:
关闭记录文件。
8.LogComment:
给记录文件输人注释内容。
9.Import:
从文本文件里引入一些由HyperChem或其它量子力学计算法得出的关于分子性质的资料。
这些输入性质可以是分子轨道系数、偶力矩、电子光谱(如:
紫外光谱)和振动光谱(如:
红外光谱)。
10.Export:
以文本文件形式输出一些由HyperChem或其它量子力学计算法得出的关于分子性质的资料。
这些性质可以是分子轨道系数、偶力矩、电子光谱(如:
紫外光谱)和振动光谱(如:
红外光谱)。
11.Print(Ctrl+P):
打印工作窗口里的内容(注意:
如果把分子放大了,它就会打印放大后的结果)。
图2参数选择
12.Preferences:
利用参数选择来设置HyperChem的使用环境。
当退出HyperChem时,当前的设置会存储在注册表里以备下次启动时调用。
但是值得注意的是,该设置不会影响同时打开的其它窗口。
当选择Preferences选项后,就会出现一个选择窗口(如图2所示)。
这个窗口共九个可设置选项,点击每一选项都可进入子窗口,通过它可设置各种选项。
设置内容如下:
窗口颜色(WindowColor)、键的颜色(BondColor)、被选定项的颜色(SelectionColor)、等值面的颜色(IsosurfaceColor)、应用文件路径(Paths)、网络许可(NetworkLicense)、窗口工具的性能(Tool)、键盘操作值设置(Key)、图形的设置(SetupImage)。
13.Exit:
退出HyperChem。
退出前可选择保存或放弃工作窗口里的内容。
二、Edit
1.Clear(Delete):
永久地删除工作窗口里选定的原子、基团和分子。
2.Cut(Ctrl+X):
将工作窗口里选定的原子剪贴移到剪贴板。
3.Copy(Ctrl+C):
将工作窗口选择的内容复制到剪贴板。
4.CopyISISSketch:
将工作窗口里选定的内容以ISIS的格式复制到剪贴板,以便登记加入3D数据库里。
5.Paste(Ctrl+V):
将剪贴板里的内容粘贴到工作窗口。
6.CopyImage(F9):
将工作窗口内容拷贝成一幅图片,并存储在剪贴板上。
图片设置可在File/Preferences选项的SetupImage里进行。
7.Invert:
通过指定的点(选定的原子)将分子结构进行倒置。
例如:
某原子的(坐标为x、y、z)倒置后,它的坐标就变为(-x、-y、-z)。
倒置通常用来改变手性分子或手性中心的空间螺旋特性。
操作步骤为:
①选定一个或多个原子作为倒置的质心;②选择Select/NameSelection选项;③在窗口里选取POINT选项,点击OK;④去除所有选择;⑤选择需要倒置的原子和分子,如果没有选择,则倒置整个分子;⑥选择Edit/Invert选项。
值得注意的是:
如果只是倒置分子中的部分原子,那么这些原子与其它原子之间的键会发生扭曲。
8.Reflect:
通过指定的平面来获得一个分子或选定内容的镜像。
操作步骤为:
①选择至少三个原子来确定一个平面;②选择Select/NameSelection选项;③在窗口里选取PLANE选项,然后点击OK;④去除所有选择;⑤选择需要映像的原子和分子,如果没有选择,则映像整个分子;⑥选择Edit/Reflect选项。
9.Rotate:
对整个分子结构系统或个别分子进行旋转操作。
如图3所示的窗口主要分RotateAbout、ApplyTo、Angle三部分,RotateAbout部分设定旋转轴,除了可以X、Y、Z轴为旋转轴外,亦可指定一直线为旋转轴。
ApplyTo部分有Viewer和Molecules两选项,若选取前者则分子的坐标不发生改变,若选取后者则改变坐标。
Angle部分设定旋转角度。
操作步骤为:
①选定需要旋转的原子或支链,如果没有选择则旋转整个分子;②选择Edit/Rotate选项或双击Rotateout-of-plane或Rotatein-plane的图标;③在窗口里进行旋转有关的设置;④点击OK。
图3旋转操作图4Viewer平移操作
10.Translate:
平移整个工作窗口的分子或被选定的个别原子、基团和分子。
操作步骤为:
①如果只想移动整个分子系统里的部分原子、基团和分子,必须先在File/Preferences里关闭Tool设置下WholeMoleculeTranslation选项,然后选择需要移动的原子或分子;②选择Edit/Translate命令,也可以双击Translate或Z-Translate图标;③在窗口里进行必要的选项设置;④点击OK。
Translate的窗口如图4和图5所示,最上方选择平移方式TranslateViewer和TranslateSelection,前者不改变分子的坐标,而后者恰恰相反;下方则对应移动方式作进一步设置,dx、dy、dz设定TranslateViewer模式下分子的位移。
在TranslateSelection模式里,可以选择移动到原点、选定的点及自设坐标的点。
图4选择TranslateViewer时窗口,图5选择TranslateSelection时的窗口。
图5选择平移操作设置
11.Zoom:
对分子结构进行缩放。
进行缩放操作时,最好选择棒式显示模式,它在操作时不会占用太多的资源。
步骤:
①选择Edit/Zoom或双击Zoom图标;②在窗口里设置需要的缩放倍数,数值由0.01到50;③点击OK。
12.ZClip:
指定Z轴截片的厚度和位置。
在图6的窗口里,可以见到一个缩小的分子模型和两条线(截片的正面和背面)及其下方的输入框。
可以移动滚动条来调整截片,也可以输入0到3200之间的数值设置横截平面的位置。
另外,窗口里还显示了当前分子前后末端在Z轴的坐标值。
图6Z轴截片设置图7排列分子设置
13.AlignViewer:
设置分子坐标系中的某一轴或指定的某一直线与Viewer的Z轴方向相同。
在最初建立分子结构体系时,系统默认Viewer的Z轴与分子的Z轴是对准的。
如果进行旋转操作,则起始的对齐方式会丢失。
这个命令在没有改变分子坐标的前提下,重新排列分子回到起始的对齐方式或指定的定位方式。
操作步骤为:
①选择Edit/AlignViewer命令;②指定需要对齐的轴;③点击OK。
14.AlignMolecules:
设置分子的惯性轴与Viewer坐标系中相应的轴或指定的直线对齐。
如果进行排列时选定不止一个原子,那末这次排列就会改变分子坐标系里所有原子的坐标。
如果没有选定任何原子或分子,则排列不改变原子的坐标而只移动的视角(Viewer的坐标系)。
在图7的窗口里,可以对一个分子体系进行一至两个排列设置。
第一个排列是主要的,因为它决定某一惯性轴与某一坐标轴对齐;第二个排列是次要的,它只能使分子绕第一个排列对齐的轴旋转来实现对齐排列。
步骤:
①选定一个或更多的原子;②选择Edit/AlignMolecules命令;③在窗口的左上方选择将进行排列的分子轴;④在窗口的右上方选择要对齐的坐标轴或直线(预先用Select/NameSelection命令指定的直线);⑤如果需要同时进行第二个排列就左键点选MinorAxis项;
在窗口的右下方选择要对齐的坐标轴或直线;⑥点击OK。
15.SetBondLength:
设置被选定的非成环键的长度。
在建模时,最好用Build/ConstrainBondLength命令代替。
操作步骤为:
①选择一个键或两个原子以确定键;②选择Edit/SetBondLength命令;③在窗口里输入新的键长;④点击OK。
16.SetBondAngle:
设置选定的、非成环原子之间键角值。
在建模时,也可通过Build/ConstrainBondAngle选项加以设置。
步骤:
①选择二个键或三个原子以定义角度;②选择Edit/SetBondAngle命令;③在窗口里输入新键角的角度;④点击OK。
17.SetBondTorsion:
设置非成环键的扭转值。
建模时,也可通过Build/ConstrainBondTorsion选项加以设置。
值得注意的是:
键的长度、角度及扭角均由分子的最佳几何结构决定。
步骤:
①选择三个键或四个原子以定义扭曲;②选择Edit/SetBondTorsion命令;③在窗口里输入新的扭角;④点击OK。
三、Build
1.ExplicitHydrogens:
这一选项打开时,HyperChem会把描绘的所有单键原子都认作氢原子。
如果在原子上加上另一个键,这个氢原子就会变成HyperChem默认原子(如碳原子)。
当此项关闭时,HyperChem把所有描绘下来当原子都视为默认原子;建模功能则会自动为未饱和都原子加上氢原子。
2.DefaultElement:
指定使用画图工具所绘制的元素。
指定默认元素的步骤:
①双击画图工具图标或选择Build/DefaultElement命令;②在选择窗口里,点击需要使用的元素;③在窗口里还有AllowsIons和Explicit两项,它们分别与Build/AllowsIons和Explicit两命令相同。
当完成了以上设置后,绘制的原子就是所设置元素。
另外,此命令还可以改变现有原子的元素符号。
先按照上述步骤设置好默认原子,然后用画图工具点击现有原子可使之改变。
3.AddHydrogens:
为选定的未饱和原子加上氢原子。
该命令不受ExplicitHydrogen命令的影响。
此命令加氢的方式类似建模功能在不重建大分子三维骨架模型的情况下的加氢。
4.ModelBuild/AddH&ModelBuild:
将绘制的分子建成三维立体模型。
一般来说,该命令只对选定的分子有效,但是如果没选定任何原子或分子,就会对屏幕上所有原子或分子起作用。
如果关闭ExplicitHydrogens选项,建模功能不但会自动加氢,还会自动设置键长、键角及键的扭角。
当然也可以使用Build/Constrain类命令进行设置。
要想建成精确的立体模型,最好使用Compute/GeometryOptimization命令优化立体模型。
另外,建模功能不会为分子增加或减少上电荷,但是可使用Build/SetCharge命令进行补充设置。
5.AllowIons:
这是开关选项,不打开此选项时,描绘的原子必须符合价键规则(例如:
碳的最大成键数为4,氮的最大成键数为3,氧的最大成键数为2等)。
打开此选项时,可指定任一原子的配位成键数最高达12个。
6.UnitedAtoms:
将碳原子及与其相连的氢原子合并起来定义为一个整体以方便选择(例如,CH3就可作为一个原子基团)。
这样的设置通过使用定义了的原子基团参数加速分子结构的计算(OPLS就是专门配合原子基团使用的)。
原子基团可用于整个分子结构或选择过程中。
原子基团的类型是由Setup/MolecularMechanics菜单设定。
另外,Build/AllAtoms命令正好与其相反,利用这两个命令互逆关系可以灵活选择同一分子里的所有原子。
7.AllAtoms:
把每一个氢原子都看作是一个单独的原子。
8.CalculateTypes:
指定分子结构里的原子或被选定原子的类型。
由于建模功能会自动指定原子类型,所以只有当不使用建模功能或改变了原子类型的规定时才使用该命令。
原子类型一般都反映每一个原子所处的化学环境,例如:
CO代表了sp2杂化的羰基碳,CT表示四面体上的碳等。
每一个分子力场方法都会使用不同的原子类型定义,而可通过Setup/MolecularMechanics选项指定力场参数。
9.CompileTypeRules:
将当改变chem.rul文件里的原子类型时,需要通过重新编译生成新的对原子类型进行重新定义typerule.bin二进制执行文件。
为安全起见,在改动chem.rul或typerule.bin之前应进行备份。
10.SetAtomType:
改变被选定原子的原子类型。
一般来说在建模过程中,HyperChem会自动为原子设置类型。
原子的类型取决于所选择的分子力学方法。
由于HyperChem不会对指定的原子类型检查对错,所以要确定所作为设定是正确的。
步骤如下:
①选择Build/下的SetAtomType命令;②在窗口里选定目标类型;③点击OK。
如果要显示原子类型,可单击Display/Labels选项进入窗口,再在窗口里点选Type项。
如果原子类型为**,则为还未被指定类型。
11.SetMass:
设定每一个被选定原子的原子量。
原子量对运用半经验或从头算方法进行振动计算和分子动力学模拟是十分有用的。
使用该命令时,只需在窗口里输入一个正数即可为选定原子设置好原子量。
通过该命令,可以进行同位素原子的设定。
与其它设定一样,不能不合实际地使用该命令。
12.SetCharge:
设定每一个被选定的原子的电荷。
原子电荷决定了在进行分子结构计算过程中原子之间的静电作用。
一般来说,HyperChem只会自动对氨基酸、核酸残基以及periodicbox里的水分子设置电荷。
使用该命令时,只需要在SetCharge窗口里输入一个正数或负数(例如:
-0.20对表示电子轻微过量,而2.0则意味着一个缺少两个电子的阳离子)。
应注意的时,输入的数字应在适当范围内。
13.ConstrainGeometry:
指定被选定原子在建模时构成的几何空间结构。
如果没有使用此命令,建模功能会通过计算自动确定空间几何结构。
另外,此命令的优先权大于建模功能,而另一些限制命令会对最终结构产生一定影响。
步骤如下:
①选定单个原子;②选择Build/ConstrainGeometry命令,弹出图8的窗口;③在窗口中选定需要的结构,④点击OK;⑤去掉选定的原子;⑥使用Build/AddH&ModelBuild命令。
14.ConstrainBondLength:
强制设置键长。
如果没有使用此命令,建模功能会通过计算自动确定键长。
同样,此命令的优先权大于建模功能,而另一些限制命令会对最终键长产生一定影响。
步骤如下:
①首先选定一个单键;②选择Build/ConstrainBondLength命令;③当在窗口里点选Other后,就可以输入所需数值给选定键;④点击OK;⑥使用Build/AddH&ModelBuild命令。
如果在窗口里点选Computed项,则由建模功能根据计算得到键长值进行键长的设定。
图8限制几何构型设置
15.ConstrainBondAngle:
强制设置相邻两键之间的夹角。
如果没有使用此命令,建模功能会通过计算自动确定键角。
此命令的优先权大于建模功能,而另一些限制命令会对最终键角产生一定影响。
操作步骤与上述键长的设定类似。
16.ConstrainBondTorsion:
强制设置由四个原子组成的键扭角值。
如果没有使用此命令,建模功能会通过计算自动确定键的扭角。
此命令的优先权大于建模功能,而另一些限制命令会对最终键的旋转产生一定影响。
操作步骤与上述键长的设定类似。
四、Select
通过在Select菜单的设置,可以原子、基团、分子、原子群组选择。
这些设置对任何可见或不可见的原子都起作用。
通常在如下情况原子不可见:
①没有打开Display/ShowHydrogens选项;②原子在分子中处于不可见的远程;③缩放原子时超出了显示范围;④原子位于剪贴板外。
1.Atoms:
当此项被点选时,最小的选择单元是原子或键。
如果选定了原子,HyperChem窗口下端的状态档会显示该原子的号码、元素名称、类型、电荷、坐标。
如果选定了一个键,状态档显示的是键长。
2.Residues:
当此项被点选时,最小的选择单元是HyperChem数据库里的氨基酸基团或核苷酸基团。
值得注意的是,HyperChem不认可由单独原子构成的基因。
如果不存在基团,则选择单元是原子。
当选定一个或更多的基因时,状态区显示基团的号码、名称,及选定的基团数目。
3.Molecules:
当此项被点选时,最小选择单元的是一个独立的分子。
4.MultipleSelections:
当打开此项命令时,可以用选择工具同时选择两个或两个以上的单元。
在进行选择时,通过鼠标左键点击目标就可选定,而右键点击就会取消选择。
然后继续用左键点击其它目标进行累积选择,此时状态档显示的是选定的数目。
另外,也可以利用由选择工具拖拽出的选择框来进行多项选择。
5.SelectSphere:
此命令可进行以某一原子为球体中心的多原子选择。
如果关闭了这一项,上述的选择只能在平面矩形内进行。
步骤:
①打开Select/SelectSphere选项;②使用选择工具点选原子群中的某一原子,然后同时按住鼠标左右键向拖拉出一个以选定原子为中心的象征球体的圆圈进行选择。
6.SelectAll:
选择工作窗口所有可见的原子。
亦可左键鼠标点击窗口的空白位置来实现所有原子的选择。
7.ComplementSelection:
取消先前的选择,进行反向选择,即选择了先前没有选择所有原子。
在两个分子之间进行移动操作时,实现它们之间来回切换选择很方便。
8.Select:
根据编号、名称进行选择原子、基团和分子的选择。
HyperChem对于原子和分子的编号是自动进行的,而名称是预先由NameSelection命令指定的。
因为先前选择使用的名称、号码存储在以HIN为扩展名的文件中,当打开HIN文件之后就带有编号、名称的信息。
步骤如下:
①打开Select/Select选项,屏幕弹出一个窗口(如图9所示);②根据选择的需要左键点击ByName按钮或ByNumber按扭;③如果点击了ByName选项,就在名称列表里点击目标名称(这些名称都是预先命名的)。
如果进行的是编号选择,可在相应的矩形框里输入数字选择原子、基团或分子的编号;④点击OK。
图9选择设置图10名称选择设置
9.NameSelection:
对选择的点、线、平面、反应物和产物等进行命名,以便以后在列表里可以进行选择。
通常对一组分子进行颠倒或映像操作时,NamedSelections命令是非常有用和必需的。
使用这一命令也可以在分子力学计算或分子动力学模拟方面起到限制分子结构的作用。
对于反应物和产物的命名主要作用是确定反应物和产物。
另外,在反应过程中应用半经验或从头算方法的进行计算时,可以对过渡状态进行定位。
步骤:
①选定准备命名的原子、基团或分子;②激活Select/NameSelection命令,屏幕弹出一个窗口(如图10所示);③左键点选窗口里的特殊名称或Other选项来定义其它名称;④如果选定了Other选项,则要输入名称字符;⑤左键点击OK。
注意:
只有在总原子数为偶数且刚好有半数原子被选定的情况下,HyperChem才能对反应物和产物进行命名。
10.ExtendRing:
当该命令被激活时,只要选定环上任意一个键或两相邻原子就选择了整个环。
此命令只对环状分子起作用。
也可以利用选择工具双击环上任一原子或键来选定整个环。
11.ExtendSideChain:
当该命令打开时,只要选择非环上的两个原子就可选定一条可旋转的支链。
那两个被选定的原子决定了搜索支链的方向。
另外,可以双击某一键来选择支链。
12.Extendtosp3:
HyperChem可以允许对同一分子结构同时进行分子力学或量子化学混合计算。
即对分子的部分结构应用半经验量子化学计算,另外结构进行分子力学计算,两种计算方法的交界原子必须是sp3杂化。
步骤:
①选定那些准备进行量子力学运算的原子;②选择Select/Extendtosp3命令。
搜索过程大致如下:
HyperChem先从选定原子开始,然后对各个方向上的另一些原子进行挑选,直至它遇到sp3-sp3的键和单键原子为止。
13.SelectBackbone:
HyperChem利用数据库或蛋白质数据库文件里的资料构造出一些蛋白质和核酸。
该命令就是要选择这些蛋白质或核酸里保证结构连续性的所有原子。
如果一个分子由两个或两个以上的聚合物组成,那么选用该命令也对所有聚合物起作用的。
对于非数据库型的分子(即由一个一个原子堆彻而成的),该命令不起任何作用。
这时,需要选取选择工具并按住左键不放,由主链的一端拖拽到另一端,这样就可以选定主链。
五、Display
1.ScaletoFit(Space):
改变整
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