Rappresentazione grafica di
sistemi atomici e molecolari:
editor e visualizzatori
ESERCITAZIONE 5
Editor e visualizzatori
• Spesso è utile rappresentare graficamente la struttura atomica o
molecolare del sistema che si sta studiando
• La rappresentazione grafica di queste strutture viene impiegata in più
ambiti scientifici, come, ad esempio, chimica, biochimica, scienza dei
materiali, fisica e medicina
• Le strutture possono riguardare molecole, proteine, cristalli, ecc.
• Le strutture possono essere generate o modificate con gli editor o
rappresentate in 2D o 3D con i visualizzatori
Editor e visualizzatori
• I visualizzatori necessitano di file di input per rappresentare graficamente
le strutture.
• Esistono molte tipologie di file.
• Uno dei più semplici è il formato XYZ
• I file XYZ sono costituiti da:
1.
2.
3.
Linea contenente il numero degli atomi (N).
Linea di commento
N linee costituite da: simbolo chimico e coordinate x, y e z in Ångstrom dell’atomo
• Esempio (molecola di acqua)
3
Acqua
H
-4.01827
O
-3.69494
H
-2.72494
1.23563
1.81627
1.81627
0.70655
0.00000
0.00000
Editor e visualizzatori
Alcuni visualizzatori possono mostrare anche risultati ottenuti eseguendo
programmi di chimica computazionale
Reazioni chimiche
Orbitali molecolari e set di dati volumetrici
Modi
normali di
vibrazione
Traiettorie di simulazioni di
dinamica molecolare
Avogadro
• Avogadro è un editor e visualizzatore di strutture molecolari, rilasciato
con licenza open source di tipo GNU GPL
• È un software multipiattaforma. È disponibile per i sistemi operativi
LINUX, Windows e Mac OS X
• Si interfaccia ad alcuni dei più diffusi software di chimica
computazionale
• Preparazione dell’input del sistema che si vuole studiare
• Lettura dell’output e visualizzazione delle proprietà calcolate
• Disponibile per il download alla pagina:
• http://avogadro.cc/wiki/Main_Page
Avogadro
Strumenti di editing, rotazione, selezione, ottimizzazione e misura delle molecole
Tipologia di rappresentazione grafica delle molecole
Scelta dell’elemento chimico per gli atomi e l’ordine di legame
Area per disegnare le molecole
Avogadro: acqua
Se ‘’Adjust Hydrogens’’ è attivo, disegnando l’atomo di ossigeno, vengono
aggiunti automaticamente due atomi di idrogeno
Diversi stili di rappresentazione grafica di molecole in Avogadro
Ball and stick
Stick
Wireframe
Van der Waals Spheres
Per la rappresentazione di proteine sono presenti opportuni stili per descrivere anche la
struttura secondaria (ad esempio, Cartoon e Ribbon)
Avogadro: Metodi Semiempirici
• Per calcolare la struttura e le proprietà delle melecole si impiegano
metodi che si basano sulla meccanica quantistica, che richiedono
risorse computazionali elevate
• I calcoli per determinare strutture di molecole possono essere
semplificati con metodi semiempirici, che utilizzano parametri derivati
da dati sperimentali o da calcoli ab initio (quantomeccanici) ad alti livelli
di teoria
• I metodi semiempirici sono usualmente utilizzati per generare funzioni
d'onda di partenza per i calcoli ab initio o per studiare sistemi costituiti
da un elevato numero di atomi
• I risultati sono in genere meno accurati rispetto a quelli ottenuti da
calcoli ab initio
• In Avogadro sono implementati alcuni metodi semiempirici che
impiegano dei force field.
• Attivando la minimizzazione dell’energia, si può scegliere il force field e
l’algoritmo da impiegare nello svolgimento dei calcoli
Minimizzazione della molecola di acqua
Lunghezza e angolo di legame per l’acqua
force field
algoritmo
MMFF94s
UFF
r/Å
0,969
0,990
/°
104,0
104,5
Esercitazione 5
• Disegnare ed ottimizzare la struttura della molecola
di metanolo (CH3OH)
• Impiegare tre diversi force field (GAFF, MMFF94s e
UFF)
• Riportare in una tabella SOLO le distanze dei legami
C-H, ottenute con i vari force field
• Con LibreOffice calc calcolare il valore medio e la
deviazione standard delle lunghezze dei legami
• Riportare queste informazioni in una nuova riga
della tabella
• Riportare in un report la struttura del metanolo
ottimizzata con un force field a vostra scelta, insieme
ai dati riportati nella tabella
Esercitazione 5
• Partendo dalla molecola di metanolo,
incrementare l’ordine di legame tra gli atomi
di carbonio e di ossigeno.
• La molecola ottenuta è la formaldeide (CH2O)
• Ottimizzare la struttura con il force field
MMFF94s
• Riportare nel report la struttura della
molecola di formaldeide ottimizzata e le
coordinate degli atomi nel formato XYZ
Esercitazione 5
• Disegnare ed ottimizzare la struttura delle
molecole di etano (C2H6), etilene (C2H4) e
acetilene (C2H2)
• In queste molecole cambia l’ordine di legame tra
gli atomi di carbonio.
• L’ibridazione dell’atomo di carbonio è
rispettivamente sp3, sp2 e sp
• Impiegare il force field MMFF94s
• Riportare nel report la struttura ottimizzata e la
distanza del legame C-C
Esercitazione 5
• Disegnare la molecola di diborano (B2H6)
• SUGGERIMENTO: NON USARE Adjust
Hydrogens
• Ottimizzare la struttura con il force field
UFF
• Verificare che gli atomi di idrogeno a
ponte siano su un piano diverso dagli
altri
• Riportare la struttura finale nel report.
