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. Linea contenente il numero degli atomi (N).2. Linea di commento3. N linee costituite da: simbolo chimico e coordinate x, y e z in Ångstrom dell’atomo

• Esempio (molecola di acqua)

3AcquaH -4.01827 1.23563 0.70655O -3.69494 1.81627 0.00000H -2.72494 1.81627 0.00000

Editor e visualizzatoriAlcuni visualizzatori possono mostrare anche risultati ottenuti eseguendoprogrammi di chimica computazionale

Traiettorie di simulazioni didinamica molecolare

Modi normali di vibrazione

Reazioni chimiche

Orbitali molecolari e set di dati volumetrici

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

Area per disegnare le molecole

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

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 WireframeStick 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 richiedonorisorse computazionali elevate

• I calcoli per determinare strutture di molecole possono esseresemplificati con metodi semiempirici, che utilizzano parametri derivatida dati sperimentali o da calcoli ab initio (quantomeccanici) ad alti livellidi teoria

• I metodi semiempirici sono usualmente utilizzati per generare funzionid'onda di partenza per i calcoli ab initio o per studiare sistemi costituitida un elevato numero di atomi

• I risultati sono in genere meno accurati rispetto a quelli ottenuti dacalcoli ab initio

• In Avogadro sono implementati alcuni metodi semiempirici cheimpiegano dei force field.

• Attivando la minimizzazione dell’energia, si può scegliere il force field el’algoritmo da impiegare nello svolgimento dei calcoli

Minimizzazione della molecola di acqua

force field

algoritmo

Lunghezza e angolo di legame per l’acqua

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 atomidi carbonio e di ossigeno.

• La molecola ottenuta è la formaldeide (CH2O)

• Ottimizzare la struttura con il force fieldMMFF94s

• Riportare nel report la struttura dellamolecola di formaldeide ottimizzata e lecoordinate 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 AdjustHydrogens

• Ottimizzare la struttura con il force fieldUFF

• Verificare che gli atomi di idrogeno a ponte siano su un piano diverso dagli altri

• Riportare la struttura finale nel report.