Breve guía de uso del programa Hyperchem

Modelado Molecular I – Cátedra de Química Cuántica - DEQUIFIM
GUÍA BREVE PARA USAR HYPERCHEM
PARTES DE LA VENTANA DE HYPERCHEM
La ventana de Hyperchem puede dividirse en diferentes secciones, que se explican a
continuación.
BARRA DE MENÚ:
Contiene los nombres de los diferentes menú de Hyperchem: File, Edit, Build, Select,
Display, Databases, Setup, Compute, Cancel, Script y Help.
ICONOS DE HERRAMIENTAS:
Esta parte de la barra contiene los ocho iconos que se usan para dibujar, seleccionar y
mover los átomos y moléculas.
icono de creación de átomos
icono que permite seleccionar
icono que permite rotar la molécula fuera del plano de la pantalla
icono que permite la rotación en el plano de la pantalla
icono que permite la traslación en el plano de la pantalla
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icono que permite la traslación en un plano perpendicular a la pantalla
icono que permite aumentar o disminuir el tamaño de la molécula en la pantalla (zoom)
CONSTRUCCIÓN DE UNA MOLÉCULA
La construcción de las moléculas se hace seleccionando los átomos correspondientes en la
tabla periódica. Para desplegarla se puede:
• Hacer doble click en el icono de creación de átomos
• Seleccionar Default Element en el menú Build.
Seleccionar el átomo de interés (carbono para el ejemplo que veremos)
Para construir un dibujo bidimensional de la molécula de interés (esqueleto de la
molécula), se debe posicionar el cursor en el punto en el que se quiere ubicar el primer átomo,
oprimir el botón izquierdo del ratón (L-click) y, sin soltarlo, deslizar el cursor hasta la posición del
segundo átomo. Soltar el botón y, sin mover el cursor, volver a oprimir y sin soltar seguir con el
cursor hasta la posición del siguiente átomo. Así sucesivamente hasta completar una estructura (en
el ejemplo el ciclo de seis átomos de carbono). Cuando se ha completado una estructura y se
quiere empezar una ramificación basta ubicarse sobre el átomo a ramificar, apretar el botón
izquierdo del ratón y deslizar el cursor hasta la posición del nuevo átomo. Seguir de la misma
forma hasta terminar la molécula.
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Haciendo L-click en el botón Properties de la tabla periódica se despliegan distintas
propiedades del elemento seleccionado. Si la opción Allow Ions está activada, se permite exceder
la valencia de un elemento determinado. Si la opción Explicit Hydrogens está activada implica
que los hidrógenos deberán también dibujarse explícitamente, si no es así, entonces serán
construidos por defecto para satisfacer las valencias libres de los otros átomos.
Para eliminar un átomo o un enlace se debe seleccionar el icono de creación de átomos y,
luego, hacer click con el botón derecho del ratón (R-click) en el átomo que se desea borrar, o en
el centro del enlace que se quiere eliminar.
CAMBIAR ÁTOMOS Y MODIFICAR EL ORDEN DE ENLACE
Para cambiar un átomo por otro (por ejemplo, C por N), se debe desplegar la tabla
periódica nuevamente. Se selecciona el núcleo que se quiere en dicha tabla y se hace L-click sobre
el átomo que se quiere modificar. El resultado debería ser como el que se muestra en la pantalla
(cambio de C por N).
Para cambiar el orden de enlace, se debe colocar el cursor en el centro del enlace que se
quiere modificar. Clickeando una vez el orden de enlace se modifica de simple a doble. Si se
repite la operación, el enlace doble se transforma en triple. Si lo que se desea es construir anillos
aromáticos, debe situarse el cursor en uno de los enlaces del anillo y hacer doble click
rápidamente. Esta operación convierte los enlaces en deslocalizados (indicados por una línea llena
y otra punteada).
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GENERACIÓN DEL MODELO FINAL DE LA MOLÉCULA
Una vez que tenemos generado el esqueleto de la molécula (modelo 2D), debemos
transformarlo en un modelo 3D aproximado. Para ello se deben agregar los hidrógenos y el
programa asigna en forma automática una estructura que utiliza distancias, ángulos y ángulos
diedros estandar.
Para ello se debe seleccionar Add H & Model Build en el menú Build o hacer doble click
rápidamente sobre el icono que permite seleccionar átomos
.
Se verá que el programa trabaja en la estructuración de un modelo de acuerdo a ciertas
reglas estandar preprogramadas. Hyperchem prodice una representación tridimensional de la
molécula y automáticamente agrega los hidrógenos hasta completar las valencias de los átomos.
Como puede notarse, la "calidad artística" del modelo bidimensional no importa, ya que el
constructor (model builder) del programa, genera un modelo tridimensional independientemente
de la "estética" del dibujo inicial.
SELECCIÓN Y VISUALIZACIÓN DE OBJETOS
Etiquetar átomos
Mediante la opción Labels del menú Display, se pueden colocar etiquetas a los átomos que
se encuentran en la pantalla de trabajo.
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Se puede indicar de esta manera el símbolo del átomo o alguna característica como la quiralidad o
la carga del mismo.
Uso de opciones de visualización
Hyperchem usa automáticamente las opciones de visualización utilizadas la última vez que
haya sido empleado. Para modificarlas debe emplearse el menú Display. Para visualizar los
átomos y enlaces en diferentes formas, se usa la opción Rendering que abre el submenú que se
muestra a continuación.
Eligiendo en orden las opciones de la figura anterior, se obtienen las representaciones que se
muestran en las siguientes figuras.
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MEDIDA DE PROPIEDADES ESTRUTURALES
Características de los átomos
Para desplegar las características de los átomos, se debe seleccionar el átomo deseado. Al
hacerlo se despliega en la línea de estado información similar a la que se muestra a continuación.
Allí se da información acerca del número del átomo (1), tipo de átomo (carbono), carga del átomo
y coordenadas cartesianas del mismo.
Medida de la distancia entre átomos
Para desplegar la distancia entre dos átomos, se la selecciona con el icono de selección, ya
sea seleccionando los dos átomos cuya distancia quiere determinarse o seleccionando el enlace
que los une (si éste existe). Automáticamente se despliega la distancia en la línea de estado.
Cuando se selecciona un enlace, se activa un comando específico en el men Build
(Constrain Bond Length) que permite forzar una distancia no estandar para que la emplee el
constructor molecular al construir el modelo 3D de la molécula.
Medida de los ángulos de enlace
Para medir un ángulo entre tres átomos (enlazados o no) se los selecciona con el icono de
selección, átomo a átomo (Multiple Selection debe estar seleccionado en el menú Select). La
información se despliega en la línea de estado.
Cuando se selecciona un ángulo, se activa un comando específico en el men Build
(Constrain Bond Angle) que permite forzar una distancia no estandar para que la emplee el
constructor molecular al construir el modelo 3D de la molécula.
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Medida de ángulos de torsión
Se realiza de la misma forma que para los ángulos de enlace, sólo que se seleccionan
cuatro átomos en lugar de tres.
Cuando se selecciona un ángulo de torsión, se activa un comando específico en el men
Build (Constrain Bond Torsion) que permite forzar una distancia no estandar para que la emplee
el constructor molecular al construir el modelo 3D de la molécula. Esto es especialmente útil para
construir confórmeros menos estables.
ELECCIÓN DEL MÉTODO DE CÁLCULO
En lel menú Setup, se pueden encontrar los diferentes métodos de cálculo disponibles.
Entre ellos: Métodos de Mecánica Molecular, Métodos Semiempíricos y Métodos ab initio.
Durante el curso teórico se estudiarán en detalle estos y otros métodos de cálculo.
A su vez, dentro de cada uno de estos diferentes métodos, encontramos diferentes opciones:
Cada una de ellas será discutida en detalle durante el curso.
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Cuando se trabaja con métodos semiempíricos o de métodos ab initio, al presionar el botón de
opciones, se abre un nuevo cuadro de diálogo
Algo que debe verificarse en todos los casos, es si la carga de la molécula y la multiplicidad de
espin de la misma son correctas. En el caso del presente ejemplo, se trata de una molécula neutra
(por lo tanto la carga es cero) que no tiene electrones desapareados (por lo que la multiplicidad de
espin es 1).
TIPOS DE CÁLCULOS
Hay diferentes tipos de cálculo que se pueden llevar a cabo con los diferentes métodos elegidos.
Se pueden elegír en el menú Compute.
Ellos son: Single Point (cálculo simple de energía), Geometry Optimization (optimización de la
geometría o minimización de la energía), Molecular Dynamics (simulación de Dinámica
Molecular),
Langevin Dynamics (simulación
de Dinámica Molecular que incñuye
implícitamente la presencia de un disolvente), Monte Carlo (simulación), Vibrations (permite
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calcular las frecuencias vibracionales y simular los espectros infrarrojos de las moléculas),
Transition State (optimización de una estructura de transición).
OPTIMIZACIÓN DE LA GEOMETRÍA MOLECULAR
Habiendo elegido un método para realizar la optimización (en el menú Setup), se debe
seleccionar Geometry Optimization (en el menú Compute). Al realizar esta acción se despliega el
siguiente cuadro de diálogo
Se debe elegir el algoritmo deseado para llevar a cabo el cálculo de minimización de la energía
(estos serán discutidos uno por uno en el curso teórico). También se debe indicar el criterio de
finalización del cálculo, modificando el gradiente al cual se pretenda aproximarse.
Una vez que la optimización de geometría comienza, pueden apreciarse movimientos en la
molécula y variaciones en los valores indicados en la línea de estado. Cuando el cálculo converge
(finaliza adecuadamente), la barra de estado indica la energía de la estructura optimizada y el
gradiente obtenido en el cálculo.
INFORMACIÓN DEL PROCESO DEL CÁLCULO
Si bien la línea de estado indica los valores mencionados, se puede conservar estos y otros
resultados (muy importantes que pueden ser necesarios) en un archivo de texto independiente: Log
File. Para iniciar un archivo log se debe:
• Elegir Start Log en el menú File. Se debe nombrar el archivo con un nombre relacionado
con la estructura que en estudio.
• Click OK
• Una vez iniciado el archivo log, cualquier cálculo que se realice genera información que
será guardada en dicho archivo.
• Finalmente se debe cerrar el archivo log (menú File).
VISUALIZACIÓN DE PROPIEDADES MOLECULARES
Existen una serie de propiedades moleculares que pueden ser visualizadas. En el menú Compute,
se puede seleccionar Plot Molecular Properties, lo cual abre el siguiente cuadro de diálogo que
permite elegir la propiedad deseada.
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También en el menú Compute se encuentra la opción Orbitals, la cual permite visualizar
orbitales moleculares, dentro de los cuales los orbitales frontera (HOMO y LUMO) son los de
mayor interés.
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