Materials Studio建模教程-2：绘制苯酚、二环戊二烯、2-氯吡啶分、甲基丙烯酸甲酯分子结构模型，添加照明效果！

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目的：介绍基本的模型绘制工具，可使用这些工具绘制链和环、编辑化学键类型和元素种类并且测量不同的几何属性。

所用模块：Materials Visualizer

往期教程：Materials Studio建模教程-1：自动保存、导入结构、生成图表文档、创建文件夹并移动文档、添加和重命名HTML文档等

介绍

在本教程中将学习在Materials Studio中绘制结构的方法，通过Materials Studio中可以使用的不同可视化方法，可创建高质量的图像，从而可以很容易地粘贴到其他Windows应用程序中，或者保存为位图文件。按照详细的操作指南进行操作，将建立各种简单的有机化合物。在本教程的最后提供了一些额外的结构，可以自行尝试进行构建。

在许多情况下，有不只一种方法修改结构。本教程介绍了多种不同的方法，以便能在特定的情形下确定一种最好的方法。

本教程包括如下内容：

- 开始

- 绘制苯酚分子结构模型

- 绘制二环戊二烯分子结构模型

- 绘制2－氯吡啶分子结构模型

- 绘制甲基丙烯酸甲酯分子结构模型

- 添加照明效果

1、开始

启动Materials Studio并建立一个名为Sketching新的工程。如想获得关于创建新工程的指导，可参见Project management教程。

如果Materials Studio还没有打开，双击桌面上的Materials Studio图标，或者从Windows开始菜单的程序列表中选择BIOVIA | Materials Studio，以启动程序。

打开New Project对话框，输入Sketching作为工程名，单击OK按钮。

新工程将以Sketching为工程名列于Project Explorer中。

注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将工程中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。有关恢复默认参数设置的步骤，可参见创建工程教程（Creating a project tutorial）。

2、绘制苯酚分子结构模型

第一个任务是打开一个将要在其中绘制结构的3D原子结构文档。

从菜单栏中选择File | New...，显示New Document对话框，在对话框的选项中选择3D Atomistic并单击OK按钮。

将建立一个新的3D原子结构文档，并且在工作区以3D视图显示。

苯酚的结构如下图所示。

苯酚的结构

首先必须绘制苯环，在Materials Studio中，提供了4元、5元和6元苯环模板，可以非常容易的使用Sketch Ring工具进行绘制。

在Sketch工具栏上单击Sketch Ring按钮。

光标改变成绘图光标，在环的中心有一个数字6，表示当在新文档中单击时将绘制一个6元环。下一步就是在3D 原子结构文档中放置苯环。

默认情况下，Sketch Ring工具生成一个碳原子通过单键连接的环，这样，对6元环来说，会生成一个缺少氢原子的环己烷。然而可以直接添加一个苯环。

按住ALT键，在3D Viewer中单击。

在3D Atomistic文档中，将绘制一个缺少氢原子的苯环，它具有用点线表示的芳香族的部分双键。现在需要使用Sketch Atom工具来绘制氧原子并把它连接到苯环上，默认绘制的元素是碳，所以需要指定想要绘制的氧元素。

在Sketch工具栏上选择Sketch Atom工具，单击Element used to sketch按钮旁边的选项箭头，从下拉列表中选择Oxygen。

因为苯环是对称的，所以可以把氧原子加到任何一个碳原子上。

在3D Viewer中，在一个碳原子上方移动光标，当碳原子的颜色以蓝色高亮显示时单击。将光标移开，则会出现一个键，再次单击放置氧原子。按下ESC结束绘制。

当光标移动时碳原子颜色改变，表明可以将其选择。现在应该绘制了一个结构，包括一个红色的碳原子连接到灰色的碳环上。最后一步是添加氢原子，Adjust Hydrogen工具自动地用氢原子饱和结构中的任何空键价。

单击Sketch工具栏上的Adjust Hydrogen按钮。

氢原子连接到碳原子和氧原子上，填满空键价，产生的结构如下图所示：

苯酚的最初3D结构

既然已经绘制出了苯酚的结构，接下来应该用Clean工具对结构的几何构型进行整理。这不是能量的最小化，而是通过查阅标准键长和键角的表格，给出一个初步的接近正确的几何构型。

注意：Clean操作不能被以良好的哈密顿算符或力场下进行的几何优化所替代。

单击Clean按钮。

开始清理操作。该过程的进度显示在屏幕右下角的状态栏中，当过程结束时将消失。这一过程发生的非常迅速，以至于进度条快速产生和消失。

应保存工程中的结构。

从菜单栏中选择File | Save As...，打开Save As对话框，输入phenol作为文件名，单击Save按钮。

文件被保存为.xsd格式，这是一个基于XML（可扩展置标语言）的Materials Studio本地文件格式，非常灵活，允许之后进行更改，例如分层搜索。

使用鼠标右键可以将建立的结构在三维空间中旋转和平移。

按住鼠标右键，在3D Viewer的中心移动光标。

上、下、左、右移动鼠标可以在x和y平面上旋转分子。

将光标移动到3D Viewer的边缘，按住鼠标右键沿着边缘移动光标。

分子将在z平面上旋转。

使用3D Viewer Translation Mode工具可以将结构沿着x轴和y轴平移。

在3D Viewer工具栏上单击3D Viewer Translation Mode按钮，在3D Viewer中单击并按住鼠标左键，然后沿着屏幕拖拽光标。

结构随着鼠标的移动而移动，执行了平移或旋转操作后，可能需要调整到初始视图。在3D Viewer工具栏上有三个按钮可以调整3D模型文档的视图。

3D Viewer Reset View-可以将3D视图恢复到初始方向。

3D Viewer Recenter-可以使选择的原子或整个结构重新定位到中心位置，并且提供了视图排列下拉菜单，可进行视图的定向，使视图平行或垂直于近乎平面对象的平面或者是近乎平面对象的主轴。

3D Viewer Fit to View-重新调整当前视图的尺寸，使视图中包含的全部内容适应屏幕的大小。

在3D Viewer工具栏上单击3D Viewer Reset View按钮。

结构回复到执行旋转和平移之前的初始方向。

3、绘制二环戊二烯分子结构模型

二环戊二烯的结构如下图所示：

二环戊二烯的结构

它经常被用于杀虫剂或除草剂合成中的中间体。

在Standard工具栏上单击New按钮，打开New Document对话框，在3D Atomistic上双击。

现在画一个6元环。

单击Sketch Ring按钮，在空白的3D Viewer中单击一次，放置一个6元环。

接下来将在6元环上连接5元环。

单击Sketch Ring按钮旁边的下拉箭头，从下拉列表中选择5 Member，光标悬停在6元环的一个键中间，当其以蓝色高亮显示时单击，在该化学键上连接5元环。

5元环连接到了6元环上，现在需要添加桥碳原子，可以使用Sketch Atom工具来完成。

单击Sketch Atom按钮，查看C是否为用于绘图的元素，若不是，单击Element used to sketch按钮旁边的选项箭头，从下拉列表中选择Carbon。

添加桥碳原子

移动光标到上图中原子1的上方，当原子以蓝色高亮显示时单击。移动光标到环的中部，再次单击，放置桥原子，移动光标到原子2，当原子以橙色高亮显示时最后单击一次。

现在已经在6元环中两个碳原子之间建立了一个桥碳原子。

如果出现操作错误，可以通过单击Undo按钮撤销，还可以从菜单栏中选择Edit | Undo或者在键盘上按下CTRL + Z来撤销。

在Standard工具栏中单击Undo按钮，撤销最后一次操作。

另外，Undo按钮提供了撤销操作的下拉列表，最多一次撤销先前的20次操作。

如果撤销了过多的步骤，可以使用Redo按钮恢复，还可以从菜单栏中选择Edit | Redo或者在键盘上按下CTRL +Y来恢复。

恢复最后一步操作，单击Redo按钮。

类似的，Redo按钮提供了恢复操作的下拉列表，最多一次恢复先前的20次操作。

为了完成这个结构，必须使用Modify Bond Type工具向两个环添加双键。第一步是选择想要修改的两个键。

修改键类型

在3D Viewer工具栏中单击3D Viewer Selection Mode按钮，选择如上图所示的键3。

在键中间会出现一个黄色的正方形，表明它已经被选择了，可以同时选择两个键增加键序以节省时间。

按住SHIFT键，移动鼠标到键4的上方，单击键的中部。

在第二个键的中间出现一个黄色的正方形，表明它也已经被选择了，现在可以改变键序。

在Sketch工具栏上单击Modify Bond Type按钮旁边的选项箭头，从下拉列表中选择Double Bond。

在结构中选中的键转换成了双键。

现在，在3D Viewer中任意位置单击，取消选择化学键，下一步的操作将影响到所有原子。

最后一步是添加氢原子并整理结构。

单击Adjust Hydrogen按钮，然后单击Clean按钮。

最终的结构如下图所示。

二环戊二烯的3D结构

最后在工程中保存结构。

在Standard工具栏上单击Save按钮。

将以默认的文件名保存结构。如果建立的工程中包括多个结构，使用Save As...命令将更为便捷，因为这将允许设置在Project Explorer中显示的模型的名字。也可以更改文件名。

在Project Explorer中，右键单击3D Atomistic.xsd，并从快捷菜单中选择Rename。输入Dicyclopentadiene，按下ENTER键。

4、绘制2－氯吡啶分子结构模型

像一个将要构建的模型为2－氯吡啶。

2－氯吡啶的结构

在Standard工具栏上单击New按钮旁边的选项箭头，从下拉列表中选择3D Atomistic Document。

在结构绘制之前应该将空白的3D Atomistic文档重新命名。

在Project Explorer中，在3D Atomistic.xsd上单击右键，从快捷菜单中选择Rename，输入2-chloropyridine，按下ENTER键。

首先在新建的3D Atomistic文档中绘制一个苯环。

单击Sketch Ring按钮旁边的选项箭头，从下拉列表中选择6 Member，按住ALT键在3D Atomistic文档中单击一次。

在3D Atomistic文档中画出了一个苯环，现在需要将一个碳原子更改为氮原子，这一次使用Properties Explorer进行更改。

从菜单栏中选择View | Explorers | Properties Explorer。

将在屏幕左侧Project Explorer的下方，打开Properties Explorer，它包括一个表格视图，表格中有两列，列标题分别是Property和Value。

单击3D Viewer Selection Mode按钮，在3D Viewer中选择一个原子。

Properties Explorer会根据所选择原子的信息进行更新，表中开始的几列为Charge、Composition、ElementName和ElementSymbol。

在Properties Explorer顶部移动鼠标，当图标更改为标准缩放图标时按住鼠标并上下拖动窗格顶部，可以将Properties Explorer区增大或缩小。和Materials Studio中其它的Explorer一样，通过单击标题栏并拖动可以将Properties Explorer从它所在的位置拖出来并放到屏幕上的任何位置。

Properties Explorer

下面将把所选择的原子从碳变成氮。

双击Properties Explorer 中Property列中的ElementSymbol。

将打开包含元素周期表的Edit ElementSymbol对话框。

选择N并单击OK按钮。

所选择的原子从灰色变成蓝色。Properties Explorer中的其它参数，例如MassNumber等也随之更新。

滚动Properties列表，观察其它已经改变的内容。

注意：在此部分中，原子的给定Name并不重要。更改Name不会更改元素类型。

在3D Viewer中单击，取消选择原子。

下一步是使用Sketch Atom工具，将氯原子连接到环上。

选择Sketch Atom工具，单击Element used to sketch按钮旁边的选项箭头，从下拉列表中选择Chlorine。

单击苯环中与氮原子相邻的一个碳原子，移动光标远离从而拉出化学键，双击添加Cl原子，并结束绘制。

一个绿色的氯原子连接到了苯环的2-位置上。

下一步需要增加氢原子。

单击Adjust Hydrogen按钮。

在整理结构之前，观察一些Materials Studio中包含的测量工具。将建立键长和键角的测量，并且通过在HTML文档中记录数值来监测结构整理前后这些值的变化。

从Sketch工具栏中单击Measure/Change工具旁边的选项箭头，从下拉列表中选择Distance。

在连接C原子和Cl原子的化学键中间悬停光标，当化学键以蓝色高亮显示时，在其上单击。

键的上方出现了一列红色的虚线和一个红色的数字，这是C－Cl键的键长，它的值取决于所绘制的结构。

Materials Studio提供了方便的HTML文档来代替在纸上记录工程的信息，从而能够追踪任何设置或计算参数改变所产生的结果。

在Project Explorer中，右键单击工程根目录，从快捷菜单中选择New | HTML Document。

将打开一个HTML文档，可以在这里输入信息。这个新的HTML文档也显示在Project Explorer中。

在HTML文档中单击，输入C－Cl bond length before cleaning is:，然后输入距离测量得到的数值。

现在测量Cl原子和苯环之间的键角。

在Project Explorer 中双击2-chloropyridine.xsd，使其成为当前文档。单击Measure/Change按钮旁边的选项箭头，从下拉列表中选择Angle。

依次单击连接的Cl、C、N原子以测量Cl－C－N键的键角。

角度值以红色显示，所测量的键角显示为红色点线，距离测量现在变成了绿色，也应该在HTML文档中记录角度值。

在Project Explorer中双击HTML.htm，使其成为当前文档，另起一行，输入Cl-C-N bond angle is:，随后输入测量值。

通过在Project Explorer中双击文件名，返回2-chloropyridine.xsd。

现在整理结构。

单击Clean按钮。

整理过程结束后，键角和键长值会改变，表明通过Clean工具可以使结构的几何构型更加合理。

新的键长和键角值应该记录在HTML文档中。

最后的结构如图所示。

氯吡啶的3D结构

选择HTML文档窗口，输入新值。

从菜单栏中选择File | Save Project。

现在保存了项目，包括它所包含的所有文档。

5、绘制甲基丙烯酸甲酯分子结构模型

甲基丙烯酸甲酯的结构如下图所示：

甲基丙烯酸甲酯的结构

由于这是一个很好的向已经存在的结构上添加原子的实例，所以开始时不绘制该结构，首选建立一个甲基异丙酮的结构。

甲基异丙酮的结构

然后添加第二个连接氧原子，将酮转化为酯。

第一步是构造碳链。

创建一个新的3D Atomistic Document，将其重命名为Methylmethacrylate.xsd。

现在有了一个新文档，将在其中绘制结构。

单击Sketch Atom按钮，确保Element used to sketch是C。

在新3D Viewer中单击，绘制一个C原子。移动一下再次单击，重复单击，直到绘制出由4个C原子形成分子的骨架为止，按下ESC键结束绘制。

下一步是向一个C原子添加甲基，形成碳链的支链。

在C链中第二个C原子上方移动光标，当原子以蓝色高亮显示时单击，移动光标拉出化学键，双击放置C原子并停止绘制。

现在，需要向碳链中添加羰基中的氧。

单击Element used to sketch按钮旁边的选项箭头，并从下拉列表中选择Oxygen。在沿碳链的第三个C原子上方移动光标，单击一下。移动光标拉出化学键，然后单击绘制氧原子。按下ESC键取消绘制动作。

添加完氧之后，应使用Sketch Atom工具，改变化学键的类型。

在Sketch Atom工具选中的情况下，移动光标到C－O键的中间，当键以蓝色高亮显示时，单击一次。

化学键类型变成了双键，现在需要加氢并整理结构。

单击Adjust Hydrogen按钮，然后单击Clean按钮。

现在已经完成了甲基异丙酮结构的绘制，然而为了获得甲基丙烯酸甲酯结构，必须对其进行修改，需要添加一个酯的O。可以通过在羰基C和末端C之间添加O原子来实现，之后需要删除C－C键。

单击Sketch Atom工具，在3D Viewer中，单击末端C原子，移动光标拉出化学键，再次单击放置一个氧原子，然后移动到羰基C并单击。

现在的结构如下图所示：

中间态的结构

下一步是删除连接两个C原子之间的键，使O桥成为甲基和羰基之间的唯一连接。

按住SHIFT键使用选择模式，选择连接两个C原子的键，按下DELETE键。

C－C键将被删除，仅剩下连接甲基和羰基的O原子，最后的步骤是加氢和调整结构。

单击Adjust Hydrogen按钮，然后单击Clean按钮。

最后的甲基丙烯酸甲酯结构如图所示。

甲基丙烯酸甲酯的3D结构

6、添加照明效果

虽然少有关注控制照明效果的功能，但可以利用其生成效果更好的图像。在本部分中，将更改第一个光源的位置，并添加第二个光源以增强图像亮度。可以从View菜单访问Lighting对话框，也可以通过在3D原子文档中单击鼠标右键时显示的快捷菜单访问。

首先，将更改结构的显示样式，因为线样式不能呈现照明效果。

使得2-chloropyridine.xsd为当前文档。在3D Viewer中单击鼠标右键，然后从快捷菜单中选择Display Style，打开Display Style对话框。在Atom选项卡上，选择Display Style区域中的CPK选项。

原子的显示方式变为较大的CPK（Corey-Pauling-Koltun）球体，其半径取决于所代表元素的范德华半径。

在3D Viewer中单击鼠标右键，然后从快捷菜单中选择Lighting。

打开Lighting对话框。

Lighting对话框

此对话框可最多控制三个光源的开启与关闭、颜色和位置。移动Light 1，使其位于原子球的右上角。

单击球体球并向上向右移动鼠标。

分子上的照明情况随着光源的移动而改变。当将灯光置于正确位置时，将与下图类似：

球体上有一个光源的预览图

现在，可以添加第二个光源。

勾选Enable Light 2复选框，添加第二个光源。

第二个光源将显示在Preview框中，并且第一个光源的位置是固定的。第二个光源的颜色为浅灰色，但可以更改为更合适的颜色。

单击Enable Light 2旁边的灰色选择控件。

将显示颜色选择控件。对于本教程，将选择浅蓝色。

单击第二行中的浅蓝色框。

光源将变为浅蓝色，3D Viewer将更新。现在，可以将光源移动到所需的位置。

单击并将光源移动到原子球的底部，然后关闭Lighting对话框。

预览窗口中的原子球现在应该如下所示：

球体上有两个光源的预览图

现在，可以更改显示样式和图像质量，直到满意为止。

应该保存在项目中生成的所有结构和文档。

从菜单栏中选择File | Save Project，或在Project工具栏中单击Save Project按钮。

即保存了工程。

7. 附加的结构

现在应该可以很容易的使用不同的方法选择并改变键的类型和原子的类型来绘制分子了，下面是几个结构，可以尝试自己绘制或构建。每个结构都有简单的提示以帮助完成绘制。

三氯苯酚（Trichlorophenol，TCP）

一种防腐液。

 从步骤2中，复制phenol.xsd文件，并将其以另外的文件名保存。

 编辑氢原子，可尝试使用不同的方法来编辑原子类型。

4'-戊基-4-氰基联苯（4'-Pentyl-4-cyanoterphenyl）

第一种在室温下能实用的向列型液晶。

 首先绘制苯环。

 使用Sketch Atom工具连接苯环。

 注意CN键是三键。

 最后添加氢原子。

本教程到此结束。

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