Materials Studio建模教程-3：绘制卟啉分子-绘制五元环、复制、粘贴、平移、旋转、连接、编辑化学键、添加氢原子等！

【DFT入门资料下载】

目的：介绍片段的操作和Display Style对话框的使用。

所用模块：Materials Visualizer

前提条件：

背景：

卟啉是大环化合物，包括由单C桥连接起来的四个吡咯环。分子是平的，为具有18个π-电子的共轭体系。在吡咯环上连接不同侧链形成的卟啉衍生物，是自然界中最重要的生命支持化合物，一个例子是亚铁血红素，铁卟啉集合体是动脉血为红色的原因。在本教程中将建立卟吩分子，它是所有卟啉衍生物的核心。

卟吩的结构

介绍：

在本教程中，将使用Materials Visualizer中的绘图工具来绘制卟吩分子，需要对单独的片段进行复制、粘贴、旋转、平移等，以此方式介绍Materials Visualizer环境。

开始

绘制五元环

复制、粘贴、平移和旋转片段

连接片段

编辑化学键类型

添加氢原子并整理结构

改变显示方式

导出图像

1、开始

启动Materials Studio并建立一个名为Porphine的新工程。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Porphine作为工程名，单击OK按钮。

新工程将以Porphine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、绘制五元环

在开始绘制之前，需要在项目中打开一个3D Atomistic文件。

在Standard工具栏上单击New按钮旁边选项箭头，从下拉菜单中选择3D Atomistic Document。

将创建一个新的3D Atomistic文件，现在准备开始绘图。

在Project Explorer中，右键单击3D Atomistic.xsd的文件名，从快捷菜单中选择Rename，输入名称porphine.xsd并按下ENTER键。

构建卟吩的第一步是建造一个吡咯环。将通过绘制一个五元碳环并用N原子取代一个碳原子来实现。

在Sketch工具栏上单击Sketch Ring按钮，当光标在porphine.xsd的3D Viewer上方时，按下键盘上的数字5键。

绘图光标旁边的数字表明了将要绘制的环的尺寸，默认设置是六元环，可以根据需要通过单击键盘上相应的数字从设置环的尺寸，范围为3~8元。

在porphine.xsd文件中单击，绘制一个五元环。

现在，在3D Atomistic文件中放置了一个五元环，所有的C原子都通过单键连接。由于卟吩结构的共轭性，在这个阶段增加任何双键都是没有意义的，因为在后面将不得不删除它。下一步是将一个碳原子更改为氮原子。

按住SHIFT键单击想要改变的原子以选定它。

提示：按住SHIFT键可以强制为选择模式，这是一个快捷键，即使选择了绘制工具的情况下也可以用该键来选择。

单击Sketch工具栏上Modify Element按钮旁边的选项箭头，从下拉列表中选择Nitrogen，按下CTRL + D键以取消选择原子。

所选定的原子颜色变成蓝色，这表明它现在是一个氮原子。

3、复制、粘贴、平移和旋转片段

在本节中，将复制3个片段，并且通过平移和旋转以使它们处于所需要的位置。第一步是选择片段。

在3D Viewer工具栏上单击3D Viewer Selection Mode按钮，从五元环中选择一个原子，右键单击从快捷菜单中选择Select Fragment。

所有的原子和键上都出现了一个黄色的正方形，表明整个环已经被选定。下一步复制该五元环。

从菜单栏选择Edit | Copy，然后单击Standard工具栏上的Paste按钮。

提示：也可以使用标准的Windows快捷键，按下CTRL + C和CTRL + V键，复制并粘贴结构。

一个新环将添加到porphine.xsd中，两个环的尺寸是与3D Viewer的尺寸相适应的，有必要缩小以平移片段。

从3D Viewer工具栏中选择3D Viewer Zoom Mode工具，在porphine.xsd中单击，按住鼠标左键，拖动光标。

提示：如果使用有滚轮的鼠标，可以在结构中使用滚轮进行缩放。也可以通过按下滚轮并拖动来平移结构。

现在将一个片段移动到3D Viewer的左边。

单击3D Viewer Selection Mode按钮，确保整个五元环片段被选定。

同时按住SHIFT和ALT键，右键单击并将片段向左拖动，当片段到达合适位置时释放鼠标。

提示：如果使用有滚轮或中键的鼠标，可以通过按住SHIFT键的同时按下中键或滚轮，并拖动来平移结构。

这一次要旋转片段。

将光标移动到3D Viewer窗口的边缘，按住SHIFT键，单击并按住鼠标右键，沿着窗口的边缘移动光标。

片段绕着z轴旋转。

注意：Materials Studio使用轨迹球旋转系统。这意味着光标在屏幕上的位置会影响旋转所绕的轴。在靠近屏幕中心的移动光标，将使得结构围绕屏幕平面中的轴旋转。在屏幕边缘附近移动光标，结构将围绕垂直于屏幕的轴旋转。要旋转结构，请在按住SHIFT键和鼠标右键的同时，在3D Viewer的中心拖动光标。

利用刚才的步骤，再向文件中添加两个环，将它们排列成如下图所示的结构。

显示环正确放置位置的中间结构

如果在旋转时出现了错误，可以很容易的重置视图。

在3D Viewer工具栏上单击3D Viewer Reset View按钮。在porphine.xsd中双击，取消选择任何对象。

4、连接片段

下一阶段是用C桥将片段连接到一起，如下图所示。

包含一个C桥的中间结构

选择Sketch Atom工具。

将光标放置在与N原子邻近C原子的上方，当它以蓝色高亮显示时单击。移动光标到两个环的中间，拉出化学键，单击放置桥C原子。将光标放置在下一个环中与N原子相邻的C原子上方，当C原子变成橙色时再次单击，添加化学键。

重复以上步骤，直到4个环被连接成一个环形结构为止。

5、编辑化学键类型

既然已经绘制完了所有的非氢原子，现在应该编辑键的类型以获得正确数目的双键。有两方法可以达到这个目的：一是使用Sketch Atom工具，单击每个键以改变键序。观察下图可以知道必须改变成双键的化学键。

化学键类型正确的中间结构

选择Sketch Atom工具，选择一个键并单击它。

键类型从单键变成了双键。当在绘图修改少量的键时，这种方法是很有用的。然而，如果有大量的键要改变，在这种情况下，应该使用Modify Bond Type工具。

单击3D Viewer Selection Mode按钮，按住SHIFT键，选择所有需要改成双键的键。

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

选择的所有化学键都从单键变成了双键。

6、添加氢原子并整理结构

现在将向结构添加氢原子。

在3D Viewer中任意位置单击，以取消选择所有键。在Sketch工具栏上单击Adjust Hydrogen按钮。

Adjust Hydrogen工具检测并且自动地用H原子填充结构中的空价键。如果结构中所有的键类型都设置正确，那么在结构中每个桥C原子和两个N原子上都应该连接一个H原子，每个环上都应该连接两个H原子。如果结构与之不同，应该检查结构的正确性。

构建模型过程的最后一步是使用Clean工具设置结构具有合理的初始几何构型。

在Sketch工具栏上单击Clean按钮。

Clean工具不执行结构的能量最小化，而是通过查阅标准键长和键角表格给出一个近似正确的几何形状。

注意：Clean操作不应代替使用合适的哈密顿算符或力场进行的几何优化。然而，在实际操作中建议在执行能量最小化操作前使用Clean工具，因为从化学合理的初始几何构型开始优化可以减少到达优化的结构的计算时间。

7、更改显示样式

本节简要介绍Materials Visualizer中的显示样式。

在3D Viewer工具栏上单击Display Style按钮。

打开Display Style对话框，在Atom选项卡上有5种基本的显示样式，当前的样式是Line，其它的样式包括Stick、Ball and stick、CPK和Polyhedron。

单击Stick显示样式选项。

结构被显示成棒状而不再是线状。如果想改变棒的半径，可以使用Stick radius控件实现。

将Stick radius文本框中的值从0.2改成0.4，然后按下TAB键。

棒的宽度增加了。如果不想显示键的类型，可以从显示视图中移除该表示。

取消勾选Bond order复选框。

在porphine.xsd中，所有的键都被显示成棒状，单键和双键之间没有区别。

将Stick radius改回到0.2，然后选择Ball and stick选项。

结构现在显示成球棍模型，也可以用CPK显示样式将结构显示成实心球的集合。

选择CPK选项，关闭Display Style对话框。

提示：对于报告或出版物来说，准备高质量的分子结构的图片通常是十分必要的。如要了解更多关于高质量图片的信息，可参见分辨率和图片质量（Resolution and graphical quality）。

如要旋转模型，选择3D Viewer Rotation Mode按钮，并在porphine.xsd文件上单击左键并拖动光标。如果想强制绕着x、y和z轴旋转，需要分别按住X、Y和Z键，在文件上单击右键并拖动光标。请注意，此处的x、y、z方向是指屏幕横向、纵向和向外的方向，而不是显示的结构坐标系的x、y和z轴。

也可以改变文件的背景颜色。

在Display Options对话框上选择Backgrounds选项卡。

可以选择单一的背景颜色，也可以选择渐变的背景颜色，还可以自己生成位图文件作为背景。

从背景选项列表中选择Black-LightBlue。

将以从黑色渐变到浅蓝色的颜色作为3D Atomistic文件的背景。如果想使用简单的背景，可以在选择一种颜色。

选择Solid color选项，然后单击颜色选择控件选择一种颜色。

8、导出图像

可以将3D Atomistic文件显示的图像作为位图输出，输出的图像可以包含到其它文件中或发送给同事。位图图像被存储为扩展名为.bmp的格式，可以使用简单的位图编辑器比如Windows的画图进行编辑。

从菜单栏中选择File | Export...，显示Export对话框。单击Save as type文本框右侧的选项箭头，从下拉列表中选择Structure Bitmap (*.bmp)。

一旦选择了位图格式，Options...按钮就被激活了。

单击Options...按钮，打开Bitmap Export Options对话框。

可以调节对话框中的位图图像的像素数字以适应需求。在本例中不需要改变任何设置。

在Bitmap Export Options对话框中单击OK按钮。

在Export对话框中，在文件浏览中选择想存储图像的目录，单击Save按钮。

现在保存工程。

从菜单栏中选择File | Save Project。

即完成了本教程。

如果更改了任何显示设置，应在继续之前恢复默认设置。

从菜单栏中选择View | Display Options，显示Display Options对话框。确保Quality滑块位于刻度中点以下。

这将保持良好的客户端性能。

从快捷菜单中选择Modify | Default Atom Style，显示Default Atom Style对话框。确保Display style设置为Line，该设置便于绘制和操作分子。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

即保存了工程，并关闭了打开的文件。

本教程到此结束。

 点击阅读原文，提交计算需求！