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中生网 > 软件教程 > 常用软件教程 > 常用化学软件综述经典再现

常用化学软件综述经典再现

更新:2015年04月19日 阅读次数: 【字体:

 

计算机作为一种化学学习和研究的工具有着不可替代的作用。它不仅能够帮助我们进行文字及图形处理等文书工作,而且可以在化学学习与研究的各个方面协助我们更快、更好的工作。本章介绍一些常用的能在PC机上使用的化学类软件,以期能帮助读者在自己的学习和研究中做出有效、快速的选择。

 

化学结构式

 

有关化学结构式编辑的软件市面上非常之多,它们各有所长。既有商品的,亦有对教育界及家用免费的。其功能主要是描绘化合物的结构式、化学反应方程式、化工流程图、简单的实验装置图等化学常用的平面图形的绘制。常见的这类软件有:ChemDraw, ChemWindow, ISIS Draw, ChemSketch等。前两个为商业软件,有关它们的资料可以查阅各自的网站http://www.camsoft.com/ 和 http://www.sadtlersuite.com/ ,最新版本分别为6.0和6.5。后两个对教育界及家用为免费软件,可以在它们各自的网站http://www.mdli.com/ 和 http://www.acdlabs.com/ 上下载,最新版本分别为2.2和4.0。

 

ChemDraw为当前最常用的结构式编辑软件,除了以上所述的一般功能外,其ultra版本还可以预测分子的常见物理化学性质如:熔点、生成热等;对结构按IUPAC原则命名;预测质子及碳13化学位移等。

 

ChemWindow的一个最突出的特点是与光谱的结合,它的6.5 Spectroscopy 版本包括了一个约五万张13C NMR 的数据库(达250兆),因而其预测更加精确;除了根据化合物的结构预测13C NMR化学位移外,还能预测红外图谱、质谱等,更可以读入标准格式的NMR、IR、Raman、UV及色谱图。

 

这些程序虽然可以画出非常好的二维化学结构,但除了ChemSketch外,要表现出三维的化学结构则十分困难,必须依赖于一些专门的3D软件来实现。

 

三维结构

 

比较有名的化学三维结构显示与描绘软件有:Chem3D, WebLab Viewer Pro, RasWin, ChemBuilder 3D, ChemSite等,它们都能够以线图(wire frame), 球棍(ball and stick), CPK及丝带(ribbon)等模式显示化合物的三维结构。其中的RasWin和WebLab Viewer的Lite版只能显示而无法编辑三维分子模型,为免费软件,RasWin可以在几乎所有的化学软件站点找到,WebLab Viewer的下载地址为http://www.msi.com/。

 

Chem3D同ChemDraw一样,是ChemOffice的组成部分,它能很好地同ChemDraw一起协同工作,ChemDraw上画出的二维结构式可以正确地自动转换为三维结构。它的ultra版本还包括了一个很好的半经验量子化学计算程序MOPAC 97,并能与著名的从头计算程序Gaussian98连接,作为它的输入、输出界面。能够以三维的方式显示量子化学计算结果,如:分子轨道、电荷密度分布等。

 

WebLab Viewer的pro版本表现生物分子和晶体结构的能力比较强。可以从下图看出:

 

数据处理

 

化学中的数据处理多种多样,对不同的数据处理要求宜采用不同的软件完成。通用型的软件如:Origin, SigmaPlot等可以根据需要对实验数据进行数学处理、统计分析、付立叶变换、t-试验、线性及非线性拟合;绘制二维及三维图形如:散点图、条形图、折线图、饼图、面积图、曲面图、等高线图等。Origin的最新版本为6.0,其演示版可以从http://www.originlab.com/下载,SigmaPlot的最新版本为2000, 其评估版可以从http://www.SPSS.com/下载。

 

由Origin生成的二维及三维图形:

 

核磁数据处理软件有:NUTS、MestRe-C、Gifa等,NUTS可以处理一维及二维核磁数据,其功能包括付立叶变换、相位校正、差谱、模拟谱、匀场练习等几乎所有核磁仪器操作软件的功能,安装程序不大(3M), 价格为一千美元,其演示版可以在http://www.acornnmr.com/下载;MestRe-C为处理一维核磁数据的免费软件,功能完善。其最新版本为2.3,有兴趣者可以在http://qobrue.usc.es/jsgroup/MestRe-C/MestRe-C.html处查看有关信息即下载;Gifa可以处理一至三维核磁数据,为运行在LINUX操作系统中X-Window上的免费软件,有关信息可查看http://www.cbs.univ montp1.fr/GIFA/。

 

由Nuts生成的一维及二维NMR图谱:

 

色谱及红外、Raman等实验数据的处理可以使用GRAMS/32, 有关信息可查阅该公司的网页http://www.galactic.com/ , 亦可索取免费的trial CDROM.

 

文献管理

 

在收集参考文献过程中,文献管理程序可以帮助你整理、排列所收集的内容;撰写研究论文的过程中,这类程序允许你直接在文字处理过程中插入参考文献,并按要求自动生成规定格式的参考文献列表。这类程序中有代表性的有:Endnote , Reference Manager和ProCite等,它们都能对文献进行整理,能在文字处理程序中直接插入参考文献并生成一定杂志规定格式的参考文献列表。所不同的是EndNote 4对中文版的文字处理程序如Word的兼容性有问题,导致Word不能正常启动。其它两个程序则无此类烦恼。有关程序的演示版或测试版可以在http://www.niles.com/ (EndNote)和http://www.risinc.com/ (Reference Manager 9.5, ProCite 5.0)找到。

 

图谱解析

 

解析有机化合物的红外、核磁及质谱有时是一件非常困难的工作,特别是复杂化合物的图谱解析更是这样。

 

核磁图谱的解析可以先利用ChemNMR, C13 Module for ChemWindow, gNMR等软件对目标化合物的化学位移进行估算或作出模拟谱,用以协助对该化合物图谱的指认。ChemNMR为ChemDraw Ultra版本的一个插件,可以用来估算大多数有机物的1H、13C化学位移及用线图表示的相应图谱,C13 Module for ChemWindow为ChemWindow的一个插件,可以用来估算大多数有机物的13C化学位移,gNMR则可用来估算任何NMR活性核的化学位移,并能画出非常逼真的图谱,该软件包所带的几个工具(gSPG, gCVT)亦可用来处理一维核磁图谱数据,并能与模拟谱进行比较,有关该程序的信息及演示版可以查阅http://www.cherwell.com/, 二维核磁的解析可以使用Sparky程序, 特别是对复杂2D NMR的解析非常有用。IR Mentor Pro,及IR SearchMaster为专门用来辅助红外图谱解析的工具,它们能对给定的红外图谱数据自动分析与处理,或对给定的振动谱带给出可能存在的功能团,有关的演示版可以在ftp://ftp.softshell.com/pub/上下载。MassSpectra Simulator为质谱模拟程序,其有关信息可以查阅以下网址http://members.aol.com/gjlinker .此外, 在ChemWindow 6.0 Spectroscopy版本中也有丰富的质谱分析辅助工具。

 

计算机辅助教学

 

利用计算机动画、多媒体等功能协助学习一些比较抽象是一种非常有用的工具。这类的软件市面上非常多,不胜枚举。这里只介绍两个有关有机合成路线设计和有机化合物命名的工具。

 

CHAOS程序的出现比较早,是随一本《Organic Chemistry in Action》书一起上市的,这个短小精悍的程序可以使用“逆序法”自动寻找目标物的合成原料,非常好用。

 

前面已经介绍了ChemDraw的ultra版本包括了有机物的IUPAC命名功能,那是因为其中包括了一个Beilstein公司的AutoNom 2.0命名软件;实际上,今年该公司推出了AutoNom 4.0版,其功能更强大,除了给出IUPAC名称外,还给出CAS名称,更增加了对立体化学的支持。该软件的演示版可以在http://www.beilstein.com/站点下载。

 

量子化学计算

 

量子化学对分子结构与性质的解释与预测是任何其它工具所不能替代的。但对大部分的化学工作者来说,不可能、也没有必要去弄清楚量子化学计算的每一个细节,我们关心的只是其结果。与分子结构和性质的计算有关的程序逐渐成为化学研究中一个必不可少的工具:

 

WinMOPAC为著名的半经验分子轨道(AM1, PM3, MINDO, MNDO/3等)计算程序MOPAC的商业版本,同共享版相比,界面更友好,方法更多。计算出的分子轨道及电荷密度等可以用三维图形表示出来。最新版本的2000。有关信息可查阅http://www.winmopac.com/站点。

 

PC Spartan为WaveFunction公司的产品,分为标准版、Plus版及Pro版,功能依次增加,其计算方法包括:MM2, AM1, AM1 with Solvent, PM3, 从头计算等,亦可将分子轨道及电荷密度等用三维图形表示。有关信息请查阅http://www.winmopac.com/站点; 此外,该公司还有一个Titan程序,在本文的后面有所介绍。

 

HyperChem等功能比PC Spartan更强,包括常用的几乎所有分子力学及半经验分子轨道方法及多种基集的从头计算等,并能计算振动光谱、电子光谱、分子动态学等,所得结果可以非常漂亮的三维图形表示出来。其网站在http://www.hyper.com/, 可以下载测试版。

 

Gamess为一免费的从头计算程序,其速度快,并提供源程序。但其界面为DOS界面,必须用手工输入分子结构及计算相关的命令,比较繁琐。有关信息可查阅http://www.msg.ameslab.gov/GAMESS/GAMESS.html。另外,有一个专门为Gamess设计的用户界面Visualize,使得结构与命令的输入更简单,计算的结果可以三维图形方式表现出来。该软件亦为免费程序,可以在http://www.compbio.net/上下载。

 

Gaussian在量子化学界非常有名,支持常用半经验方法、从头计算法及密度泛函理论,其用户界面不够友好。但可以在Chem3D加入CS Gaussian Client插件后简化用户的操作。其站点在http://www.gaussianinc.com/。

 

Jaguar为Schrodinger公司给使用工作站(如SGI, HP, DEC)及LINUX操作系统的PC所设计的从头计算及密度泛函计算程序,其速度特快,用户界面一般。其站点为http://www.schrodinger.com/。

 

Titan为设计PC Spartan的WaveFunction公司与设计Jaguar的Schrodinger公司合作的结晶,该产品支持半经验方法、从头计算法及密度泛函计算,用户界面友好。但功能相对较薄弱。

 

另外,由原Oxford Molecular Ltd开发,现被日本的Fujitsu公司收购的CAChe程序时专为实验化学家所设计,使用简单的量子化学程序,功能强大。但价格相对较贵。

 

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