Rappresentazione grafica di sistemi atomici e molecolari: editor e visualizzatori ESERCITAZIONE 5

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1 Rappresentazione grafica di sistemi atomici e molecolari: editor e visualizzatori ESERCITAZIONE 5

2 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

3 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 commento 3. N linee costituite da: simbolo chimico e coordinate x, y e z in Ångstrom dell atomo Esempio (molecola di acqua) 3 Acqua H O H

4 Editor e visualizzatori Alcuni visualizzatori possono mostrare anche risultati ottenuti eseguendo programmi di chimica computazionale Orbitali molecolari e set di dati volumetrici Reazioni chimiche Modi normali di vibrazione Traiettorie di simulazioni di dinamica molecolare

5 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:

6 Avogadro 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 Area per disegnare le molecole

7 Avogadro: acqua Se Adjust Hydrogens è attivo, disegnando l atomo di ossigeno, vengono aggiunti automaticamente due atomi di idrogeno

8 Diversi stili di rappresentazione grafica di molecole in Avogadro Ball and stick Stick Wireframe Van der Waals Spheres Per la rappresentazione di proteine sono presenti opportuni stili per descrivere anche la struttura secondaria (ad esempio, Cartoon e Ribbon)

9 Avogadro: Metodi Semiempirici Per calcolare la struttura e le proprietà delle melecole si impiegano metodi che si basano sulla meccanica quantistica, che richiedono risorse computazionali elevate I calcoli per determinare strutture di molecole possono essere semplificati con metodi semiempirici, che utilizzano parametri derivati da dati sperimentali o da calcoli ab initio (quantomeccanici) ad alti livelli di teoria I metodi semiempirici sono usualmente utilizzati per generare funzioni d'onda di partenza per i calcoli ab initio o per studiare sistemi costituiti da un elevato numero di atomi I risultati sono in genere meno accurati rispetto a quelli ottenuti da calcoli ab initio In Avogadro sono implementati alcuni metodi semiempirici che impiegano dei force field. Attivando la minimizzazione dell energia, si può scegliere il force field e l algoritmo da impiegare nello svolgimento dei calcoli

10 Minimizzazione della molecola di acqua Lunghezza e angolo di legame per l acqua MMFF94s UFF r / Å 0,969 0,990 / 104,0 104,5 force field algoritmo

11 Esercitazione 5 Disegnare ed ottimizzare la struttura della molecola di metanolo (CH 3 OH) 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

12 Esercitazione 5 Partendo dalla molecola di metanolo, incrementare l ordine di legame tra gli atomi di carbonio e di ossigeno. La molecola ottenuta è la formaldeide (CH 2 O) Ottimizzare la struttura con il force field MMFF94s Riportare nel report la struttura della molecola di formaldeide ottimizzata e le coordinate degli atomi nel formato XYZ

13 Esercitazione 5 Disegnare ed ottimizzare la struttura delle molecole di etano (C 2 H 6 ), etilene (C 2 H 4 ) e acetilene (C 2 H 2 ) In queste molecole cambia l ordine di legame tra gli atomi di carbonio. L ibridazione dell atomo di carbonio è rispettivamente sp 3, sp 2 e sp Impiegare il force field MMFF94s Riportare nel report la struttura ottimizzata e la distanza del legame C-C

14 Esercitazione 5 Disegnare la molecola di diborano (B 2 H 6 ) SUGGERIMENTO: NON USARE Adjust Hydrogens Ottimizzare la struttura con il force field UFF Verificare che gli atomi di idrogeno a ponte siano su un piano diverso dagli altri Riportare la struttura finale nel report.