利用Cartes构造二茂铁结构

利用Cartes构造二茂铁结构

2004-9-23

 

在为量化计算构造分子模型时，我们时常为构造具有一定的对称性的分子结构而烦恼，本文介绍如何用Cartes软件轻松构造具有D_5h点群对称性的二茂铁（Ferrocene， Fe(C₅H₅)₂）分子的坐标。我们将看到Cartes不仅仅是处理晶体坐标的利器，也是处理分子结构，尤其是涉及到对称操作的法宝。

二茂铁分子属于D_5h点群，铁位于正中心，环戊二烯基环（cyclopentadienyl）的直径是2.33埃，铁原子到环戊二烯基环的距离是1.66埃[1]。C-H键长约0.9埃。根据上述数据和二茂铁结构的对称性特点，我们先写出Fe原子和一个C-H的坐标，如下所示：

1.       编写初始ferrocene.gjf文件。

用文本编辑器（记事本或UltraEdit等）新建一个名为ferrocene.gjf的文件，格式如下：

#

空一行

ferrocene

空一行

0 1

Fe 0. 0. 0.

C  1.165 0. 1.66

H  2.065  0. 1.66

 

说明：Fe放在原点，C和H是在距离Fe1.66埃的平面上的，所以它们的z坐标是1.66。而环戊二烯基环上C到五边形中心的距离是2.33/2=1.165。H的x坐标=C的x坐标+C-H键长=1.165+0.9=2.065。

保存ferrocene.gjf文件。

 

2.       利用C₅对称性操作得到一个完整的环戊二烯基的坐标。

打开Cartes软件，用Cartes软件的“导入直角坐标”按钮导入ferrocene.gjf文件，如图：

 

由于现在处理的是分子体系，所以“晶胞参数”输入框可以不用去管。

点击“对称操作”，就打开了如下图所示的对话框：

先添加单位矩阵，直接点击“添加”按钮即可，如下图所示：

然后点击“向导”按钮，打开“对称操作矩阵生成向导”对话框，如图：

选择“典型对称元素”：“绕z轴旋转”，在“对称轴：角度（顺时针）：”里输入72，表示要绕z轴旋转72度，如图：

“确定”后，添加上述向导生成的矩阵，如下图所示：

然后，按照上述类似地操作步骤，再依次添加绕z轴旋转144，216和288度的操作矩阵。最后点击“确定”，保存成ferrocene-sym文件。

这时用Chem3D软件打开ferrocene-sym文件会看到如下结构：

可见，下面我们秩序再按照xy面的镜面对称性反映出分子的另一半（第二个环戊二烯基）即可。

3.       利用σ_xy对称性操作得到一个完整的二茂铁分子的坐标。

用Cartes软件的“导入直角坐标”按钮导入ferrocene-sym文件，点击“对称操作”按钮。在对称操作的对话框中先点击“清除”按钮，清空原先的对称操作矩阵列表。然后添加单位矩阵。接着点击“向导”按钮，打开“对称操作矩阵生成向导”对话框，选择“典型对称元素”：“以xy面反映”，如图：

“确定”后，添加上述向导生成的矩阵，如下图所示：

最后点击“确定”，保存成ferrocene-sym-sym文件。

这时用Chem3D软件打开ferrocene-sym-sym文件会看到如下完整的二茂铁分子的结构：

 

 

为了进一步确认结构的正确性，我们用Cartes软件来检验一下我们刚才构造的二茂铁分子的点群对称性。为此，用Cartes导入ferrocene-sym-sym文件，点击“点群判定”按钮，如图：

在弹出的“点群识别”对话框里点击“识别”按钮，就会看到Cartes判断出我们构造的二茂铁分子的点群是D_5h，如图：

甚至我们将容差值变到“很严格 (0.0001)”，该结构也依然保持很好的D_5h对称性，可见我们所构造的二茂铁分子是相当令人满意的。

 

附注：

Cartes软件最新下载地址：

http://202.112.86.128/studentspace/aqyw/cpp/Cartes/cartes.exe

 

关于Cartes软件的其他技巧和用法还会陆续介绍。

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[1] A. Haaland, Top. Curr. Chem. 53, 1 (1975).