¿Cómo conectar las estructuras en Avogadro en determinados ángulos?

Question

Estoy trabajando con esta nanoestructura de carbono en Avogadro y la unión entre las dos nanoestructuras que intento unir nunca parece estar bien alineada. Siempre parece estar desviada, lo que probablemente se deba a la forma en que muevo la unión a su posición (arrastrando manualmente).

He puesto una foto de mi problema más arriba. Donde están las dos flechas blancas es lo que me está molestando. Me gustaría que fueran lo más verticales posible, pero no conozco formas de hacerlo aparte de ajustar manualmente los átomos/vínculos, lo que supongo que no conseguirá que se alineen exactamente.

ACTUALIZACIÓN:

Siguiendo los consejos de khaverim, he seguido sus primeras instrucciones, utilizando MMFF94 en lugar de UFF (olvidé cambiarlo y mi estructura es grande por lo que tarda en optmizarse, lo intentaré con UFF más adelante), y he obtenido la siguiente estructura:

Estoy bastante seguro de que todos los ángulos son iguales, al menos lo parecen, así que gracias.

Answer 1

¿Intentaste un (Campo de Fuerza Universal) optimización de la geometría ? Lo haría:

1. Seleccionar todos los átomos
2. Deseleccionar (mantener Ctrl + clic) los 4 (¿6? ¿8?) carbonos de interés
3. Haga clic en Extensiones -> Mecánica Molecular -> Ignorar selección
4. Haga clic en Extensiones -> Optimizar geometría

También puedes optimizar algunos átomos más alrededor/en el puente mientras los otros están restringidos. El algoritmo de la O.G. es bastante robusto y maneja bastante bien muchos sistemas. Un ejemplo sencillo de ciclohexano dibujado a mano:

Obtuve un resultado así por fabricación de 2 nanotubos con índice quiral (4,4), dibujando 6 enlaces y optimizando el puente:

---

Si esto no es efectivo, yo recurriría a:

1. Cambia los 4 carbonos por elementos diferentes, por ejemplo

$\ce{O H}$

$\ce{N S}$

(como la disposición que tienes en la foto, para poder identificarlos después)

1. Haga clic en Archivo -> Guardar como... y guarde el archivo como .xyz

2. Calcule la distancia O-N y H-S mediante $r_{ij} = \sqrt{\Delta x^2 + \Delta y^2 + \Delta z^2}$ a partir de las coordenadas del archivo .xyz.

3. Lo ideal es que Avogadro guarde las coordenadas .xyz alineadas en z (que es lo que viene por defecto cuando se dibujan moléculas sin rotar la vista inicial).

4. (Incluso si no,) reescribir las coordenadas de los átomos alineados en x y z, por ejemplo $\ce{O}$ en $(x, y, z)$ ; $\ce{N}$ en $(x, y-r, z)$ .

5. O bien (yikes) escribir un programa rápido para generar posibles sistemas con el fijo $r$ que has calculado, nómbralos system-000.xyz , system-001.xyz , system-002.xyz etc., y vea los cuadros de "trayectoria" hasta que encuentre uno que le guste. (La visualización puede ser mucho más fácil con VMD Por ejemplo vmd system-*.xyz ).

---

Evitar el Avogadro: Si utiliza Molden y cargue su sistema (como un .xyz, .car, .pdb, etc.), puede utilizar el editor ZMAT para cambiar manualmente los ángulos de enlace y los diedros:

---

Por último, si todo lo demás falla, puede ser el momento de considerar un tratamiento mecánico cuántico completo del sistema (si está familiarizado con la computación de alto rendimiento) con un programa gratuito (¡para el mundo académico!) como Orca (donde se pueden restringir ciertos átomos durante la optimización). Un ejemplo de entrada sería:

! hf 6-31g* opt  # or copt, for cartesian optimization

%pal
nprocs 128   # num. processors
end

%scf
maxiter 2000 # max self-consistent field iterations
end

%geom
Constraints # atoms to keep fixed starting at index 0
{C 61 C}
{C 62 C}
{C 290 C}
{C 291 C}
{C 292 C}
end
end

*xyz 0 1  # charge=0; mult=2S+1 = 1 (closed shell)
  C      -1.306743      4.170005      1.012072
  C      -0.042414      3.718873      0.686759
  C       0.210647      2.367809      0.785537
  C      -2.267754      3.271952      1.435683
  C      -2.920909      0.889649      1.948837
  C      -4.153277      1.187877      2.498723
  C      -4.989183      0.155126      2.896328
  C      -4.571713     -1.152339      2.735382
  C      -3.332221     -1.380404      2.172864
....... etc.
*

Answer 2

No sé si se puede hacer con Avogadro, ya que no tengo experiencia prolongada con el programa. Por lo que veo, no hay posibilidad de editar longitudes de enlace/ángulos/ángulos diedros directamente. Ofrece un editor de coordenadas cartesianas, pero es tan tedioso manipular la estructura como hacerlo a mano.

Supongo que su problema es bastante sencillo de resolver con ChemCraft . Este programa proporciona la herramienta para fusionar y alinear dos estructuras de dos ventanas diferentes. Esto le permite combinar fácilmente fragmentos precalculados sin perder la simetría y sin hacer ningún cálculo a mano.

Como no tengo acceso a ninguna de sus estructuras, voy a explicárselo con un ejemplo. Voy a poner una taza de $\ce{C70}$ fragmento de nanotubo con un $\ce{C40}$ buckminster fullerene, dos veces. Ambos fragmentos tienen (al menos) fullereno buckminster, dos veces. Ambos fragmentos tienen (al menos) $C_5$ simmentro, pero esto no es necesario. Al final produciremos un Fullereno con $D_\mathrm{5h}$ simetría. Por razones de espacio en este post, incluiré las coordenadas al final. (Estoy usando la build 485 actualmente, pero las versiones actualizadas deberían seguir pudiendo realizar esto).

Se empieza abriendo dos instancias de ChemCraft y cargando cada fragmento en una. Quieres que las partes estén alineadas una frente a la otra. En mi diseño estoy modificando el $\ce{C70}$ fragmento de la izquierda, mientras que la ventana de la derecha me proporciona los fragmentos que utilizo (no es que importe en este contexto). Una vez hecho esto, seleccionas los átomos que quieres alinear en cada ventana. Cuantos más átomos seleccione, más información proporcionará al programa para alinear las estructuras. Su pantalla debería ser algo parecido a lo que se muestra a continuación:

En la ventana de la izquierda se elige "Herramientas > Combinador de estructuras > Fusionar dos estructuras de dos ventanas Chemcraft por subunidades seleccionadas". Debido a la alta simetría, el algoritmo puede equivocarse en la orientación. Entonces es mejor intentar seleccionar (uno o dos) menos átomos.

La ventana de la derecha debería ser como la siguiente. Obviamente, los átomos que ha tomado para alinear son dobles en la mezcla. En algunas estructuras puede seleccionarlos fácilmente y eliminarlos, cuando coinciden demasiado bien, puede cambiar de pantalla.

Si decide "mostrar los átomos borrados" se mostrarán como maniquíes; después de hacer clic en aplicar, éstos desaparecerán y el programa volverá a enlazar la molécula.
Ahora un lado está tapado con éxito, y voy a proceder a añadir la segunda taza. Hemos creado una pequeña y bonita nanopíldora. Desde el menú, puede elegir simetrizar la molécula. Lo ideal en este caso es que ya esté muy, muy cerca de $D_\mathrm{5h}$ . El espacio cartesiano introducirá obviamente algunos artefactos. Elija "Edición > Grupo de puntos de ajuste ... > Auto" para dejar que el programa lo determine por usted.

De hecho, hay una ligera variación para el grupo de puntos. Afortunadamente, el programa también puede corregirlo.

No hace falta que te detengas ahí. ChameCraft viene con un editor de xyz/distancia/ángulo/dihedral en la esquina inferior izquierda de la ventana, dependiendo de cuántos átomos seleccione. Puedes elegir si quieres promediar la estructura o sólo mover el último átomo seleccionado. Si los átomos no están conectados con enlaces visibles, manipulará todo el fragmento en consecuencia. Con esta función puedes afinar todo, pero entonces puede que vuelvas a necesitar el lápiz, el papel y la calculadora.

Como no conozco el contexto de tu investigación, baste decir que se trata de técnicas para crear geometrías de entrada adecuadas para programas de cálculo más avanzados, de los que hay bastantes. Una geometría bien diseñada podría quitarte un tiempo de optimización crucial. No estoy seguro de la idoneidad de los métodos de campos de fuerza para los nanotubos, y aunque Avogadro proporciona metodología para moléculas orgánicas sencillas, proyectos como éste podrían ser demasiado complejos para ser razonables. Que yo sepa, Avogadro no reconoce la simetría.

Anexo

El $\ce{C70}$ tiene las siguientes coordenadas (en angstrom):

70
symmetry c1
C        1.385307752     -3.115487343     -5.540304632
C        2.534920901     -2.280244499     -5.540304632
C        3.391088177      0.354767430     -5.540304632
C        2.951975027      1.706218740     -5.540304632
C        0.710500000      3.334745672     -5.540304632
C       -0.710500000      3.334745672     -5.540304632
C       -2.951975027      1.706218740     -5.540304632
C       -3.391088176      0.354767430     -5.540304632
C       -2.534920901     -2.280244499     -5.540304632
C       -1.385307752     -3.115487343     -5.540304632
C       -0.710500000     -3.334745672     -4.309125825
C        0.710500000     -3.334745672     -4.309125825
C        1.385307752     -3.115487343     -3.077947018
C        2.534920901     -2.280244499     -3.077947018
C        2.951975027     -1.706218740     -4.309125825
C        3.391088177     -0.354767430     -4.309125825
C        3.391088177      0.354767430     -3.077947018
C        2.951975027      1.706218740     -3.077947018
C        2.534920901      2.280244499     -4.309125825
C        1.385307752      3.115487343     -4.309125825
C        0.710500000      3.334745672     -3.077947018
C       -0.710500000      3.334745672     -3.077947018
C       -1.385307752      3.115487343     -4.309125825
C       -2.534920901      2.280244499     -4.309125825
C       -2.951975027      1.706218740     -3.077947018
C       -3.391088176      0.354767430     -3.077947018
C       -3.391088176     -0.354767430     -4.309125825
C       -2.951975027     -1.706218740     -4.309125825
C       -2.534920901     -2.280244499     -3.077947018
C       -1.385307752     -3.115487343     -3.077947018
C       -0.710500000     -3.334745672     -1.846768211
C        0.710500000     -3.334745672     -1.846768211
C        1.385307752     -3.115487343     -0.615589404
C        2.534920901     -2.280244499     -0.615589404
C        2.951975027     -1.706218740     -1.846768211
C        3.391088176     -0.354767430     -1.846768211
C        3.391088176      0.354767430     -0.615589404
C        2.951975027      1.706218740     -0.615589404
C        2.534920901      2.280244499     -1.846768211
C        1.385307752      3.115487343     -1.846768211
C        0.710500000      3.334745672     -0.615589404
C       -0.710500000      3.334745672     -0.615589404
C       -1.385307752      3.115487343     -1.846768211
C       -2.534920901      2.280244499     -1.846768211
C       -2.951975027      1.706218740     -0.615589404
C       -3.391088176      0.354767430     -0.615589404
C       -3.391088176     -0.354767430     -1.846768211
C       -2.951975027     -1.706218740     -1.846768211
C       -2.534920901     -2.280244499     -0.615589404
C       -1.385307752     -3.115487343     -0.615589404
C       -0.710500000     -3.334745672      0.615589404
C        0.710500000     -3.334745672      0.615589404
C        1.385307752     -3.115487343      1.846768211
C        2.534920901     -2.280244499      1.846768211
C        2.951975027     -1.706218740      0.615589404
C        3.391088176     -0.354767430      0.615589404
C        3.391088176      0.354767430      1.846768211
C        2.951975027      1.706218740      1.846768211
C        2.534920901      2.280244499      0.615589404
C        1.385307752      3.115487343      0.615589404
C        0.710500000      3.334745672      1.846768211
C       -0.710500000      3.334745672      1.846768211
C       -1.385307752      3.115487343      0.615589404
C       -2.534920901      2.280244499      0.615589404
C       -2.951975027      1.706218740      1.846768211
C       -3.391088176      0.354767430      1.846768211
C       -3.391088176     -0.354767430      0.615589404
C       -2.951975027     -1.706218740      0.615589404
C       -2.534920901     -2.280244499      1.846768211
C       -1.385307752     -3.115487343      1.846768211

El $\ce{C40}$ tiene las siguientes coordenadas:

40
symmetry c1
C       -0.004840185     -3.437248260     -1.231937277
C       -1.267748660     -3.000481413     -1.692390182
C       -2.250219438     -2.561103110     -0.763208689
C       -3.030739803     -1.417632648     -1.047784233
C       -2.833456162     -0.706703611     -2.263242764
C       -2.833456162      0.706703611     -2.263242764
C       -3.030739803      1.417632648     -1.047784233
C       -2.250219438      2.561103110     -0.763208689
C       -1.267748660      3.000481413     -1.692390182
C       -0.004840185      3.437248260     -1.231937277
C        0.283148522      3.437248269      0.160450194
C        1.546056995      3.000481414      0.620903095
C        2.528527766      2.561103104     -0.308278399
C        3.309048125      1.417632641     -0.023702855
C        3.111764498      0.706703610      1.191755677
C        3.111764498     -0.706703610      1.191755677
C        3.309048125     -1.417632641     -0.023702855
C        2.528527766     -2.561103104     -0.308278399
C        1.546056995     -3.000481414      0.620903095
C        0.283148522     -3.437248269      0.160450194
C       -0.693482914     -3.000481414      1.084109073
C       -1.963942392     -2.561103104      0.620903094
C       -2.567533811     -1.417632641      1.191755675
C       -3.226850870     -0.710929034      0.160450192
C       -3.226850870      0.710929034      0.160450192
C       -2.567533811      1.417632641      1.191755675
C       -1.963942392      2.561103104      0.620903094
C       -0.693482914      3.000481414      1.084109073
C       -0.034165862      2.293777797      2.115414553
C        1.349945920      2.293777797      1.829137515
C        2.135133060      1.143470461      2.115414554
C        1.531541637      0.000000000      2.686267134
C        2.135133060     -1.143470461      2.115414554
C        1.349945920     -2.293777797      1.829137515
C       -0.034165862     -2.293777797      2.115414553
C       -0.641366192     -1.143470461      2.689680299
C       -1.904274667     -0.706703610      2.229227401
C       -1.904274667      0.706703610      2.229227401
C       -0.641366192      1.143470461      2.689680299
C        0.139154169      0.000000000      2.974255840

Final $\ce{C130}$ nano-píldora:

130
symmetry d5h
C        3.334745673     -0.710500000     -2.462357615
C        3.334745673      0.710500000     -2.462357615
C        3.115487344      1.385307752     -1.231178807
C        2.280244500      2.534920901     -1.231178807
C        1.706218741      2.951975027     -2.462357615
C        0.354767431      3.391088176     -2.462357615
C       -0.354767429      3.391088176     -1.231178807
C       -1.706218739      2.951975027     -1.231178807
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C        3.334745673      0.710500000      2.462357615
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C        2.322720745      2.561081857      3.693536424
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C        3.384486708      0.706697748     -4.903041140
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C        2.322720745      2.561081857     -3.693536424
C        1.717973407      3.000456525     -4.903041139
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C       -3.153493775     -1.417620884     -4.903041132
C       -2.322720749     -2.561081859     -4.903041134
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C        0.745287399     -2.293758766     -6.848429277
C        1.947593421     -2.293758772     -6.105357132
C        2.783333689     -1.143460975     -6.105357132
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C        1.947593421      2.293758772     -6.105357132
C        0.745287399      2.293758766     -6.848429277
C       -0.227398602      3.000456514     -6.105357127
C       -1.579654762      2.561081856     -6.105357127
C       -1.951187752      1.417620880     -6.848429274
C       -2.923873754      0.710923134     -6.105357124
C       -2.923873754     -0.710923134     -6.105357124
C       -1.951187752     -1.417620880     -6.848429274
C       -0.972686005     -0.706697746     -7.595944297
C        0.371532989     -1.143460974     -7.595944302
C        1.202306016      0.000000000     -7.595944306
C        0.371532989      1.143460974     -7.595944302
C       -0.972686005      0.706697746     -7.595944297