№12 Практикалық жұмыс Жүйенің энергиясын минимизациялау

№12 Практикалық жұмыс 
Жүйенің энергиясын минимизациялау 
Бұл жұмыста қалыптасатын дағдылар: 
• Молекулалық механиканың геометриясын ықшамдауды орындау;
• Бір нүктелік есептеулерді орындау; 
• Торзионды байланыстарды қолдану; 
• Жүйенің құрылымдық қасиеттерін өлшеу және салыстыру;
• Құрылысшы үлгілері үшін, нақтылы жазықтық арқылы шағылысыуларды 
қолдану;
• Жұмыс нәтижелерін сақтау. 
Молекулалардың 
сипаттамасы 
мен 
олардың 
өзара 
әрекеттесу 
механизмдерін түсінуге HYPERCHEM бағдарламасының талдау (анализдеу) 
аспаптарын қолданамыз. 
Бұл жаттығуда AMBER өріс күшін пайдаланып, циклогексанның 
энергиясын минимизациялаймыз. Бұл жаттығуды бастамас бұрын, энергияны 
минимизациялаудың кейбір негізгі тұжырымдамаларын біліуіміз керек. 
Энергияны минимизациялағанда молекуланың геометриясы өзгеріп, жалпы 
жүйенің 
энергиясы 
төмендейді, 
нәтижесінде 
біршама 
тұрақты 
конформацияға ие болады. Энергияны төмендету уақытында, бағдарлама 
геометриясының шексіз аз өзгеруімен энергиясы тұрақты болып қалатын 
молекулалық құрылымды іздейді. Бұл энергияның туындысы, нөлге тең 
градиент 
деп 
аталатын 
барлық 
Картезиандық 
координаталарға 
салыстырмалы екенін білдіреді. Ол, потенциалдық энергияның бойындағы 
тұрақты нүкте ретінде белгілі. 
Егерде геометриялық параметрлердің болмашы өзгерістері молекуланың 
энергиясын көбейтсе, ал конформация салыстырмалы түрде тұрақты болса, 
онда ол minimum деп аталады. Егерде энергия бір немесе бірнеше 
өлшемдерде болмашы өзгерістерге төмендесе, бірақ барлық габариттерде 
емес, бұл- ертоқым (saddle point) сияқты нүкте. Молекулалық жүйе көптеген 
минимумдарды иемдене алады. Ең төмен энергиясы бар жүйе глобалды 
минимум деп аталады. Өңгесі жергілікті минимумдар деп аталады.

Бұл жаттығуда кресло, ванна және твист ванна циклогексаны үшін, үш 
тұрақты нүктелерді есептейміз. Молекулалық механиканы әр пішінге 
ықшамдаймыз және глобалды минималды энергиямен конформациясын 
анықтау үшін, энергияларын салыстырамыз.
Тіркеу файлдарында сақтау 
HYPERCHEM терезесінің төменгі жағындағы мәлімет сызығы
есептеулердің нәтижелерін көрсетеді. Есептеулерге қатысты хабарламаларды 
және басқа да ақпараттарды тіркеу файлында сақтай аласыз. Бұл өзіміз үшін 
басып шығаруға, көрсетуге немесе ақпараттарды тіркеу файлынан 
қолжазбаларға жіберуге өте тиімді.
Тіркеудің файлын бастау: 
1. HYPERCHEM бағдарламасын ашыңыз. 
2. File мәзірінен Start Log опциясын таңдаңыз. 
Ашық файлдың аты және Open Log мәзірі ашылады да, мәтін ұяшығына 
chem.log шығады. Егерде chem.log файлы бар болса, онда Append 
таңдауын қолданып, соған мәліметтерді толтыруыңызға болады.
3. OK-ді басамыз. 
Сhem.log тіркеу файлы орындалған есептеулерді жинай бастайды.
Өріс күшін таңдау 
Циклогексанның кресло құрылымын құрмай тұрып, молекулалық 
механиканың ықшамдауын (оптимизациялауын) орындаймыз. Ол үшін 
HYPERCHEM бағдарламасынан өріс күшін таңдаймыз. Молекулалық 
механиканың есептеулерінің орындалуынан бұрын, алдымен өріс күшінің 
атом түрлерін және параматрлерін анықтап алуымыз керек. Ол үшін AMBER 
өріс күшін пайдаланамыз.
Өріс күшін таңдау: 
1. Setup мәзірінен Molecular Mechanics опциясын таңдаймыз. 
2. Диалог ұяшығы ашылғанда AMBER –дің тұсына белгі қоямыз. 
3. Options үстінен L-шертпе жасаймыз. Force Field Options диалог ұяшығы 
ашылады.
4. Dielectric бөліміндегі Distance Dependent опциясына белгі қоямыз. 
Есептеу кезінде су сияқты еріткіштердің молекулалары қолданылмайды. 
Сол еріткіштің қатысында есептеу нәтижелерін ықшамдап жеке қолдану, 
диэлектрлік өтімділігіне тәуелді, ал бұл - кәдімгі аппроксимация (жуықтау). 
Кулондық әрекеттесу кезінде 1/r қарағагда 1/r
2
тез кемиді. Егер сіз 1.0 мәнді 
таңдасаңыз, кез-келген жағдайда, Кулонның өзара әрекеттесулері шәкілдің 
қосымша коэффициентімен масштаб жасай алады. 
5. Scale factor-ға 1 санын жазыңыз. 
6. Electrostatic және van der Waals 1-4 коэффициент масштабтарына 0.5 
санын қойыңыз. 
Бұл үш байланыстан да оқшауланып қалған атомдар үшін, 
байланыспаған әрекеттесу масштабтарын анықтайтын таңдау. AMBER 
параметрі екі 0.5 шәкіл козффициенттерінің жиынтығынан алынған мәлімет. 
Соңдықтан, оларды AMBER-дің өріс күші ретінде қолданамыз.
7. Cutoffs-тан None таңдаңыз: 

Үлкен құрылымдарды есептеу үшін, алыс реттің өзара әрекеттесуін ескере 
отырып, есептеу шәкілінің мәнін кішірейту керек. Құрылым кішкетай бола 
қалған жағдайда, бұл таңдау ескерілуі мүмкін.
8. Екі диалог ұяшықтарын жабу үшін OK-ді басамыз.
9. Setup мәзірінен Select Parameter Set опциясын таңдаймыз. 
10. Диалог ұяшығы ашылғанда amber2-ні таңдаймыз.
AMBER өріс күші үшін, бірнеше параметрлердің әртүрлі жиындары 
жетімді. Қолданушылар өздері параметрлердің меншікті жиындарын анықтай 
алады.
Циклогексанның кресло пішінін құру: 
Креслоның конформациясын құру: 
1. Default Element-тен көміртекті таңдап, Draw аспабына L-шертпе 
жасаймыз.
2. Select мәзіріндегі Atoms опциясына белгі ұрамыз.
3. Display мәзірінен Labels опциясын таңдаймыз да, атомдарды нөмірлермен 
таңбалаймыз.
4. Build мәзіріндегі Explicit Hydrogens бөлімі өшірулі болсын. 
5. Суреттің 2-D құрылымын, төменгі суреттегідей Draw батырмасының 
көмегімен сызыңыз:
6. Build мәзірінен Add H & Model Build опциясын таңдаңыз. 
7. Display мәзіріндегі Show Hydrogens опциясын өшіріңіз. 
8. Құрылымды төмендегі суреттегідей қалыпқа келгенше, аспаптардың 
көмегімен айналдырыңыз және орнын ауыстырыңыз: 

Model Builder циклогексанның жасырын құрылымын кресло пішінде 
құрады. Құрылым ықшамдалмаған (оптимизацияланбаған), бірақ оның 
байланыс ұзындықтары, бұрыштары және бұраулары стандартты жиынға ие 
болады.
Кресло тәрізді циклогексанның құрылымдық қасиеттерінің өлшемі 
Енді, құрылған құрылымның құрылымдық қасиеттерін өлшейміз. Кейіннен, 
алынған мәліметтерді бір-бірімен салыстырамыз.
Молекуланың геометриясын өлшеу: 
1. Таңдау пішініне кіріңіз. 
2. Select мәзіріндегі Atoms опциясына белгі ұрамыз. Multiple Selection 
опциясындағы белгіні өшіреміз . 
3. Құрылымның геометриясын зерттеу үшін, бірнеше байланыстарды, 
бұрыштарды және торзион бұрыштарын таңдаймыз.
Таңдауды жүргізгеннен кейін, мәлімет сызығына төмендегі мәндер 
шығады:
а) Байланыс ұзындығы: 1. 54Å 
ә) Бұрыш: 109.47 град.
б) Торзион бұрышы: 60 град. 
а ә б 
4. Бос аймаққа R – шертпе жасаңыз.
Бір нүктелік есептеуді орындау
Содан соң, оптимизацияланбаған кескіннің толық энергиясын алу үшін, бір 
нүктелік есептеу жүргіземіз. 
Бір нүктелік есептеуді орындау : 
1. Compute мәзірінен Single Point опциясын таңдаңыз. 

Бір нүктелік есептеу атомдардың ағымдағы кескіндерінің энергиясы 
(ккал/моль) 
мен 
жалпы 
орташа 
квадрат 
градиенттерін 
(RMS) 
(kcal/(моль·Ангстрем)) мәлімет сызығына шығарады: 
Энергия = 1.64 
Градиент = 3.02 
RMS градиент жергілікті минимумда жабық және нөлге тең. Содықтан, 
AMBER өріс күшін есептейтінді қолданып құрылған құрылым - жергілікті 
минимум емес. 
Log File түсінігіне кіру. 
Бір нүктелік есептеулердің ақпараттары тіркеу файлында сақталады. 
Осыған қосымша мәлімет сызығына да шығады. Тіркеу файлы энергияның 
басқа да компаненттерін көрсетеді. Келешек сілтемелер үшін, тіркеу 
файлына түсініктемлер қоса аласыз.
Тіркеу файлындағы түсінікке кіру: 
1. File мәзіріндегі Log Comments опциясын таңдап, «түсінік» ұяшығына 
төмендегі суреттегідей кірк керек:
2. OK-ді басыңыз. 
Құрылымдарды ықшамдау (оптимизациялау)
Келесі қадам, молекулалық механиканың оптимизациясын орындай 
отырып, кресло құрылымын минимизациялау. Алдымен минимизация 
түрлерін қоса отырып, минимизацияның параметрлерін орнатып аламыз. 
Одан кейін есептеуді бастаймыз.

Айнымалы оптимизацияны орнату
1. Compute мәзірінен Geometry Optimization опциясын таңдаймыз. 
Диалог ұяшығы шығады:
Диалогті ұяшықтағы таңдаулар оптимизацияның алгаритмін және сіз 
орындайтын энергияны минимизациялауға арналған сәйкестіктің белгісін 
таңдауға сізге мүмкіндік береді.
2. Polak-Ribiere минимизация алгоритмін таңдаңыз. 
Бұл алгоритм әмбебап оптимизацияға жақсы. Polak-Ribiere және Флетчер-
Ривес бір өлшемді зерттеулердің қатарларын немесе түйіндес градиенттердің 
кішірею бағытындағы циклдерді орындайды. Әр түрлі алгоритмдер 
сәйкесінше әр түрлі жағдайларда қолданғанды білдіреді. 
3. RMS үшін 0.1 градиент мәні қолданылсын және бүркеме мәндер басқалар 
үшін айнымалы. RMS градиент және максимал циклдер саны үшін, мәтін 
ұяшығы есептеуді аяқтауға арналған шартты орнатуға мүмкіндік береді. Осы 
белгілердің кез келгені есептеудің мәресіне жеткенде, есептеу тоқтайды. In 
vacuo таңдауы периодты шекті шарттарсыз есептеулерді орындайды. Егерде 
жүйе периодты блокқа орнатылмаса, бұл-жалғыз таңдау болады. Periodic 
boundary таңдауы өзгеріске жағдай жасайды (In vacuo - вакуумда). Ол 
Periodic Box опциясын қолданбасаңыз, сұр түсті болады. 
Есептеулермен басқару 
Оптимизациялау үшін айнымалыларды реттеуді аяқтадық. Енді 
есептеулерді бастаймыз.
1. Есептеуді бастау үшін, OK-ді басып, диалог ұяшығын жабамыз.
Геометрияны оптимизациялау басталып, қозғалыс туралы ақпарат мәлімет 
сызығына шығады. Бірнеше уақыттан кейін қозғалыс тоқтайды. Мына 
мәндер мәлімет сызығына шығады:
Энергия: 1.33 
Градиент: 0.07 
Минимизациялаудан бұрын құрылған құрылымның градиент мәнінен 
кейінгі градиент мәні біршама кіші болды.

Минимизацияланған жүйенің қасиеттерінің өлшемі
Минимизацияланған жүйенің құрылымдық қасиеттерін, енді осындай 
құрастырылған пішінді құрылымдармен салыстырамыз.
1. Әр түрлі байланыстарды, бұрыштарды және торзион бұрыштарын 
таңдаңыз. Таңдауларды орындағанда мәлімет сызығына мәндері шығады:
Байланыс ұзындығы: 1.53Å 
Бұрыштар: 110.2 град 
Бұрулар: 58.0 град 
2. 
Бұл 
мәндерді 
минимизацияланбаған 
құрылымның 
мәндерімен 
салыстырыңыздар:
Байланыс ұзындығы: 1. 54Å 
Бұрыштар: 109.4 град 
Бұраулар: 60 град 
Құрылымның қасиеттерін салыстырғанда энергияны минимизациялау 
аздап тэтраэдр бұрышының ұлғайғаны мен торзион бұрышының 2 градусқа 
және аздап байланыс ұзындығының кішірейгенін байқаймыз.
Креслодан ваннаға циклогександы өрнектеу
Циклогексаннан ванна пішінді алу үшін, молекуланың бір басын көтереміз. 
Шағылдыру жазықтығын анықтау:
1. Select мәзіріндегі Multiple Selections опциясын белгілейміз. 
2. Selection аспабына L-шертпе жасаймыз. 
3. Құрылымды бастапқы қалпына келтіру үшін, Selection аспабының үстінен 
екі рет шертеміз.
4. Шағылу жазықтығын таңдау үшін, 1-2 және 4-5 байланыстарының үстіне 
L-шертпе жасаймыз: 

5. Select мәзірінен Name Selection опциясын таңдаймыз. 
6. Одан PLANE бөлімін таңдап, OK-ді басамыз. 
Молекуланың бір басын шағылдыру: 
1. Қажет болса Show Hydrogens опциясын таңдап алыңыз және барлық 
молекула экран бетінде көріну үшін, Zoom tool аспабын қолданыңыз. 
2.Молекуланың бір басындағы атомдарды байланыстарымен толық таңдау 
үшін, төмендегі суреттегідей LR-тарту орнын жасаңыз:
3. Edit мәзірінен Reflect опциясын таңдаңыз. 
Таңдалған атомдар мен байланыстар PLANE арқылы шағылысып, 
циклогексанның құрылымы ваннаға ауысты.
Енді құрылым төмендегідей көріністе болады:
4. Таңдаулардан шығу үшін, экранның бос жерін R-шертпе жасаңыз.
Аксиал сутегілердің арасындағы қашықтықтардың өлшемі 
Ванна құрылымында екі аксиалды сутек атомдары бір-біріне жақын. 
Арақашықтығын өлшеу: 

1. Осы екі сутек атомына L-шертпе жасаймыз: 
Мәлімет сызығына 1.84Å арақашықтықтың мәні шығады:
Бұл арақашықтықтың мәні байланыспаған атомдар үшін мүмкін емес мән. 
Құрылымды оптимизациялау, бұл атомдардың энергиясын төментетуге алып 
келеді.
Ванна циклогександы оптимизациялау
Ванна құрылымын минимизациялау: 
1. Бос аймаққа таңдауларды өшіру үшін, R-шертпе жасаймыз.
2. Compute мәзірінен Geometry Optimization опциясын таңдаймыз. 
3. Алдыңғы таңдауларды қолдана отырып, оптимизациялауды бастау үшін, 
OK-ді басамыз. Әрбір конформация жұмыс кеңістігіне шығатындықтан, 
энергия мен градиент мәндері мәлімет сызығына шығады. Минимизация 
аяқталғанда мәлімет сызығына мына мәндер шығады: 
Энергия: 8.31 
Градиент: 0.09. 
Аксиалды сутктердің арақашықтықтарын қайтадан өлшейміз:
1. Екі өстік сутекке L-шертпе жасаймыз. 
Мәлімет сызығы арақашықтықтың " Н-Н " (2. 28Å) жаңа мәнін көрсетеді. 
Энергияны минимизациялау екі сутектің арақашықтығын ұзартты.
Ваннаның оптимизацияланған құрылымы- ертоқым (saddle point) сияқты 
нүкте. Құрылымды іске қосуда симметриялы жазықтық осы жазықтыққа 
барлық перпендикуляр күштерді тепе-теңдікте сақтайды. Іздеу кезінде 
оптимизацияның бағыты осы күштерге негізделген. Содықтан, барлық іздеу 
бағыттары сол симметриялы жазықтыққа ие. HYPERCHEM бағдарламасы 
симметриялы 
жазықтықтан 
басқа 
барлық 
салыстырмалы 
арақашықтықтардың minimum-ы болатын ертоқым (saddle point) сияқты 
нүктені табады.
Циклогексанңың твист- ванна пішінін құру 
Циклогексанның твист- ванна пішіні шынайы жергілікті минимум болып 
табылады. Құрылымды алудың жеңіл жолы, құрылымға жаңа торзион 
байланыстарын қоя отырып, аздап ванна пішінді өзгертеміз. Содан кейін 
құрылымды оптимизациялаймыз.
Торзион байланысын орнату: 

1. Бос аймаққа R – шертпе жасаймыз. 
2. Show Hydrogens опциясын өшіреміз. 
3. Мынандай ретте төрт көміртек атомдарынан торзион бұрыштарын 
таңдаймыз: 6-1, 1-2, және 2-3. 
Model Builder таңдаудың ретіне сәйкес кескінді есептейді. 
4. Build мәзірінен Constrain Bond Torsion опциясын таңдаңыз. Other 
бөліміне белгі ұрыңыз да, байланыстың бұрышын 30 градус деп жазыңыз.
OK-басыңыз. 
5. Бос аймаққа R-шертпе жасаңыз. 
Торзион таңдауы өшеді, бірақ байланыс әлі орнатылған жоқ.
Торзион байланысымен молекуланы қалпына келтіру: 
1. Model Builder шақыру үшін, Selection аспабына екі рет шертіңіз. 
HYPERCHEM бағдарламасы циклогексанның твист – ванна пішінін құру 
үшін, құрылымды торзион байланысымен қалпына келтіреді.
Циклогексанның твист- ванна пішінін оптимизациялау 
Алдыңғы оптимизациялаудан айнымалы минимизацияны қолдана отырып, 
молекуланың геометриясын оптимизациялаймыз.
Твист-ванна құрылымын минимизациялау: 
1. Compute мәзірінен Geometry Optimization опциясын таңдаңыз. 
2. Минимизациялауды бастау үшін, алдыңғы таңдауларды қолданып, OK-
басамыз.
Минимизация аяқталысымен, мәлімет сызығына мына мәндер шығады: 
Энергия: 7.22 
Градиент: 0.07 

Нәтижелерді талдау 
Келесі кестеде циклогексанның әр түрлі пішіндерінің энергиялары 
(kcal/mol ) мен градиенттерінің (kcal / (моль · Ангстрем)) оптимизациядан 
кейінгі мәндері берілген:
Твист ванна ванна кресло 
Энергия 1.33 8.31 7.22 
Градиент 0.07 0.08 0.07. 
Кресло және твист – ванна құрылымдарының энергиялары ванна 
құрылым энергиясынан төмен. Кресло пішіні - глобалды минимум. 
Абсолютті энергия мен есептелген энергияның айырмашылығы онша көп 
емес. Салыстырмалы энергияны эксперимент жүзінде алынатын мәндермен 
салыстырып көрелік:
Салыстырмалы 
энергия 
Эксперимент 
жүзінде алынатын 
энергия 
ΔЕ кресло -ванна 6,98 
6,9 
ΔЕ твист-ванна- 
кресло 
5,89 
5,3 
Тіркеу файлын тоқтату 
File мәзірінен Stop Log опциясын таңдаңыз. 
Зертханалық жұмысты өңдеу 
1. Зертханалық жұмыстың атауын және мақсатын жазыңыз. 
2. Зертханалық жұмыстың орындалу әдісін жазыңыз. 
3. Зертханалық дәптерге орындалған тапсырманы өңдеп түсіріңіз. 
4. Қорытынды жасаңыз. 
Тапсырма: 
1. MM+ өріс күшін қолданып, циклогексан молекуласымен жұмысты 
толығымен қайталаңыз және алынған мәліметтерді салыстырыңыз.
2. 
Орындалған тапсырмаларды көшіріп, параққа шығарып алыңыз да, 
зертханалық дәптеріңізге жапсырыңыз.