二茂铁结构的构造

汪洋

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D5h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D5h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[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,CH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=1.165Hx坐标=Cx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144216288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σxy对称性操作得到一个完整的二茂铁分子的坐标。

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D5h,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D5h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。



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