Voraussetzungen: GL (möglichst z-Buffer) oder X11,
Lizenz.
Information:
Online (Menü Help); gedruckt: Manual (Spartan User's Guide), Tutorial.
Aufruf: spartan (return).
Theorie: HF, UHF, MP2, UMP2
Basis: STO-3G, 3-21G(*), 6-31G*, 6-31G**, 6-311G**
Theorie: LSDA (Local Spin Density Approximation)/VWN
Basis: DN, DN*, DN**
MNDO, AM1, PM3
Sybyl, MM2, MM3
About Spartan: Versionsnummer, Copyright
Colors: Farben für Bildschirmhintergrund und Modelle
Preferences: Anzeigemodus (Perspektive, Taumelbewegung, Kasten,
...)
Print Setup: Druckereinrichtung (Auswahl und Charakteristik von
Druckern zur Ausgabe von Bildern und Text)
Monitor: Jobkontrolle
New: Aufbau eines neuen Moleküls mit dem Moleküleditor
Open: Öffnet eine Datei
Close: Schließt die aktuelle Datei
Save As: Speichert die Datei unter einem neuen Namen
Merge As: Führt zwei oder mehr Moleküle zusammen
Group As
Delete: Löscht eine (nicht geöffnete) Datei
Import: Einlesen einer Datei in einem externen Format
- (Sybyl MOL, Sybyl MOL2, MacroModel, PDB)
Export: Abspeicherung in externem Datenformat
- (Sybyl MOL, Sybyl MOL2, MacroModel, PDB)
Print: Drucken
Quit: beendet Spartan
Wire: Drahtgittermodell
Ball and Wire: Kugel-Draht-Modell
Tube: Röhrenmodell
Ball and Spoke: Kugel-Speiche-Modell
Space Filling: raumerfüllendes Modell (CPK-Kalotten)
Hide: versteckt das Modell
Hide Hydrogens: Wasserstoffatome werden nicht angezeigt
Show Labels / Hide Labels: Anzeige der Atomsymbole
Distance: Messung von Atomabständen
Angle: Messung von Bindungswinkeln
Dihedral: Messung von Diederwinkeln
Distance to Plane: Abstand zu einer Ebene
Angle with Plane: Winkel zu einer Ebene
Define Point: Definition eines Mittelpunktes
Define Plane: Definition einer Ebene
Show Box: Gitter oder Kasten anzeigen
Report Symmetry: Punktgruppe anzeigen
Edit Structure: Strukturänderung mit dem Moleküleditor
Conformer Search: Konformationssuche (Festlegung bzw. Anzeige)
Transition Search: Erzeugt ein Mittel aus Reaktant und Produkt
Vibration Sequence: Erzeugung einer Schwingungsbildfolge
Coordinate Driving
Isotopes: Isotopenmarkierung
Superposition / Similarity
Lists: Conformer Search, Coordinate Driving
Ab Initio: Dialog für ab-initio-Rechnungen
Density Functional: Dialog für Dichte-Funktional-Rechnungen
Semi-Empirical: Dialog für semiempirische Rechnungen
Mechanics: Dialog für Kraftfeldrechnungen
External: Gaussian 92 [und MM3]
Properties: Eigenschaften (Orbitale, Frequenzen, Ladungen)
Surfaces: Oberflächen (Elektronendichte, HOMO, LUMO, Spin)
Volumes: Volumendarstellungen
Submit: Abschicken eines Jobs
Output: Textausgabe der Rechnung
Properties: Gesamtenergie, Ladung, Oberflächen
Surfaces: Anzeige von Oberflächen
Slices: (Create, Edit, Delete) 2D-Scheiben aus 3D-Volumen
Isosurfaces (Create, Edit, Delete)
Vibration: Animation der Normalschwingungen
Use of the Mouse: Mausbedienung
Keystroke Equivalents: Tastaturverwendung zur Befehlseingabe
Ab Initio Options: Optionen für ab-initio-Rechnungen
Density Functional Options: Optionen für
Dichte-Funktional-Rechnungen
Semi Empirical Options: Optionen für semiempirische
Rechnungen
Mechanics Options: Optionen für Kraftfeldrechnungen
Properties Options: Optionen für Eigenschaften
Graphics Options: Optionen für Graphiken
Available Elements: Verfügbare Elemente, Restriktionen
"File Import/File Export": Alchemy MOL oder MDL MOL sind nicht implementiert
Abspeicherung ("Save [As]") erzeugt jeweils ein eigenes Unterverzeichnis
Anzeigequalität: auf Systemen mit beschränkten
Graphikmöglichkeiten erfolgt zunächst nur eine
(skizzenhafte) Schnellausgabe. Eine bessere Graphikqualität
erhält man evtl. durch Drücken der Taste "1".
Drücken der Taste "3" liefert eine 3D-Darstellung
(Farbcodierung); ggf. erst "3", dann "1" drücken.
Auf SGI-Workstations steht ggf. noch die Option blur
zur Verfügung, sofern spartan entsprechend gestartet
wurde: spartan -blur; Drücken der Taste "2"
liefert dann eine besonders attraktive Darstellung.
About Spartan: Versionsnummer, Copyright
Colors: Farben für Bildschirmhintergrund und Modelle
Preferences: Anzeigemodus (Perspektive, Taumelbewegung, Kasten)
Save: Speichert die Datei
Save As: Speichert die Datei unter einem neuen Namen
Quit: Verläßt den Moleküleditor, ggf. Speicherung
Undo / Redo
Mark Atom: Atome markieren
Delete Atom: Atome löschen
Make Bond: Bindung knüpfen
Break Bond: Bindung brechen
Translate / Rotate: Fragmente verschieben bzw. drehen
Clear: Molekül vom Bildschirm löschen
Distance: Messung von Atomabständen
Angle: Messung von Bindungswinkeln
Dihedral: Messung von Diederwinkeln
Distance to Plane: Abstand eines Atoms zu einer definierten Ebene
Angle with Plane: Winkel einer Bindung mit einer Ebene
Freeze Center: Zentrum einfrieren (beim Minimieren)
Constrain Distance: Abstand vorgeben (beim Minimieren)
Constrain Angle: Winkel vorgeben (beim Minimieren)
Constrain Dihedral: Diederwinkel vorgeben (beim Minimieren)
Define Point: einen geometrischen Mittelpunkt definieren
Define Plane: eine Ebene definieren
Report Symmetry: Punktgruppe anzeigen
linke Maustaste zum Auswählen (Menüs, Atome, Bindungen)
mittlere Maustaste [+Shift] zum Rotieren
rechte Maustaste [+Shift] zum Verschieben/Zoomen
Im Moleküleditor kann man bei gleichzeitig gedrückter Leertaste und mittlerer Maustaste um die aktivierte Bindung (gestrichelt, ggf. vorher mit der linken Maustaste anklicken) rotieren.
| Tastatur | linker Mausknopf | mittlerer Mausknopf | rechter Mausknopf |
|
| |||
| - | Auswahl | xy-Rotation | xy-Translation |
| Shift | - | z-Rotation | Zoom |
| Leertaste | - | Rotation um Bindung | - |
| (nur im Builder) | |||
| + Control | - | globale Rotation | globale Translation |
Der Moleküleditor arbeitet ähnlich wie ein Molekülbaukasten. Bauelemente sind Atome mit passender Hybridisierung, funktionelle Gruppen und Ringe. Nach Auswahl eines Atoms (oder eines größeren Bauelements) im Fragment Panel klickt man ins Hauptfenster. Die Verknüpfung mit einem Fragment erfolgt durch Anklicken einer freien Valenz, das ist die Spitze eines gelben Vektors. Wasserstoffatome brauchen nicht explizit angefügt zu werden.
Die zuletzt geknüpfte Bindung wird gestrichelt dargestellt, sie ist aktiviert. Man kann um diese Bindung drehen, indem man die Leertaste und die mittlere Maustaste drückt und währenddessen die Maus auf- oder abbewegt. Man kann jede beliebige Bindung durch einfaches Anklicken (mit der linken Maustaste) aktivieren.
Ein Atom kann durch ein anderes (gleichartiger Hybridisierung) ersetzt werden, indem man das Ersatzatom im Fragment Panel anklickt und sodann einen Doppelklick (mit der linken Maustaste) auf das zu ersetzende Atom ausübt. Ringschlüsse erhält man, indem man "Bond" anwählt und dann die betreffenden freien Valenzen anklickt. Analog kann man Doppelbindungen einführen, indem man freie Valenzen an benachbarten Atomen anklickt.
In der Regel empfiehlt es sich, die Rohkonstruktion des Moleküls mit "Minimize" zu optimieren. Hierbei wird eine Kraftfeldrechnung nach dem Tripos-Modell (5.2) durchgeführt. Für spezielle Zwecke ist es möglich, Vorgaben zu machen (Constraints, siehe Menüpunkt Geometry).
Es gibt drei Varianten des Moleküleditors: Entry, Expert und Peptide. Im Entry-Editor wird strikt auf die Einhaltung der Valenzregeln geachtet, im Expert-Editor hingegen nicht, so daß z.B. komplizierte metallorganische Verbindungen aufgebaut werden können. Im Peptide-Editor stehen die 20 proteinogenen Aminosäuren zur Verfügung, die auf einfache Weise (Build Sequence) zu einer -Helix oder einem -Faltblatt verknüpft werden können.
Anm.: Bindungstypen sind nur für Kraftfeldrechnungen von Bedeutung, nicht für quantenmechanische Rechnungen.
Im folgenden sind einige Anwendungsmöglichkeiten des Programms "spartan" skizziert. Genauere Beschreibungen findet man im gedruckten Tutorial.
LMT = linke Maustaste, MMT = mittlere Maustaste.
Menu File New. Builder: Atome sind durch Atomsorte und Hybridisierung spezifiziert; tetraedrisches C-Atom anklicken (LMT), ins Arbeitsfenster klicken; lineares C-Atom anklicken, Spitze einer freien Valenz anklicken; lineares N-Atom anklicken, Spitze der freien Dreifachbindung anklicken. Menu File Quit Yes, Molekül-Namen eingeben. Drehung des Moleküls (MMT gedrückt), Modelle (Menu Model); X-Terminals: Evtl. bessere Graphik-Qualität mit Taste `1'.
Fragestellung: Wo erfolgt bevorzugt ein nucleophiler Angriff? Darüber sollte das LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) Aufschluß geben.
Molekül aufbauen (ggf. Rotation um zentrale Einfachbindung: Anklicken, Leertaste+MMT). Setup Semi-Empirical, (Title,) Task Geometry Optimization, Model AM1, Solvent None (Charge 0, Multiplicity 1), Save.
LUMO-Oberfläche: Setup, Surfaces, Surface LUMO, Property None, Resolution med, Add, Save; Setup Submit (localhost, Submit). Wenn fertig: Display Surfaces, Auswahl anklicken, Display Surface, ggf. Stil (Style) wählen, OK.
Alternativ: Surface density, Property LUMO; Submit. Display Surfaces, LUMO-Surface abschalten, neue Surface anschalten, Map Property (rot: minimal, hier Null, blau: maximal, hier positiv).
Setup Ab initio, Task Geometry Optimization, Theory HF, Basis 3-21G(*), Save; Setup Properties, Calculation Frequency; Setup Submit (localhost, Submit). Wenn fertig: Display Vibration, Frequenz anklicken, Display. 6 Frequenzen sind zuzuordnen.
Bei funktionellen Gruppen läßt sich ggf. durch Anklicken die aktive freie Valenz umschalten.
Pyridin: "Rings" Phenyl, in das Hauptfenster klicken, N(aromatisch) anklicken, Doppelklick auf ein C-Atom.
Cyclohexen: "Rings" Cyclohexyl, in das Hauptfenster klicken, Bond, die Spitzen je einer freien Valenz an benachbarten C-Atomen anklicken, Minimize (Sybyl Kraftfeld).
Es ist oftmals ökonomisch, eine Voroptimierung mit Hilfe einer semiempirischen Rechnung durchzuführen. Wellenfunktion (Wavefunction) sowie Hessian (für Geometry Optimization) können wiederverwendet werden, indem man den entsprechenden Knopf anklickt.
Umrechnung der Energieeinheiten: 1 Hartree = 627.5 kcal/mol (thermochemische Kalorien).
MP2 berücksichtigt Elektronenkorrelation; MP4 noch weitergehend, steht aber nur unter Gaussian-92 zur Verfügung.
Setup Semi-Empirical, AM1 Geometry Optimization, Multiplicity 2. Setup Surfaces: surface=spin; surface=density, property=spin; surface=aHOMO (für -Spin!); Submit.
(Beispiel: cis- und trans-Cyclodecen.)
Zunächst wird das Molekül wie üblich aufgebaut.
Build Conformer Search: Doppelklick auf eine Einfachbindung (bei einer offenkettigen Verbindung sind ggf. sukzessive mehrere Einfachbindungen auszuwählen, wobei das multiplikative Anwachsen der Gesamtzahl der Konformere zu beachten ist), Method: Osawa, Quit, Save Yes. Setup Mechanics, Task Geometry Optimization, Force Field MM3, Save; Setup Submit (localhost, Submit). Nach Beendigung der Rechnung erhält man eine Serie der erzeugten Konformationen.
Zunächst ein Essigsäure-Monomer konstruieren und optimieren. Dann zwei Moleküle zusammenschieben und mit "Merge As" abspeichern, danach optimieren (z.B. PM3, Solvent None bzw. Solvent Water).
Vorbemerkung: Übergangszustände sind Sattelpunkte auf der Energiehyperfläche, d.h., es handelt sich um Minima mit Ausnahme genau einer Koordinate, die den Reaktionsweg charakterisiert. Für diese Reaktionskoordinate errechnet sich eine Normalschwingung mit imaginärer Frequenz. Kraftfeldrechnungen sind völlig ungeeignet zur Berechnung von Übergangszuständen, semiempirische Methoden sind aufgrund ihrer Parametrisierung meist wenig geeignet.
Zur Berechnung eines Übergangszustandes muß dieser zunächst näherungsweise konstruiert werden. Hierzu bieten sich drei Strategien an: (1) man geht von einem bereits bekannten Übergangszustand für ein eng verwandtes System aus; (2) man erzeugt eine "Mittelung" aus Reaktant- und Produktgeometrie; (3) man errät die Geometrie mit "chemischer Intuition".
Methode "Mittelung" Reaktant/Produkt ("linearer synchroner Übergang"): Zunächst werden das Reaktant- und das Produktmolekül aufgebaut. (Beide müssen die gleiche Zahl von Atomen haben.) Sodann bringt man beide Moleküle auf den Bildschirm, klickt den Reaktant an, wählt das Menü Build Transition Search, klickt das Produkt an, nimmt eine paarweise Zuordnung der Atome vor, Edit Generate, Quit and Save. (Beispiel: Aceton, Keto-Enol-Tautomerie in der Gasphase.)
Berechnung des Übergangszustands: Setup Ab Initio, Task Transition Structure, Theory HF, Basis STO-3G (ggf. ist Options: OPTCYCLE=... zu vergrößern), Save; Setup Properties Frequencies; Setup Submit. Wenn fertig: Display Vibration; die imaginäre Frequenz zeigt den Reaktionsweg an.
Methode "Chemische Intuition": Ausgehend von einer ähnlichen Struktur (z.B. Zwischenstufe oder Produkt) verzerrt man die Geometrie (Bindungslängen, Bindungswinkel, Diederwinkel) so, daß sie der vermuteten Geometrie des Übergangszustands nahe kommt. Hierzu führt man im Builder Restriktionen ein; Menü Geometry Constrain Distance (bzw. Angle, Dihedral); Minimize. (Beispiel: Diels-Alder-Reaktion. Ggf. lassen sich über "Freeze Center" auch Atomlagen fixieren.)
Peptide mit "Peptide" Builder, Build sequence, Aminosäuren der Reihe nach anklicken, zum Schluß die Endgruppen festlegen (ionisch oder neutral).
Langlaufende Jobs dürfen auf dem CHEMnet nicht interaktiv gestartet werden, sondern nur über eine NQS-Warteschlange. Unter "Setup / Submit" findet man eine große Anzahl von Rechnern, auf denen Spartan-Rechnungen durchgeführt werden können. "localhost" ist der lokale Rechner, auf dem man eingeloggt ist. Auf allen Rechnern, die nicht mit "NQS" beginnen, wird spartan in einem Multiuser-Modus ausgeführt; sie sind nur für sehr kurze Jobs oder zum Test anzuwählen. NQS-normal_x und NQS-long_x startet einen NQS-Batchjob auf dem lokalen Rechner, NQS-normal bzw. NQS-long startet den NQS-Job auf einem freien Rechner (Erklärung für die einzelnen Queues).
NQS-abacus schickt einen NQS-Job zur Bearbeitung an den zentralen Compute-Server. Voraussetzung hierfür ist
~/.rhosts auf abacus, in dem der Rechner aufgeführt ist,
von dem der Spartan-Job abgeschickt wird~/.spartanrc muß auf abacus
existieren mit einem File
server_init (kann kopiert werden von
~dreissig/.spartanrc/server_init auf abacus).Der NQS-Job kann auch vom Benutzer selbst aufgesetzt werden:
cd my_spartan_directory # ins Oberverzeichnis zu
"mymolecule"/software/spartan/spartan -x mymoleculeqsub -q normal_x mymolecule.sh
#!/bin/sh
| |
# QSUB -q normal_x | # in diese Queue schicken (pipe-queue) |
# QSUB -ld 24MB | # Queue mit mind. 24 MB data segment |
# QSUB -lt 5:00:00 | # CPU Zeitlimit 5 h |
# QSUB -me | # bei Beendigung des Jobs eine Mail schicken |
# QSUB | # Ende der Optionen |
cd my_spartan_directory | # ins Oberverzeichnis zu "mymolecule" |
/software/spartan/spartan -x mymolecule
|