Voraussetzungen: GL (möglichst z-Buffer) oder X11,
Lizenz.
Information:
Online (Menü Help); gedruckt und online:
Manual (Spartan User's Guide),
Tutorial.
Aufruf: spartan5 (return),
Aufruf an X-Terminals ggf.: spartan5 -x11autoshade (return).
Theorie: HF, UHF, MP2, UMP2
Basis: STO-3G, 3-21G(*), 6-31G*, 6-31G**, 6-311G**, Custom
Theorie: SVWN (Local Spin Density Approximation),
BP (Becke-Perdew), pBP
Basis: DN, DN*, DN**
MNDO, MNDO/d, AM1, PM3, PM3(tm)
Merck Molecular Force Field (MMFF), Sybyl (Allingers MM2 und MM3 werden ab Version 5.0 nicht mehr angeboten)
About Spartan: Versionsnummer, Copyright
Colors: Farben für Bildschirmhintergrund und Modelle
(z.B. .7,.7,.7)
Preferences: Anzeigemodus (Perspektive, Taumelbewegung, Kasten,
...)
Print Setup: Druckereinrichtung (Auswahl und Charakteristik von
Druckern zur Ausgabe von Bildern und Text, Ausgabemöglichkeit als
PostScript- oder RGB-Datei)
Monitor: Jobkontrolle
Periodic Table: Verfügbarkeit quantenchemischer Methoden
für die Elemente
Calculator: Taschenrechner
New: Aufbau eines neuen Moleküls mit dem Moleküleditor
Open: Öffnet eine Datei
Close: Schließt die aktuelle Datei
Save: Speichert das Molekül so, wie es auf dem Bildschirm
erscheint
Save As: Speichert die Datei unter einem neuen Namen
Merge As: Führt zwei oder mehr Moleküle zusammen
Group As
Delete: Löscht eines Moleküls
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
Hydrogens: Wasserstoffatome werden angezeigt, wenn
aktiviert
Labels: Anzeige der Atomsymbole
Edit Labels
Box: zeichnet einen Kasten um das Molekül
Distance: Messung von Atomabständen
(auch Abstand von einer Ebene)
Angle: Messung von Bindungswinkeln
Dihedral: Messung von Diederwinkeln
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: Definition eines Mittelpunktes
Define Plane: Definition einer Ebene
Surface Area: Angabe der Oberfläche des raumerfüllenden
Modells in Å2
Volume Angabe des Volumens des raumerfüllenden
Modells in Å3
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: Variation eines Abstands, Winkels oder
Diederwinkels
Combinatorial Study: Konstruktion einer Reihe substituierter
Moleküle aus einer Stammsubstanz
Isotopes: Isotopenmarkierung
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 94
Properties: Eigenschaften (Orbitale, Frequenzen, Ladungen)
Surfaces: Oberflächen (Elektronendichte, HOMO, LUMO, Spin)
Volumes: Volumendarstellungen
Standard
Submit: Abschicken eines Jobs
Output: Textausgabe der Rechnung
Properties: Gesamtenergie (in Hartree, kcal/mol oder kJ/mol),
Dipolmoment, Energie HOMO/LUMO, Molmasse, Ladungen, Oberflächen
Surfaces: Anzeige von Oberflächen
Slices: (Create, Edit, Delete) 2D-Scheiben aus 3D-Volumen
Isosurfaces: (Create, Edit, Delete) Isoflächen
aus 3D-Volumen
Vibrations: 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
Conformer Search Options: Optionen für Konformationssuchen
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, sofern Spartan nicht mit der Option
"-x11autoshade" gestartet wurde. Eine bessere Graphikqualität
erhält man evtl. durch Drücken der Taste "1".
Drücken der Taste "3" (auf SGI-Workstations) liefert eine
3D-Darstellung (Farbcodierung rot/blau).
Auf SGI-Workstations steht ggf. noch die Option blur
zur Verfügung, sofern spartan entsprechend gestartet
wurde: spartan5 -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
Add: Fragment an freie Valenz anknüpfen
New: Neues Fragment (separat) plazieren
Bond: Bindung knüpfen
Break: Bindung brechen
Delete: Atome löschen
Minimize: Geometrieoptimierung mittels Kraftfeldrechnung
Move: Fragmente verschieben bzw. drehen
Clear: Molekül vom Bildschirm löschen
Wire
Ball and Wire
Labels
Distance: Messung von Atomabständen
Angle: Messung von Bindungswinkeln
Dihedral: Messung von Diederwinkeln
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 Ligand Point
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, weiterhin Fragmente aus der Bibliothek (Library). 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 voreingestellten Modell (Merck oder Sybyl, s. Preferences) durchgeführt. Für spezielle Zwecke ist es möglich, Vorgaben zu machen (Constraints, siehe Menüpunkt Geometry).
Es gibt vier Varianten des Moleküleditors: Entry,
Expert, Peptide und Nucleotide,
weiterhin steht eine Bibliothek (Library) zur Verfügung.
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.
Der Nucleotide-Editor erlaubt die Konstruktion von DNA- oder
RNA-Strängen aus den jeweiligen vier Basen.
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), ggf. Legend On.
Setup Ab initio, Task Geometry Optimization, Theory HF, Basis 3-21G(*), "Frequencies" aktivieren, Save; Setup Submit (localhost, Submit). Wenn fertig: Display Vibration, Frequenz anklicken, Display. 6 Frequenzen sind zuzuordnen. (Die berechneten Frequenzen sind systematisch etwa 10% zu hoch.)
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.
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. (Vorsicht: t 
nBasis4.)
Umrechnung der Energieeinheiten: 1 Hartree = 627.5 kcal/mol (thermochemische Kalorien).
MP2 berücksichtigt Elektronenkorrelation; MP4 noch weitergehend, steht aber nur unter Gaussian-94 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 Merck, 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, z.B. OPTCYCLE=200), 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.)
Beispiele aus der Bibliothek:
Fragment_Library
reaction_archive
07_pericycleelectrocycliccyclobutene_to_butadiene_AM1
07_pericycleDiels-Aldercyclopentadiene+acrylonitrile_AM1
02_substitutionSN1-SN2SN2_CH3Cl+F_AM1
(charge: -1, nosymtry!)
Peptide mit "Peptide" Builder, Build sequence, Aminosäuren der Reihe nach anklicken, zum Schluß die Endgruppen festlegen (ionisch oder neutral).