化學結構式
有關化學結構式編輯的軟件市面上非常之多,它們各有所長。既有商品的,亦有對教育界及家用免費的。其功能主要是描繪化合物的結構式、化學反應方程式、化工流程圖、簡單的實驗裝置圖等化學常用的平面圖形的繪制。常見的這類軟件有:ChemDraw,
ChemWindow, ISIS Draw,
ChemSketch等。前兩個為商業軟件,有關它們的資料可以查閱各自的網站http://www.camsoft.com/ 和 http://www.sadtlersuite.com/,最新版本分別為6.0和6.5。后兩個對教育界及家用為免費軟件,可以在它們各自的網站http://www.mdli.com/和http://www.acdlabs.com/上下載,最新版本分別為2.2和4.0。ChemDraw為當前最常用的結構式編輯軟件,除了以上所述的一般功能外,其ultra版本還可以預測分子的常見物理化學性質如:熔點、生成熱等;對結構按IUPAC原則命名;預測質子及碳13化學位移等。
ChemWindow的一個最突出的特點是與光譜的結合,它的6.5 Spectroscopy 版本包括了一個約五萬張13C NMR
的數據庫(達250兆),因而其預測更加精確;除了根據化合物的結構預測13C
NMR化學位移外,還能預測紅外圖譜、質譜等,更可以讀入標準格式的NMR、IR、Raman、UV及色譜圖。這些程序雖然可以畫出非常好的二維化學結構,但除了ChemSketch外,要表現出三維的化學結構則十分困難,必須依賴于一些專門的3D軟件來實現。
三維結構
比較有名的化學三維結構顯示與描繪軟件有:Chem3D, WebLab Viewer Pro, RasWin, ChemBuilder 3D, ChemSite等,它們都能夠以線圖(wire frame), 球棍(ball and stick), CPK及絲帶(ribbon)等模式顯示化合物的三維結構。其中的RasWin和WebLab Viewer的Lite版只能顯示而無法編輯三維分子模型,為免費軟件,RasWin可以在幾乎所有的化學軟件站點找到,WebLab Viewer的下載地址為http://www.msi.com/。Chem3D同ChemDraw一樣,是ChemOffice的組成部分,它能很好地同ChemDraw一起協同工作,ChemDraw上畫出的二維結構式可以正確地自動轉換為三維結構。它的ultra版本還包括了一個很好的半經驗量子化學計算程序MOPAC 97,并能與著名的從頭計算程序Gaussian98連接,作為它的輸入、輸出界面。能夠以三維的方式顯示量子化學計算結果,如:分子軌道、電荷密度分布等。WebLab Viewer的pro版本表現生物分子和晶體結構的能力比較強。
數據處理
化學中的數據處理多種多樣,對不同的數據處理要求宜采用不同的軟件完成。通用型的軟件如:Origin, SigmaPlot等可以根據需要對實驗數據進行數學處理、統計分析、付立葉變換、t-試驗、線性及非線性擬合;繪制二維及三維圖形如:散點圖、條形圖、折線圖、餅圖、面積圖、曲面圖、等高線圖等。Origin的最新版本為6.0,其演示版可以從http://www.originlab.com/下載,SigmaPlot的最新版本為2000, 其評估版可以從http://www.spss.com/下載。由Origin生成的二維及三維圖形: 核磁數據處理軟件有:NUTS、MestRe-C、Gifa等,NUTS可以處理一維及二維核磁數據,其功能包括付立葉變換、相位校正、差譜、模擬譜、勻場練習等幾乎所有核磁儀器操作軟件的功能,安裝程序不大(3M), 價格為一千美元,其演示版可以在http://www.acornnmr.com/下載;MestRe-C為處理一維核磁數據的免費軟件,功能完善。其最新版本為2.3,有興趣者可以在http://qobrue.usc.es/jsgroup/MestRe-C/MestRe-C.html處查看有關信息即下載;Gifa可以處理一至三維核磁數據,為運行在LINUX操作系統中X-Window上的免費軟件,有關信息可查看http://www.cbs.univ?montp1.fr/GIFA/。由Nuts生成的一維及二維NMR圖譜:色譜及紅外、Raman等實驗數據的處理可以使用GRAMS/32, 有關信息可查閱該公司的網頁http://www.galactic.com/ , 亦可索取免費的trial CDROM.
文獻管理
在收集參考文獻過程中,文獻管理程序可以幫助你整理、排列所收集的內容;撰寫研究論文的過程中,這類程序允許你直接在文字處理過程中插入參考文獻,并按要求自動生成規定格式的參考文獻列表。這類程序中有代表性的有:EndNote 4, Reference Manager和ProCite等,它們都能對文獻進行整理,能在文字處理程序中直接插入參考文獻并生成一定雜志規定格式的參考文獻列表。所不同的是EndNote 4對中文版的文字處理程序如Word的兼容性有問題,導致Word不能正常啟動。其它兩個程序則無此類煩惱。有關程序的演示版或測試版可以在http://www.niles.com/(EndNote)和http://www.risinc.com/(Reference Manager 9.5, ProCite 5.0)找到。
圖譜解析
解析有機化合物的紅外、核磁及質譜有時是一件非常困難的工作,特別是復雜化合物的圖譜解析更是這樣。核磁圖譜的解析可以先利用ChemNMR, C13 Module for ChemWindow, gNMR等軟件對目標化合物的化學位移進行估算或作出模擬譜,用以協助對該化合物圖譜的指認。ChemNMR為ChemDraw Ultra版本的一個插件,可以用來估算大多數有機物的1H、13C化學位移及用線圖表示的相應圖譜,C13 Module for ChemWindow為ChemWindow的一個插件,可以用來估算大多數有機物的13C化學位移,gNMR則可用來估算任何NMR活性核的化學位移,并能畫出非常逼真的圖譜,該軟件包所帶的幾個工具(gSPG, gCVT)亦可用來處理一維核磁圖譜數據,并能與模擬譜進行比較,有關該程序的信息及演示版可以查閱http://www.cherwell.com/,二維核磁的解析可以使用Sparky程序, 特別是對復雜2D NMR的解析非常有用。
IR Mentor Pro,及IR SearchMaster為專門用來輔助紅外圖譜解析的工具,它們能對給定的紅外圖譜數據自動分析與處理,或對給定的振動譜帶給出可能存在的功能團,有關的演示版可以在ftp://ftp.softshell.com/pub/上下載。MassSpectra Simulator為質譜模擬程序,其有關信息可以查閱以下網址http://members.aol.com/gjlinker.此外, 在ChemWindow 6.0 Spectroscopy版本中也有豐富的質譜分析輔助工具。
計算機輔助教學
利用計算機動畫、多媒體等功能協助學習一些比較抽象是一種非常有用的工具。這類的軟件市面上非常多,不勝枚舉。這里只介紹兩個有關有機合成路線設計和有機化合物命名的工具。CHAOS程序的出現比較早,是隨一本《Organic Chemistry in Action》書一起上市的,這個短小精悍的程序可以使用“逆序法”自動尋找目標物的合成原料,非常好用。前面已經介紹了ChemDraw的ultra版本包括了有機物的IUPAC命名功能,那是因為其中包括了一個Beilstein公司的AutoNom 2.0命名軟件;實際上,今年該公司推出了AutoNom 4.0版,其功能更強大,除了給出IUPAC名稱外,還給出CAS名稱,更增加了對立體化學的支持。該軟件的演示版可以在http://www.beilstein.com/站點下載。
量子化學計算
WinMOPAC為著名的半經驗分子軌道(AM1, PM3, MINDO, MNDO/3等)計算程序MOPAC的商業版本,同共享版相比,界面更友好,方法更多。計算出的分子軌道及電荷密度等可以用三維圖形表示出來。最新版本的2000。有關信息可查閱http://www.winmopac.com/站點。
PC Spartan為WaveFunction公司的產品,分為標準版、Plus版及Pro版,功能依次增加,其計算方法包括:MM2, AM1, AM1 with Solvent, PM3, 從頭計算等,亦可將分子軌道及電荷密度等用三維圖形表示。有關信息請查閱http://www.winmopac.com/站點。此外,該公司還有一個Titan程序,在本文的后面有所介紹。HyperChem等功能比PC Spartan更強,包括常用的幾乎所有分子力學及半經驗分子軌道方法及多種基集的從頭計算等,并能計算振動光譜、電子光譜、分子動態學等,所得結果可以非常漂亮的三維圖形表示出來。其網站在http://www.hyper.com/ 可以下載測試版。
Gamess為一免費的從頭計算程序,其速度快,并提供源程序。但其界面為DOS界面,必須用手工輸入分子結構及計算相關的命令,比較繁瑣。有關信息可查閱http://www.msg.ameslab.gov/GAMESS/GAMESS.html。另外,有一個專門為Gamess設計的用戶界面Visualize,使得結構與命令的輸入更簡單,計算的結果可以三維圖形方式表現出來。該軟件亦為免費程
序,可以在http://www.compbio.net/上下載。
Gaussian在量子化學界非常有名,支持常用半經驗方法、從頭計算法及密度泛函理論,其用戶界面不夠友好。但可以在Chem3D加入CS Gaussian Client插件后簡化用戶的操作。其站點在http://www.gaussianinc.com/。
Jaguar為Schrodinger公司給使用工作站(如SGI, HP, DEC)及LINUX操作系統的PC所設計的從頭計算及密度泛函計算程序,其速度特快,用戶界面一般。其站點為http://www.schrodinger.com/。
Titan為設計PC Spartan的WaveFunction公司與設計Jaguar的Schrodinger公司合作的結晶,該產品支持半經驗方法、從頭計算法及密度泛函計算,用戶界面友好。但功能相對較薄弱。
另外,由原Oxford Molecular Ltd開發,現被日本的Fujitsu公司收購的CAChe程序時專為實驗化學家所設計,使用簡單的量子化學程序,功能強大。但價格相對較貴。