分子模拟实验实验报告甲酸的故事
分子模拟实验作业——甲酸的故事
一、实验部分
1. 用GAMESS 程序优化甲酸分子、一氧化碳分子和水分子的结构（HF/6-31G(d)） H 2O:
GAMESS Job: Minimize (Energy/Geometry) RHF/6-31G(d,p) Finish @ energy = -47705.498936 kcal/mol (-76.023615 Hartrees) HCOOH
GAMESS Job: Minimize (Energy/Geometry) RHF/6-31G(d,p) Finish @ energy =-118455.220427 kcal/mol (-188.770566 Hartrees) CO
GAMESS Job: Minimize (Energy/Geometry) RHF/6-31G(d,p) Finish @ energy = -70744.027355 kcal/mol (-112.737877 Hartrees)
E(H2O)= -47705.5kcal/mol E(HCOOH)= -118455.2kcal/mol E(CO)= -70744.0kcal/mol
E(反应物)= -118455.2kcal/mol
E(生成物)=- -47705.5kcal/mol -70744.0kcal/mol=-118449.5kcal/mol
2. 一个H 2O 催化的五元环络合物 ①络合物结构
图1. 一个H 2O 催化甲酸解离
的五元环络合物结构图
②络合物能量
------------ GAMESS Interface ------------
GAMESS Job: Minimize (Energy/Geometry) RHF/6-31G(d,p) Finish @ energy = -166164.064457 kcal/mol (-264.799511 Hartrees) E 1=-166164.1kcal/mol
3. 一个H 2O 催化的六元环络合物 ①络合物结构
图2. 一个H 2O 催化甲酸解离 的六元环过渡态结构图
②络合物能量
------------ GAMESS Interface ------------
GAMESS Job: Minimize (Energy/Geometry) RHF/6-31G(d,p)
Finish @ energy = -166171.296248 kcal/mol (-264.811036 Hartrees) E 2= -166171.3kcal/mol
4. 两个H 2O 催化的七元环络合物 ①络合物结构
②络合物能量
---------- GAMESS Interface ------------
GAMESS Job: Minimize (Energy/Geometry) RHF/6-31G(d,p) Finish @ energy = -213877.508674 kcal/mol (-340.835787 Hartrees) E 3= -213877.5kcal/mol
5. 两个H 2O 催化的八元环络合物 ①络合物结构
图3. 两个H 2O 催化甲酸解离 的七元环过渡态结构图
②络合物能量
----------- GAMESS Interface ------------
图4. 两个H 2O 催化甲酸解离
的八元环过渡态结构图
GAMESS Job: Minimize (Energy/Geometry) RHF/6-31G(d,p)
Finish @ energy = -213887.311389 kcal/mol (-340.851409 Hartrees) E 4= -213887.3kcal/mol 6. 甲酸自催化的七元环络合物 ①络合物结构
②络合物能量
------------ GAMESS Interface ------------
GAMESS Job: Minimize (Energy/Geometry) RHF/6-31G(d,p) Finish @ energy = -236916.531395 kcal/mol (-377.550837 Hartrees) E 5= -236916.5kcal/mol 7. 甲酸无催化的结构及能量
拉长C-H 和C-O 键，减小H-O-C 键角
7. 各种条件催化甲酸解离的过程模拟图 ①数据表格（以甲酸为能量基准）
图5. 两个H 2O
催化甲酸解离 的八元环络合物结构图
图6. 无催化甲酸解离结构图
②甲酸解离的过程模拟图
图6. 甲酸催化解离过程图（图中能量为相对值，单位：kcal/mol）
8. 针对几种催化方式对甲酸解离能量影响的分析
①由甲酸解离过程的模拟图可知，催化甲酸解离条件按照甲酸解离由难到易依次为：无催化、一个水五元环催化、甲酸自催化、一个水六元环催化、两个水七元
环催化、两个水八元环催化。
②本实验中，两个水八元环催化时活化能最小，为最佳催化条件，无催化势垒很高，可见在无催化条件下，甲酸很难解离。一个水六元环催化与两个水七元环催化的效果相近。
二、实验心得与体会
①通过本次实验，我清楚地了解到了“甲酸的故事”。通过对不同条件下催化甲酸解离的结构和能量的计算，我找到了最优催化方式，
②本次实验，使我更加熟悉了建模的操作，对甲酸的解离有了更深刻的认识。建模时很重要的步骤，甲酸与水成环时，要注意不参与氢键生成的氢要翘起来，不与生成氢键的原子在同一平面，否则会使计算出现问题。
③Chem3D 对反应过程的模拟有较好的实用性，我们还可以做更多类似的反应，通过Chem3D 寻求最佳反应条件。