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Text File  |  1991-10-06  |  14KB  |  311 lines
  1.  
  2. Erläuterungen zum Programm HUECKEL.TOS von Uwe Schneider
  3. --------------------------------------------------------
  4.  
  5.  
  6. WAS KANN DAS PROGRAMM?
  7. ----------------------
  8.  
  9. HUECKEL.TOS berechnet ausgehend von einem Benutzer-Input die MOs und
  10. Orbitalenergien, sowie davon ausgehend einfache Eigenschaften von Molekülen
  11. mit planaren Pi-Systemen im Rahmen der Hueckel-Näherung.
  12. Dies ist das älteste quantitative Rechenverfahren in der theoretischen
  13. Chemie.
  14. Das Hückel-Verfahren basiert auf der LCAO-MO-Methode, wobei die
  15. Basisfunktionen die p(z)-AOs der beteiligten Atome sind. Durch das
  16. Variationsprinzip erhält man die sog. Säkulargleichungen, die letztlich
  17. ein Matrix-Eigenwertproblem darstellen. Hierbei ist die Matrix des Hamilton-
  18. operators denkbar einfach: alpha für die Diagonalelemente, beta für zwei
  19. benachbarte = gebundene Atome und 0 sonst. Z.B. Butadien:
  20.  
  21.   a b 0 0         (Im Programm werden             a b . .
  22.   b a b 0         die Nullen der Übersicht-       b a b .
  23.   0 b a b         lichkeit halber oft durch       . b a b
  24.   0 0 b a         einen Punkt dargestellt)        b a b .
  25.   
  26. Die Überlappmatrix S ist im HMO-Verfahren die Einheitsmatrix.
  27. Löst man diese Säkulargleichungen durch einen geeigneten Algorithmus, so
  28. erhält man die Molekülorbitale sowie deren Energie in Einheiten von beta 
  29. (ein Maß für die Stabilisierung einer Bindung durch konstruktive 
  30. Überlappung) relativzur Energie des Elektrons im freien Atomorbital alpha.
  31. Ausgehend von diesen MO-Koeffizienten lassen sich einfach Bindungsstärken, 
  32. Partialladungen und freie Valenzen berechnen.
  33.  
  34. Spezielle Features, die das Programm bietet:
  35. - einfachste Eingabe der topolog. Matrix (isb. bei zykl. Molekülen)
  36. - schnelle Lösung des Eigenwertproblems durch das Householder-Verfahren
  37. - Heteroatome: N und O jeweils mit einem und zwei Pi-Elektronen
  38. - Besetzungszahlen entweder ausgehend vom Aufbauprinzip oder durch
  39.   manuelle Eingabe
  40. - Ausgabe der Ergebnisse auf Bildschirm, Drucker oder File
  41. - Graphische Darstellung eines einfachen MO-Diagramms
  42. - Schnittstelle zu Control-Files zur Speicherung von Informationen über
  43.   eingegebene Moleküle
  44.  
  45.  
  46.  
  47. WAS KANN DAS PROGRAMM NICHT?
  48. ----------------------------
  49.  
  50. - Fast alles! Einfach deshalb, weil der Hamilton-Operator der 
  51.   Hückel-Methode drastisch vereinfacht ist. 
  52.   Trotzdem erhält man leicht zu interpretierende Resultate, wie z.B.
  53.   Reaktivitäten von Zentren, Partialladungen und Bindungsstärken.
  54. - Der Maus Arbeit verschaffen.
  55.  
  56.  
  57. ERKLÄRUNG
  58. ---------
  59.  
  60. Der Autor haftet NICHT für Schäden die dem Anwender des Programms
  61. HUECKEL.TOS dadurch entstehen. Dies bezieht falsche Ergebnisse für
  62. Diplom- und Doktorarbeiten ein.
  63. Das Programm ist Public Domain und darf beliebig kopiert und weitergegeben
  64. werden, sofern es nicht verändert wird. Das gleiche gilt für das File
  65. HUECKEL.DOC und H_HILF.TXT.
  66.  
  67.  
  68. INSTALLATION und PROGRAMMAUFRUF
  69. -------------------------------
  70.  
  71. Die Installation des Programms ist denkbar einfach:
  72. Man kopiert sich irgendwohin das Programmfile HUECKEL.TOS und in den
  73. selben Ordner das Hilfe-File H_HILF.TXT .
  74. An dieser Stelle muß sich auch ein Ordner INPUTS (kann auch leer sein)
  75. befinden.
  76. Das Programm kann vom Desktop oder von einer Shell aufgerufen werden.
  77. Im letzteren Fall sollte man mit "cd <Pfad von HUECKEL.TOS>" das aktuelle
  78. Verzeichnis entsprechend wählen, da es nicht einfach möglich ist, den
  79. Pfad herauszufinden, von dem ein Programm geladen wurde. Unter diesem
  80. Problem leiden viele Programme, und wer eine Lösung findet, möchte sie mir
  81. doch bitte zukommen lassen (Danke im voraus!).
  82. HUECKEL.TOS läuft mit allen mir bekannten Shells, so auch mit der Mupfel
  83. und der Guläm-Shell. Das Programm greift nicht auf unschöne 
  84. Programmiertricks zurück, und deshalb bin ich mir keiner Schuld bewußt, wenn
  85. es bei der einen oder anderen Verwendung von tollen AUTO-Programmen und 
  86. Accessories nicht so tut, wie es sollte.
  87.  
  88.  
  89. DIE DATEIEN
  90. -----------
  91.  
  92. - HUECKEL.TOS ist das Hauptprogramm, welches interaktiv mit dem Benutzer
  93.   den Input erstellt, die Berechnungen durchführt und in mannigfaltiger
  94.   Weise die Ergebnisse ausgibt. Es ist keine GEM-Anwendung, aber dadurch
  95.   ist es klein im Speicher und auf Massenspeicher. Zudem denke ich, daß
  96.   die Bedienung auch so (oder erst recht) ziemlich einfach ist.
  97.   Bei der Programmierung standen Geschwindigkeit in Eingabe und Berechnung
  98.   im Vordergrund, aber bestimmt gibt es Anwender, die andere Prioritäten
  99.   setzen würden.
  100. - H_HILF.TXT enthält dieses Helpfile in gekürzter Fassung und wird im
  101.   Programm unter Menuepunkt 9=Hilfe eingelesen. Da es reiner ASCII-Text ist,
  102.   kann es auch außerhalb des Programmes angesehen und ausgedruckt werden.
  103.   Von einer Veränderung bitte ich abzusehen!
  104. - HUECKEL.DOC lesen Sie gerade.
  105. - INPUTS\*.CTL sind Input-Dateien für diverse Moleküle, die sehr an das in
  106.   Karlsruhe entwickelte ab initio Programm TURBOMOLE erinnern. Man kann sie
  107.   mit einem beliebigen Editor verändern, wenngleich ich empfehle, dies nur
  108.   bei der topologischen Matrix und den Besetzungszahlen zu tun. Die Reihen-
  109.   folge der Datengruppen ist beliebig, und sie werden nur soweit ausgewertet,
  110.   wie es sinnvoll ist. Z.B. werden bei Fehlen der topolog. Matrix
  111.   die MO-Information sowie die Besetzungszahlen ignoriert.
  112.  
  113.  
  114. DIE BEDIENUNG
  115. -------------
  116.  
  117. Das Programm arbeitet Menue-orientiert. Das übliche Vorgehen ist:
  118. Eingabe der Verbindungsmatrix -> evtl. Eingabe von Heteroatomen
  119. -> Rechnen -> Eingabe der Besetzungszahlen -> Ausgabe der Ergebnisse.
  120. Weicht man davon in unsinniger Weise ab, so erhält man darüber Nachricht,
  121. was man als nächstes tun sollte.
  122. Das Hauptmenue verlangt als Wahl zweimal das gleiche Zeichen, um den
  123. entspechenden Menuepunkt aufzurufen (ausprobieren!).
  124.  
  125.  
  126. Neues Molekül
  127. -------------
  128. Nach Bestätigen einer eventuellen Sicherheitsabfrage mit der Taste "j" hat
  129. man als allererstes die Gelegenheit, eine Titelzeile einzugeben. Diese
  130. sieht man dann bei der Ausgabe der Ergebnisse oder im Control-File wieder.
  131. Dann wird einfach die Anzahl der Atome eingegeben. Momentan sind maximal 60
  132. Atome vorgesehen. Dabei wird die alte topologische Matrix und die
  133. Informationen über Heteroatome rigoros gelöscht. Ist aber die neue Atomzahl
  134. größer als die alte, wird gefragt, ob man die alte topologische Matrix
  135. und die Informationen über die Heteroatome übernehmen möchte 
  136. (z.B. Benzol --> Anilin oder Pyridin -> Chinolin).
  137. Nach Beendigung wird automatisch Menuepunkt 2 aufgerufen.
  138.  
  139.  
  140. Topologische Matrix editieren
  141. -----------------------------
  142. Hier gibt man neue Bindungen ein oder löscht alte. Aus praktischen Er-
  143. wägungen genügen hier die Tasten des Ziffernblocks. Ist eine neu ein-
  144. zugebene Bindung schon vorhanden oder eine zu löschende noch nicht
  145. eingegeben, so ertönt nur ein Hinweiston.
  146. Zweckmäßigerweise gibt man hier nur Bindungen ein, die Atome über
  147. das Pi-System verbinden. Es ist hilfreich, sich das Pi-Gerüst vor
  148. Eingabe des Moleküls auf ein Blatt Papier aufzuzeichnen und die Atome
  149. mit Nummern zu versehen.
  150. Mit 'r' oder '0' definiert man ein Ringsystem, z.B. Benzol zwischen
  151. At. 1 und At. 6, und Naphthalin zwischen 1 und 6 sowie zwischen 5
  152. und 10. Durch nachträgliches Löschen einer Bindung gelangt man
  153. sehr schnell zur Definition langen Ketten (z.B. zu Eicosadecaen mit
  154. 0 1 <RET> 20 <RET> - 1 <RET> 20 <RET>).
  155.  
  156.  
  157. Heteroatom-Definitionen
  158. -----------------------
  159. Dieser Menüpunkt erlaubt die Eingabe von Heteroatomen. Momentan sind nur
  160. N und O als 1-pi- und 2-pi-Donoren vorgesehen. Typische Beispiele sind:
  161. - Pyridin mit N als 1-pi-Donor
  162. - Anilin, Pyrrol und Indol mit N als 2-pi-Donor
  163. - Benzophenon und Acrolein mit O als 1-pi-Donor
  164. - Furan, Anisol und Divinylether mit O als 2-pi-Donor
  165. Es ist nicht vorgesehen, daß zwei Hetero-Atome direkt über das pi-Gerüst
  166. miteinander verbunden sind, da man dafür die entsprechenden Parameter nicht
  167. in der Literatur findet. In einem solchen Fall ertönt bei der Eingabe
  168. eine Warnmeldung. Heteroatom-Definitionen können rückgängig gemacht
  169. werden, indem man sie als C-Atom deklariert.
  170. Die Statistik zeigt die gesetzten Heteroatome sowie deren Korrekturwerte
  171. für das Coulomb-Integral (alpha -> alpha + delta alpha) und das Reso-
  172. nanz-Integral (beta -> beta * f). Die voreingestellten Werte stammen aus
  173. Heilbronner/Bock: "Das HMO-Verfahren".
  174.  
  175.  
  176. Rechnen
  177. -------
  178. Jetzt bekommt der Computer eine kleine Rechenaufgabe.
  179. Er macht sich sogleich an die Arbeit und berechnet die
  180. Eigenwerte und Eigenvektoren nach dem Householder-Verfahren.
  181. Dabei werden die topologische Matrix und die Heteroatomdaten
  182. natürlich nicht gelöscht.
  183. Die Diagonalisierung ist ein n^3-Schritt und kann ein paar Sekunden
  184. dauern.
  185.  
  186.  
  187. Orbitalbesetzungen
  188. ------------------
  189. Die Besetzung der MOs kann entweder automatisch über das Aufbau-Prinzip
  190. erfolgen oder manuell eingegeben werden.
  191. Im ersten Fall fragt das Programm nach der Gesamtladung des Moleküls
  192. und berechnet daraus die Gesamtelektronen und aus den Orbitalenergien
  193. die Besetztung der einzelnen MOs.
  194. Bei der zweiten Wahl kann man die Eingabe durch eine negative Besetzungs-
  195. zahl beenden.
  196. Danach werden Dichtematrix (Bindungsordnungen) und freie Valenzen
  197. berechnet. Dies ist auch ein n^3 Schritt.
  198.  
  199.  
  200. Bildschirm-Ausgabe
  201. ------------------
  202. Der Computer gibt in der Reihenfolge steigender Energie die Eigenwerte
  203. sowie die Besetzung der MOs und die MO-Vektoren auf dem Monitor aus.
  204. Danach gibt er Gesamtenergie und Resonanzstabilisierung im Vergleich
  205. zu Ethen an, sofern keine Hetero-Atome im Molekül enthalten sind.
  206. Die Bindungsordnungen beziehen sich natürlich nur auf den
  207. Pi-Anteil; ein Wert von 1.00 entspricht einer ganzen Bindung,
  208. wie sie im Ethen besteht. Die Werte in der Hauptdiagonalen dieser
  209. Dreiecksmatrix geben an, wieviel das Atom der entsprechenden
  210. Spalte (= Zeile) am Kuchen der Pi - Elektronen partizipiert.
  211. Ein Wert von 1.00 entspricht einem neutralen C-Atom, wogegen
  212. 0.67 einer pos. Partialladung von 1/3 eines Elektrons entspricht.
  213. Der Einfachheit halber werden die Partialladungen, die durch die
  214. Pi-MOs entstehen, auch noch ausgedruckt. Des weiteren erhält man die
  215. Angabe der freien Valenzen der entsprechenden Atome, was ein Maß für die
  216. Reaktivität des Zentrums ist.
  217.  
  218.  
  219. Drucker- und File-Ausgabe
  220. -------------------------
  221. Die Ergebnisse werden auf einen Drucker ausgegeben oder in ASCII-Format
  222. in ein File geschrieben.
  223. Dabei kann noch eine Titelzeile eingegeben werden, und wahlweise kann
  224. man auch die topolog. Matrix sowie die Heteroatom-Statistik ausgeben
  225. lassen. Ansonsten s. 6. !
  226. Bei der Datei-Ausgabe wird eine existierende Datei gleichen Namens nicht
  227. überschrieben, sondern die neuen Ergebnisse werden angehängt, sodaß man
  228. sich eine ganze Sammlung von Molekülen anlegen kann.
  229.  
  230.  
  231. Zeichnen eines MO-Diagramms
  232. ---------------------------
  233. Nach dem Zeichnen befindet man sich in einem einfachen Menue, in dem
  234. man die Grafik unter einem einzugebenden Namen abspeichern kann oder
  235. eine Hardcopy der Grafik auf den Drucker geben kann.
  236.  
  237.  
  238. Hilfe
  239. -----
  240. Bei dieser Wahl wird die Hilfe-Datei geladen und angezeigt.
  241. Die (unsichtbaren) Tastenbelegungen sind hierbei:
  242. - <SPACE> eine Bildschirseite weiter
  243. - b       eine Bildschirmseite zurück
  244. - q       Verlassen des Hilfsbildschirms
  245. - sonst   eine Zeile weiter
  246.  
  247.  
  248. Einlesen vom Control-File
  249. -------------------------
  250. Die Dateien müssen sich im Ordner .\input befinden und auf .CTL
  251. enden. Deshalb wird nur der maximal 8 Zeichen lange Hauptteil des
  252. Namens gefragt. Gibt man hier den Leerstring ein, zo verlässt man
  253. diesen Menuepunkt.
  254. Beim Einlesen wird ausgegeben, welche Datengruppen gefunden worden
  255. sind.
  256.  
  257.  
  258. Ausgabe der Daten auf Control-File
  259. ----------------------------------
  260. Es gilt das gleiche wie unter dem letzten Punkt beschrieben.
  261. Natürlich werden nur die Daten soweit vorhanden geschrieben.
  262.  
  263.  
  264. Ende
  265. ----
  266. Nach einer Sicherheitsabfrage verläßt man das Programm.
  267.  
  268.  
  269.  
  270. ANREGUNGEN:
  271. -----------
  272.  
  273. - Bestätige, daß zykl. 4n + 2 Elektronensysteme große Stabilisierungs-
  274.   energien haben (Hückel-Aromaten)!
  275. - Warum reagiert Naphthalin in alpha-Stellung schneller als in beta?
  276.   Versuche, den ÜZ durch eine Zwischenverbindung nachzubauen!
  277. - Verfolge den HOMO-LUMO - Abstand bei offenkettigen, konjugierten
  278.   Polyenen von C2 bis C20!
  279. - An welchen Stellen reagieren Anthracen und Phenanthren gerne? Beachte
  280.   bei Phenanthren die Bindungsordnungen und freien Valenzen!
  281. - Ist Azulen ein Dipol?
  282.  
  283.  
  284.  
  285. ZUM SCHLUSS
  286. -----------
  287. Kein Programm ist perfekt. Die wenigsten sind fehlerfrei. Dies bitte ich
  288. zu bedenken. Ich habe mich bemüht, möglichst sauber zu programmieren und
  289. greife auf keine unerlaubten Tricks zurück. Sollten dennoch Probleme ein-
  290. treten, kann der Benutzer ja mal nachschauen, ob es an irgenwelchen AUTO-
  291. Programmen oder Accessories liegt. HUECKEL.TOS läuft auch von der kleinsten
  292. Diskette im kleinsten RAM.
  293. Dennoch bitte ich alle Benutzer, mir als Gegenleistung für die Programmier-
  294. arbeit Fehler und Verbesserungsvorschläge mitzuteilen.
  295. Und für einen kleinen Beitrag von DM 10.- gibt es tatsächlich den aktuellen
  296. C-Quelltext inklusive einer ziemlich kompletten LA-Bibliothek mit
  297. dynamischer Speicherverwaltung.
  298.  
  299. Hier nun meine Adresse:
  300.  
  301.                                     Uwe Schneider
  302.                                     Nelkenweg 8a
  303.                                     7504 Weingarten
  304.                                     Tel. 07244 / 8513
  305.                                     BITNET: cd27@DKAUNI2
  306.  
  307. Bye,Bye!
  308.  
  309.  
  310.  
  311.