# 二茂铁结构的构造

汪洋

2004-9-23

在为量化计算构造分子模型时，我们时常为构造具有一定的对称性的分子结构而烦恼，本文介绍如何用 Cartes 软件轻松构造具有 D5h 点群对称性的二茂铁（Ferrocene， Fe(C5H5)2）分子的坐标。我们将看到 Cartes 不仅仅是处理晶体坐标的利器，也是处理分子结构，尤其是涉及到对称操作的法宝。

二茂铁分子属于 D5h 点群，铁位于正中心，环戊二烯基环（cyclopentadienyl）的直径是 2.33 埃，铁原子到环戊二烯基环的距离是 1.66 埃[1]。C-H 键长约 0.9 埃。根据上述数据和二茂铁结构的对称性特点，我们先写出 Fe 原子和一个 C-H 的坐标，如下所示：

1. 编写初始 ferrocene.gjf 文件。

用文本编辑器（记事本或 UltraEdit 等）新建一个名为 ferrocene.gjf 的文件，格式如下：

#

空一行

ferrocene

空一行

0 1

Fe 0. 0. 0.

C 1.165 0. 1.66

H 2.065 0. 1.66

说明：Fe 放在原点，C 和 H 是在距离 Fe1.66 埃的平面上的，所以它们的 z 坐标是 1.66。而环戊二烯基环上 C 到五边形中心的距离是 2.33/2=1.165。H 的 x 坐标=C 的 x 坐标+C-H 键长=1.165+0.9=2.065。

保存 ferrocene.gjf 文件。

2. 利用 C5 对称性操作得到一个完整的环戊二烯基的坐标。

打开 Cartes 软件，用 Cartes 软件的“导入直角坐标”按钮导入 ferrocene.gjf 文件，如图：

由于现在处理的是分子体系，所以“晶胞参数”输入框可以不用去管。

点击“对称操作”，就打开了如下图所示的对话框：

先添加单位矩阵，直接点击“添加”按钮即可，如下图所示：

然后点击“向导”按钮，打开“对称操作矩阵生成向导”对话框，如图：

选择“典型对称元素”：“绕 z 轴旋转”，在“对称轴：角度（顺时针）：”里输入 72，表示要绕 z 轴旋转 72 度，如图：

“确定”后，添加上述向导生成的矩阵，如下图所示：

然后，按照上述类似地操作步骤，再依次添加绕 z 轴旋转 144，216 和 288 度的操作矩阵。最后点击“确定”，保存成 ferrocene-sym 文件。

这时用 Chem3D 软件打开 ferrocene-sym 文件会看到如下结构：

可见，下面我们秩序再按照 xy 面的镜面对称性反映出分子的另一半（第二个环戊二烯基）即可。

3. 利用σxy对称性操作得到一个完整的二茂铁分子的坐标。

用 Cartes 软件的“导入直角坐标”按钮导入 ferrocene-sym 文件，点击“对称操作”按钮。在对称操作的对话框中先点击“清除”按钮，清空原先的对称操作矩阵列表。然后添加单位矩阵。接着点击“向导”按钮，打开“对称操作矩阵生成向导”对话框，选择“典型对称元素”：“以 xy 面反映”，如图：

“确定”后，添加上述向导生成的矩阵，如下图所示：

最后点击“确定”，保存成 ferrocene-sym-sym 文件。

这时用 Chem3D 软件打开 ferrocene-sym-sym 文件会看到如下完整的二茂铁分子的结构：

为了进一步确认结构的正确性，我们用 Cartes 软件来检验一下我们刚才构造的二茂铁分子的点群对称性。为此，用 Cartes 导入 ferrocene-sym-sym 文件，点击“点群判定”按钮，如图：

在弹出的“点群识别”对话框里点击“识别”按钮，就会看到 Cartes 判断出我们构造的二茂铁分子的点群是 D5h，如图：

甚至我们将容差值变到“很严格 (0.0001)”，该结构也依然保持很好的 D5h 对称性，可见我们所构造的二茂铁分子是相当令人满意的。

附注：

Cartes 软件最新下载地址：

http://202.112.86.128/studentspace/aqyw/cpp/Cartes/cartes.exe

关于 Cartes 软件的其他技巧和用法还会陆续介绍。

[1] A. Haaland, Top. Curr. Chem. 53, 1 (1975).