使用Multiwfn结合VMD和绘制分子表面静电势分布总结范文.doc

使用Multiwfn结合VMD分析和绘制分子表面静电势分布文/Sobereva??2013-Jul-28 1 前言分子表面静电势图经常在文献中出现，不同表面区域静电势大小通过不同颜色展现，使分子表面上静电势的分布一目了然。分子表面一般都用Bader定义的范德华表面，即电子密度为0.001 e/Bohr^3的等值面。只要提供所需的输入数据，这种图在许多程序中都可以作，例如Molekel。特别是在常用的Gaussview里作这种图比较简单快捷。本文介绍的通过Multiwfn的定量分子表面分析功能结合VMD和photoshop作分子表面静电势图既不比使用Gaussview快，步骤也比它复杂，但是优点十分显著，就是可以在分子表面上显示出静电势极值点位置，可以十分灵活地调节显示效果，而且还可以通过相同的方法绘制出分子表面上静电势以外的实空间函数的分布，比如平均局部离子化能、局部电子亲和能、Fukui函数等等。另外还可以顺带着获得许多其它信息，比如原核与分子表面的距离，实空间函数在分子表面上分布的统计数据等等。总之，对于初学者、纯粹图省事者建议用Gaussview，本文是给那些想研究得更深入并且稍有动手能力的研究者读的。只要了解每一步操作的意义，就会觉得其实根本不复杂，而且思想上获得极大的解放。本文所用Multiwfn版本为3.2(dev)（即3.2的开发版），可在上下载。VMD为1.9版，可在/Research/vmd/上免费下载。Photoshop为CS2版。本文将以一个简单体系呋喃为例进行说明，波函数文件在B3LYP/6-31G**下由Gaussian产生。虽然本文主要是介绍作图方法，但也会顺带着说一下定量分子表面分析的一些功能。2 在Multiwfn中计算、统计、导出数据启动Multiwfn后依次输入furan.wfn12??//定量分子表面分析0??//开始计算默认就是在电子密度为0.001的表面上计算静电势，并且格点间距为0.25Bohr。格点间距可以通过选项3来设定，格点间距越小，分子表面就会用越多的顶点来描述，定量统计值、极值点位置也会越精确，之后作出的分子表面填色图的色彩过渡也越光滑，但是计算耗时将越长。如果你的目的仅仅是绘制分子表面静电势图，可以忽略以下内容而直接跳到本节最后一段。计算完毕后会看到分子表面上静电势极大、极小点的坐标和数值，并且输出大量统计数据，比如分子表面上静电势的最大/最小值、平均值、方差、电荷平衡度、表面积等等，它们对于了解分子特征、建立QSPR/QSAR方程预测分子理化性质和生物活性等问题都十分有用，见Multiwfn手册3.15.1节以及IJQC,85,676、JPCA,110,1005等文章的介绍。此时会看到后处理菜单。点击0进入图形界面，并且将Ratio of atomic size设为4.0就可以清楚看到分子表面上静电势极大点（红点）和极小点（蓝点）的位置。如果点击Minimal/Maximum label，就会显示出极值点的编号，可以和命令行窗口显示的极值点信息相对照，得知极值点上的具体数值。点击右上角Return可以关闭图形窗口。此例中各个极值点静电势数值如下（由于格点精度有限，所以等价的极值点的数值不完全一致，这里取了平均）极小点1（最小点）：-20.60 kcal/mol? ?体现氧的孤对电子对静电势的负贡献极小点2、3：-15.23kcal/mol? ?在两个beta碳（邻位碳）正上方，体现pi电子对静电势的负贡献极大点1、4（最大点）：18.41kcal/mol? ?体现alpha位的氢原子所带的正电极大点5、6：15.21kcal/mol? ?体现beta位的氢原子所带的正电极大点2、3：-9.63kcal/mol? ?虽然是极大点，但是静电势数值为负，所以化学意义不大，可无视之我们可以查看一下不同静电势区间内分子表面积，这对于了解分子表面静电势的定量分布很有益。做法是依次输入9-25,22??//统计范围。当前体系分子表面静电势范围为-20.60~18.41kcal/mol，这里将范围稍微扩大并取整数来定义范围15??//将-25~22kcal/mol均匀分为15个区间获得表面积3??//输入的单位为kcal/mol立刻屏幕上就输出了不同静电势区间内的表面积，我们将Center这一列和Area这一列的数据分别从屏幕上拷下来（不会拷的读者见手册5.4节），并粘贴到诸如origin等作图工具里并作成条形图，就可以得到诸如以下图像静电势的定量分布在这张图上一目了然。此分子不同静电势区间内的表面积分布还是相对比较均匀的。如果选择选项11，则程序会输出每个原子附近的分子表面上的静电势统计数据，对于了解