• 使用AICD 2.0繪制磁感應電流圖

    使用AICD 2.0繪制磁感應電流圖

    文/Sobereva @北京科音

    First release: 2015-Jun-13  Last update: 2021-Jul-7


    以前寫過一篇帖子《使用AICD程序研究電子離域性和磁感應電流密度》（http://www.shanxitv.org/147），那個帖子當時用的是1.5.7.1版。AICD本身用起來簡單，但是使用前必須自行編譯高斯，這使得絕大部分用戶都無緣使用AICD。好在從Gaussian09 D.01開始直接提供了IOp(10/93)選項來輸出AICD所需的電流密度張量數據，并且AICD 2.0版開始可以直接讀取這些數據繪圖，比原先實在方便太多了，這使得AICD能夠廣泛普及開來。這個帖子就說下AICD 2.0結合G09 D.01的使用方法。老版本的AICD的輸出文件和各個選項在2.0版里完全沒變，2.0也沒有什么新增的選項，所以本帖僅僅用薁分子做個演示，更多內容請看上面的帖子。


    1 安裝AICD 2.0

    注：由于原版的AICD 2.0與Gaussian 16兼容性有問題，而且與比較新的gcc編譯器的兼容也有問題（像CentOS 6.x這種老系統帶的gcc沒問題，而CentOS 7.x的就不行了），因此這里給的是http://bbs.keinsci.com/thread-13577-1-1.html里提供的修改版AICD包，安裝方法也是針對這個修改版而言的。

    在這里下載修改版AICD 2.0：http://www.shanxitv.org/soft/AICD-2.0.0-modified.tar.gz。

    將這個AICD 2.0包解壓到任意一處，比如/sob/AICD-2.0.0，然后進入此目錄，輸入make。然后在用戶目錄的.bashrc文件里添加alias AICD=/sob/AICD-2.0.0/AICD。重新登錄終端或輸入bash使之生效。現在就可以在任意目錄下直接通過AICD命令調用AICD了。

    如果運行時提示無權限的問題，運行chmod +x /sob/AICD-2.0.0/* -R給此目錄下所有文件加可執行權限。


    2 計算薁

    輸入文件azulene.gjf內容如下。NMR=CSGT必須寫，IOp(10/93=1)代表輸出電流密度張量到坐標后面的那個文件里，此例是test.txt。

    %chk=./azulene.chk
    # b3lyp/6-31g(d) nmr=csgt iop(10/93=1)

    b3lyp/6-31g(d) opted

    0 1
     C                  0.00000000    0.00000000    2.50418951
     C                  0.00000000    1.26637425    1.91156618
     C                  0.00000000    1.59417912    0.55241750
     C                  0.00000000   -1.26637425    1.91156618
     C                  0.00000000    0.75015229   -0.55452268
     C                  0.00000000   -1.59417912    0.55241750
     C                  0.00000000   -0.75015229   -0.55452268
     H                  0.00000000    0.00000000    3.59316833
     H                  0.00000000    2.10900376    2.59929497
     H                  0.00000000    2.66005032    0.32418052
     H                  0.00000000   -2.10900376    2.59929497
     H                  0.00000000   -2.66005032    0.32418052
     C                  0.00000000    1.15011348   -1.90182297
     H                  0.00000000    2.17701495   -2.24803140
     C                  0.00000000    0.00000000   -2.70850570
     H                  0.00000000    0.00000000   -3.79360290
     C                  0.00000000   -1.15011348   -1.90182297
     H                  0.00000000   -2.17701495   -2.24803140

    test.txt


     

    用g09 < azulene.gjf > azulene.out運行此文件，在當前目錄下得到azulene.out和test.txt。


    3 產生感應電流圖

    我們把外磁場垂直于環平面加。若打開azulene.out會看到垂直于分子平面的是x軸，即外磁場矢量應為1 0 0。我們輸入
    AICD -m 4 -b 1 0 0 -pov azulene.out
    此時AICD就會根據azulene.out和test.txt里的信息生成AICD格點數據，并且產生文件名以azulene_40000_0.050_1_0_0_Aniso_4.4為開頭的5個文件。將這5個文件拷到Windows系統下，安裝好Povray渲染器，然后打開RenderMich.pov后綴的那個，渲染，即得到下圖，包含多個視角：

    可見是有明顯環電流產生的。


    4 只獲得特定軌道的貢獻

    也可以只獲得特定軌道對AICD的貢獻，寫上IOp(10/93=2)，并且在輸入文件末尾寫上要考慮的軌道編號即可。

    比如薁這個分子，我們想得到所有pi軌道對AICD的貢獻。首先我們先找出pi軌道編號，雖然可以挨個看軌道圖來找，但對于軌道比較多的體系會比較勞神。對于薁這樣純平面的體系找pi軌道的最方便的方法是用Multiwfn (http://www.shanxitv.org/multiwfn)。將薁這個體系的fch文件載入Multiwfn，依次輸入100、22、2（因為當前體系平行于YZ平面）。程序馬上就給出了所有pi MO的編號，我們把占據數為2.0的那5個復制到前面azulene.gjf的末尾去（從命令行窗口直接復制數據的操作見Multiwfn手冊5.4節）。此時azulene.gjf內容如下

    %chk=./azulene.chk
    # b3lyp/6-31g(d) nmr=csgt IOp(10/93=2)

    b3lyp/6-31g(d) opted

    0 1
    [坐標，略]

    test.txt

    26
    31
    32
    33
    34

     

    為了簡便，上面也可以寫成26 31-34。之后用前述方法繪圖，結果如下


    十分值得一提的是，用上面的做法不僅可以得到不同軌道對AICD的貢獻，也可以得到不同軌道對磁屏蔽值、磁化率的貢獻（即它們可以嚴格分解成軌道的貢獻）。比如某體系有13個軌道，用上面的關鍵詞，分別選擇1-5號軌道，以及6-13號軌道，二者得到的磁屏蔽值或者磁化率的加和和直接算整體時的結果是一樣的。因此，可以利用這個方法考察NICS-sigma和NICS-pi。關于這點，我專門寫了篇文章介紹：《基于Gaussian的NMR=CSGT任務得到各個軌道對NICS貢獻的方法》（http://www.shanxitv.org/670）。

    對于非限制性開殼層（U）形式的計算，IOp手冊里沒寫清楚怎么指定要考慮的軌道。我這里根據我讀源代碼以及實際測試做出的理解介紹一下。比如計算三重態水分子，原本一共有6個占據的alpha軌道和4個占據的beta軌道，在你設置要考慮的軌道時，記住beta占據軌道的序號是排在alpha占據軌道后面的，而不用管alpha和beta的空軌道。比如，如果你要讓原先的那10個占據軌道都被考慮，輸入文件末尾就寫1-10。如果你只想考慮alpha占據軌道當中后三個、beta占據軌道中第2個，就應該寫4-6 8。之所以是8，是因為6+2=8，即原本的alpha占據軌道數目加上要考慮的這個beta的序號。空軌道不用管，比如你把11、12等序號超過原先占據軌道總數的軌道也納入的話，不會影響結果。

    對于非平面體系，沒法嚴格定義哪些是sigma軌道、哪些是pi軌道，或者說判斷pi軌道的方式有很大含糊性、人為任意性。但是也沒關系，強大的Multiwfn可以給出各個軌道的pi成份，超過特定閾值（比如80%）的軌道你都可以姑且當做pi軌道。關于怎么用Multiwfn計算pi成份，看《Multiwfn已支持計算任意軌道的pi成份》（http://bbs.keinsci.com/thread-13110-1-1.html）。


    5 其它

    如果對本文有任何不清楚的地方，或者想弄明白AICD的各種選項、細節以及相關理論，請看《使用AICD程序研究電子離域性和磁感應電流密度》（http://www.shanxitv.org/147）。

    筆者通過此文的方法考察了電子結構非常特殊的18碳環體系，得到了漂亮的圖像和很有意義的結果，充分揭示了此體系由in-plane和out-of-plane電子產生的雙芳香性特征。文章介紹見《一篇最全面、系統的研究新穎獨特的18碳環的理論文章》（http://www.shanxitv.org/524），其中與成鍵和芳香性有關的研究部分后來發表在了Carbon, 165, 468 (2020)，非常建議大家閱讀和引用，這是AICD很好的應用實例。

    在《深入揭示18碳環的重要衍生物C18-(CO)n的電子結構和光學特性》（http://www.shanxitv.org/640）中介紹的筆者研究C18-(CO)n的電子離域和芳香性特征的文章Chem. Eur. J., 28, e202103815 (2022)中，以及在《不尋常的環[18]碳前驅體C18Br6的電子結構和芳香性》（http://www.shanxitv.org/664）中介紹的筆者研究C18-Br6的電子結構的文章Chem. Eur. J., e202300348 (2023) DOI: 10.1002/chem.202300348中，都使用了AICD來直觀展現體系的感生電流，是AICD的很好的應用范例，建議閱讀里面的討論，非常推薦作為AICD的應用范例引用。

    有另外一個也非常知名、常用的考察環電流的程序叫GIMIC，與AICD有很強的互補性，強烈建議讀者仔細看《考察分子磁感生電流的程序GIMIC 2.0的使用》（http://www.shanxitv.org/491）。

    有人問我除了AICD以外還有沒有其它可視化芳香性的方法，實際上在Multiwfn支持很多，如ICSS、LOL-pi、AdNDP，分別參看
    通過Multiwfn繪制等化學屏蔽表面(ICSS)研究芳香性
    http://www.shanxitv.org/216
    在Multiwfn中單獨考察pi電子結構特征
    http://www.shanxitv.org/432（http://bbs.keinsci.com/thread-10610-1-1.html）
    使用AdNDP方法以及ELF/LOL、多中心鍵級研究多中心鍵
    http://www.shanxitv.org/138
    Multiwfn還支持非常豐富的定量考察芳香性的方法，參見《衡量芳香性的方法以及在Multiwfn中的計算》（http://www.shanxitv.org/176）。

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