使用Multiwfn和VMD繪制平均局部離子化能(ALIE)著色的分子表面圖(含視頻演示)
注:筆者后來又寫了《使用Multiwfn通過局部電子附著能(LEAE)考察親核反應位點、難易及弱相互作用》(http://www.shanxitv.org/676),其中介紹的重要的LEAE函數與ALIE有關鍵性的互補,非常推薦閱讀!
使用Multiwfn和VMD繪制平均局部離子化能(ALIE)著色的分子表面圖(含視頻演示)
文/Sobereva@北京科音
First release: 2019-Sep-17 Last update: 2020-Oct-10
平均局部離子化能(ALIE)是一個對于考察分子親電反應位點、活性非常有用的量,在《靜電勢與平均局部離子化能綜述合集》(http://bbs.keinsci.com/thread-219-1-1.html)我給出了很多綜述、介紹性文章以及筆者寫過的相關博文,不熟悉ALIE者強烈建議閱讀。Multiwfn是考察ALIE最方便、靈活、強大的程序。通常分析ALIE時都是考察它在分子表面的分布。之前筆者有個文章《使用Multiwfn+VMD快速地繪制靜電勢著色的分子范德華表面圖和分子間穿透圖》(http://www.shanxitv.org/443)介紹了如何將Multiwfn與VMD程序聯用非常方便、快速地繪制高質量的靜電勢著色的分子范德華表面圖。由于后來又有不少人問我怎么類似地也繪制ALIE著色的分子表面圖,因此這里筆者就專門說一下。本文對應于Windows環境,若想在Linux下實現同樣繪制效果,請讀者靈活變通。
本文的過程配有全程演示視頻,強烈建議一看:https://www.bilibili.com/video/av68116168/
首先大家去http://www.shanxitv.org/multiwfn下載Multiwfn程序,必須是2019-Sep-17及之后更新的版本,之前的版本沒有下面提到的腳本。如果還沒裝VMD,去http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/下載。本文用的是VMD 1.9.3。
之后進行以下操作:
·將examples\scripts里的ALIE.vmd復制到VMD目錄下
·將examples\scripts里的ALIE_isoext.bat和ALIE_isoext.txt復制到Multiwfn.exe所在目錄下
·編輯ALIE_isoext.bat批處理文件,將里面的文件路徑改成實際要考察的,把VMD路徑也改成實際的。輸入文件可以用.wfn、.fch、.molden等
·雙擊ALIE_isoext.bat,Multiwfn將被自動調用進行計算,算完后會在VMD目錄下產生avglocion.cub、density.cub、surfanalysis.pdb
·啟動VMD,在命令行窗口輸入source ALIE.vmd,就可以得到想要的圖像了
下圖是繪制出來的菲的ALIE著色的分子表面圖像。
圖中的表面對應的是電子密度為0.0005 a.u.的等值面。之所以不是常用的0.001 a.u.等值面(通常被用來作為分子范德華表面的定義),是因為此時ALIE著色效果不好,不容易通過顏色區分不同區域ALIE分布差異。上圖中青色圓球是分子表面上ALIE的極小點,體現電子被束縛得極弱的位置,也因此體現出容易發生親電反應的位點。ALIE是按照藍-白-紅的色彩過渡方式著色的,因此上圖中藍色區域都是ALIE比較小的區域,電子比較容易參與反應。
為了效果更好,可以用Tachyon渲染器渲染,在視頻里已經演示了。
若你研究的體系不容易通過色彩區分ALIE在不同區域的相對大小,或者整個分子表面顏色全都是紅色或藍色,說明當前用的ALIE的色彩刻度范圍不合適,可以在VMD命令行窗口輸入諸如mol scaleminmax 0 1 0.31 0.37,這里0.31和0.37分別是色彩刻度下限和上限(亦可以在VMD的圖形界面里修改,做法是進入Graphics - Representations,在窗口上方選擇當前是Isosurface的那項,點擊Trajectory標簽頁,在文本框里輸入色彩刻度的下限和上限之后按回車)。色彩刻度范圍怎么設合適和具體體系有關,可以反復試試。如果心里沒譜的話,可以先把下限和上限分別設成當前分子表面上的ALIE實際的最小值和最大值,以讓色彩變化能完整表現分子表面上的ALIE分布。這兩個值在Multiwfn計算過程的輸出信息里就可以看到(將ALIE_isoext.bat第一行末尾加上[空格]> out.txt,腳本調用Multiwfn期間輸出的信息就會導出到當前目錄下的out.txt,其中搜Minimal value:和Maximal value:),然后手動將這兩個值除以27.2114換算為以Hartree為單位的值,作為色彩刻度下限和上限即可。
對于平面體系,如果想準確考察ALIE極值點與原子或者鍵的相對位置,最好改成正交視角,即選擇Display - Orthographic,否則會由于近大遠小的緣故可能導致誤判位置。以正交視角顯示時的菲分子的圖像如下,位于藍色區域的原子或鍵容易參與親電反應。
值得一提的是,筆者在《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)介紹的論文中使用本文的方法考察了電子結構非常特殊的18碳環體系,得到的圖像很漂亮(如下所示),體現出的信息又非常有價值,很建議讀者看看此文中關于反應性的相關討論。
如果想像上圖一樣把色彩刻度軸畫出來,按照《使用Multiwfn+VMD快速地繪制靜電勢著色的分子范德華表面圖和分子間穿透圖(含視頻演示)》(http://www.shanxitv.org/443)里面介紹的做法就可以實現。如果你想查詢分子表面ALIE極值點具體的值,也效仿此文里面說的做法。