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Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析

來源：本站時間：2020-11-04 10:49:12 瀏覽：10058次

注：在未特別說明的情況下，本文中涉及到的所有量化模擬實例均是在本地電腦（Windows系統）建模并生成輸入文件，在服務器（Linux系統）中進行計算，最后在本地電腦進行數據處理和分析。

本文的目標是對多巴胺分子進行結構優化，并計算原子振動，從而獲得多巴胺分子的理論紅外光譜與拉曼光譜。在此基礎上，簡要展示如何通過Multiwfn軟件進行波函數分析，從中獲取分子軌道、靜電勢等信息。
首先通過GaussView建立多巴胺分析模型，保存為.gjf文件并修改如下圖所示，即在b3lyp/6-311g**精度下進行結構優化（opt）并對優化所得的穩定結構計算振動模式（freq）。該計算也可拆分成兩次進行，即先單獨進行結構優化，再對優化所得結構單獨進行振動分析。但應注意兩次計算所采用的理論方法、基組等參數必須完全一致。進行振動分析不僅耗時，同時對于計算資源的消耗也較大。若計算資源有限，請適當降低計算精度（例如采用b3lyp/6-31g*）或嘗試計算更小的分子。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖1

Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖1

需要說明的是，對于DFT計算若振動分析的關鍵詞僅寫“freq”的話只會輸出紅外振動模式。若希望同步計算拉曼振動模式的話，需寫為“freq=raman”。多巴胺分子的總電荷顯然為0。作為典型的有機分子（非自由基結構），其電子結構為閉殼層，自旋多重度設定為1。
在服務器中調用g09進行計算（運行命令：g09 < dopamine.gjf > dopamine.out）后，通過formchk工具將dopamine.chk文件轉換為dopamine.fchk（運行命令：formchk dopamine.chk），隨后將.out文件和.fchk文件傳入回本地電腦進行進一步分析。
通過GaussView打開dopamine.out，在模型窗口點擊鼠標右鍵—Results-Vibrations打開振動分析窗口，如下圖所示。該窗口中會顯示多巴胺分子的所有理論振動模式的頻率、紅外及拉曼振動強度。選擇感興趣的振動模式，點擊Start Animation即可在模型窗口查看該振動的具體形式。這些信息可作為參考，輔助對實驗所得光譜數據的峰歸屬判斷，或對重疊的峰進行分峰處理。點擊Spectrum即可生成多巴胺分子的理論紅外/拉曼光譜。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖2

Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖2

由于GaussView對量化計算結果的分析能力有限，我們多傾向于采用Multiwfn進行數據分析。將dopamine.fchk用鼠標拖入Multiwfn界面，回車。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖3

根據提示即可輸出想要的信息。例如想要進行分子軌道分析，根據提示選0，回車。Multiwfn界面便會輸出一些分子軌道的重要信息并打開一個新的窗口。下圖紅框區域給出了多巴胺分子的最高占據軌道（HOMO）和最低空軌道（LUMO）的編號和對應能量，以及這兩條分子軌道間的能量差（gap）。根據軌道編號信息，我們可以在圖形界面查看這些分子軌道的形狀。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖4

Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖4

在圖形界面中分別將Oribitals選為41和42，即可觀看多巴胺分子HOMO和LUMO的形態。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖5

若希望輸出更多軌道的信息，可在圖形界面中選擇Oribital info.—show all，即可在Multiwfn中顯示該分子全部軌道的信息。下圖中可以看到多巴胺分子共有264條分子軌道以及每條軌道的的能量和電子占據情況。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖6

Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖6

Multiwfn同樣可用于顯示振動計算結果，特別是對于拉曼光譜而言還可以通過設定溫度和激光波長，將拉曼活性轉變為拉曼強度，所得數據與實驗結果可比性更好。利用Multiwfn生成光譜時，應載入dopamine.out文件而非dopamine.fchk。依次選擇“11 Plot IR/Raman/UV-Vis/ECD/VCD/ROA/NMR spectrum”—“1:IR”—“0 Plot spectrum”即可生成紅外光譜。若想生成拉曼光譜，則應選擇“11 Plot IR/Raman/UV-Vis/ECD/VCD/ROA/NMR spectrum” —“2:Raman (or pre-resonance Raman)”—“19 Convert Raman activities to intensities”，依次輸入激光波長（如532 nm）和溫度（如298.15 K），最后選“0 Plot spectrum”即可生成基于拉曼強度的拉曼光譜。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖7

Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖7

如果想要獲得多巴胺分子的RESP電荷，首先向Multiwfn載入dopamine.chk文件。根據提示分別選擇“7 Population analysis and atomic charges”—“18 Restrained ElectroStatic Potential (RESP) atomic charge”—“1 Start standard two-stage RESP fitting calculation”，待進度條跑至100%后即會顯示出多巴胺分子的RESP電荷，如下圖所示。
*補充說明：請注意，從Linux系統中通過formchk工具得到的文件后綴名為.fchk，此處需首先將其重命名為.fch后再載入Multiwfn，否則在進行RESP計算的過程中會失敗，可能是Multiwfn軟件自身的BUG所致。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖8

Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖8

輸入“y”即可將電荷信息保存至Multiwfn軟件本體所在文件夾路徑下（dopamine.chg），可用Notepad++打開查看。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖9

根據計算所得的靜電勢，可進一步結合VMD軟件進行處理，還可以得到精美的分子靜電勢分布圖，詳細操作參見sob老師的文章http://sobereva.com/443。根據需要，還可以繪制出兩個分子間的范德華表面穿透圖用于分析分子間的相互作用形式。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實例操作之多巴胺分子的結構優化及基本性質分析+參考圖10