使用Multiwfn的定量分子表面分析功能预测反应位点、分析分子间相

使用Multiwfn的定量分子表面分析功能预测反应位点、分析分子间相互作用

文/Sobereva First release: 2012-Aug-6

定量分子表面分析主要分析的是静电势（ESP）和平均局部离子化能（ALIE）在分子范德华1定量分子表面分析的概念和意义

表面的分布。分子范德华表面的定义非常多，最常用的是Bader的定义，也就是对于气相分静电势是大家很熟悉的实空间函数，对于分子体系定义如下

版。

面都是指Bader的这种定义。

确，而且可以反映局部电子特征产生的影响，比如孤对电子、pi电子。本文所说的分子表子，使用电子密度为0.001 e/bohr^3的等值面作为分子范德华表面，这种定义物理意义明定量分子表面分析的概念和意义、它在Multiwfn程序中所用的数值算法，并通过实例说明M ultiwfn可以在9fdea4168ad63186bceb19e8b8f67c1cfad6eebe免费下载，本文使用的是目前最新的2.5前言：定量分子表面分析对于预测反应位点、预测分子间结合模式、预测分子热力学性质有怎么用Multiwfn的这个功能分析实际问题。实际上本文很多内容在Multiwfn 2.5版手册重要意义。从Multiwfn 2.3版开始这个功能就被作为主功能12纳入其中了。本文简要介绍3.15节和 4.12节中都已经涵盖，数值算法在9fdea4168ad63186bceb19e8b8f67c1cfad6eebe/10.1016/j.jmgm.2012.07.004一文中有十分完整、详尽的说明。

1 两个分子从相距很远逐渐接近：这个过程中分子的电子分布并不发生明显改变，顶多是稍互反应的完整过程分为以下两个步骤。注意这两个步骤没有明确界限，是平滑过渡的。

且也不能用于预测亲核位点），此时必须将静电势综合考虑。这是因为，两个分子相微被另一个分子的电场所极化。长程静电相互作用在这个过程中是关键，通过分析分子表面靠静电势很多情况都不能正确预测反应位点；而单靠ALIE，在一些情况下也是失败的（而需要特别说明的是，通过静电势和ALIE在预测反应位点上不仅不矛盾，反倒是互补的。单作用被拉到这里，则在这里发生反应的几率还是不大。

Aspects of Chemical Reactivity(2007)的第8章。

成化学反应：这一步在哪里容易进行，关键看哪个原子附近电子活性大，用ALIE最适合研2 范德华表面快要接触的两个分子进一步靠近，通过成键、断键这样的电子结构重排过程完点往往不行，因为即便靠ALIE预测出某些原子容易发生反应，但是若反应物不容易靠静电的静电势，可以很好地估计反应物容易被拉到哪里。也因此，光靠分析ALIE来预测反应位处的电子平均能量越高，被束缚得越弱。ALIE有很多应用，比如衡量电负性、表征局部极层结构及相对论效应的影响》一文中有实例，见9fdea4168ad63186bceb19e8b8f67c1cfad6eebe/sobereva/blo ... 究这个问题。这也表现出单纯靠静电势预测反应位点的不可靠性，因为比如某原子附近静电可以视为i轨道的电子的离子化能，ρ(r)是r处总电子密度。r处ALIE值越小，代表在此其中ρ_i(r)是处第i个分子轨道的电子密度，|ε_i|是第i个分子轨道能量的绝对值，fdb15bdbb4bd25）。在ALIE的诸多应用中，最为重要的就是它预测反应位点的能力。在分子表面上，ALIE越小处，由于电子束缚得越弱，或者说电子活性越强，就越容易发生处，局部极化率越大，这与密度泛函理论中的局部软度/硬度概念也是密切相关的。

易出现在pi电子、孤对电子附近，因为这些区域的电子被束缚得较弱。可以认为ALIE越小这几个点离哪些原子比较近，就能判断哪些原子最可能是反应活性位点。ALIE的极小点容亲电及自由基反应。通过定量分子表面分析算法，找出分子表面上ALIE最小的几个点，看关于平均局部离子化能的更多介绍，见综述文章J.Mol.Model,16,1731和Theoretical 程的影响考虑进去。

2定量分子表面分析在Multiwfn中的基本算法

定量分子表面分析算法的详尽的技术细节不在本文讨论，这并非一般用户关心的，有兴趣者度按照它的定义利用Multiwfn轻松地算出来。

述的方法可以参考2.5版手册4.5.4节的例子，搞明白之后，也自然能举一反三地将相对软泛检验（注意对于预测亲核反应，唯独ALIE用不了）。使用Multiwfn计算福井函数和双描可参看9fdea4168ad63186bceb19e8b8f67c1cfad6eebe/10.1016/j.jmgm.2012.07.004。但基本原理还是应当了解的，只有这样面对一些实际问题时才能明白如何通过提供的一些选项自行解决。

许多可以显示等值面的分子可视化软件都是用的这个方法。MT的流程可以简要用下图表示数据》9fdea4168ad63186bceb19e8b8f67c1cfad6eebe/sobereva/blo ... 400231b938208e）构建等值面的算法，计算机图形学上最主流的基于格点数据（也叫体数据，详细介绍见《谈谈体数据1：介绍体既然分析的是分子表面，就必须先把分子表面构建出来。Marching Tetrahedra(MT)方法是将静电势考虑进去。至于这三种方法以及ALIE用于预测反应位点到底孰优孰劣，还有待广际上和ALIE一样，着眼的也是反应过程的第二步，因此用它们分析活性位点时其实也应该综上所述，由于分子间反应涉及到了两个步骤，而两个步骤本质不同，分别适合用静电势和ALIE来分析，因此需要将它们在分子表面上的分布综合考虑以判断反应位点。通常可以先的前提条件已经不能满足，所以用分子孤立状态的静电势已经不能很好说明问题。

的电子分布已有很大差异，前面介绍静电势时提到的“对分子的电荷分布不产生任何影响”而越容易参与反应。再者，当分子间接近到快要反应时，分子的实际电子分布与它在孤立时用ALIE判断，如果遇到困难，比如好几个原子都有对应的ALIE极小点（而且数值和最小点数值差不多），或者极小点介于两个原子之间，那么可以再考察静电势的分布，看看反应物反应位点本质上是福井函数的近似），以及之后提出的双描述符、相对软度。这三种方法实判断反应位点还有很多办法，比如概念密度泛函理论中著名的福井函数（前线轨道理论判断ALIE(r)=(∑ ρ_i(r)*|ε_i|) / ρ(r)

更容易被拉到哪个原子附近。另外，有时需要根据分子三维结构，将位阻效应对试剂接近过势越负，只能说明亲核试剂越容易被拉到这原子附近，却不代表这原子附近的电子越活泼因化率、预测pKa，展现原子壳层结构（在《使用Multiwfn绘制原子轨道图形、研究原子壳用静电势可以预测、解释复合物中分子的相对朝向如何、结合的强度大概有多大，这对于研究分子晶体堆积方式、受体配体结合模式、分子吸附等问题很有用。其依据是分子之间容易(2)若已知某复合物是以静电为主导的方式结合而成（如氢键、二氢键、卤键等形式），利静电势分析方法的抽象、简化。

原子越容易发生亲电（亲核）反应。实际上，通过原子电荷来预测反应位点在本质上是这种以静电势互补方式接触，即分子表面静电势正值区域倾向于接触负值区域，而且正值越正、负值越负时这种倾向越强，这样能最大程度降低整体能量。

观，但是有很大局限性，也就是图形化的研究不够精确，讨论问题时只能定性地分析，上升9fdea4168ad63186bceb19e8b8f67c1cfad6eebe/sobereva/blo ... 09817754fb9658）。这种图形化分析虽然直负和大小（例如《谈谈Molekel做静电势填色等值面图的方法及误区》，见大家已经十分习惯绘制分子表面的静电势填色图来分析这些问题，用不同颜色代表静电势正预测在什么位点上最有可能发生何种化学反应，通常认为静电势越负（越正）的地方对应的这个函数写为

负贡献构成。在r处如果静电势为正，说明此处的静电势是由原子核电荷所主导，如果为负，说明电子的贡献是主导。在原子核附近，包括价层区域，由于离核较近，静电势都是正值，荷分布不产生任何影响。静电势由带正电的原子核电荷产生的正贡献和带负电的电子产生的r处后它与此分子产生的静电相互作用能，注意这里假定这个单位正电荷的出现对分子的电Z代表核电荷数，R是原子核坐标。一个分子在r处的静电势，等于将一个单位正电荷放在这部分通常不是我们感兴趣的（尽管分析它们也有一些特殊用处，比如获得共价半径）。而在分子表面，电子的贡献和核的贡献达到可以抗衡的程度，电子密度分布的不均匀性会导致(1)在化学反应初期分子间通过静电吸引而相互接近的过程与分子对其外部（范德华表面及对范德华表面静电势的研究已有几十年的历史，最常见的有两类应用：

子云以及碳-碳强张力键（如环丙烷）附近，因为这些区域电子比较富集。

分子表面静电势有正有负。对中性体系，通常负值出现在高电负性原子的孤对电子、pi电不到定量的高度。而且当比较一系列分子，或者当静电势分布复杂或体系稍大时，图形观察更远区域）产生的静电效应密切相关，因此可以通过分析分子范德华表面上静电势的分布来Potentials and Chemical Reactivity

3 WIREs Computational Molecular Science,1,153: The electrostatic potential: an

Reviews in Computational Chemistry Vol.2的第7章Molecular Electrostatic Applications条目

Encyclopedia of Computational Chemistry一书的Electrostatic Potentials: Chemical 4 Theor.Chem.Acc,108,134: The fundamental nature and role of the electrostatic potential in atoms and molecules

也很费力、麻烦。定量分子表面分析的主要目的之一就是根据静电势在分子表面上的极值点平均局部离子化能可能很多人还比较陌生，它在Can.J.Chem.,68,1440 (1990)一文中提出，Electrostatic Potential as a Guide to Molecular Interactive Behavior

5 Chemical Reactivity Theory-A Density Functional View一书的第17章The 如果对静电势有兴趣，建议看以下静电势的综述文章：

overview

都与分子间相互作用密切相关，对于极性（或具有局部极性）的分子，静电相互作用通常比质十分有益。Politzer等人提出的General interaction properties function(GIPF)就建另外，分子的凝聚相性质，比如蒸发/升华焓、密度、沸点、粘度、表面张力、LogP等等，这些描述符也是定量分子表面分析的主要组成部分。

位置和确切数值对反应位点、结合模式等问题给出更准确可靠的分析结论。

立了这么一套关系，见J.Mol.Struct.(THEOCHEM),307,55。GIPF的本质上含义是，依靠基范德华相互作用大很多，因此通过分析在分子表面上的静电势，对于预测这些分子的这些性一步相互运算得到的几个描述符（具体公式见Multiwfn 2.5手册3.15.1节）。计算并利用质。这些分子描述符包括分子整体/静电势为正/静电势为负区域的表面积，表面上静电势最大值、最小值，表面上静电势的整体/正值/负值部分的平均值/平均偏差/方差，以及它们进于分子表面上静电势分布定义的分子描述符，通过拟合QSPR方程，可以很好地预测上述性也因此定量分子表面分析结果越精确，但耗时也越多。默认是做3次迭代，已足够精确，没必要修改，想调整的话可以用选项4的子选项3。

MT过程涉及到插值问题，Multiwfn用的是二分法，迭代次数越多，所得顶点位置越精确，三个顶点相对应。这一步的耗时可以忽略不计。

2) 利用MT方法得到分子表面的顶点坐标、顶点之间的连接关系，并记录每个三角形与哪

(3) 对分子表面的顶点中的多余顶点进行消除。之所以要做消除，是由于MT方法产生的表点，对于分析静电势，这也将节省约60~70%的总耗时。

项2来设，假设设的是x，那么阈值就是x乘以格点间距。默认值大致会消除掉60~70%的顶大以免生成的等值面被截断。

其中一个，而将另一个的位置挪到它们的平均位置上。这个距离阈值可以用选项4中的子选一步的耗时。Multiwfn会检测每一对儿相连顶点间的距离，如果距离小于阈值，就会消除际上这些严重聚集的点只需要用一两个点表示就足够了，多余的顶点可以消除掉，以降低下面顶点分布很不均匀，经常出现大量顶点聚集在很小区域内（如下图绿圈标注的区域），实范围的立方区域内的电子密度格点数据。

第三步，将每个三角形用一般的计算机图形学的方法渲染出来，就是我们在可视化软件中看到的等值面。

隔越小，则这个等值面越光滑，越接近精确等值面，顶点数也越多。

第二步，将格点数据转化为等值面，等值面用一堆连续排布的三角形来描述。格点数据的间第一步，输入格点数据。若要构建电子密度等值面，就必须先计算出至少能涵盖等值面空间M ultiwfn的定量分子表面分析模块主要流程是：

(1) 根据分子几何坐标，向其四周延展一定距离，以确定电子密度格点数据的空间范围。再格点数据空间范围在K方向的最大值就是在K方向原子坐标的最大值基础上延展n乘以此原子范德华半径的距离。默认值对于生成0.001 e/bohr^3等值面来说已经足够，如果要生成延展的距离通过定量分子表面分析模块中的选项4中的子选项1来设定，比如设为n，那么计算电子密度速度极快，而且支持并行。

搜索“diyifanwen.net”或“第一范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，第一范文网，提供最新实用文档使用Multiwfn的定量分子表面分析功能预测反应位点、分析分子间相全文阅读和word下载服务。