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Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析

来源：本站时间：2020-11-04 10:49:12 浏览：8927次

注：在未特别说明的情况下，本文中涉及到的所有量化模拟实例均是在本地电脑（Windows系统）建模并生成输入文件，在服务器（Linux系统）中进行计算，最后在本地电脑进行数据处理和分析。

本文的目标是对多巴胺分子进行结构优化，并计算原子振动，从而获得多巴胺分子的理论红外光谱与拉曼光谱。在此基础上，简要展示如何通过Multiwfn软件进行波函数分析，从中获取分子轨道、静电势等信息。
首先通过GaussView建立多巴胺分析模型，保存为.gjf文件并修改如下图所示，即在b3lyp/6-311g**精度下进行结构优化（opt）并对优化所得的稳定结构计算振动模式（freq）。该计算也可拆分成两次进行，即先单独进行结构优化，再对优化所得结构单独进行振动分析。但应注意两次计算所采用的理论方法、基组等参数必须完全一致。进行振动分析不仅耗时，同时对于计算资源的消耗也较大。若计算资源有限，请适当降低计算精度（例如采用b3lyp/6-31g*）或尝试计算更小的分子。
Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图1

Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图1

需要说明的是，对于DFT计算若振动分析的关键词仅写“freq”的话只会输出红外振动模式。若希望同步计算拉曼振动模式的话，需写为“freq=raman”。多巴胺分子的总电荷显然为0。作为典型的有机分子（非自由基结构），其电子结构为闭壳层，自旋多重度设定为1。
在服务器中调用g09进行计算（运行命令：g09 < dopamine.gjf > dopamine.out）后，通过formchk工具将dopamine.chk文件转换为dopamine.fchk（运行命令：formchk dopamine.chk），随后将.out文件和.fchk文件传入回本地电脑进行进一步分析。
通过GaussView打开dopamine.out，在模型窗口点击鼠标右键—Results-Vibrations打开振动分析窗口，如下图所示。该窗口中会显示多巴胺分子的所有理论振动模式的频率、红外及拉曼振动强度。选择感兴趣的振动模式，点击Start Animation即可在模型窗口查看该振动的具体形式。这些信息可作为参考，辅助对实验所得光谱数据的峰归属判断，或对重叠的峰进行分峰处理。点击Spectrum即可生成多巴胺分子的理论红外/拉曼光谱。
Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图2

Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图2

由于GaussView对量化计算结果的分析能力有限，我们多倾向于采用Multiwfn进行数据分析。将dopamine.fchk用鼠标拖入Multiwfn界面，回车。
Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图3

根据提示即可输出想要的信息。例如想要进行分子轨道分析，根据提示选0，回车。Multiwfn界面便会输出一些分子轨道的重要信息并打开一个新的窗口。下图红框区域给出了多巴胺分子的最高占据轨道（HOMO）和最低空轨道（LUMO）的编号和对应能量，以及这两条分子轨道间的能量差（gap）。根据轨道编号信息，我们可以在图形界面查看这些分子轨道的形状。
Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图4

Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图4

在图形界面中分别将Oribitals选为41和42，即可观看多巴胺分子HOMO和LUMO的形态。
Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图5

若希望输出更多轨道的信息，可在图形界面中选择Oribital info.—show all，即可在Multiwfn中显示该分子全部轨道的信息。下图中可以看到多巴胺分子共有264条分子轨道以及每条轨道的的能量和电子占据情况。
Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图6

Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图6

Multiwfn同样可用于显示振动计算结果，特别是对于拉曼光谱而言还可以通过设定温度和激光波长，将拉曼活性转变为拉曼强度，所得数据与实验结果可比性更好。利用Multiwfn生成光谱时，应载入dopamine.out文件而非dopamine.fchk。依次选择“11 Plot IR/Raman/UV-Vis/ECD/VCD/ROA/NMR spectrum”—“1:IR”—“0 Plot spectrum”即可生成红外光谱。若想生成拉曼光谱，则应选择“11 Plot IR/Raman/UV-Vis/ECD/VCD/ROA/NMR spectrum” —“2:Raman (or pre-resonance Raman)”—“19 Convert Raman activities to intensities”，依次输入激光波长（如532 nm）和温度（如298.15 K），最后选“0 Plot spectrum”即可生成基于拉曼强度的拉曼光谱。
Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图7

Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图7

如果想要获得多巴胺分子的RESP电荷，首先向Multiwfn载入dopamine.chk文件。根据提示分别选择“7 Population analysis and atomic charges”—“18 Restrained ElectroStatic Potential (RESP) atomic charge”—“1 Start standard two-stage RESP fitting calculation”，待进度条跑至100%后即会显示出多巴胺分子的RESP电荷，如下图所示。
*补充说明：请注意，从Linux系统中通过formchk工具得到的文件后缀名为.fchk，此处需首先将其重命名为.fch后再载入Multiwfn，否则在进行RESP计算的过程中会失败，可能是Multiwfn软件自身的BUG所致。
Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图8

Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图8

输入“y”即可将电荷信息保存至Multiwfn软件本体所在文件夹路径下（dopamine.chg），可用Notepad++打开查看。
Gaussian量化模拟入门教程（四）：实例操作之多巴胺分子的结构优化及基本性质分析+参考图9

根据计算所得的静电势，可进一步结合VMD软件进行处理，还可以得到精美的分子静电势分布图，详细操作参见sob老师的文章http://sobereva.com/443。根据需要，还可以绘制出两个分子间的范德华表面穿透图用于分析分子间的相互作用形式。
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