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Gaussian量化模擬入門教程（四）：實(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析

來(lái)源：本站時(shí)間：2020-11-04 10:49:12 瀏覽：13310次

注：在未特別說(shuō)明的情況下，本文中涉及到的所有量化模擬實(shí)例均是在本地電腦（Windows系統(tǒng)）建模并生成輸入文件，在服務(wù)器（Linux系統(tǒng)）中進(jìn)行計(jì)算，最后在本地電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

本文的目標(biāo)是對(duì)多巴胺分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并計(jì)算原子振動(dòng)，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(chǔ)上，簡(jiǎn)要展示如何通過(guò)Multiwfn軟件進(jìn)行波函數(shù)分析，從中獲取分子軌道、靜電勢(shì)等信息。
首先通過(guò)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(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化（opt）并對(duì)優(yōu)化所得的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)計(jì)算振動(dòng)模式（freq）。該計(jì)算也可拆分成兩次進(jìn)行，即先單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，再對(duì)優(yōu)化所得結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行振動(dòng)分析。但應(yīng)注意兩次計(jì)算所采用的理論方法、基組等參數(shù)必須完全一致。進(jìn)行振動(dòng)分析不僅耗時(shí)，同時(shí)對(duì)于計(jì)算資源的消耗也較大。若計(jì)算資源有限，請(qǐng)適當(dāng)降低計(jì)算精度（例如采用b3lyp/6-31g*）或嘗試計(jì)算更小的分子。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析+參考圖1

Gaussian量化模擬入門教程（四）：實(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析+參考圖1

需要說(shuō)明的是，對(duì)于DFT計(jì)算若振動(dòng)分析的關(guān)鍵詞僅寫“freq”的話只會(huì)輸出紅外振動(dòng)模式。若希望同步計(jì)算拉曼振動(dòng)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(jī)分子（非自由基結(jié)構(gòu)），其電子結(jié)構(gòu)為閉殼層，自旋多重度設(shè)定為1。
在服務(wù)器中調(diào)用g09進(jìn)行計(jì)算（運(yùn)行命令：g09 < dopamine.gjf > dopamine.out）后，通過(guò)formchk工具將dopamine.chk文件轉(zhuǎn)換為dopamine.fchk（運(yùn)行命令：formchk dopamine.chk），隨后將.out文件和.fchk文件傳入回本地電腦進(jìn)行進(jìn)一步分析。
通過(guò)GaussView打開dopamine.out，在模型窗口點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵—Results-Vibrations打開振動(dòng)分析窗口，如下圖所示。該窗口中會(huì)顯示多巴胺分子的所有理論振動(dòng)模式的頻率、紅外及拉曼振動(dòng)強(qiáng)度。選擇感興趣的振動(dòng)模式，點(diǎn)擊Start Animation即可在模型窗口查看該振動(dòng)的具體形式。這些信息可作為參考，輔助對(duì)實(shí)驗(yàn)所得光譜數(shù)據(jù)的峰歸屬判斷，或?qū)χ丿B的峰進(jìn)行分峰處理。點(diǎn)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(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析+參考圖2

Gaussian量化模擬入門教程（四）：實(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析+參考圖2

由于GaussView對(duì)量化計(jì)算結(jié)果的分析能力有限，我們多傾向于采用Multiwfn進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。將dopamine.fchk用鼠標(biāo)拖入Multiwfn界面，回車。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析+參考圖3

Gaussian量化模擬入門教程（四）：實(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析+參考圖3

根據(jù)提示即可輸出想要的信息。例如想要進(jìn)行分子軌道分析，根據(jù)提示選0，回車。Multiwfn界面便會(huì)輸出一些分子軌道的重要信息并打開一個(gè)新的窗口。下圖紅框區(qū)域給出了多巴胺分子的最高占據(jù)軌道（HOMO）和最低空軌道（LUMO）的編號(hào)和對(duì)應(yīng)能量，以及這兩條分子軌道間的能量差（gap）。根據(jù)軌道編號(hào)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(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析+參考圖4

Gaussian量化模擬入門教程（四）：實(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)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(tài)。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)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(jù)情況。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析+參考圖6

Gaussian量化模擬入門教程（四）：實(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析+參考圖6

Multiwfn同樣可用于顯示振動(dòng)計(jì)算結(jié)果，特別是對(duì)于拉曼光譜而言還可以通過(guò)設(shè)定溫度和激光波長(zhǎng)，將拉曼活性轉(zhuǎn)變?yōu)槔鼜?qiáng)度，所得數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可比性更好。利用Multiwfn生成光譜時(shí)，應(yīng)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(yīng)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(zhǎng)（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(qiáng)度的拉曼光譜。
Gaussian量化模擬入門教程（四）：實(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析+參考圖7

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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(jù)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(jìn)度條跑至100%后即會(huì)顯示出多巴胺分子的RESP電荷，如下圖所示。
*補(bǔ)充說(shuō)明：請(qǐng)注意，從Linux系統(tǒng)中通過(guò)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(jìn)行RESP計(jì)算的過(guò)程中會(huì)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(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析+參考圖8

Gaussian量化模擬入門教程（四）：實(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)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(shí)例操作之多巴胺分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基本性質(zhì)分析+參考圖9

根據(jù)計(jì)算所得的靜電勢(shì)，可進(jìn)一步結(jié)合VMD軟件進(jìn)行處理，還可以得到精美的分子靜電勢(shì)分布圖，詳細(xì)操作參見sob老師的文章http://sobereva.com/443。根據(jù)需要，還可以繪制出兩個(gè)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。
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