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标题: 利用ABCluster和Multiwfn自动生成有机分子拓扑文件用于全局优化 [打印本页]
作者
Author: coolrainbow    时间: 2022-5-27 11:28
标题: 利用ABCluster和Multiwfn自动生成有机分子拓扑文件用于全局优化
本帖最后由 coolrainbow 于 2022-5-27 11:29 编辑

ABCluster是一个广泛使用的团簇结构优化软件（ABCluster - Download (zhjun-sci.com)），对原子团簇、分子团簇、表面支撑团簇到周期性团簇都可以取得非常好的效果（案例：ABCluster - Stories (zhjun-sci.com) 图片：ABCluster - Gallery (zhjun-sci.com)）。其中的 rigidmol 是一个非常好用的模块，可以对有机分子非常快速的预测团簇结构（例如ABCluster - Stories (zhjun-sci.com) 中的Atmospheric Chemistry案例中的大部分都是用rigidmol做的）。
对于rigidmol，预测结构本身非常快，但是对于大分子，拓扑文件的构造非常麻烦，在过去的版本中需要手动指认原子类型等。虽然有时可以用CHARMMGen来自动生成参数和原子类型，但是CHARMMGen是在线程序，使用不便，而且一些分子常常预测失败，即使成功了，生成的文件也需要经过一些转换才能被ABCluster使用。

从ABCluster 3.1开始，程序自带的组件topgen的功能得到了极大的增强，已经可以自动产生任意有机分子的拓扑文件。结合Multiwfn方便的电荷拟合功能，可以直接用于ABCluster的全局优化。本文就结合一个例子来展示这些功能。

1 产生有机分子的结构

本文考虑的有机分子是下面这个“钳子”：
(, 下载次数 Times of downloads: 39)
首先使用GaussView或者任意软件画出这个分子，然后做几何优化，保存波函数文件。如果是Gaussian，可以利用如下输入文件：

%nprocs=24
%mem=20GB
%chk=pincer.chk
#b3lyp/6-31g(d) geom=connectivity

tile

0 1
[ coordinates ]

优化完后，将chk转化为fchk文件：
formchk pincer.chk pincer.fchk

再把.out文件中优化的稳定结构结构转化为pincer.xyz （见附件）。

至此，你已经有了pincer的结构和波函数信息。

2 产生有机分子的电荷

利用Multiwfn计算RESP电荷（详见RESP拟合静电势电荷的原理以及在Multiwfn中的计算 - 思想家公社的门口：量子化学·分子模拟·二次元 (sobereva.com)）。执行如下命令：
Multiwfn pincer.fchk
7
18
1
y

这样电荷就存储到了pincer.chg文件中。

注意，对于分子的定量/半定量模拟，RESP电荷或者某类其它电荷都可以尝试，但是类似Mulliken电荷或者EEQ这种绝对不能使用！
对于大分子的电荷拟合，建议读者引用静电势计算的算法文献：Phys. Chem. Chem. Phys. 2021, 23, 20323-20328 （详见Multiwfn使用的高效的静电势算法的介绍文章已于PCCP期刊发表！ - 思想家公社的门口：量子化学·分子模拟·二次元 (sobereva.com)）

3 产生有机分子的拓扑

利用ABCluster中的topgen可以一键生成拓扑：
topgen pincers.xyz

输出如下：
Analyze topology for the molecule from "pincer.xyz" ... done.

Exporting results to "pincer" +
.gjf:         GJF file with bonding information.
-cycles.txt:  Containing cycle texts that can be used for ABCluster:geom calculation.
-bonding.xyz: XYZ file with bonding information for ABCluster:geom calculation.
-rigid.xyz:   XYZ file with bonding information for ABCluster:rigidmol calculation.
.psf:         PSF file with topology informaition for ABCluster:geom/NAMD calculations.

In "pincer-rigid.xyz" and "pincer.psf":
"X" means unknown atomic type.
Total charge: 1.8360
-----------------------------------------------------------
| You can adjust charges to meet the target total charge, |
| or re-fit RESP charges using, e.g., Multiwfn.           |
-----------------------------------------------------------

Atoms are typed using graph representation learning. Please cite:
Zhang, J. Atom Typing Using Graph Representation Learning: How Do Models Learn Chemistry?
J. Chem. Phys. 2022, 156, 204108

输出包含5个文件：

topgen在产生-rigid.xyz和.psf文件时，需要猜测原子的类型。这个类型推断用图表示学习的算法完成，请引用：J. Chem. Phys. 2022, 156, 204108

对于科研级别的有机分子的自动类型推断，通常都需要人工再检查一遍，甚至重新参数化。无论是用topgen还是其它自动类型推导方法（如CGenFF或者GAFF）。在这里就直接用了。

现在，把Multiwfn计算的电荷放到pincer-rigid.xyz和pincer.psf中，也即，把pincer.chg的最后一列
O    -1.498911   -3.700847    1.522344  -0.1977931830

替换到pincer-rigid.xyz的下面第一列
par_all36_prot   q   epsilon (kJ/mol) sigma (AA)
-0.1977931830  0.4184   2.9400 # OG3C51

同时替换到pincer.psf的下面第七列
         1 U         1        PINC     O        OG3C51  -0.1977931830       15.9990           0

这样就完成了相关的拓扑文件。

4 全局优化实例

利用rigidmol对分子做全局优化的细节可以参考4. rigidmol: Rigid Molecular Clusters Using Force Fields — ABCluster 3.1 documentation (zhjun-sci.com).这里只罗列一下步骤。这里想考虑一个pincer和13个水的全局极小点。水就用tip4p.xyz，pincer就用pincers-rigid.xyz。

首先构造pincer-wat.cluster,团簇成分文件：
2
pincer-rigid.xyz 1
tip4p.xyz        13
* 20.0000

然后是pincer-wat.inp，优化文件：
pincer-wat.cluster  # cluster file name
100                 # population size
100                 # maximal generations
3                   # scout limit
10.0                # amplitude
pincer-wat          # save optimized configuration to .xyz and .gjf
30                  # number of LMs to be saved

这里，用一个100的种群迭代100步，最终存储30个isomer。现在可以运行：
rigimol pincer.inp > pincer.out

这样，在pincer-wat-LM下的0.xyz就是全局极小点，如下所示：

(, 下载次数 Times of downloads: 29)

可见，水分子分布在钳子之间，并且形成了一系列氢键网络。

顺便，你还可以预测“钳子”二聚体的结构，如下所示：

(, 下载次数 Times of downloads: 39)
所有相关的文件可以在附件pincers.zip中下载。



作者
Author: nicholas    时间: 2022-5-27 13:14
好物，点赞！
作者
Author: ArchieMiao    时间: 2022-5-29 17:45
非常好。 一个问题是geom可以预测单个柔性分子的构象，如果两个或者多个这样的分子放在一起，可以预测其结合模式吗？就是结合时让每一个分子的构象都自由变化
作者
Author: wilely    时间: 2024-11-10 09:37
ArchieMiao 发表于 2022-5-29 17:45
非常好。 一个问题是geom可以预测单个柔性分子的构象，如果两个或者多个这样的分子放在一起，可以预测其结 ...

本来就是有这个功能。



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