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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”：
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：
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：
- pincer.gjf: Gaussian输入文件，可以用于查看生成的键连情况。
- pincer-cycles.txt：分子成环情况。比如“1 21 26 27 28 29 30 31 33 ”就是由这几个原子生成的九元环。
- pincer-bonding.xyz：带有成键信息的xyz，用于ABCluster中geom的全局优化、构象搜索。详见7.1. Flexibility — ABCluster 3.1 documentation (zhjun-sci.com)
- pincer-rigid.xyz：带有参数信息的XYZ，用于ABCluster中rigidmol的全局优化。见下。
- pincer.psf：拓扑信息。可以用于NAMD或者CHARMM的分子动力学模拟。
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：
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：
所有相关的文件可以在附件pincers.zip中下载。
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发表于 Post on 2022-5-27 11:28:25
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