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[Multiwfn资源与经验] 使用Multiwfn和VMD绘制平均局部离子化能(ALIE)着色的分子表面图(含视频演示)

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发表于 Post on 2019-9-18 00:03:18 | 显示全部楼层 Show all |阅读模式 Reading model
使用Multiwfn和VMD绘制平均局部离子化能(ALIE)着色的分子表面图(含视频演示)

文/Sobereva@北京科音
First release: 2019-Sep-17  Last update: 2020-Oct-10

平均局部离子化能(ALIE)是一个对于考察分子亲电反应位点、活性非常有用的量,在《静电势与平均局部离子化能综述合集》(http://bbs.keinsci.com/thread-219-1-1.html)我给出了很多综述、介绍性文章以及笔者写过的相关博文,不熟悉ALIE者强烈建议阅读。Multiwfn是考察ALIE最方便、灵活、强大的程序。通常分析ALIE时都是考察它在分子表面的分布。之前笔者有个文章《使用Multiwfn+VMD快速地绘制静电势着色的分子范德华表面图和分子间穿透图》(http://sobereva.com/443)介绍了如何将Multiwfn与VMD程序联用非常方便、快速地绘制高质量的静电势着色的分子范德华表面图。由于后来又有不少人问我怎么类似地也绘制ALIE着色的分子表面图,因此这里笔者就专门说一下。本文对应于Windows环境,若想在Linux下实现同样绘制效果,请读者灵活变通。

本文的过程配有全程演示视频,强烈建议一看:https://www.bilibili.com/video/av68116168/

首先大家去http://sobereva.com/multiwfn下载Multiwfn程序,必须是2019-Sep-17及之后更新的版本,之前的版本没有下面提到的脚本。如果还没装VMD,去http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/下载。本文用的是VMD 1.9.3。

之后进行以下操作:
·将examples\scripts里的ALIE.vmd复制到VMD目录下
·将examples\scripts里的ALIE_isoext.bat和ALIE_isoext.txt复制到Multiwfn.exe所在目录下
·编辑ALIE_isoext.bat批处理文件,将里面的文件路径改成实际要考察的,把VMD路径也改成实际的。输入文件可以用.wfn、.fch、.molden等
·双击ALIE_isoext.bat,Multiwfn将被自动调用进行计算,算完后会在VMD目录下产生avglocion.cub、density.cub、surfanalysis.pdb
·启动VMD,在命令行窗口输入source ALIE.vmd,就可以得到想要的图像了

下图是绘制出来的菲的ALIE着色的分子表面图像。
1.png

图中的表面对应的是电子密度为0.0005 a.u.的等值面。之所以不是常用的0.001 a.u.等值面(通常被用来作为分子范德华表面的定义),是因为此时ALIE着色效果不好,不容易通过颜色区分不同区域ALIE分布差异。上图中青色圆球是分子表面上ALIE的极小点,体现电子被束缚得极弱的位置,也因此体现出容易发生亲电反应的位点。ALIE是按照蓝-白-红的色彩过渡方式着色的,因此上图中蓝色区域都是ALIE比较小的区域,电子比较容易参与反应。

为了效果更好,可以用Tachyon渲染器渲染,在视频里已经演示了。

若你研究的体系不容易通过色彩区分ALIE在不同区域的相对大小,或者整个分子表面颜色全都是红色或蓝色,说明当前用的ALIE的色彩刻度范围不合适,可以在VMD命令行窗口输入诸如mol scaleminmax 0 1 0.31 0.37,这里0.31和0.37分别是色彩刻度下限和上限(亦可以在VMD的图形界面里修改,做法是进入Graphics - Representations,在窗口上方选择当前是Isosurface的那项,点击Trajectory标签页,在文本框里输入色彩刻度的下限和上限之后按回车)。色彩刻度范围怎么设合适和具体体系有关,可以反复试试。如果心里没谱的话,可以先把下限和上限分别设成当前分子表面上的ALIE实际的最小值和最大值,以让色彩变化能完整表现分子表面上的ALIE分布。这两个值在Multiwfn计算过程的输出信息里就可以看到(将ALIE_isoext.bat第一行末尾加上[空格]> out.txt,脚本调用Multiwfn期间输出的信息就会导出到当前目录下的out.txt,其中搜Minimal value:和Maximal value:),然后手动将这两个值除以27.2114换算为以Hartree为单位的值,作为色彩刻度下限和上限即可。

对于平面体系,如果想准确考察ALIE极值点与原子或者键的相对位置,最好改成正交视角,即选择Display - Orthographic,否则会由于近大远小的缘故可能导致误判位置。以正交视角显示时的菲分子的图像如下,位于蓝色区域的原子或键容易参与亲电反应。
2.png



值得一提的是,笔者在《一篇最全面、系统的研究新颖独特的18碳环的理论文章》(http://sobereva.com/524)介绍的论文中使用本文的方法考察了电子结构非常特殊的18碳环体系,得到的图像很漂亮(如下所示),体现出的信息又非常有价值,很建议读者看看此文中关于反应性的相关讨论。

C18.jpg


如果想像上图一样把色彩刻度轴画出来,按照《使用Multiwfn+VMD快速地绘制静电势着色的分子范德华表面图和分子间穿透图(含视频演示)》(http://sobereva.com/443)里面介绍的做法就可以实现。如果你想查询分子表面ALIE极值点具体的值,也效仿此文里面说的做法。

关于局部电子亲合能

局部电子亲合能(local electron affinity, LEA)在定义上与平均局部离子化能很像,但它衡量的是局部位置获得电子的能力。LEA也可以通过Multiwfn+VMD非常容易地通过类似于上文的步骤绘制出来,可以用于预测亲核位点、考察不同区域获得电子的能力以及不同位点的亲电性。绘制过程和相关介绍见最新版手册Multiwfn手册4.12.13节。必须使用2020-Feb-21及之后更新的Multiwfn版本。

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2020-2-21 01:10:09 | 显示全部楼层 Show all
今日更新了Multiwfn,加入了绘制局部电子亲合能的脚本,看本文末尾新添加的说明
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发表于 Post on 2020-11-18 10:08:56 | 显示全部楼层 Show all
老师好,在绘制平均局部离子化能(ALIE)着色的分子表面图时按照视频做法双击脚本文件后仅在VMD目录下产生了density.cub文件而没有出现另外两个avglocion.cub和surfanalysis.pdb,脚本中这两处的路径也是更改过的,请问是怎么回事呢

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2020-11-19 05:27:29 | 显示全部楼层 Show all
puzzle_07 发表于 2020-11-18 10:08
老师好,在绘制平均局部离子化能(ALIE)着色的分子表面图时按照视频做法双击脚本文件后仅在VMD目录下产生了d ...

把批处理文件干的事手动操作一遍,仔细看屏幕上的提示便知是哪里出了问题
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发表于 Post on 2022-11-8 19:58:44 | 显示全部楼层 Show all
请问关于ALIE这条审稿意见要怎么回复?“Fig. 1 caption, "the minimum point of ALIE" is not consistent with the multiple blue balls of ALIE described in your manuscript. It needs to be reconsidered.”我感觉审稿人是觉得有些极小点没有出现在蓝色位置,甚至有些在红色的区域,表面看起来没那么小。这涉及到这个等值面的计算细节?麻烦老师们给看看,谢谢了。
54ec4b7c0d5129763730e821f917671.jpg

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-11-9 12:25:38 | 显示全部楼层 Show all
WOOOOWOOOO 发表于 2022-11-8 19:58
请问关于ALIE这条审稿意见要怎么回复?“Fig. 1 caption, "the minimum point of ALIE" is not consistent  ...

没有任何矛盾之处
极小点是相对于周围区域都更负的点。如同势能面上的局部极小点。没任何理由表面极小点非得是在表面上最负的地方出现
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发表于 Post on 2022-11-9 15:38:06 | 显示全部楼层 Show all
sobereva 发表于 2022-11-9 12:25
没有任何矛盾之处
极小点是相对于周围区域都更负的点。如同势能面上的局部极小点。没任何理由表面极小点 ...

谢谢老师,老师牛逼

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