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[综合交流] 计算分子动力学轨迹中两个环平面间的距离和夹角

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发表于 Post on 2021-3-3 03:23:28 | 显示全部楼层 Show all |阅读模式 Reading model
计算分子动力学轨迹中两个环平面间的距离和夹角

文/Sobereva@北京科音  2021-Mar-3


1 前言

在《全面探究18碳环独特的分子间相互作用与pi-pi堆积特征》(http://sobereva.com/572)曾介绍了笔者做的关于18碳环弱相互作用的研究,其中跑了18碳环二聚体的从头算动力学。当时为了统计模拟过程中两个碳环的间距和相对角度随模拟时间的变化,笔者在Multiwfn里写过一个子程序来实现。今天有人在思想家公社QQ群里问怎么获得环平面间夹角随模拟时间的变化,我决定干脆把Multiwfn里的这个隐藏功能给大家简单介绍一下,顺便又增加了计算环平面与笛卡尔平面间夹角的功能,可能有人用得着。请读者使用2021-Mar-3及以后更新的Multiwfn,否则会与本文不符。Multiwfn可以在http://sobereva.com/multiwfn免费下载。

使用本文的功能需要用xyz轨迹文件作为输入,格式见《谈谈记录化学体系结构的xyz文件》(http://sobereva.com/477)。如果用ORCA或CP2K等程序跑动力学,直接就有了xyz轨迹;如果用GROMACS、AMBER等程序跑,可以用VMD载入后再保存为xyz轨迹。


2 计算两个环平面间夹角随时间的变化

这里就用18碳环二聚体在100 K下的动力学轨迹作为演示。此轨迹是我用ORCA跑的,方法参见《使用ORCA做从头算动力学(AIMD)的简单例子》(http://sobereva.com/576),一共4001帧,文件可以在这里下载:http://sobereva.com/attach/590/C18dimer.rar

启动Multiwfn,然后输入
C18dimer.xyz
1000 //隐藏的主功能
201 //隐藏的子功能
1  //获得片段间几何中心距离和夹角
4001  //轨迹总帧数
1-18  //第一个片段里的原子序号,即第一个18碳环
19-36  //第二个片段里的原子序号,即第二个18碳环

瞬间就算完了。在当前目录下出现了distangle.txt,每一列的内容是
第1列:帧号
第2列:两个片段的几何中心间的距离(埃)
第3列:第一个片段平面的法矢量与两个片段几何中心连线之间的夹角,姑且可以叫错位角,体现相对错位程度,示意图见下
第4列:两个片段的法矢量之间的夹角,即一般意义上的平面间夹角

1.png

将distangle.txt中的数据放到一起绘图,得到下图

2.png

注意程序给出的夹角的范围是[0,90]。Multiwfn是通过最小二乘法来得到与指定的片段结构尽可能吻合的平面,然后再利用其法矢量算夹角。这比起一些程序通过三个原子来定义平面合理多了,尤其是诸如18碳环这种环的柔性较高、在实际模拟过程中往往显著偏离平面的体系。


3 计算环平面与笛卡尔平面的夹角随时间的变化

例如有个轨迹文件叫Mio_Akiyama.xyz,想考察其中1,4-9,15,18这些原子构成的片段与XY、YZ、XZ平面的夹角随时间的变化,就在启动Multiwfn后输入
Mio_Akiyama.xyz
1000 //隐藏的主功能
201 //隐藏的子功能
2  //获得片段与笛卡尔平面间的夹角
4001  //轨迹总帧数
1,4-9,15,18  //片段里的原子序号
然后在当前目录下出现了angle.txt。第一列是帧号,第2、3、4列分别是这个片段拟合出的平面与XY、YZ、XZ平面间的夹角,范围是[0,90]。

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bowlfish2021 + 1 谢谢
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发表于 Post on 2021-3-3 10:16:39 | 显示全部楼层 Show all
本帖最后由 lyj714 于 2021-3-3 10:42 编辑

我有个小问题请教一下,此程序给出的【0, PI/2】范围角度是如何得出的(或者说如何矫正的),因为本人以前写过的小程序算出来的2810帧后面的一部分平面间夹角得到的与您程序给的有大的出入。如下图:

结果比对

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2021-3-4 00:38:59 | 显示全部楼层 Show all
lyj714 发表于 2021-3-3 10:16
我有个小问题请教一下,此程序给出的【0, PI/2】范围角度是如何得出的(或者说如何矫正的),因为本人以前 ...

发现超过90度就用180度减去它
北京科音自然科学研究中心http://www.keinsci.com)致力于计算化学的发展和传播,长期开办最高质量的各种计算化学类培训:初级量子化学培训班基础(中级)量子化学培训班分子动力学与GROMACS培训班量子化学波函数分析与Multiwfn程序培训班,内容介绍以及往届资料购买请点击链接查看。这些培训是计算化学从零快速入门以及进一步全面系统性提升研究水平的最佳途径。培训各种常见问题见《北京科音办的培训班FAQ》
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发表于 Post on 2021-3-4 08:34:41 | 显示全部楼层 Show all
sobereva 发表于 2021-3-4 00:38
发现超过90度就用180度减去它

好的,谢谢。

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发表于 Post on 2022-1-14 17:34:54 | 显示全部楼层 Show all
本帖最后由 登登 于 2022-1-14 17:44 编辑

希望Multiwfn能提取更多xyz轨迹的信息,比如生成小分子量,反应元素溯源,反应路劲分析,,,虽然VMD和ovito可以做,但是都要编程,ADF可以做但是只能针对reaxff。从头算动力学出来的轨迹还没有一个好的软件可以分析。Discovering chemistry with an ab initio nanoreactor | Nature Chemistry

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-1-14 18:07:12 | 显示全部楼层 Show all
登登 发表于 2022-1-14 17:34
希望Multiwfn能提取更多xyz轨迹的信息,比如生成小分子量,反应元素溯源,反应路劲分析,,,虽然VMD和ovit ...

这个不属于Multiwfn的范畴
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发表于 Post on 2022-3-3 08:49:18 | 显示全部楼层 Show all
老师,您好,我没有进行动力学模拟,想按照上述方式搭建界面的复合物中A和B两个分子间的距离和角度,应该如何进行操作?因为没有进行动力学模拟,所以输入帧数那列不知道应该选择什么,所以想向老师请教应该如何进行?

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-3-3 15:38:13 | 显示全部楼层 Show all
xxzj 发表于 2022-3-3 08:49
老师,您好,我没有进行动力学模拟,想按照上述方式搭建界面的复合物中A和B两个分子间的距离和角度,应该如 ...

操作方法相同,帧数输入1就完了
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本帖最后由 xxzj 于 2022-11-24 11:08 编辑
sobereva 发表于 2022-3-3 15:38
操作方法相同,帧数输入1就完了

老师,您好,想请问我看了文献中的这张图,所对应的两个角度和距离是否就是您上面文章中所描述的错位角和平面间夹角及中心距离呢?辛苦老师~ 202211241043087308..png

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-11-25 01:54:08 | 显示全部楼层 Show all
xxzj 发表于 2022-11-24 10:42
老师,您好,想请问我看了文献中的这张图,所对应的两个角度和距离是否就是您上面文章中所描述的错位角和 ...

平面间夹角是ψ,中心距离是d
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发表于 Post on 2022-12-3 19:07:02 | 显示全部楼层 Show all
sobereva 发表于 2022-11-25 01:54
平面间夹角是ψ,中心距离是d

谢谢老师,请问还有一个参数θ能否通过Multiwfn求得呢,是否有相关的帖子?辛苦老师啦

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-12-4 01:09:57 | 显示全部楼层 Show all
xxzj 发表于 2022-12-3 19:07
谢谢老师,请问还有一个参数θ能否通过Multiwfn求得呢,是否有相关的帖子?辛苦老师啦

没什么必要算那个
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发表于 Post on 2023-1-7 21:39:04 | 显示全部楼层 Show all
sobereva 发表于 2022-12-4 01:09
没什么必要算那个

老师,如果判断两个分子对是face-on堆积还是edge-on堆积,让d<5埃,ψ<45度为face-on这样定义可行吗?

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xxzj 发表于 2023-1-7 21:39
老师,如果判断两个分子对是face-on堆积还是edge-on堆积,让d

标准跟具体体系有关
根据可视化程序里显示的实际结构,结合直觉定义判据。或者若有靠谱的文献里有讨论你研究的体系的几何特征,用别人定义的标准也可以
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