使用Multiwfn结合VMD分析和绘制分子表面静电势分布

使用Multiwfn结合VMD分析和绘制分子

表面静电势分布

文/Sobereva 2013-Jul-28

1 前言

分子表面静电势图经常在文献中出现，不同表面区域静电势大小通过不同颜色展现，使分子表面上静电势的分布一目了然。分子表面一般都用Bader定义的范德华表面，即电子密度为0.001 e/Bohr^3的等值面。只要提供所需的输入数据，这种图在许多程序中都可以作，例如Molekel。特别是在常用的Gaussview里作这种图比较简单快捷。本文介绍的通过Multiwfn的定量分子表面分析功能结合VMD和photoshop作分子表面静电势图既不比使用Gaussview快，步骤也比它复杂，但是优点十分显著，就是可以在分子表面上显示出静电势极值点位置，可以十分灵活地调节显示效果，而且还可以通过相同的方法绘制出分子表面

上静电势以外的实空间函数的分布，比如平均局部离子化能、局部电子亲和能、Fukui函数等等。另外还可以顺带着获得许多其它信息，比如原核与分子表面的距离，实空间函数在分子表面上分布的统计数据等等。总之，对于初学者、纯粹图省事者建议用Gaussview，本文是给那些想研究得更深入并且稍有动手能力的研究者读的。只要了解每一步操作的意义，就会觉得其实根本不复杂，而且思想上获得极大的解放。

本文所用Multiwfn版本为3.2(dev)（即3.2的开发版），可在http://multiwfn.codeplex.com上下载。VMD为1.9版，可在http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/上免费下载。Photoshop为CS2版。本文将以一个简单体系呋喃为例进行说明，波函数文件在B3LYP/6-31G**下由Gaussian产生。虽然本文主要是介绍作图方法，但也会顺带着说一下定量分子表面分析的一些功能。

2 在Multiwfn中计算、统计、导出数据

启动Multiwfn后依次输入 furan.wfn

12 //定量分子表面分析 0 //开始计算

默认就是在电子密度为0.001的表面上计算静电势，并且格点间距为0.25Bohr。格点间距可以通过选项3来设定，格点间距越小，分子表面就会用越多的顶点来描述，定量统计值、极值点位置也会越精确，之后作出的分子表面填色图的色彩过渡也越光滑，但是计算耗时将越长。如果你的目的仅仅是绘制分子表面静电势图，可以忽略以下内容而直接跳到本节最后一段。

计算完毕后会看到分子表面上静电势极大、极小点的坐标和数值，并且输出大量统计数据，比如分子表面上静电势的最大/最小值、

平均值、方差、电荷平衡度、表面积等等，它们对于了解分子特征、建立QSPR/QSAR方程预测分子理化性质和生物活性等问题都十分有用，见Multiwfn手册3.15.1节以及IJQC,85,676、JPCA,110,1005等文章的介绍。

此时会看到后处理菜单。点击0进入图形界面，并且将Ratio of atomic size设为4.0就可以清楚看到分子表面上静电势极大点（红点）和极小点（蓝点）的位置。如果点击Minimal/Maximum label，就会显示出极值点的编号，可以和命令行窗口显示的极值点信息相对照，得知极值点上的具体数值。点击右上角Return可以关闭图形窗口。

此例中各个极值点静电势数值如下（由于格点精度有限，所以等价的极值点的数值不完全一致，这里取了平均） 极小点1（最小点）：-20.60 kcal/mol 体现氧的孤对电子对静电势的负贡献

极小点2、3：-15.23kcal/mol 在两个beta碳（邻位碳）正上方，体现pi电子对静电势的负贡献 极大点1、4（最大点）：18.41kcal/mol 体现alpha位的氢原子所带的正电 极大点5、6：15.21kcal/mol 体现beta位的氢原子所带的正电

在J. Phys. Org. Chem. 2013, 26, 473-483一文中，马兜铃酸的分子表面静电势图也是通过类似方法绘制的，比此文的例子更复杂，在这里一起贴出

这是马兜铃酸的静电势定量分布图，显然没有呋喃分布得均匀。正值区域、静电势接近0的区域占大部分分子表面，但是也有不小面积静电势非常负，这主要是羧基和氨基的氧的明显负电荷导致的。

5 总结

本文介绍的绘制分子表面静电势图的步骤

比较琐碎，需要很多手动操作，但这也是好处，使得我们可以很精细、随意地调节显示方式，而不受制于可视化程序所支持的选项。本文介绍的只是一般过程，建议大家多摸索以使显示效果更好。利用本文相同的步骤，可以绘制各种各样的实空间函数在分子表面的分布。例如绘制平均局部离子化能的图，只要在Multiwfn的定量分子表面分析功能当中选选项2，然后再选2 Average local ionization energy，之后再选0启动分子表面分析，随后的步骤和前文都一样。Fukui函数、双描述符之类实空间函数并没有出现在选项2给出的列表里，但是依然可以通过定量分子表面分析功能对它们在分子表面上的分布进行分析，并且随后结合VMD绘制成填色图，只不过操作过程稍微特殊一些，见3.2(dev)版手册4.12.4节。

如果对分子表面分析有更多兴趣，可以参看《使用Multiwfn的定量分子表面分析功能预测反应位点、分析分子间相互作用》

（http://hi.http://m.wodefanwen.com//sobereva/item/6601fff28c4fd9d643c36acc）。

6 其它：分析范德华表面穿透程度

将Multiwfn和VMD相结合，充分开动脑筋，还可以做很多有趣、有用的分析。例如，对水的二聚体中两个水分别做定量分子表面分析，将得到的两套表面顶点都放到VMD里同时显示出来，就可以看到如下图像

从图中可以看到两个水的范德华表面在形

成二聚体后相互有明显穿透，并且是静电势明显为正（红色）区域与静电势明显为负（蓝色）区域相互穿透，这表明水二聚体间的氢键作用本质主要是由于静电吸引所导致的。

我们将视图放大，并且不让左边的水显示出来（因为它遮挡了表面顶点），然后找出两个位置比较能反映穿透程度的表面顶点，按2键，然后分别点击这两个点，这两个表面顶点间的距离就出现在图上了，如下图所示，其距离是1.12埃。这表明形成二聚体后，范德华表面总共被穿透了2*1.12埃，这叫做mutual penetration距离，其值越大通常说明弱相互作用越强。

注：Mutual penetration距离其实有不同具体计算方法，最简单粗糙的是直接拿两个原子的范德华半径和减去原子间距。而本文这种计算方法无疑是最准确的，因为精确反映了范德华表面的实际形状.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sds7.html