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1、使用使用 Multiwfn 结合结合 VMD 分析和绘制分子分析和绘制分子 表面静电势分布表面静电势分布 文文/Sobereva 2013-Jul-281 前言前言分子表面静电势图经常在文献中出现，不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，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。分使分子表面上静电势的分布一目了然。分 子表面一般都用子表面一般都用 Bader 定义的范德华表面，定义的范德华表面， 即电子密度为即电子密度为 0.001 e/Bohr3 的等值面。的等值面。 只要提供所需的输入数据，这种图在许多只要提供所需的输入
2、数据，这种图在许多 程序中都可以作，例如程序中都可以作，例如 Molekel。特别是。特别是 在常用的在常用的 Gaussview 里作这种图比较简单里作这种图比较简单 快捷。本文介绍的通过快捷。本文介绍的通过 Multiwfn 的定量的定量 分子表面分析功能结合分子表面分析功能结合 VMD 和和 photoshop 作分子表面静电势图既不比使作分子表面静电势图既不比使 用用 Gaussview 快，步骤也比它复杂，但是快，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，可以十分灵活地示出静电势极值点位置，可以十分灵活地 调
3、节显示效果，而且还可以通过相同的方调节显示效果，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、局函数的分布，比如平均局部离子化能、局 部电子亲和能、部电子亲和能、Fukui 函数等等。另外还函数等等。另外还 可以顺带着获得许多其它信息，比如原核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学者、纯粹图省事者建议用 Gaussview， 本文是给那些想
4、研究得更深入并且稍有动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。且思想上获得极大的解放。本文所用本文所用 Multiwfn 版本为版本为 3.2(dev)（即（即 3.2 的开发版），可在的开发版），可在 http:/ 上下载。上下载。 VMD 为为 1.9 版，可在版，可在 http:/www.ks.uiuc.edu/Research/v md/上免费下载。上免费下载。Photoshop 为为 CS2 版。版。 本文将以一个简
5、单体系呋喃为例进行说明，本文将以一个简单体系呋喃为例进行说明， 波函数文件在波函数文件在 B3LYP/6-31G*下由下由 Gaussian 产生。虽然本文主要是介绍作图产生。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方法，但也会顺带着说一下定量分子表面分析的一些功能。分析的一些功能。2 在在 Multiwfn 中计算、统计、导出数据中计算、统计、导出数据启动启动 Multiwfn 后依次输入后依次输入 furan.wfn 12 /定量分子表面分析定量分子表面分析 0 /开始计算开始计算默认就是在电子密度为默认就是在电子密度为 0.001 的表面上计的表面上计 算静电势，并且
6、格点间距为算静电势，并且格点间距为 0.25Bohr。格。格 点间距可以通过选项点间距可以通过选项 3 来设定，格点间距来设定，格点间距 越小，分子表面就会用越多的顶点来描述，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。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
7、表面上静电势极大、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数据，比如分子表面上静电势的最大/最小最小 值、平均值、方差、电荷平衡度、表面积值、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方程预测分子理化性质和生 物活性等问题都十分有用，见物活性等问题都十分有用，见 Multiwfn 手册手册 3.15.1 节以及节以及 IJQC,85,676、JPCA,110,1005 等文章等文章 的介绍。
8、的介绍。此时会看到后处理菜单。点击此时会看到后处理菜单。点击 0 进入图形进入图形 界面，并且将界面，并且将 Ratio of atomic size 设为设为 4.0 就可以清楚看到分子表面上静电势极大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。如点（红点）和极小点（蓝点）的位置。如 果点击果点击 Minimal/Maximum label，就会，就会 显示出极值点的编号，可以和命令行窗口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。点击右上角的具体数值。点击右上角 Return 可以关可
9、以关 闭图形窗口。闭图形窗口。此例中各个极值点静电势数值如下（由于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）不完全一致，这里取了平均） 极小点极小点 1（最小点）：（最小点）：-20.60 kcal/mol 体现氧的孤对电子对静电势的负贡献体现氧的孤对电子对静电势的负贡献 极小点极小点 2、3：-15.23kcal/mol 在两个在两个 beta 碳（邻位碳）正上方，体现碳（邻位碳）正上方，体现 pi 电子电子 对静电势的负贡献对静电势的负贡献 极大点极大点 1、4（最大点）：（最大点）：18.41
10、kcal/mol体现体现 alpha 位的氢原子所带的正电位的氢原子所带的正电 极大点极大点 5、6：15.21kcal/mol 体现体现 beta 位的氢原子所带的正电位的氢原子所带的正电极大点极大点 2、3：-9.63kcal/mol 虽然是极虽然是极 大点，但是静电势数值为负，所以化学意大点，但是静电势数值为负，所以化学意 义不大，可无视之义不大，可无视之我们可以查看一下不同静电势区间内分子我们可以查看一下不同静电势区间内分子 表面积，这对于了解分子表面静电势的定表面积，这对于了解分子表面静电势的定 量分布很有益。做法是依次输入量分布很有益。做法是依次输入 9 -25,22 /统计范围。
11、当前体系分子表面统计范围。当前体系分子表面 静电势范围为静电势范围为-20.6018.41kcal/mol， 这里将范围稍微扩大并取整数来定义范围这里将范围稍微扩大并取整数来定义范围 15 /将将-2522kcal/mol 均匀分为均匀分为 15 个区间获得表面积个区间获得表面积 3 /输入的单位为输入的单位为 kcal/mol 立刻屏幕上就输出了不同静电势区间内的立刻屏幕上就输出了不同静电势区间内的 表面积，我们将表面积，我们将 Center 这一列和这一列和 Area 这这 一列的数据分别从屏幕上拷下来（不会拷一列的数据分别从屏幕上拷下来（不会拷 的读者见手册的读者见手册 5.4 节），并
12、粘贴到诸如节），并粘贴到诸如 origin 等作图工具里并作成条形图，就可等作图工具里并作成条形图，就可 以得到诸如以下图像以得到诸如以下图像静电势的定量分布在这张图上一目了然。静电势的定量分布在这张图上一目了然。 此分子不同静电势区间内的表面积分布还此分子不同静电势区间内的表面积分布还 是相对比较均匀的。是相对比较均匀的。如果选择选项如果选择选项 11，则程序会输出每个原子，则程序会输出每个原子 附近的分子表面上的静电势统计数据，对附近的分子表面上的静电势统计数据，对 于了解原子在此分子中的特征很有用。例于了解原子在此分子中的特征很有用。例 如静电势平均值如静电势平均值 Atom# All/
13、Positive/Negative average1 -10.08997 NaN -10.089972 -12.59141 NaN -12.591413 -12.64250 NaN -12.642504 -10.04843 NaN -10.048435 -13.54925 NaN -13.549256 6.87357 9.80155 -3.134757 4.84667 8.19922 -4.569948 4.84069 8.21673 -4.505359 6.88875 9.78376 -3.16678 氧原子（氧原子（5 号）附近的分子表面静电势平号）附近的分子表面静电势平 均值最负（均值最
14、负（-13.55kcal/mol），这也容易），这也容易 理解，毕竟其孤对电子对静电势有很大的理解，毕竟其孤对电子对静电势有很大的 负贡献。由于其附近分子表面上没有正值负贡献。由于其附近分子表面上没有正值 区域，所以正值区域的静电势平均值显示区域，所以正值区域的静电势平均值显示 的是的是 NaN。呋喃中碳原子裸露在分子表面。呋喃中碳原子裸露在分子表面 上的区域主要就是体现上的区域主要就是体现 pi 电子特征的区域，电子特征的区域， 由于由于 pi 电子云使这部分区域静电势为负，电子云使这部分区域静电势为负， 所以碳原子附近静电势平均值也都为明显所以碳原子附近静电势平均值也都为明显 负值，并且无
15、正值区域。同时从静电势平负值，并且无正值区域。同时从静电势平 均值上也体现出均值上也体现出 beta 碳（碳（2、3 号）比号）比 alpha 碳（碳（1、4 号）的号）的 pi 电子云更富集电子云更富集 因而静电势更负。这种讨论分子表面上对因而静电势更负。这种讨论分子表面上对应不同原子区域的定量数据的方法和分子应不同原子区域的定量数据的方法和分子 表面极值点分析往往会得到共通的结论，表面极值点分析往往会得到共通的结论， 但此方法可以得到更多的信息，比如但此方法可以得到更多的信息，比如 alpha 碳上没有出现极值点（因此对它没碳上没有出现极值点（因此对它没 有任何描述），而通过分析它对应的分
16、子有任何描述），而通过分析它对应的分子 表面上的局部区域的静电势平均值等数据表面上的局部区域的静电势平均值等数据 就可以定量考察它的特征。这种分析方法就可以定量考察它的特征。这种分析方法 是笔者独创的，也仅有是笔者独创的，也仅有 Multiwfn 支持。支持。 另外，通过选项另外，通过选项 12 还可以查看分子表面上还可以查看分子表面上 对应于指定分子片段区域的定量性质。对应于指定分子片段区域的定量性质。 选过选项选过选项 9 之后会问你是否输出之后会问你是否输出 locsurf.pdb 文件，通过此文件可以利用文件，通过此文件可以利用 VMD 查看不同原子对应的分子表面区域。查看不同原子对应的分子表面区域。 由于这不是本文的重点，所以输入由于这不是本文的重点，所以输入 n 不让不让 程序输出。程
