研究结构-能量之间的关系

介绍

随着分子中的原子数目的增加，该分子的势能面会变得愈加复杂。尽管现代的几何优化算法有足够稳定，能够搜索低能量的构象，但仍然不一定能搜索到结构的全局能量最小值。例如，虽然一个链的最低能量构象可知，但将这个链连接到一个环时，需要找到该链相对于环的最低能量构象。Conformers是一种可系统地、或随机地或在温度跳跃情况下，改变一系列定义的扭矩，同时保持分子其余部分不变的工具。例如对于上例，可设置一个链为全反式结构，同时改变其与环相连接的扭矩。

通过系统地搜索特定扭转角，可利用Conformers模块建立扭转角与转动能垒的关系图，进一步可以预测分子的偶极矩等性质。因此，Conformers提供了一系列可系统地研究构象对关键性质的影响的功能。

在这个简单的例子中，将针对环上具有不同取代基的液晶分子5CB，研究在改变其结构中联苯部分的环间扭矩时能垒的变化。也将使用分析工具来研究偶极矩与构象、能量之间的关系。

本教程包括如下部分：

开始

对5CB进行系统的构象分析

原子取代环上原子并研究对能垒的影响

分析构象对偶极矩的影响

注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将项目中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。

1、开始

首先启动Materials Studio并创建一个新项目。

打开New Project对话框，输入5CB作为项目名，单击OK按钮。

新项目将以5CB为项目名显示于Project Explorer中。

首先需要导入预先定义好的结构，即液晶分子5CB。在工具栏上单击Import按钮

导航至Examples\Documents\3D Model文件夹，双击5CB.xsd文件。

2、对5CB进行系统的构象分析

导入分子结构之后，需要定义想要改变的扭矩。可以通过给分子添加扭矩或使用Conformers工具中的扭转Torsions功能进行定义。此处将先使用Torsions功能。

在Modules工具条中单击Conformers按钮

从下拉菜单中选择Calculation。打开Conformers Calculation对话框。

单击Torsions...按钮，打开Conformers Torsions对话框。

将显示分子中所有可旋转的扭矩。可以选择包含环中的键、双键、和以氢原子为终端的化学键。

移动打开的对话框，从而查看5CB结构。单击Find按钮。

Conformers Torsions对话框示出所有可转动的扭矩。

可以通过勾选Use复选框，选择想要旋转的扭矩。利用Absolute列可选择扭转角的绝对值或相对值。还可以编辑最小和最大扭转角、步数，以及是否对角度进行约束。

单击扭矩左边的行标题单元格，选中一整行。

当单击此单元格，将选中分子中的扭矩。在该计算任务中，需要改变当前值为-42.88的两个苯环之间的扭矩。

单击最顶行的行标题单元格。滚动到底部，按住SHIFT键，然后单击最底行的行标题单元格。将选中所有扭矩。取消勾选任意扭矩的Use复选框；将取消勾选所有的复选框。

单击C-C-C-C(1)的行标题单元格，勾选Use复选框。

注意：如果想要研究环的构象，需要使用环闭合Ring Closures工具断开一个化学键。

由于需要进行系统性搜索，构象的数目将取决于定义的步数。

将# Steps值更改为36。

则间隔Interval变为10，这说明每隔10°进行一次能量计算。在ConformersCalculation对话框中，估计构型Estimated Conformers更新为36。

关闭Conformers Torsions对话框。

由于这是经典模拟计算，需要选择模拟中所需的力场和电荷。

在Conformers Calculation对话框中，选择Energy选项卡。

对于此模拟，将使用Universal力场。Universal力场中没有定义电荷，所以应使用QEq计算电荷。

将Charges选项设置为Charge using QEq。

在从服务器返回构象之前，也可以使用筛选功能删除构象。

选择Filters选项卡。

Conformers可通过能量差值、坐标或扭转的均方根差值和径向分布函数进行筛选。如果对上千种构象进行采样，且希望消除类似的构象，从而产生相异的构象集合时，筛选功能是非常有效的。

由于正在运行仅有较少数量构象的快速计算，可以不用进行构象筛选。

单击Run按钮，关闭对话框。

当计算完成后，会出现Job Completed对话框。在Project Explorer中会打开一个名为5CB Conformers Calculation的文件夹，其中包含计算结果文件。

提示：可以输出表格文件或轨迹文件，或者同时输出这两个文件。如果产生上千种构象，应使用轨迹文件。

返回的部分文件如下：

5CB.xsd：输入结构，从计算结果中更新

5CB - Calculation：保存的计算参数设置

5CB Energies.xcd：实时更新的构象能量

5CB reference.xsd：包括集合、原子和扭转的结构，可用于扩展搜索

5CB RMS Deviation.xcd：笛卡尔坐标的均方根偏差图

5CB.std：包含计算结果的数据表

5CB.txt和Status.txt：包含计算信息的文本文件。

初始分析主要针对数据表。

使得5CB.std为当前文档。选择B和C列，单击Quick Plot按钮

将绘制一个曲线图，两个主峰代表较大的旋转势垒，山谷位置中存在两个能量最小值。

在5CB Scatter plot.xcd图表文件中，选择高能量峰位周围的几个点。打开5CB.std文件。

高能量构象将在数据表中突出显示。可以将这些构象提取到收集文件中叠加显示。

在A列中任意一个单元格处单击右键，在弹出的快捷菜单中选择Extract To Collection。

在新的收集文件Extracted From 5CB.xod中，可以看到高能量构象具有高位阻。

当查看图表时，也可看到势能面经过一个较小的最大值。

在图表文件5CB Scatter plot.xcd中，选择一个较小最大值周围的一些点。在5CB.std数据表中，将这些结构提取到新的收集文件，名为Extracted From 5CB(2).xod。

在第二高能量值附近的结构中，环彼此垂直。说明环倾向于稍微离面，但不完全翻转。

3、用氟原子取代环上原子并研究对能垒的影响

将联苯环体系上的若干氢原子替换为卤素原子，研究其对旋转能垒的影响。

导入5CBF.xsd和5CB2F.xsd结构文件。

5CBF.xsd为在5CB中一个苯环添加氟原子的结构，5CB2F为两个苯环中都包含氟原子的结构。首先对5CBF.xsd结构进行计算。

使得5CBF.xsd为当前文档。

在之前的操作中，使用Torsions工具搜索所有可旋转扭矩，如果是使用Boltzmann跳跃或随机抽样对许多扭矩进行采样，该方法将非常有效。然而，如果只旋转一个扭矩，可以使用几何构型监测对其定义。

在Sketch工具条上单击Measure/Change的下拉箭头

在下拉菜单中选择Torsion。单击连接两个苯环的化学键。

即在结构中添加了一个扭矩监测。现在可以从Conformers Calculation对话框中的Torsions功能将其选中。

打开Conformers Calculation对话框，在Search选项卡中单击Torsions...按钮。

应已勾选了Use复选框，应该增加步数来运行计算。

将# Steps更改为36。关闭Conformers Torsions对话框，单击Run按钮。

当计算完成时，单击Job Completed对话框中的OK按钮。在5CBF.std数据表文件中，绘制扭转角Torsion angle（B列）与总能量Total energy（C列）关系图。

由于增加了空间相互作用，氟原子的添加使旋转能垒增加了两倍。

对5CB2F.xsd结构重复上述计算，绘制Torsion angle与Total Energy的关系图。

第二个氟原子的添加，使得旋转能垒进一步增加了约10倍。

4、分析构象对偶极矩的影响

可以使用Conformers分析工具进行聚类并计算各种性质。在本教程中，将计算5CB2F的偶极矩变化，并绘制其与能量的关系图。

使得5CB2F.std文件为当前文档。选择结构列，A列。单击Modules工具条上的Conformers按钮

选择Analysis，打开Conformers Analysis对话框。

偶极矩分析功能使用原子的当前电荷计算体系的偶极矩。

选择Dipole moment，单击Analyze按钮。

计算任务将提交到服务器，当计算完成后，在数据表中将添加一个新的列。

绘制Torsion angle与Dipole moment的关系图。

可见在0度左右偶极矩达到最大值。这是说得通的，因为当扭转角为0度时，氟原子是整齐排列的。

为比较偶极矩随构象能量的变化，需要调整能量和偶极的标度，使其可以绘制在同一曲线图中。该操作可以使用数据标准化工具自动进行。

在5CB2F.std数据表中，单击C和D列将其选中。选择Statistics | Initial Analysis | Standardize Data...，打开Standardize Data对话框，单击OK按钮。

在表格中会增加两个新的列，即Total energy Standardized by Mean/SD和Dipole moment (magnitude)。

通过按下CTRL键，并单击每个列标题，选中B、E和F列，单击Quick Plot按钮

可以看到最大偶极矩在能量最大处。这同样说得通，因为氟原子是重合的，此时空间位阻非常高。