VAMP模块计算过渡态

使用VAMP软件进行结构优化和过渡态计算目的:使用VAMP软件研究分子的结构、性质和化学反应的过渡态模块:MaterialsVisualizer,VAMP背景：VAMP是一款半经验分子轨道计算软件，运行稳定快速，可在PC机与工作站之间进行交互式计算。与通常的结构优化方法相比，此软件有许多改进，可优化一些不易计算的结构。VAMP还可以优化过渡态，计算溶液，以及许多电子性质。引言：本课程将介绍如何使用VAMP来优化分子，分析结果，计算分子性质，确定化学反应的过渡态。在第一部分，优化溶靛素的结构，这是一种天然色素。由计算出的波函数分析它的几个性质。在第二部分，计算产生杂环有机物的过渡态。内容:1.开始2.优化溶靛素的分子结构*绘制待优化的结构*优化溶靛素的分子结构*分析VAMP的输出文件，显示电子性质3.寻找硝酮、乙烯反应形成1,3氧氮杂环戊烷的过渡态*绘制将要计算的几个结构*计算并确定过渡态1.开始新建D:\class10，运行MaterialsStudio，选择creatinganewproject，按确定。找到建立Project的D:\class10，写入indigo_VAMP作为project名称，单击OK按钮如右图，名为indigo_VAMP的新project出现在ProjectExplorer中.在indigo_VAMP下产生两个新文件夹如右图，在ProjectExplorer中,鼠标移至indigo_VAMP根目录上，单击右键，选择New\Folder。重复一次，建立两个NewFolder。在NewFolder上单击右键，选择Rename，分别将两个新文件夹改名为Indigo和TS。2.优化indigo分子的结构(1).由MaterialsStudio数据库输入indigo分子的结构选择File\Import，打开Import文件对话框。在ProjectExplorer中,选中Indigo文件夹。依此由Structures/molecular-crystals/pigments/indigo_1.msi，找到indigo晶体结构文件indigo_1.msi。双击双击双击选中indigo_1.msi文件，左键单击“打开”，则在Indigo文件夹中输入了indigo_1.xsd晶体结构。现在已经输入了一个indigo多形体晶体结构。由上面的晶体结构，可以得到单个indigo分子的结构。选择Build\Symmetry\UnbuildCrystal，再单击Recenter按钮，这样一个indigo分子出现在3DViewer的中间。在Modules工具栏上单击VAMP按钮，从下拉菜单上选择Calculation；或者从菜单栏上选Modules\VAMP\Calculation，打开VAMP计算对话筐。(2).优化indigo结构使用半经验VAMP软件优化分子的结构。在Setup栏上,将Task由Energy改为GeometryOptimization。Hamiltonian设置为AM1.现在已经指定了计算任务，使用半经验Hamiltonian。在JobControl中将Gatewaylocation设为Mycomputer，使用本地机计算。其它设置保持默认值。单击Run运行，关闭对话框。ProjectExplorer中打开了一个新文件夹indigo_1VAMPGeomOpt.软件以chart和text文件记录了计算的进程。(3)分析VAMP的输出文件，显示电子性质新文件夹中的indigo_1.xsd是结构优化过的indigo分子结构。indigo_1.out是VAMP计算结果的文本输出文件。这一部分我们看看文本输出文件的内容，使用VAMP分析工具显示等值面。VAMP计算了分子的许多性质。默认情况下，文本输出文件包含了生成热、偶极矩、静态极化率、13C的化学位移。双击indigo_1VAMPGeomOpt文件夹中的indigo_1.out文件。按住CTRL，再按F，出现搜索对话框。写入Heat，单击FindNext按钮，搜索Heat，直到找到如下部分文件：固体物理，核－核间排斥强。电子加入，才凝聚。VAMP计算出的indigo的生成热约为39kcalmol-1总电子能总核排斥能二者之和为总能量两个收敛判据,梯度模量和原子受力的均方根值。默认的梯度模量的收敛判据是0.4kcal/mol/Å。输出数据显示两个收敛判据都满足了。电离势占据的分子轨道数分子重量Mullikenatomiccharges这行下面显示了Mulliken分析得到的原子净电荷。继续往下看输出文件，你会找到其它性质，如偶极矩dipolemoments,极化率staticpolarizabilities,键级bondorders,电子布局electronpopulations,和13C化学位移chemicalshifts.下面利用VAMP的分析工具在屏幕上显示分子的几个性质。按住CTRL，再按F，出现搜索对话框。写入Mulliken，单击FindNext按钮，直到找到Mullikenatomiccharges。选Modules\VAMP\Analysis，打开VAMPAnalysis对话框。可以用VAMPAnalysis工具显示几种不同的性质。先看电子密度的等值面。单击Import按钮。在indigo_1VAMPGeomOpt文件夹中双击indigo_1.xsd。可以改变Grid中的设置来提高等值面的显示质量，但同时影响图形操作的速度选择Isosurface栏，将透明滑块拖向右侧，等值面变得越来越透明，逐渐显露出分子的结构。DisplayStyle对话框中有不同的工具，控制如何显示观察目标。其中一个工具是控制等值面的透明度。在3DViewer上右击，选择DisplayStyle，打开DisplayStyle对话框。分子的原子和键都显示出来了。作出等值面后，便可以在上面绘制其它性质，如静电势。为了显示静电势，需将静电势场的数据加到3DAtomistic文件上。选择Atom栏，将分子的显示方式改为Ballandstick.在VAMPAnalysis对话框中选择Potentials，单击Import。3DViewer上的图未变。选择DisplayStyle对话框的等值面栏，在mappedfield的下拉菜单中选择VAMPelectrostaticpotentialofindigo_1.这样静电势就被绘制到总电荷密度的等值面上，电势大小由不同的颜色表示。颜色代表的数值可由ColorMaps显示。静电势图有助于了解分子中的电荷分布。参考帮助文件中的Workingwithisosurfacesandslicestutorial，可以知道等值面和切片的更多知识。由切片可以得到分子不同部分的静电势数值。由View\Toolbars\VolumeVisualization，在工具栏中显示ColorMaps等工具。3DViewer为当前文件时，这些工具的显示处于活动状态。等值面从3DViewer上移除后，电荷密度分布的数据仍然保留着。可以继续用此数据研究indigo分子的轨道。有两种方法将等值面从分子结构上删除。1.选中等值面，按delete键；2.在VolumeVisualization工具栏上单击VolumetricSelection按钮，展开VAMPtotalelectrondensity节点，选中Isosurface1，按Delete键，关闭对话框。在VAMPAnalysis对话框中选择Orbitals。表格中出现计算出的轨道和相应的能量。将Filter中的All改为Minimal.这样表格中只出现最临近HOMO轨道的三个轨道。HOMO是分子的最高占据轨道。如果在Setup中选择了自旋极化计算，即Spin:UHF，则表格中还会列出自旋朝上和自旋朝下的轨道。Indigo_1.xsd为当前文件。在表格中选择HOMO，单击Import按钮。则indigo的HOMO轨道出现在屏幕上。在分子上单击轨道，选中，按Delete键，删除。在VAMP计算出的3DAtomisticdocument上显示电荷。VAMP优化的结构indigo_1.xsd为当前文件。在VAMPAnalysis对话筐中选择Populationanalysis。单击AssignCoulsonchargestostructure按钮。这样分子上就出现了由Coulson方法计算出的partialatomiccharges。在3DViewer上按右键，选择Label，打开Label对话框。在ObjectType中选择Atom,在Properties中选择Charge,单击Apply按钮。可以选择显示Mulliken电荷。在VAMPAnalysis对话框中将电荷类型改为Mulliken，再单击左侧的Assign按钮。在Label对话框中，单击Remove按钮，去处3DViewer上的Coulson电荷。同前，在Label对话框中选择atom和Charge，再按Apply按钮，这样分子上就出现了由Mulliken方法计算出的partialatomiccharges。在Label对话框中，单击Remove按钮，去处3DViewer上的Coulson电荷。在Label对话框中，将ObjectType设为Bond。在Properties中选择BondOrder。单击Apply按钮，关闭对话框。单击AssignMayerbondorderstostructure按钮，关闭对话框。这样依据VAMP的计算，更新了分子中的键。继续下面任务之前，保存并关闭所有的文件。操作：File|SaveProject,再Window|CloseAll1.准备计算所需的分子结构这部分将从产物1,3-氧氮杂环戊烷开始，准备分子结构，用于过渡态结构的优化。第二部分：硝酮(nitrone)和乙烯(ethylene)的1,3偶极环加成反应，生成1,3-氧氮杂环戊烷，这部分内容是寻找这个反应的过渡态。1,3-氧氮杂环戊烷分子结构单击SketchRing的下拉箭头，选择5Member。1,3-偶极环加成反应是合成功能化5节杂环系统及其它天然产物的重要途径。对过渡态的详细了解有助于预测产物的regiochemistry。在Project中,在TS文件夹上按右键，选择New|3DAtomisticDocument。将鼠标移到3DViewer上，单击左键。这样在3DAtomisticdocument上出现一个5节C环。重新设置鼠标为3DViewerSelectionMode鼠标移到3DViewer上，按右键，选择再选择按照前面1,3-氧氮杂环戊烷分子的结构，将两个C原子分别改为O、N。如右图，选中一个C原子(呈黄色)。在菜单栏中选择Modify/ModifyElement/Oxygen，将选中的C原子改为O原子。同样，将另一C原子改为N原子。鼠标移到3DViewer上，按右键，选择再选择关闭对话框。单击AdjustHydrogen按钮，添加H原子。再按按钮，初步优化分子结构。优化结束后，Project中出现一个新文件夹isoxazolidineVAMPGeomOpt。在Project中,鼠标移至3DAtomistic.xsd上，按右键，选择Rename，写入isoxazolidine。这就是刚绘制出的分子(即产物)的名称。现在用VAMP来优化isoxazolidine的结构。打开VAMP计算对话框，在Setup栏,将Task改为GeometryOptimization，所用的Hamiltonian是AM1。按Run按钮开始计算，关闭对话框。优化在新文件夹中查看输出的文本文件。在isoxazolidineVAMPGeomOpt文件夹中，双击isoxazolidine.out文件，此文件为当前文件。用CTRL+F打开搜索对话框，输入关键字Heat。单击FindNext按钮，直到找到如右图所示的部分文件。电子能量核排斥能分子总能量选中临近CH2-N键的CH2-CH2键