使用multiwfn及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

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1、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文/Sobereva  Firstrelease:2012-Aug-6前言：定量分子表面分析对于预测反应位点、预测分子间结合模式、预测分子热力学性质有重要意义。从Multiwfn2.3版开始这个功能就被作为主功能12纳入其中了。本文简要介绍定量分子表面分析的概念和意义、它在Multiwfn程序中所用的数值算法，并通过实例说明怎么用Multiwfn的这个功能分析实际问题。实际上本文很多内容在Multiwfn2.5版手册3.15节和

2、4.12节中都已经涵盖，数值算法在http://dx.doi.org/10.1016/j.jmgm.2012.07.004一文中有十分完整、详尽的说明。Multiwfn可以在http://Multiwfn.codeplex.com免费下载，本文使用的是目前最新的2.5版。1定量分子表面分析的概念和意义定量分子表面分析主要分析的是静电势（ESP）和平均局部离子化能（ALIE）在分子范德华表面的分布。分子范德华表面的定义非常多，最常用的是Bader的定义，也就是对于气相分子，使用电子密度为0.001e/b

3、ohr^3的等值面作为分子范德华表面，这种定义物理意义明确，而且可以反映局部电子特征产生的影响，比如孤对电子、pi电子。本文所说的分子表面都是指Bader的这种定义。静电势是大家很熟悉的实空间函数，对于分子体系定义如下Z代表核电荷数，R是原子核坐标。一个分子在r处的静电势，等于将一个单位正电荷放在r处后它与此分子产生的静电相互作用能，注意这里假定这个单位正电荷的出现对分子的电荷分布不产生任何影响。静电势由带正电的原子核电荷产生的正贡献和带负电的电子产生的负贡献构成。在r处如果静电势为正，说明此处的静电

4、势是由原子核电荷所主导，如果为负，说明电子的贡献是主导。在原子核附近，包括价层区域，由于离核较近，静电势都是正值，这部分通常不是我们感兴趣的（尽管分析它们也有一些特殊用处，比如获得共价半径）。而在分子表面，电子的贡献和核的贡献达到可以抗衡的程度，电子密度分布的不均匀性会导致分子表面静电势有正有负。对中性体系，通常负值出现在高电负性原子的孤对电子、pi电子云以及碳-碳强张力键（如环丙烷）附近，因为这些区域电子比较富集。对范德华表面静电势的研究已有几十年的历史，最常见的有两类应用：(1)在化学反应初期分子

5、间通过静电吸引而相互接近的过程与分子对其外部（范德华表面及更远区域）产生的静电效应密切相关，因此可以通过分析分子范德华表面上静电势的分布来预测在什么位点上最有可能发生何种化学反应，通常认为静电势越负（越正）的地方对应的原子越容易发生亲电（亲核）反应。实际上，通过原子电荷来预测反应位点在本质上是这种静电势分析方法的抽象、简化。(2)若已知某复合物是以静电为主导的方式结合而成（如氢键、二氢键、卤键等形式），利用静电势可以预测、解释复合物中分子的相对朝向如何、结合的强度大概有多大，这对于研究分子晶体堆积方式

6、、受体配体结合模式、分子吸附等问题很有用。其依据是分子之间容易以静电势互补方式接触，即分子表面静电势正值区域倾向于接触负值区域，而且正值越正、负值越负时这种倾向越强，这样能最大程度降低整体能量。大家已经十分习惯绘制分子表面的静电势填色图来分析这些问题，用不同颜色代表静电势正负和大小（例如《谈谈Molekel做静电势填色等值面图的方法及误区》，见http://hi.baidu.com/sobereva/blo...09817754fb9658.html）。这种图形化分析虽然直观，但是有很大局限性，也就是

7、图形化的研究不够精确，讨论问题时只能定性地分析，上升不到定量的高度。而且当比较一系列分子，或者当静电势分布复杂或体系稍大时，图形观察也很费力、麻烦。定量分子表面分析的主要目的之一就是根据静电势在分子表面上的极值点位置和确切数值对反应位点、结合模式等问题给出更准确可靠的分析结论。另外，分子的凝聚相性质，比如蒸发/升华焓、密度、沸点、粘度、表面张力、LogP等等，都与分子间相互作用密切相关，对于极性（或具有局部极性）的分子，静电相互作用通常比范德华相互作用大很多，因此通过分析在分子表面上的静电势，对于预测

8、这些分子的这些性质十分有益。Politzer等人提出的Generalinteractionpropertiesfunction(GIPF)就建立了这么一套关系，见J.Mol.Struct.(THEOCHEM),307,55。GIPF的本质上含义是，依靠基于分子表面上静电势分布定义的分子描述符，通过拟合QSPR方程，可以很好地预测上述性质。这些分子描述符包括分子整体/静电势为正/静电势为负区域的表面积，表面上静电势最大值、最小值，表面上静电势的整体/正值/