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(3)

晴栀渝菀歌 分享 2022-05-09 下载文档

键后,在sigma键轴末端会出现一小块静电势比旁边更正的区域。在HF中,F附近的情况其有用,前者就是卤键出现的根本原因。Politzer等人利用这种方法分析了大量这类体系,有兴趣的读者可参考以下文献,

H3N---SF2的相互作用能-7.7kcal/mol比H3N---SeF2的相互作用能-12.2kcal/mol要小。需要注意的是分子间并非仅存在静电作用,而且分子间静电相互作用涉及到所有原子,另外当分子接近过程中几何结构、电子分布相对于自由状态会有一定调整,所以仅靠静电势大点、极小点的位置和数值的分析方法不可能对于各种复合物体系都完全适用。当你发现这种静电穴)分别为34.4和41.8 kcal/mol,显然后者更易于与Lewis碱结合,这解释了为什么和S的sigma穴形成的复合物。SF2和SeF2的表面静电势最大值(对应于S和Se的sigma J.Mol.Model.,13,305、J.Mol.Model.,15,723、J.Mol.Model.,13,291、J.Mol.Model.,18,541、IJQC,107,3046、PCCP,12,7748

在其中对一系列分子的研究中会看到静电势最大值和最小值与分子间相互作用能有很强相关性。例如IJQC,107,3046一文中,讨论了NH3通过氮的孤对电子与SeF2及SF2上的Se 符,那么说明还有更多因素需要考虑,当前研究方法过于粗糙。

我们再看几个例子,下图左边和右边分别是间二氯苯和硝基苯的ALIE极值点分布。为了清楚起见,没有让极大点显示出来。

亲电反应并不会发生在羟基氧上。

容易极化的孤对电子产生的,它们的值为10.49eV,明显大于最小点的值,这也很好地说明算作是最小点,这就说明,邻对位碳原子附近的电子被束缚得最弱,最有可能是反应活性位点,这很好地解释了羟基是邻对位取代基。在氧旁边也有两个ALIE极小点,可认为是氧的可看到,邻、对位碳原子都明显有对应的极小点,ALIE值都差不多8.7~8.8eV左右,都可

不少,这很好地表现出硝基是间位定位基,反应容易发生在间位碳上。

靠、结果更清晰。但之前也提到了,ALIE和静电势是互补的,单靠ALIE判断往往是不行的,这里也举一个例子,预测吡咯的反应位点。

氯是邻对位定位基,对于间二氯苯,两个氯的邻对位定位效应正好能够相叠加,所以理应对于硝基苯,在间位碳上出现了ALIE最小点,其值为9.94 eV,比起其余极小点的值都小由以上例子可见,用判断反应位点可靠性很高,比使用静电势分析反应位点往往更可并不会发生,这算是ALIE的一点小缺陷,并无大碍。

小点出现,为9.7 eV左右。在氯旁边也出现了数值很小的极小点,数值为9.85 eV,看似比9.7 eV大不了多少,所以ALIE分析认为亲电反应也容易发生在氯上,不过实际上显然这C1、C3、C5是活性位点。ALIE的极小点分布也确实验证了这一点,在这三个原子上都有极按照前面第4节的步骤,在Multiwfn里做完分子表面静电势分析后,选择2将极值点位置点为例介绍一下步骤。

你想得到更漂亮的图,可以借助分子可视化程序VMD来实现,可在这里免费下载:导出为当前目录下的surfanalysis.pdb文件,再选择5,并输入t.pdb,将分子结构导出为9fdea4168ad63186bceb19e8b8f67c1cfad6eebe/Research/vmd/。这里以使用VMD观看苯酚的分子表面静电势极值的显示方式,比如选为VDW显示方式,最终图像如下所示

式下以红点显示;极大点用碳原子来表示,以青色的点表示。我们可以再调节分子结构自身M ultiwfn虽然已经提供了图形界面可以直接观看极值点位置,但本意是作为预览用,如果地显示出来了,极小点在surfanalysis.pdb文件里用氧原子来表示,在VMD的默认着色方方式的Drawing Method设为Points,并将Size调大到11。这样极值点位置就在图上清楚应于surfanalysis.pdb的ID,之后选graphics-representations,将目前仅有的一个显示当前目录下的t.pdb。启动VMD,将这两个pdb文件都拖到VMD Main窗口中去,然后选择对点,因此也很难单纯靠ALIE分析下定结论亲电反应最可能发生在邻位还是间位碳上。而通边是静电势极小点图,此图表明在两个间位碳之间静电势最小,容易吸引亲核试剂。将ALIE 和静电势的分析结合起来就能得出吡咯的间位碳最有可能是反应位点的结论。实际上,气相可能性一样大。那么,预测实验上的反应位点就还得看亲核试剂更容易接近哪个碳。上图右到底是邻位碳容易反应还是间位碳容易反应,或者说,当分子离得比较近后它们发生反应的上图左边是ALIE极小点分布。可见,极小点落在了邻位和间位碳之间,因此我们没法判断实验结果也确实证明了这个预测是正确的。

使用ALIE分析呋喃时会发现ALIE极小点也是落在邻位和间位碳之间,只是稍微偏邻位碳一位点是在邻位碳上,事实也确实如此。

然亲电试剂更容易被拉向氧的那边,因此比起间位碳更容易接触到邻位碳,故可以预测反应-20.6 kcal/mol的静电势最小点,在两个间位碳之间有一个-15.2 kcal/mol的极小点,显过分子表面静电势极值点分析,会发现在氧的孤对电子附近的分子表面上有一个数值为5使用VMD程序可视化结果

"Graphics"-"Colors..."-"Color scale"-"Method"设为"BWR"。所得图像如下所示,越蓝代利用和已经计算出来的分子表面顶点的函数值,还可以将分子表面上各个位置函数值通表静电势越负,越红则为越正,白色代表介于二者之间。如果想调节色彩刻度范围,可以在设定representations的界面里选择Trajectory标签页,将Color Scale Data Range设为希望的范围并点Set按钮。

graphics-representations,将Selected Atoms里的all改为name C并敲回车,将Drawing Method设为Points,Size设为16,Coloring Method设为Beta,将启动VMD,将t.pdb和vtx.pdb都拖进VMD Main窗口。选择对应于vtx.pdb的ID,然后选vtx.pdb文件中。其中碳原子表示的是表面顶点,其“B因子”那一列保存的是函数值,对过不同颜色显示出来。接着上面的例子,我们在后处理界面选6,将顶点导出到当前目录下于静电势用的是kcal/mol单位。而pdb文件中的氧原子表示的是已被消除的多余顶点,通常不需要管它们。pdb文件中的连接性关系表示的就是顶点间的连接性关系。

方法却需要计算整个三维空间内各点的数值,所以后者计算耗时要多得多。

的图。不过,上面介绍的方式由于只需要计算分子表面上的静电势数值,而利用cube文件实际上,分别计算电子密度和静电势的cube文件并导入VMD,然后显示出电子密度0.001 e/bohr^3的等值面,并将着色方式设为根据静电势cube文件的数值着色,也能得到很类似


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