在看本次推文前建議大家沒看過合集上的先去看一下

吐血整理！ECD計算常見工作流程、知識點(diǎn)歸納資源整合（上），再來看本期內(nèi)容。

小編在工作過程中，發(fā)現(xiàn)有初次接觸手性化合物的老師以及在這個領(lǐng)域摸爬滾打多年的實驗博士會對基礎(chǔ)概念存在誤解的情況。這期推文小編就對相關(guān)的基礎(chǔ)概念和計算化學(xué)的計算流程進(jìn)行一下梳理，以方便對此感興趣的老師學(xué)習(xí)，以及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。

如果你初次接觸手性化合物計算，或者只是在其他人的指導(dǎo)下使用Schr?dinger或者等商業(yè)軟件進(jìn)行過一些自己也不理解原因的操作。那么閱讀本文一定會讓你有所收獲。

理清概念

首先先說一些需要了解的基礎(chǔ)概念。

第一個問題：D-(+)-甘油醛和（S)-2-丁醇分別是啥意思？

如果你對文獻(xiàn)中的化學(xué)名稱中的+-符號或者DLRS不了解是什么意思，那么需要補(bǔ)充一下這部分內(nèi)容。

該部分內(nèi)容屬于基礎(chǔ)有機(jī)課必講的內(nèi)容。就不去提化學(xué)老師講這部分內(nèi)容了，對這個內(nèi)容不了解的老師和同學(xué)可以看一下清華大學(xué)李艷梅老師的視頻，鏈接如下：

http://content.xuetangx.com/20440333X/video_5_1

http://content.xuetangx.com/20440333X/video_5_2

http://content.xuetangx.com/20440333X/video_5_3

http://content.xuetangx.com/20440333X/video_5_4

http://content.xuetangx.com/20440333X/video_5_5

http://content.xuetangx.com/20440333X/video_5_6

http://content.xuetangx.com/20440333X/video_5_7

http://content.xuetangx.com/20440333X/video_5_8

這些視頻都很短小，不會花費(fèi)大家太多的時間去觀看，這里建議大家全看。如果實在沒時間，請看678這三個視頻。就算不信我，李艷梅老師的實力大家還是要相信的

。

（此時，小編不得不插播一條課程預(yù)告，感興趣的同學(xué)可以自行報名參與，

有機(jī)化學(xué)課程，重視物理本質(zhì)，淡化無益細(xì)節(jié)！）

第二個問題：構(gòu)型構(gòu)象是啥意思，有啥區(qū)別？

這里從同分異構(gòu)體開始說起。同分異構(gòu)體分為構(gòu)造異構(gòu)（又稱結(jié)構(gòu)異構(gòu)）和立體異構(gòu)（又稱幾何異構(gòu)）。

能夠在當(dāng)前課題中討論的分子一般是被篩選到，立體異構(gòu)無法確定的階段。

立體異構(gòu)又分為構(gòu)象異構(gòu)和構(gòu)型異構(gòu)。

以下重點(diǎn)來說說這兩者的區(qū)別。

構(gòu)型構(gòu)象的區(qū)別

在構(gòu)象異構(gòu)中，同分異構(gòu)體之間可以通過化學(xué)鍵的旋轉(zhuǎn)而互相變化。請記住，此處不用打斷任何共價鍵，僅通過旋轉(zhuǎn)化學(xué)鍵就能在各個構(gòu)象之間相互轉(zhuǎn)換。此時我們大可以把這些就當(dāng)做是一種物質(zhì)就行。那些無法自由旋轉(zhuǎn)的雙鍵以及碳環(huán)不在討論之中。

構(gòu)型異構(gòu)是原子在大分子中不同空間排列所產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象。大家平時耳熟能詳?shù)睦樂串悩?gòu)、對映異構(gòu)就是構(gòu)型異構(gòu)的內(nèi)容。簡單來說，雖然長得差不多，如果在chemdraw里面畫不帶楔形鍵的普通鍵線式也是沒啥區(qū)別的。但是一旦3D結(jié)構(gòu)做出來，你會發(fā)現(xiàn)，你不去斷掉某些共價鍵重連，你是得不到另外一種異構(gòu)體的。

如果你平時在文章中看到了有人研究了結(jié)構(gòu)分布的問題，那么大概率你看到的是人家確定了某某構(gòu)型，然后研究了該構(gòu)型下不同構(gòu)象的分布比例。這個分布比例是怎么來的呢？簡單來說就是研究不同構(gòu)象的相對能量，然后帶入公式，就可以知道不同構(gòu)象在某某溫度下的分布比例。具體操作方法見盧天老師的博文?http://sobereva.com/165?

大家看博文的時候注意這么一句：下面這張圖出自筆者的研究文章Struct. Chem. 25, 1521 (2014)，利用Boltzmann分布與相對自由能的關(guān)系給出了常溫下致癌物benzo[a]pyrene diol epoxide不同構(gòu)象的出現(xiàn)比例，對anti和syn兩種構(gòu)型是分別算的。對于這句話有不明白的同學(xué)，可以回頭仔細(xì)理解一下構(gòu)型和構(gòu)象的區(qū)別，以及玻爾茲曼分布的計算前提。

計算EDC流程

接下來說說實際計算ECD時候的流程，這里推薦用慣了相關(guān)黑箱軟件或者某些公司開發(fā)的工作流的同學(xué)仔細(xì)閱讀一下。

各種，當(dāng)然也可以說全部。全部的ECD計算譜圖預(yù)測工作流程都是基于如下的流程圖進(jìn)行的（當(dāng)然此處指的是靠譜的工作軟件或者包裝后的黑箱工作流）

該圖來自文獻(xiàn)Pescitelli, G., and Bruhn, T. (2016) Good Computational Practice in the Assignment of Absolute Configurations by TDDFT Calculations of ECD Spectra. Chirality, 28: 466– 474. doi: 10.1002/chir.22600.

第0步

首先要有確定的?relative configuration（RC），如果此時你連自己體系中的物質(zhì)具體的構(gòu)型都不確定，那么就不用往下面走了。

如果就是RC確定不清楚，此時應(yīng)該做表征，比如能夠培養(yǎng)出單晶，直接一步到位搞定構(gòu)型問題。

想用核磁來測定的同學(xué)請注意，結(jié)構(gòu)異構(gòu)體的核磁是不同的，非對映異構(gòu)體的核磁是不同的，但是對映異構(gòu)體的核磁是一樣的。構(gòu)象不同也會影響核磁的結(jié)果，這無疑給表征帶來了不少的影響。

這里能夠排除多少可能就盡可能排除，不然這些不確定性都會導(dǎo)致后續(xù)的工作的工作量翻倍。

加入已經(jīng)確定了前文所說的RC，那么開始ECD計算的第一步

第1步

Initial Conformational Analysis

這一步，大家通常會選用各種基于半經(jīng)驗或者力場的工具去做研究。具體的做法是，根據(jù)上一步得到的構(gòu)型去生成足夠的構(gòu)象，然后再去進(jìn)行優(yōu)化和能量計算。生成構(gòu)象這里有很多工具可以選擇，但是基本原理無外乎兩種

1）窮舉或者是基于一定化學(xué)規(guī)則的窮舉。窮舉規(guī)則和大家說一下，也是某位知名雜志的副主編提到的窮舉方法。單鍵轉(zhuǎn)120-120-120°，雙鍵轉(zhuǎn)180-180°。這種防范很容易就出現(xiàn)天文數(shù)字個結(jié)構(gòu)，但也是最全面的。此處說明一下，雙鍵旋轉(zhuǎn)，到底屬于構(gòu)象搜索還是構(gòu)型異構(gòu)過程，大家心里清楚是怎么回事就可以。我個人以及手中的教科書，是把雙鍵旋轉(zhuǎn)歸類為順反非對應(yīng)異構(gòu)（構(gòu)型異構(gòu)）。

2）使用MD方法進(jìn)行足夠次數(shù)的退火實驗，收集產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。此方法可以較為全面產(chǎn)生所需要研究的構(gòu)象，有效規(guī)避了窮舉法一不小心就天文數(shù)字個構(gòu)象的缺點(diǎn)。這種方法缺點(diǎn)也是很明顯的。搜索到的結(jié)構(gòu)能不能包含全部低能量結(jié)構(gòu)，這里要考驗操刀計算的人的經(jīng)驗和能力。

收集了足夠的構(gòu)象后，此時需要使用半經(jīng)驗工具如MOPAC或者力場如MMFF94去對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化計算。

此時可以基于這些計算得到的能量去進(jìn)行一個簡單地排序，篩選掉明顯高能的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行下一步的計算。

第2步

上一步的計算機(jī)別對于確定構(gòu)象分布比例還是有些不夠。我們應(yīng)該在DFT計算的精度下去做一個更精確的優(yōu)化計算來得到能量并進(jìn)行排序。此處可以選擇的工具基本就是Gaussian和ORCA這類的量化老牌工具。也有一些集成工具中會調(diào)用老掉牙的泛函和基組去做這個研究，我個人是極度不推薦的。我個人建議是對于第1步得到的結(jié)構(gòu)在第2步這里也遵循一個從粗糙到精確的DFT計算方式。比如先M062X-D3/def2svp計算，算完排個序，然后再用def2TZVP算完排個序。因為還有個第3步，所以此處算到def2svp就可以了。大基組留著下一步用。這一步及以后的DFT計算都需要帶上隱式溶劑模型了，建議SMD

第3步

文獻(xiàn)中建議大家這一步針對上一步優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)算一次單點(diǎn)能（基于更高級別的基組，比如def2TZVP），然后對上一步優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)以上一步優(yōu)化時候的泛函基組算一次freq任務(wù)。然后將高精度單點(diǎn)能和低精度得到自由能校正量相加，得到一個靠譜的自由能數(shù)值。

如果分子較小或者組內(nèi)計算資源極其豐富，可以直接用M062X-D3/def2TZVP/SMD這種配置算opt+freq。作為計算從業(yè)者，我建議高精度單點(diǎn)能加低精度得到的Gcorr已經(jīng)可以了。當(dāng)然，關(guān)于如何經(jīng)濟(jì)且精確算出自由能，這里面門道很多，此處只是舉了一個簡單易行的方法。

第4步

上一步結(jié)束后你能夠得到一堆構(gòu)象的自由能，這個時候借助文初的Boltzmann分布研究工具就可以順利得到不同構(gòu)象的分布比例。個人經(jīng)驗：對于這種小分子體系基本上前5個結(jié)構(gòu)就能夠95%的結(jié)構(gòu)了。

第5部

這時候我們已經(jīng)得到了一系列經(jīng)過計算的結(jié)構(gòu)了，可以根據(jù)得到的結(jié)構(gòu)回頭再去和NMR數(shù)據(jù)進(jìn)行一個對比。這一步狀況最多，還有可能直接幫你排除掉一些RC。

第6部

計算在第4步中發(fā)現(xiàn)的所有構(gòu)象的ECD譜。這是最重要的一步，使用TDDFT算過激發(fā)態(tài)的同學(xué)都知道，不同的泛函和基組會得到不同的譜圖，這步選擇錯了方法會導(dǎo)致后面的對比什么的都沒有了意義。我們不建議你只算一種泛函，如果有條件應(yīng)該嘗試更多的泛函。長程校正泛函（如CAM-B3LYP和ωB97X）和雜化泛函（如B3LYP(20％HF)，PBE0(25％)，M06(27％)，BH＆HLYP(50％)和M06-2X(54％)）都試試。不同的泛函對于激發(fā)態(tài)計算的能量偏差見下圖（圖中單位eV）

MSE (top) and MAE (bottom) obtained for singlet Excited-states.

*該圖來自文獻(xiàn)Jacquemin, D., Mennucci, B., & Adamo, C. (2011). Excited-state calculations with TD-DFT: from benchmarks to simulations in complex environments.?Physical chemistry chemical physics,?13(38), 16987-16998.

更多關(guān)于TDDFT泛函選擇的信息，可以看一下本推文對應(yīng)的原始文獻(xiàn)

（10.1002/chir.22600）

至于基組，一般影響不大，別太拉胯就行，常規(guī)的6-311G*就可以了，能用到def2-TZVP那就更好了。如果體系中里德堡態(tài)對ECD譜貢獻(xiàn)較大，此時必須對所用基組加彌散。高斯中對Ahlrichs基組不太好弄，需要自定義基組，這里不多展開說，建議直接用pople基組好弄些。當(dāng)然，如果你是ORCA用戶，可以直接調(diào)用加了彌散的Ahlrichs基組，這里必須要夸一下ORCA開發(fā)組，很注重用戶體驗。文獻(xiàn)原文也給出了一些基組的建議，不是全部認(rèn)同，大家可以自行判斷選取。溶劑模型呢，可以SMD和PCM都試試，什么好用什么。極端情況下，還可能需要用顯式溶劑模型，比如你在苯中研究某個含有大量苯環(huán)的分子的ECD，那么這其中溶劑和被研究分子的分子間相互作用是不可以忽視的。為了保證譜圖完整性，還需要思考要算幾個state，這個就是分子越大要算的越多，如果不清楚，可以先找一個構(gòu)象嘗試算一下，比如算個50個態(tài)，看看能不能覆蓋住實驗譜區(qū)間。

第7步

因為計算出來的state是孤立的波長或能量與旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的數(shù)值，和我們實驗看到的曲線還是有很大區(qū)別的，那么這個中間涉及到如何把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為譜圖。這其中涉及到展寬和加權(quán)平均問題。如果對展寬操作的原理感興趣可以參考http://sobereva.com/224?建議不用過多在意，因為這個過程免費(fèi)的Multiwfn能夠非常智能進(jìn)行處理，遇到展寬不對的時候，直接換個參數(shù)，多試幾次就好了。

Multiwfn繪制加權(quán)平均譜圖的操作，具體可以參考：

http://sobereva.com/383

其中講解了如果把第6步得到的計算輸出文件進(jìn)行繪圖，Multiwfn可以處理不同譜圖的加權(quán)平均，也可以調(diào)整不同的展寬參數(shù)。

其實在研究天然化合物的期刊中，使用得更多的軟件是SpecDis，用來做譜圖擬合什么的，這個軟件也是免費(fèi)的，而且有著簡單易懂的手冊可供參考，建議大家上手練練。如果這個軟件的使用教程，大家有需求，就留言說明一下，這里挖個坑，以后再補(bǔ)

。

最后再說一句，第12346步都可以使用Molclus聯(lián)用Gaussian或者ORCA的方式輕松完成，省去很多手動操作的時間，科研就該是該偷懶的地方偷懶，該嚴(yán)肅的地方嚴(yán)肅。你們說是吧

關(guān)于Molclus的使用可以參考

http://www.keinsci.com/research/molclus.html

流程算是梳理完了，如果對其中的某些軟件使用上有門檻跨不過去，比如高斯，建議報個我們的唯理計算的班學(xué)習(xí)一下。如果是對整套工作流的時間無從下手，第一推薦的是自己摸索，搞定后那個成就感可以很大的，第二推薦尋求懂這塊的人幫你裝好軟件并鋪好道路，以后組里只要把對應(yīng)文件換個坐標(biāo)什么的就好了。