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构建被显式溶剂层包裹的分子的简单方法

0 前言

溶剂模型分两大类,显式溶剂模型、隐式溶剂模型。在量子化学研究中,一般为了省事、方便以及为了考虑溶剂平均效应而用隐式溶剂模型,但是有时候溶剂效应没法靠连续介质的考虑方式描述,非得用显式溶剂模型不可。有些情况只需要很少的显式溶剂即可,比如水催化的反应,只需要把参与反应的水分子纳入体系即可。但研究许多问题的时候,显式溶剂放在哪、怎么放,哪些位置的显式溶剂会起到关键作用并不明确(比如考虑显式溶剂对UV-Vis光谱影响的问题),那么为了保险就得给整个分子加上一个溶剂层。通常显式溶剂和隐式溶剂是一起使用的,后者描述显式溶剂层外部的体相溶剂效应,这称为杂化溶剂模型。
加溶剂层比较严谨、可靠的做法是对体系跑分子动力学,然后从中提取一些帧(可以均匀间隔采样,也可以做周期性退火,取对应0K的帧),然后把靠近溶质的溶剂分子连同溶质提取出来,再用量化方法优化。但这样做对于不懂MD的人门槛略高,有时候处理的体系还不好生成拓扑文件、弄到适合的力场参数。
本文目的是介绍比较简单的给分子加上溶剂层的做法,不需要跑动力学。虽然没有MD严格,但对于搞量化的人来说多数情况也够用了,本文的方法也比较普适。本文使用的程序为Gaussian16 A.03、Packmol 16.344、VMD 1.9.3、MOPAC2016。本文以构建靛青(indigo)分子被显式水包围的体系作为例子。
Packmol的下载和使用方法见《分子动力学初始结构构建程序Packmol的使用》http://sobereva.com/473,VMD可在http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/免费下载。VMD和Packmol的详细使用会在北京科音的“分子动力学与GROMACS培训班”里深入讲解,本文中只是用到哪说到哪。

1 用Packmol产生溶剂分子球完全包裹溶质的体系

Packmol是常用的构建动力学模拟体系的程序,一般在Linux下运行。下载后解压,运行make即可编译,然后把Packmol加入到PATH环境变量中后即可使用。
将靛青分子和水分子的pdb文件准备好,分别叫indigo.pdb和H2O.pdb。写一个叫做mix.inp的Packmol输入文件,内容如下
tolerance 2.0
output ball.pdb
filetype pdb
structure indigo.pdb
number 1
center
fixed 0. 0. 0. 0. 0. 0.
end structure
structure H2O.pdb
number 350
inside sphere 0. 0. 0. 10.
end structure
这代表将靛青置于体系中央,然后在距离靛青中央10埃的球形空间内填充350个水,而且不能与靛青有不合理接触。运行packmol