摘要：VCD与ECD是两种重要的立体化学结构确证方法。当化合物在紫外区没有科顿效应时，需要用VCD来进行结构确证。本教程叙述了如何用Gaussian计算柔性化合物的VCD图谱，包括：1）构象搜索生成多构象文件；2）导入构象搜索结构，批量进行VCD计算；3）玻尔兹曼加权生成VCD图谱。

作者：肖高铿
日期：2018-01-09

一. 振动圆二色性谱简介

圆二色性谱(CD)常用于化合物的立体化学结构确证。电子圆二色性谱(ECD)适用于在紫外区有Cotton效应的化合物，而VCD适用于紫外区没有Cotton效应的化合物结构确证。本文介绍了VCD的计算流程，包括：如何生成化合物的构象、对每个构象进行优化与VCD计算、以及对多个构象进行玻尔兹曼加权平均得到最终图谱。

二. 计算流程

VCD的计算流程与ECD一样，需要先对化合物进行构象搜索、对每个构象进行优化、计算VCD、再对每个构象的VCD图谱按玻尔兹曼进行加权平均得到最终的图谱。因此本教程包含了下列步骤：

  1. 构象搜索

    2. 构象搜索可以采用CONFLEX来进行，其特点在于（1）采用穷尽地构象搜索策略；（2）考虑熵变；（3）可以考虑溶剂效应。因此，采用CONFLEX可以方便对构象进行初步排序，具体操作步参见：《CONFLEX教程 | 构象搜索》

    构象搜索还可以用GMMX，GMMX提供了多种策略进行构象搜索，目前与GaussView完全整合作为一个独立模块使用，教程见：GaussView 6 | Help | Tutorial | GMMX Conformer Tutorial。

    除了CONFLEX与GMMX之外，用Forge与Torch还可以进行构象搜索，见《Torch教程|构象搜索》，适用于Torch的教程都适用于Forge。

  2. VCD计算
  3. 生成玻尔兹曼加权平均的VCD图谱

本教程还适用于红外，拉曼，NMR的图谱预测。

三. 具体操作流程

以图1化合物desflurane为例，说明VCD计算的流程。

图1. 算例化合物desflurane

3.1 构象搜索

这里我们准备了一个已经用CONFLEX完成构象搜索的文件：desflurane_conflex.sdf

根据CONFLEX的MMFF94力场、吉布斯自由能的计算，构象分布如下表1所示。

表1. CONFLEX计算结果
CONFLEX构象分布

从GPOP（根据吉布斯自由能计算的玻尔兹曼分布）列可以看出，前7个构象占据了99.6%的构象空间，用这7个构象计算的性质可以模拟化合物的真实性质。

3.2 VCD计算

  1. 用GaussView 6读入CONFLEX的构象搜索结果文件

    2. GaussView File|Open 选取desflurane_conflex.sdf, 点击Open File按钮读入文件。

  2. 选取合适的构象

    3. 如图2所示，拉动滚动条，找到TOTAL GIBBS FREE列(步骤1)。点击这个条目，可以对行进行排序，我们让它从低到高排序。按住SHIFT键，用鼠标选中能量最低的7个构象。

    注意：在Reading MDL SDF file对话框里有BOLZMANN POPULATION%列，这个构象分布是根据构象能(势能)计算，而不是吉布斯自由能！我们推荐用吉布斯自由能来计算构象分布。

    确保Target处为Single new molecule group for all molecules,点击OK按钮，这时被我们选中的7个构象被打开（见图3）。

    READ MDL SDF file

    图2. 构象选取

    desflurane的构象

    图3. GaussView 6观察desflurane的7个构象

  3. 批量结构优化与VCD计算

    4. 我们现在开始对Desflurane的不同构象进行精确的构象优化与VCD光谱计算。

    GaussView | Calculate | Gaussian Calculation Setup

    Gaussian Calculation Setup

    图4. 开始设定Gaussian计算作业

    在Job type选项卡里选择作业类型为Opt+freq，表示我们要进行Optimizaiton与Frequency计算，并将Compute VCD按钮打钩表示我们要进行VCD计算。

    Job type

    图5. 作业类型的设定

    如图6所示，在Method选项卡里确保Method处为Ground state，并且采用DFT在APFD/6-311g(2d,p)理论水平进行计算。

    Method

    图6. 计算方法的设定APFD/6-311g+(2d,p)

    因为我们要对7个构象采用同样的参数进行计算，所以要点击一下右下角的Assign to Molecule Group按钮(图6步骤7)；再点击submit按钮，提交作业，会有消息框提示您是否保存作业文件，点击Save按钮，弹出Save Input file对话框。

    Advance按钮

    图7. 保存输入文件的Advance按钮

    点击Advanced按钮, 会打开Save Structure File对话框，可以让我们一键保存7个构象的Gaussian输入文件。

    如图8所示（步骤1），将Save Molecule Group设置为“Yes, separate file for each molecule”。

    save

    图8. 设置保存文件方法

    然后点击选择:Actions | All Items | Include molecule numbers in file names，给每个构象生成一个带”_数字”后缀的输入文件,如图8所示。

    如图9所示，确认需要保存的输入文件都被打上“对勾”，点击Save。

    save

    图9. 设置要保存的文件

    在Submit job对话框中（图10）勾选“Confirm submission of Jons at SCJonMan”，点击Yes按钮开始计算。

    作业提交

    图10.将作业提交给SCJobMan开始计算

3.3 VCD的图谱生成

1. 打开log文件

GaussView | File > Open File 选中生成的7个log文件，注意确保Target下拉选项为“Single New Molecule Group for all files”，如图11所示，点击Open按钮。

Open Results

图11. 打开log文件

结果如图12所示，将7个化合物都展示出在视窗里。

7个log文件

图12. 7个打开的log文件

2.生成图谱

GaussView | Results > Vibrations; 在打开的Vibration窗口里点击Spectra按钮，然后在Vibratiopn Spectra对话框Polt下拉选项里选择Mixture Spectra，如图13所示。为了操作方便，点击Plot下拉选项里的IR，可以隐藏红外图谱而仅展示VCD图谱。

打开图谱

图13. 生成图谱

现在我们可以看到VCD图谱，但这个图谱是多个个构象的图谱叠加在一起的结果，杂乱无章不可解释（图14）：既有每个构象的图谱，也有每个峰的棒图。接下来，我们要将单个构象的峰对应的棒图隐藏、仅保留各个构象的VCD图谱以及按Boltzmann加权平均得到最终图谱。

VCD图谱

图14. VCD图谱

在Vibration Spectra的Plot下拉菜单里选择Mix Editor设定图谱的展示方式（图15步骤1）。先设定组合图谱(7个构象的玻尔兹曼加权平均图谱)特性：在Combination区，设定Plot Style为Curve（图15步骤2）；点击Stick Pen设定Style为None；点击Curve Pen，设定Style为Dash，Width设为2.0px。

编辑组合曲线

图15. 编辑VCD组合图谱曲线，设定玻尔兹曼图谱的外观为2px宽的虚线

点击标题行Weight处，该列则被选中。将鼠标移植Weight下面的任意一行，点击鼠标右键，选择“Assign Bolzmann Population Weights”。你会发现，每个构象的权重由1变为Bolzmann权重，如图16所示。

加权

图16. 设定每个构象的权重

现在开始设定每个构象的VCD曲线风格，如图17所示，在Plot Style列，单击任意一个格子，选择风格为Curve。依次将每个构象的Plot Style都设为Curve。

每个构象的VCD风格

图17. 设定每个构象VCD图谱的风格为Curve

图谱绘制风格设定完毕，点击OK按钮退回VCD图谱界面，在图谱上点击右键，去掉Legend（图例），结果如下图18。

VCD图谱

图18. VCD图谱：其中虚线为7个构象的Boltzmann加权平均图谱

图谱可以用数据点的方式导出，可以方便在Excel之类的工具里重新绘制、比较（比如与实验值比较）等等。

四. 相关教程

  1. Vibtrational Circular Dichroism. Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods. 3rd Edition. Page281-289

    2. 强烈推荐阅读，采购该书：http://store.molcalx.com.cn/index.php/product/expl-chem

  2. CONFLEX教程|构象搜索

    3. 本教程提供了CONFLEX的详细操作流程,CONFLEX的试用与下载：http://www.conflex.net

  3. Gaussian教程 | ECD计算

    4. 本教程提供了详细的ECD计算操作步骤

  4. GaussView 6自带教程

    5. GaussView 6 | Help | Tutorial | GMMX Conformer Tutorial

  5. Gaussian教程 | 计算分子的拉曼光学活性(ROA)
  6. Gaussian教程 | 计算分子的比旋光度
  7. Gaussian教程 | NMR图谱与耦合常数的计算

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