摘要：本文介绍了静电势，表面静电势，亲核性和亲电性的基本概念，并以苯甲基磺酰氟为例，详细说明了如何利用Gaussian和GaussView程序绘制分子表面静电势，并将表面静电势投影到分子表面以便进行分析。

作者：陈宇
日期：2018-12-19

分子表面

一. 基本概念

1.1 静电势（Electrostatic Potential）

分子周围某一点的静电势通常被定义为将一个单位正电荷从无穷远处移动到这一点所需做的功。（简单地讲，如果不考虑其他因素，当分子周围空间某一点静电势为正值时，意味着这一点对正电荷是排斥的；相反，如果某一点静电势为负值时，则意味着这一点对正电荷是吸引的）

1.2 表面静电势（Electrostatic Potential Surfaces）

表面静电势是指在分子周围某个曲面上静电势的分布, 通常我们会使用电子密度的等值面。

1.3 亲核性（nucleophilicity）

指某物质向其他分子或离子贡献电子的能力。

1.4 亲电性（eletrophilicity）

指某物质从其他分子或离子获得电子的能力。

二．基本原理

首先利用Gaussian程序计算分子稳定构型下的波函数，当得到波函数的信息后，就能够计算出分子周围空间各点的电子密度，此时就能够在选定的任意值的等电子密度面上计算各个点的静电势，最后将不同的静电势值用不同的颜色表示出来，就完成了分子表面静电势图的绘制。

三．具体步骤

为了得到一个较为准确的分子表面静电势图，我们可以采用如下的流程：

  1. 首先对分子进行结构优化，获取气相或液相下能量最低的构象作为稳定构象。
  2. 以上述的稳定构型作为初始结构，在更大的基组下进行单点能计算，以获得更为准确的分子状态波函数，同时保留检查档文件。
  3. 利用GaussView和保存的检查档文件绘制分子表面静电势。

在这个教程中，我们以苯甲基磺酰氟（一种蛋白酶抑制剂）为例，依照上述流程逐步获得稳定构象下分子状态波函数，并最终绘制分子表面静电势。

3.1 结构优化

利用GaussView构建苯甲基磺酰氟分子结构，然后进行结构优化，得到最稳定构象。对于较为柔性的分子，需要进行构象搜索以确保覆盖所有可能的构象，取其中的最低能构象或感兴趣的构象进一步进行QM优化。对苯甲基磺酰氟分子进行结构优化的输入文件：

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# apfd/6-31g(d)  opt  freq
 
PMSF-opt
 
0 1
 C                  0.00000000    0.00000000    0.00000000
 C                  1.39580000    0.00000000    0.00000000
 C                  2.11570000    1.20140000    0.00000000
 C                  1.40220000    2.40870000    0.00990000
 C                  0.00470000    2.41260000    0.01300000
 C                 -0.69670000    1.20720000    0.00960000
 H                 -0.52620000   -0.94810000   -0.02520000
 H                  1.95410000   -0.93840000   -0.03770000
 H                  1.94890000    3.34770000    0.00080000
 H                 -0.52870000    3.35670000    0.00700000
 H                 -1.78080000    1.20590000   -0.00120000
 C                  3.62720000    1.20320000    0.04920000
 H                  4.01540000    2.22580000   -0.00040000
 H                  3.98850000    0.73650000    0.97040000
 S                  4.33290000    0.32360000   -1.33900000
 O                  5.61900000    0.92210000   -1.64870000
 O                  4.22420000   -1.10690000   -1.11460000
 F                  3.43730000    0.63360000   -2.56290000
!此行为空白行，复制之后请保留空白

3.2 用更大的基组进行单点计算并保存检查档文件

用上述得到的稳定构象作为初始结构在更大的基组下进行单点计算，同时保存检查档文件。对苯甲基磺酰氟分子的稳定构象进行单点计算的输入文件：

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%chk=PMSF-esp.chk
# apfd/6-311+g(2d,p)
 
PMSF-esp
 
0 1
 C                 -2.67913100    1.22745300    0.13058900
 C                 -1.39214900    1.18989600   -0.39740100
 C                 -0.77197600   -0.03671700   -0.64673500
 C                 -1.44380800   -1.22395400   -0.34791700
 C                 -2.73195700   -1.18608000    0.17822000
 C                 -3.35139600    0.03981200    0.41675200
 H                 -3.15696100    2.18500200    0.32091500
 H                 -0.85973400    2.11438300   -0.60714200
 H                 -0.95444400   -2.17911300   -0.52513300
 H                 -3.25128100   -2.11388400    0.40417600
 H                 -4.35749400    0.06982700    0.82763100
 C                  0.62346600   -0.08046300   -1.18498700
 H                  0.86855900   -1.02588000   -1.67679300
 H                  0.83930900    0.73605700   -1.88235200
 S                  1.86792900    0.12151000    0.10065300
 O                  3.18155000   -0.13842500   -0.44356700
 O                  1.58642700    1.28359700    0.91026200
 F                  1.48034300   -1.16351300    0.98928500
!此行请保留空白，所有的空白行不可忽略

其中，第1行%chk=PMSF-esp.chk指示程序保存检查档文件，文件名为PMSF-esp，后缀为.chk。

注意：对于在Linux平台进行计算的用户，生成的.chk文件不能在Window下用GaussView直接打开，需要转化为fchk文件后再读入GaussView。

formchk命令可以将不可直接用肉眼阅读的二进制chk文件转化为格式化的、容易阅读的fchk文件：

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formchk  PMSF-esp.chk PMSF-esp.fchk

更新目录，我们会发现生成了一个新的文件：PMSF-esp.fchk。

3.3 用GaussView绘制分子表面静电势

具体步骤如下：

  1. 用GaussView打开上述生成的PMSF-esp.fchk文件，然后在Results的下拉菜单中点击Surfaces/Contours，调出Surfaces and Contours对话框（图1）。
    2. GaussView Surfaces and Contours对话框

    图1. Surfaces and Contours对话框

  2. 在对话框右上角Cube Actions的下拉菜单中选择New Cube，调出计算选项对话框（图2）。
    3. New Cube对话框

    图2. Cube Actions选项

    在确定好合适选项之后，点击Ok，Gaussian程序会进行计算，以得到需要的数据集。此时会跳出一个命令行窗口，表示Gaussian正在进行计算，当这个命令行窗口自动关闭后，计算完成。

  3. 当计算结束后，我们回到Surfaces and Contours对话框，在Surface Actions下拉菜单中选择New Mapped Surface，调出Surface Mapping对话框。
    4. Surface mapping对话框

    图3. Cube Actions选项

    当我们确定了合适的选项后，点击Ok，即可生成分子表面静电势图(图4)。

    分子表面静电势

    图4. 分子表面静电势

  4. 设置分子表面的透明度

    5. 在图4中，我们无法看到分子结构，这对我们确定分子不同区域的静电势来说是不方便的，因此需要将其调为透明状态。为了调节其透明度，我们首先将光标放置在静电势图区域，然后右击鼠标，在View的下拉菜单中选择Display Format，调出Display Format对话框(见图5)。通过拉动Transparent滑动条，我们可以调整静电势图的透明度，以满足不同的需求。

    分子表面静电势

    图5. 分子表面透明度的调整

3.4 结果分析

图中红色区域静电势值为负，表示这一区域更容易给出电子，或者说相对于其他区域更具有亲核性；而蓝色区域静电势值为正，表示这一区域更容易获得电子，相对于其他区域更具有亲电性。

3.5 小结

在这个例子中，我们选用了苯甲基磺酰氟作为研究对象，苯甲基磺酰氟是一种蛋白酶抑制剂，在研究蛋白酶与抑制剂的相互作用时，通过绘制抑制剂和蛋白酶的分子表面静电势图，可以为我们了解相互作用模式提供重要的参考。

四. 相关应用

分子表面静电势与分子的酸度有很强相关性，可以用来评估化合物不同位置的pKa，详细见Liu等人[1]的研究。

五. 相关教程

  1. GaussView 6系列教程

    2. GaussView 6系列教程包含了5个视频、对应五个主题：（1）搭建分子；（2）Gaussian计算；（3）结果可视化；（4）3D结果可视化；（5）光谱与绘图。内容覆盖了如何画一个结构、生成计算作业、进行计算、结果分析与光谱计算等GaussView的入门教程。详情请访问：GaussView 6教程。

六. 文献

  1. Liu, S.; Pedersen, L. G. Estimation of Molecular Acidity via Electrostatic Potential at the Nucleus and Valence Natural Atomic Orbitals. J. Phys. Chem. A 2009, 113 (15), 3648–3655. https://doi.org/10.1021/jp811250r.

七. 联系我们

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