摘要:在《Gaussian教程–ECD计算》一文已经详细描述过如何预测ECD图谱,但是还有许多人要求更详细的说明,尤其是如何生成Excel报告。本文以Dexmedetomidine的ECD图谱预测为例,详细说明了如何用Excel进行后期的数据处理,包括:ECD图谱的生成,玻尔兹曼权重的计算,加权平均图谱的生成等等。还演示了如何用SpecDis生成玻尔兹曼加权平均图谱。

前言

《Gaussian教程–ECD计算》一文已经详细描述过如何预测ECD图谱,但是还有许多人要求更详细的说明,尤其是用Excel生成报告。本文以Dexmedetomidine的ECD图谱预测为例,详细说明了用Excel进行数据处理的完整过程。

算例化合物

化合物结构

ECD图谱预测与生成Excel报告-墨灵格的博客

Dexmedetomidine

SMILES代码

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C[C@@H](c1cccc(C)c1C)C2=CNC=N2

准备初始的3D结构

可以用Chem3D绘制算例化合,再用MMFF94优化,保存为MDL MOL FILE格式文件;或者用GaussView 6绘制结构,clean up后,保存为MDL MolFile格式文件(注意:不是MDL MolFile 3000)。我已经准备好了一个文件:Dexmedetomidine.mol。可以点击下载使用。

构象搜索

我们提供了molconflex.MPI脚本程序来调用CONFLEX进行构象搜索。该命令以MDL MOL FILE格式的3D结构文件为输入文件,默认采用12个核心进行构象搜索计算。因此,此处的输入文件(也就是命令的参数)为Dexmedetomidine.mol。

构象搜索的命令如下:

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molconflex.MPI Dexmedetomidine.mol

请耐心等待构象搜索完毕,标记是命令行提示符又回来了。CONFLEX生成的全部文件都保存在一个以conflex为前缀的文件夹里,此处为conflex.Dexmedetomidine。用ls命令查看该文件夹的内容:

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ls conflex.Dexmedetomidine
Dexmedetomidine.bso  Dexmedetomidine.ls1  Dexmedetomidine.mol
Dexmedetomidine.fxf  Dexmedetomidine.ls2  Dexmedetomidine.sdf
Dexmedetomidine.fxo  Dexmedetomidine.ls3
Dexmedetomidine.ini  Dexmedetomidine.ls4

该文件夹有两个文件很重要:Dexmedetomidine.ls4与Dexmedetomidine.sdf。ls4文件给出了每个构象的构象分布,用less命令可以查看:

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less conflex.Dexmedetomidine/Dexmedetomidine.ls4

我们关心下面的这个部分:

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 ========================================================================================================================================
              CONF.                                                                                          SYM. POINT              NO.
       NO.     ID        HE         TSE        GE        DGE      GPOP       SE       DSE      EPOP   CHIRAL NUM. GROUP INIT. REOPT. NEG.
 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
        1   00000001   221.5036    35.6694   185.8342    0.0000  45.1652    48.8457   0.0000  47.0162    T     1     C1    T     F     0
        2   00000006   222.0239    35.9992   186.0247    0.1904  32.7496    49.2567   0.4110  23.4962    T     1     C1    T     F     0
        3   00000004   221.8718    35.5998   186.2719    0.4377  21.5750    49.1525   0.3068  28.0111    T     1     C1    T     F     0
        4   00000002   223.9685    35.1435   188.8250    2.9908   0.2901    51.2498   2.4041   0.8129    T     1     C1    T     F     0
        5   00000003   224.0975    35.1066   188.9909    3.1567   0.2193    51.3723   2.5266   0.6611    T     1     C1    T     F     0
        6   00000005   227.4734    35.1810   192.2923    6.4581   0.0008    54.6699   5.8242   0.0025    T     1     C1    T     F     0
 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

除了在linux命令行可以查看外,你还可以将这部分内容复制到Excel表格进行分析。我们关心CONF. ID列,GPOP与EPOP列。其中GPOP与EPOP分别根据吉布斯自由能与张力能计算的玻尔兹曼分布。很明显,无论是GPOP还是EPOP,构象00000001,00000006与00000004占据了主要的构象空间,玻尔兹曼分布分别为:99.49%与98.53%。

而Dexmedetomidine.sdf文件则保存了全部搜索到的构象。构象在该文件中是按EPOP从高到低排序,我们可以输出该文件中CONF ID的顺序,用gawk命令就可以:

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gawk '/CONFORMER_ID/{getline;print}' conflex.Dexmedetomidine/Dexmedetomidine.sdf

结果如下:

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00000001
00000004
00000006
00000002
00000003
00000005

很明显,CONFORMER_ID是按EPOP从高到低排序的。了解这一点对于我们挑选化合物的构象很重要。接下来,我们就要将Dexmedetomidine.sdf中的每一个构象都提取出来,脚本molsplit可以方便的拆分结构:

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molsplit conflex.Dexmedetomidine/Dexmedetomidine.sdf

结果提示:

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There is 6 conformer(s) in the conflex.Dexmedetomidine/Dexmedetomidine.sdf.
6 molecules converted
6 files output. The first is CONF_1.mol2

molsplit将6个构象从sdf文件中提取出来,按EPOP从高到低依次保存为TRIPOS MOL2格式文件,它们的命名规则为CONF_n.mol2, 其中n为从1开始的整数。本算例中生成了CONF_1.mol2, CONF_2.mol2... CONF_6.mol2等6个文件,分别与ls4的CONF. ID 00000001, 00000004, 00000006, 00000002, 00000003与00000005对应。

DFT结构优化与TD-DFT激发态计算

脚本程序m2ecd用于将mol2或sdf格式的3d分子结构转化为Gaussian输入文件,并进行DFT结构优化与频率计算以及TD-DFT激发态计算。以CONF ID为00000001的CONF_1.mol2文件为例,命令如下:

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[gkxiao@master Dexmedetomidine]$ m2ecd CONF_1.mol2
Please select a solvent by type a number:
 1-Methanol; 2-Acetonitrile; 3-Chloroform 4-others: 1
The solution is Methanol
Please select method and basis set by type a number:
 1-APFD/6-311+g(2d,p); 2-B3LYP/6-311+g(2d,p);3-other: 1
1 molecule converted
Submitted batch job 2962372

根据提示,选择您需要的溶剂进行DFT计算与TD-DFT计算。如果你所需要的溶剂没被列出,则选择4,并根据Gaussian在线手册SCRF关键词选择合适的溶剂;同时还要指定计算的方法与基组。m2ecd根据分子的电荷自行设定电荷与自选多态性,请务必对生成的Gaussian文件进行检查,确保结构、电荷与自旋多态性都是对的

当你的溶剂、计算方法与基组选定之后,m2ecd会自动提交计算作业。默认采用Torque的PBS进行作业管理,你可以在后续通过Torque进一步用管理提交的作业。注意到第8行2962372是作业管理系统的作业号,记住这个号码很重要。

m2ecd为每个构象生成了4个文件,以CONF_1.mol2为例,分别生成了CONF_1_min.com, CONF_1_ecd.com, CONF_1_min.pbs与CONF_1_ecd.pbs四个文件。其中.com文件是gaussian计算的输入文件,.pbs是作业管理系统的脚本文件。gaussian计算就是通过管理系统来进行作业的提交、排队、挂起(暂停)、取消以及查询状态等操作。

PBS常用命令,可以bing或百度搜索Torque说明书或教程进一步了解,这里介绍少数几个命令:

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qstat -f 2962372     #查询作业号为2962372的作业状态
qdel 2962372         #取消作业号为2962372的计算作业
qsub CONF_1_min.pbs  #提交CONF_1_min.pbs作业

你可以在m2ecd生成作业脚本的基础上,根据需要修改.com或.pbs文件,然后再提交作业。

作业计算完毕,每个构象会生成四个文件:

  1. _min.log文件
  2. _min.log是Gaussian的DFT优化与频率计算的结果文件,我们需要从中提取构象的自由能以计算玻尔兹曼权重

  3. _ecd.log文件
  4. _ecd.log是Gaussian的TD-DFT激发态T计算的结果文件,用于生成ECD图谱用。

  5. _min.chk文件
  6. _min.chk是Gaussian的DFT结构优化与频率计算的检查点文件。

  7. _ecd.chk文件
  8. _ecd.chk是Gaussian的TD-DFT进行激发态计算的检查点文件。

  9. .heat文件
  10. 从2020年版本开始的m2ecd会提取频率计算的构象自由能用于计算玻尔兹曼加权。

  11. .cd.bil文件
  12. 从2020年版本开始的m2ecd会自动提取ECD图谱生成.cd.bil文件。与上面的.heat文件放在同一个目录下,可以直接用Specdis生成玻尔兹曼加权平均图谱(见视频演示:用SpecDis绘制图谱)。

此外,PBS作业管理系统也会生成两个日志文件:_PBS.err与_PBS.log。先不用管它们,对分析异常有帮助。

单个构象的ECD图谱绘制

跟据_ecd.log文件生成ECD图谱的具体操作步骤之前在《Gaussian教程–ECD计算》已经详细描述过,先用GaussView 6生成图谱并保存为文本格式的图谱文件,再用Excel等其它工具进一步处理。这里,我用Excel绘制了ECD图谱,详见附件:ECD_spectra.xlsx

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图2. 六个构象的ECD图谱各不相同(波长取值范围200-300nm)

玻尔兹曼权重计算

玻尔兹曼权重的计算方法在Gaussian教程 | NMR图谱与耦合常数的计算中已经详细描述过。简单地讲,就是从每个构象的_min.log文件里寻找"Sum of electronic and thermal Free Energies"行的能量值进行权重计算,结果如表1所示。

表1. 根据DFT优化与频率计算结果计算玻尔兹曼权重

CONFORMER Ei(Hatree) ΔEi (KJ) -ΔEi/RT qi=e-ΔEi/RT Weight
CONF_1 -163.992870 3.890991 -1.57 0.208 0.096
CONF_2 -613.993685 1.751209 -0.706 0.493 0.229
CONF_3 -613.994352 0 0 1 0.464
CONF_4 -613.992396 5.135478 -2.072 0.126 0.058
CONF_5 -613.992393 5.143355 -2.075 0.126 0.058
CONF_6 -613.992853 3.935625 -1.59 0.204 0.095
∑qi= 2.16

其中,权重Weight=qi/∑qi

具体的计算过程详见附件:ECD_spectra.xlsx

由表1可知,根据DFT计算的权重与MMFF94s力场计算的权重完全不同:根据MMFF94S力场的EPOP,有3个构象的空间分布不到1%,而DFT计算结果表明这六个构象都占据约5%以上的构象空间!一般用DFT方法计算的权重来对多个图谱进行“混合”绘制最终的图谱。

加权平均ECD图谱绘制

用GaussView6很容易实现对多个图谱按权重“混合”得到加权平均的图谱,详见《Gaussian教程–ECD计算》视频。也可以用Excel处理,在表单上每个构象图谱的Epsilon列乘以权重,再加和就得到新的图谱(图2),加权图谱生成过程详细见附件:ECD_spectra.xlsx

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图2. 加权平均图谱

计算图谱与实验图谱的比较

将实验图谱与预测图谱都读入到同一个excel里,对计算图谱进行必要平移与缩放。百度会找到很多平移与缩放的教程,这里就不再重复说明了。

视频演示:用SpecDis绘制图谱

准备工作

SpecDis下载:https://specdis-software.jimdofree.com

演示材料下载:Spectra.zip

在演示材料里包含了同名的(1).heat后缀文件,该文件只有1行内容,为化合物构象自由能,单位为kcal/mol;(2).bil后缀文件,该文件是计算的ECD图谱,包含两列,其中一列为波长,另一列为Rotatory Strengths。

其中Heat文件用Specdis | Tools | extract heat读取对应的优化与频率计算结果文件(_min.log)生成。也可以手工生成,该文件仅包含一行以kcal/mol为单位的能量值。bil文件用Specdis | Tools | extract spectra读取对应的TD-DFT计算结果文件(_ecd.log)生成。bil文件可以手工一个一个生成。详细方法见SpecDis说明书。

注:2020年新版的m2ecd会自动提取ECD图谱生成.bil文件以及自动生成.heat文件,可以直接用SpecDis生成Boltzmann加权平均图谱。

单构象的图谱生成

Specdis | File | Open | 打开_ecd.log文件。生成的图谱可以保存为.xy的数据点格式或.bil文件。其中.bil文件在后面的玻尔兹曼加权图谱生成中要用到。

玻尔兹曼加权平均图谱

需要预先准备每个构象同名的.bil与.heat文件,保存与同一个文件夹里。这里我们准备了演示文件spectra文件夹,包含了6个构象的.bil与.heat文件。视频演示了如何用Specdis | Tools | sum spectra 生成Boltzmann加权图谱。

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