目的：介绍FlexTS模块与DMol³和DFTB+模块结合，在计算和优化多步反应路径中的应用。

所用模块：Materials Visualizer、DMol³、DFTB+、FlexTS

前提条件：绘制简单分子的可视化建模工具（Sketching simple molecules Visualizer）、绘制卟啉分子的可视化建模工具（Sketching a porphyrin Visualizer）教程

背景

在化学反应建模中，需要一种有效的方法识别和验证反应过渡态，这是理论化学中普遍存在的问题。一条化学反应路径通常有多个步骤，需要正确识别反应模拟路径中的中间状态。

介绍

本教程介绍FlexTS模块的主要工作模式，使用系谱聚类法研究分子开关萘酞菁的互变异构反应势垒(Liljeroth, Repp, Meyer, 2007)。首先，使用Materials Studio中的DFTB+模块搜索整个反应路径，该模块表明互变异构反应中存在两个独立等效步骤。然后使用DMol³模块精确确定其中一个势垒的过渡态结构，并得到整个开关的能量分布。

本教程包括如下部分：

• 开始

• 建立计算所需的分子构型

• 利用DFTB+计算反应路径并对分析计算结果

• 利用DMol³模块进行过渡态优化

注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将项目中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。

1、开始

首先启动Materials Studio并创建一个新项目。

打开New Project对话框，输入项目名MEP，单击OK按钮。

新项目将以MEP为项目名显示于Project Explorer中。

2、建立计算所需的分子构型

在本教程的这一部分中，将在两个不同的3D原子结构文档中构建反应物和生成物的结构。第一步是打开一个新的3D原子结构文档并绘制反应物萘酞菁的结构。

打开一个新的3D原子结构文档，将其命名为reactant_start.xsd。从卟啉核心开始，绘制出上图所示的反应物分子，中心H原子分列左右两侧。单击Clean按钮并保存文档。确认该分子有86个原子，其化学式为C₅₂H₃₀N₄。

提示：在绘制碳六元环时按住ALT键可以绘制苯环。

需通过运行DFTB+模块的结构能量最小化计算，确保反应物的起始几何结构合理。

打开DFTB+ Calculation对话框，将任务Task更改为几何优化Geometry Optimization，然后单击Run按钮。优化完成后，旋转生成的分子以确保所有原子处于同一平面上。

将生成的reactant_start.xsd文件复制到项目根目录下，并将其重命名为reactant.xsd。

接下来，通过修改反应物建立生成物模型，这将使得创建合理的反应物到生成物的轨迹更加便捷。

复制reactant.xsd文件的副本，并将新文件命名为product.xsd。在Atoms & Bonds工具栏中，单击Bonds按钮后的下拉菜单箭头，选择Monitor Bonding 。将中心处的H原子移动到另一组相对位置（顶部和底部），如上图所示。选中两个位于中心的H原子，单击Clean按钮并保存文档。

提示：为了使反应路径计算过程的可视化效果最佳，请保持实时检测成键功能打开。

下一步是创建一个原子正确匹配的初始轨迹。

打开reactant.xsd和product.xsd两个文档，并关闭所有其他窗口。在菜单栏中选择Window | Tile Vertically，使得两个结构并列显示。

打开Tools | Reaction Preview对话框，将反应物Reactant和生成物Product设置为打开的两种结构文件。单击Match...按钮打开Find Equivalent Atoms对话框。

下一步是确保反应路径的化学意义的关键。然而，由于生成物的结构是对反应物的结构修改后创建的，两种结构中所有原子的顺序都是相同的。因此可以直接实现反应物和生成物原子之间的正确匹配，并创建从反应物指向生成物的初始猜测轨迹。

在Find Equivalent Atoms对话框中，选择reactant.xsd文件中第一个未匹配原子和product.xsd文件中相应的第一个未匹配原子。单击Set Match按钮。等效原子分析会自动选择下两个未匹配的原子。一直单击Set Match按钮，直到反应物和生成物中所有原子都完全匹配为止。关闭Find Equivalent Atoms对话框。

在Reaction Preview对话框中，选中叠加结构Superimpose structures复选框，然后单击Preview按钮。

将新创建的轨迹文件重命名为naphthalocyanine.xtd，并选择Monitor Bonding选项。保存轨迹文件并关闭Reaction Preview对话框。

此时需要将轨迹文件重复播放几次，以确保所有原子已经正确匹配。如果不进行该操作，有时可能会观测原子在空间中不规则运动，与反应物或生成物没有任何联系。

提示：如果在播放轨迹时观测到不正常的原子运动，请返回Reaction Preview | Match...，确认已经在反应物和生成物中正确选择了等效原子进行匹配。

【系列教程】

Materials Studio官方教程：DFTB+——模拟电子输运【1】

Materials Studio官方教程：DFTB+——创建DFTB+参数【1】

Materials Studio官方教程：DFTB+——碳纳米管的几何优化

Materials Studio官方教程：Conformers——研究结构-能量之间的关系【1】

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