Materials Studio官方教程：Forcite——编辑力场【1】

3、监测扭转角

现在已经确定了要更改的扭转角，可以开始更详细地查看该扭转角的能量分布。通过计算扭矩旋转360°时的单点能，Conformers计算将提供该能量分布。

右键单击TATNBZ_molecule.xsd，从弹出的快捷菜单中选择Label，打开Label对话框。确保Object type已设置为Atom，从Properties列表中选择Name。单击Apply按钮。

使用Measure/Change工具在硝基上定义原子序列为O5-N5-C5-C4的扭矩。

在Label对话框中，单击Remove按钮，关闭对话框。

将使用Conformers模块系统性地旋转扭矩，并在每点计算能量。

单击Modules工具条上的Conformers按钮，在下拉列表中选择Calculation，打开Conformers Calculation对话框。单击Torsions...按钮，打开Conformers Torsions对话框。

将# Steps修改为72，关闭对话框。

在Energy选项卡中，将Forcefield设置为Dreiding，并将Charges更改为Charge using Gasteiger。单击Run按钮，关闭对话框。

当计算结束后，即可以查看扭矩-能量图，从而观察能量分布。

在数据表中选择B列和C列，单击Quick Plot按钮。将图表文件重命名为Dreiding_Original.xcd。

Dreiding力场计算硝基-苯扭转角的扭矩-能量图

从扭矩-能量图中可以看出，在0°和180°处存在两个绝对值较大的能量最大值，这为旋转提供了约14 kcal mol^-1的势垒。通过检查晶体结构，可以预期在0°和180°处存在能量最小值，而不是扭矩-能量图所示的最大值。

也可以将这个势能面与DMol³预测的势能面进行比较。由于已经有一个包含构象的数据表，可以使用DMol³模块来计算每个构象的能量。

注意：由于此计算需要精确的能量，将使用较高的精度设置，此计算可能需要一个多小时。Examples\StudyTables文件夹中提供了包含计算结果的数据表。如果希望使用此文件，请跳过接下来的两个步骤。

在数据表中，选择A列。单击Models按钮，打开Models对话框。定位至DMol³ Molecular Energy模型，双击并编辑。

对于该计算，需要精确能量。应使用高精度泛函和收敛标准。

在Model Editor - DMol3 Molecular对话框的Inputs选项卡中，将Functional修改为BLYP，Quality level修改为Fine。单击Save按钮，关闭对话框。在Models对话框中单击Run按钮。

高精度的精度等级不仅更改SCF收敛标准，同时也改变其他设置，如基组。该计算需要一定时间才能完成，建议远程运行或隔夜运行。必须等待计算完成，才能进入下一步，也可导入示例数据表。

打开数据表，或从Examples\StudyTables\TATNBZ_conformers.std导入示例数据表。

将观察到Total Energy (DMol3 Molecular)的单位为Hartree，因此需将其转换为kcal mol^-1 (1 Hartree = 627.51 kcal mol^-1)。假设总能量列为列D，则需要定义一个函数D×627.51。一旦完成单位转换，应该像绘制原始构型图一样绘制能量图。

单击Define Function按钮，打开Define Function对话框。在Expression文本区输入D*627.51。输入DMol3 Total Energy (kcal/mol)作为Name，单击OK按钮。选择包含扭转的列和新创建的列，单击Quick Plot按钮。

注意：能量的绝对值将非常高，因为它们没有使用DMol3进行优化。然而，这里只关心相对势垒高度，而不关注能量绝对值。

DMol³单点能的二面角-能量图

从图表中可以看出，势垒高度约为14 kcal mol^-1。在本教程的后面部分，将尝试从力场计算中获得相同的近似势垒高度。

现在已计算了由Conformers和DMol³预测的能量分布，可以将其与Dreiding中的扭矩项进行比较。Forcefield Manager用于创建标准力场的可编辑副本。

单击Modules工具条上的Forcite按钮，在下拉列表中选择Forcefield Manager。在Standard Forcefields部分，选择Dreiding。单击>>按钮。关闭对话框。

将在工程中创建Dreiding力场的副本，并打开Dreiding.off力场供编辑。力场文档由四个选项卡组成：

Summary - 包含描述力场的摘要文本。

Types - 包含力场类型及其关联的属性。

Interactions - 包含主要的相互作用，如价键项和非键项。

Equivalences - 包含等效相互作用的定义。

编辑力场之前，可以更改力场文档的名称。

在Project Explorer中，将力场文档的名称更改为Dreiding_new.off。

现在已准备好查看力场文件。

在Dreiding_new.off文件中，选择Types选项卡。

其中包含Dreiding中可用的力场类型，以及每个力场类型的类型、元素和范德华参数的说明。可以使用Forcefield Type Properties对话框上的复选框显示其他属性，例如杂化、电荷和氢键。

有许多力场类型描述每个元素的不同局部环境，有些元素具有多个力场类型。滚动浏览所有这些内容会很枯燥，因此可以按力场类型过滤显示的内容。过滤器框在力场文档中显示为黄色。

在黄色的Type Filter文本框中，输入C_*并单击ENTER键。

现在，Types对话框中仅显示与碳原子有关的原子类型。

将Type Filter更改回*。

也可以按3D模型文档中存在的力场类型进行过滤。

勾选Filter by selection in，在下拉列表中选择TATNBZ_molecule.xsd。

将看到一个警告对话框。这是因为分子中的原子没有力场类型。可以使用Forcite Calculation对话框分配力场类型。

打开Forcite Calculation对话框。在Energy选项卡中，单击与Forcefield关联的More...按钮，打开Forcite Preparation Options对话框。取消选择Forcefield types的Calculate automatically复选框，将TATNBZ_molecule.xsd更改为当前文档。单击Calculate按钮。再次勾选Calculate automatically。关闭所有Forcite对话框。

这计算了TATNBZ_molecule中原子的力场类型。需要刷新力场文档中的力场类型。

将Dreiding_new.off更改为当前文档。重新选择TATNBZ_molecule.xsd。

此时可以观察到代表文档中的原子的四个力场类型，和一个虚拟力场类型。

Dreiding_new力场文件，显示了力场类型信息

本例中所关注的是芳香族碳C_R和芳香族氮N_R之间的扭转角。

打开Interactions选项卡。将Show interaction更改为Torsion。

扭矩项有六种不同的组合。可以更改Functional Form过滤器以查看不同的选项。

单击Functional Form过滤器并选择Dihedral。

显示描述扭矩的二面体函数形式中使用的参数值。在线帮助中记录了所有参数。

选择显示的行之一，然后按下F1键。

将显示帮助，显示不同的函数形式。二面体扭转的函数形式为：

可以使用之前生成的Conformers数据表绘制纯扭矩项的变化，并比较Conformers和DMol³得出的整个能量表达式的函数形式。对于力场相互作用，将上述方程中的B_j替换为25，d替换为1，n_j替换为2。将使用数据表中B列的角度值，转换为弧度。

使得TATNBZ_conformers.std为当前文档，打开Define Function对话框。在Expression文本区，输入(25*(1-1*cos(2*B*0.0174532925)))/2。将Name设置为Dihedral from Dreiding，单击OK按钮。选择B和J列，单击Quick Plot按钮。

生成的图表应与下面的图表相匹配，显示与DMol³图相对应的最小值和最大值，但能垒高于预期。

使用X C_R N_R X扭矩力场编辑器得到的纯二面角分项绘制二面角-能量图

从上面的图中，可以看出二面角扭转看起来是合理的。这表明问题一定出在其他地方。在下一节中，将研究非键项，以了解它们如何影响扭转能量。

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