============= 10 使用样例 ============= 样例要求MView版本>=0.4.3，对Gaussian、ORCA等计算软件版本无特定要求。 10.1 3-氯吡啶与 :math:`CO_{2}` 的相互作用 ======================================================= 3-氯吡啶化学式为 :math:`C_{5}H_{4}NCl` ，对应结构式如下图所示 .. image:: ../_image/MView_10.1.1_s.png :align: center 如下图所示，本例将 :math:`CO_{2}` 置于吡啶环结构上方，\ 并尝试使用Gaussian软件计算 :math:`CO_{2}` 与3-氯吡啶距离 :math:`d` 距离增大时体系的能量变化情况。 .. image:: ../_image/MView_10.1.2_s.png :align: center 步骤如下： 1. 构建3-氯吡啶与 :math:`CO_{2}` 模型，并使用Gaussian软件分别对它们进行几何优化。\ 作为样例，这里使用B3LYP/6-31G进行优化，优化完成后，两分子主要键长如下图所示。 .. image:: ../_image/MView_10.1.3.png :align: center :width: 80% | 2. 在GaussView中新建一个窗口，将优化好的3-氯吡啶与 :math:`CO_{2}` 分子分别复制粘贴到窗口中，\ 这里将3-氯吡啶置于xy平面，并将 :math:`CO_{2}` 分子置于3-氯吡啶的上方。\ 实际上扫描过程中 :math:`CO_{2}` 分子与3-氯吡啶的相对角度对扫描结果会有一定的影响，出于简化这里暂不考虑。 .. image:: ../_image/MView_10.1.4.png :align: center :width: 80% | 3. 将模型保存为.gjf文件，注意保存过程需要保留化学键信息。如果保存得到的结果没有化学键信息，\ 可以在保存得到文件的计算任务栏中添加geom=connectivity关键字，再使用GaussView进行保存。 4\. 使用MView打开得到的.gjf文件，点击左下方分子团簇按钮，打开分子团簇界面。 .. image:: ../_image/MView_10.1.5.png :align: center :width: 80% | 5. 这时可以单击操作1中应用按钮，查看分子团簇的组成与分子中心，\ 可以看出在这里分子1是3-氯吡啶，几何中心为(0.1800,-0.7270,0.0000)，\ 分子2是 :math:`CO_{2}` ，几何中心为(-0.0811,-0.9471,2.9341)。 .. image:: ../_image/MView_10.1.6.png :align: center | 6. 本例打算扫描两分子距离在 3.0 Å至 6.0 Å下能量随距离的变化关系，\ 因而需要将两分子中心的初始距离设置为 3.0 Å。\ 首先利用操作2将分子1的中心移至原点，随后再将分子2的中心移至原点。 .. image:: ../_image/MView_10.1.7.png :align: center :width: 80% | 7. 使用操作4移动分子2（ :math:`CO_{2}` 分子），使其与分子1（3-氯吡啶分子）的距离为 3.0 Å。\ 如果两个分子几何中心不重合，操作4会沿两分子几何中心连线调整分子距离，\ 但这里两个分子几何中心重合，操作4会沿z轴向量(0,0,1)方向移动分子2。\ 操作完成后，可以使用操作1确认 :math:`CO_{2}` 分子的中心已被调整为(0.0000,0.0000,3.0000)。 .. image:: ../_image/MView_10.1.8.png :align: center :width: 80% | 8. 这里也可以使用图形可视化界面确认初始结构正确性，点击分子团簇界面右下角的导入MView按钮，\ 并点击MView的显示分子按钮，即可调用MView外接的可视化工具查看目前的结构信息，下图的展示中外接的是Jmol。 .. image:: ../_image/MView_10.1.9.png :align: center | 9. 关闭可视化工具，单击分子团簇重新打开分子团簇窗口。在操作6中，选择移动分子2，扫描步数设置为30，\ 步长为 0.10 Å，保存类型选择gjf_scan。gjf_scan对应的是Gaussian的内坐标格式扫描文件。点击右上角保存，\ 选择要保存的文件夹路径，注意此时不需要输入保存文件的文件名，保存成功后，\ 对应保存路径下会生成名为scan_file_gaussian.gjf的文件。 .. image:: ../_image/MView_10.1.10.png :align: center :width: 80% | 10. 打开scan_file_gaussian.gjf文件，可以看到扫描文件的构建方式是分别在两个分子中心添加了虚原子 :math:`X` ，\ 将两个分子键连至虚原子上，并扫描虚原子之间的距离。根据不同体系，可以对扫描文件做最后的微调。\ 例如这里 :math:`CO_{2}` 分子的C原子和虚原子重合，可以删除 :math:`CO_{2}` 分子的虚原子，\ 直接扫描 :math:`CO_{2}` 的 :math:`C` 原子与3-氯吡啶虚原子的距离。此外，还需要将扫描使用的方法更改为B3LYP/6-31G。 .. image:: ../_image/MView_10.1.11.png :align: center | .. image:: ../_image/MView_10.1.12.png :align: center | 11. 使用Gaussian运行得到的输入文件，可得到对应的扫描结果scan_file_gaussian.out（或.log），\ 使用MView或GaussView即可查看对应的扫描结果。可以看出3-氯吡啶与 :math:`CO_{2}` 大约在间距为 3.8 Å时能量最低，\ 结合能约为 0.1 kcal/mol。 .. image:: ../_image/MView_10.1.13.png :align: center :width: 60% | 10.2 :math:`C_{60}` 与巴基碗结构的 :math:`\pi` - :math:`\pi` 相互作用 ===================================================================== :math:`C_{60}` 俗称 “富勒烯” 或 “足球烯”，是由60个碳原子构成的类似足球的空心球体，\ 这个球体由12个正五边形和20个正六边形拼接而成，结构非常对称和完美。\ 它于1985年被发现，并在1996年获得了诺贝尔化学奖，\ 是纳米科技领域的里程碑式发现，至今仍是化学研究的明星分子。\ 巴基碗是一类碗状多环芳烃分子，可以视为包含了富勒烯或碳纳米管碎片的分子，\ 同样具有独特的电子性质。本例将通过计算一个钳形巴基碗结构分子与 :math:`C_{60}` 能量与距离的关系，\ 研究两者的相互作用。 .. image:: ../_image/MView_10.2.1.png :align: center | 步骤如下： 1. 构建钳形巴基碗分子与 :math:`C_{60}` 分子结构，\ 使用b3lyp/6-31g(d)将它们进行几何优化后组合起来，对得到的超分子结构再次进行优化，\ 最终得到稳定的复合产物。此时 :math:`C_{60}` 与钳形巴基碗结构分子\ 底部距离约为 9 Å，与壁部的距离约为 6 Å。 .. image:: ../_image/MView_10.2.2.png :align: center :width: 60% | 2. 将优化好的复合物超分子结构导入MView中。\ 通过操作1的查看原子组成可知分子1为钳形巴基碗结构分子，分子2为 :math:`C_{60}` 分子。\ 使用操作6，选择移动分子2扫描与分子1间距，将扫描步数设为50，步长设为 0.10 Å，\ 保存类型选择gjf_scan，点击保存，\ 选择保存路径后得到 :math:`C_{60}` 分子远离钳形巴基碗结构分子的扫描文件。\ 把得到的扫描文件重命名防止覆盖，再将扫描步数设为20，步长设为 -0.10 Å，\ 可以保存得到 :math:`C_{60}` 分子靠近钳形巴基碗结构分子的扫描文件。\ .. image:: ../_image/MView_10.2.3.png :align: center | 3. 使用文本编辑器对两个构建好的扫描文件进行微调，扫描方法改为b3lyp/6-31g(d)，\ 使用Gaussian对两个文件进行扫描计算，扫描完成后可使用MView或GaussView可对结果进行查看，\ 也可以把扫描结果数据导出后拼接，得到完整的扫描文件。 .. image:: ../_image/MView_10.2.4.png :align: center | .. image:: ../_image/MView_10.2.5.png :align: center | 10.3 使用ORCA对两个苯分子进行等距扫描 ====================================== 苯分子间的弱相互作用是典型的 :math:`\pi` - :math:`\pi` 相互作用。\ 对于两个苯分子，无论它们的苯环平面是平行还是垂直，均存在 :math:`\pi` - :math:`\pi` 相互作用。\ 本例将使用ORCA软件研究两个苯环平面平行且保持特定平面间距离时，\ 体系能量随苯分子位置变化的变化情况，并对比B3LYP/6-31G与wB97X-V/def2-TZVP两种方法的结果。 .. image:: ../_image/MView_10.3.1.png :align: center :width: 80% | 步骤如下： 1\. 首先尝试B3LYP/6-31G方法。先使用其它可视化软件构建出苯分子。\ 将得到的分子结构文件拖入MView中，点击工具-转换分子-平行于xy平面，\ 将分子转换至平行于xy平面方向。\ 再点击工具-转换分子-中心移至原点，这一系列操作是将分子转换至坐标系中央， 并尽可能处于坐标系xy平面，这样可以方便优化后超分子的构建。 .. image:: ../_image/MView_10.3.2.png :align: center :width: 80% | 2. 点击保存按钮，选择Orca input格式，得到ORCA输入文件。修改计算任务、\ 计算方法等基本参数，使用ORCA软件进行优化，得到优化后的.xyz文件。 .. image:: ../_image/MView_10.3.3.png :align: center :width: 80% | 3. 将得到的.xyz文件拖入MView中，点击工具栏中的显示坐标按钮，\ 如果此时分子所有原子的z坐标为0，则此步可跳过。\ 否则重复步骤1的操作，并将新结构重新保存为.xyz文件。\ 现在的苯分子位于坐标系的xy平面，且中心与坐标系原点重合。 .. image:: ../_image/MView_10.3.4.png :align: center :width: 80% | 4. 使用记事本或其它文本编辑工具打开.xyz文件，\ 将第一行的原子数由12改为24，并复制后面所有原子的信息，\ 复制后粘贴至文件末尾，并将所有粘贴的原子的原子坐标z值改为3.5。\ 保存文件。此时已经得到了两个间距为 3.5 Å的苯分子文件，\ 设置为 3.5 Å是由于苯分子的 :math:`\pi` - :math:`\pi` 相互作用典型距离为 3.0-4.0 Å。\ 除本例介绍的方法外，读者也可以使用类似10.1节案例中的方法构建对应的苯超分子结构文件。 .. image:: ../_image/MView_10.3.5.png :align: center :width: 75% | 5. 将现在的.xyz文件拖入MView中，点击工具栏中的添加键信息按钮，\ 为超分子添加键信息。 .. image:: ../_image/MView_10.3.6.png :align: center :width: 80% | 6. 点击分子团簇按钮进入分子团簇页面，\ 在操作7中选择移动分子2与分子1等距扫描，扫描步数设置为50×50，\ 步长设置为0.10×0.10，保存类型选择xyz_orca，\ 文件数设置为5。点击保存，选择要保存的文件夹位置，\ 得到scan_file_1.xyz到scan_file_5.xyz 5个.xyz文件。\ 这里的文件数是保存文件的数目，它会根据扫描结构数量尽可能将结构平均的保存到每个文件中，\ 例如本例会有2500个扫描结构，保存后得到的5个.xyz文件将各包含500个结构。\ 后续使用ORCA进行扫描时，可以同时投入5个任务进行计算，缩减计算时间。 .. image:: ../_image/MView_10.3.7.png :align: center :width: 80% | 7. 使用ORCA分别对5个.xyz文件进行单点能计算，泛函与基组设置为B3LYP/6-31G。\ 计算完成后会得到5个.out文件，将5个文件依序进行拼接，最终得到一个总的.out文件。 8. 将总的.out文件拖入MView中，点击扫描结果按钮，弹出扫描窗口，\ 在弹出的窗口中点击2D，并在下拉框中选择50×50，即可可视化势能面扫描结果。 .. image:: ../_image/MView_10.3.8.png :align: center :width: 80% | 9. 分析得到的结果，可以看到当两个苯环完全对齐时，体系能量最高，\ 两个苯间离得越远，体系能量越低。\ 显然，B3LYP方法未能合适的描述苯环间的 :math:`\pi` - :math:`\pi` 相互作用。\ 重复本例前面的操作，同时将计算方法与基组更换为wB97X-V/def2-TZVP，得到下图结果。 .. image:: ../_image/MView_10.3.9.png :align: center :width: 60% | wB97X-V方法得到的势能面显示，在两个苯环完全对齐时，体系能量较高，\ 当两个苯环交错排列时，体系能量最低，苯环间存在吸引作用，\ 该结果与通常认知的 :math:`\pi` - :math:`\pi` 相互作用是一致的。