【小工具教程】添加原子电荷

【小工具教程】添加原子电荷

用途

为有机小分子添加原子电荷,并检查是否存在Amber GAFF力场所没有的拓扑参数。本工具提供两种计算电荷的方法——RESP拟合静电势和AM1-BCC。

预备知识

原子电荷

原子电荷是用点电荷形式描述化学体系电荷分布的方法,常见电荷模型有:Mulliken、MK、MMFF94、AM1-BCC、Gasteiger、QEq;等等。涉及分子间相互作用的分子模拟计算(比如:分子对接、分子动力学模拟)都要求赋予原子电荷。采用合适的电荷模型对于计算的准确性是极为重要的。关于各类原子电荷计算方法的对比,可阅读卢天的《原子电荷计算方法的对比》[1]。

拟合静电势电荷

在各种原子电荷计算方法中,拟合静电势电荷是极为重要的一类方法。其中,最为著名的要数Merz-Kollman (MK)、CHELPG和RESP。前两种方法非常适合于模拟刚性分子,而后者则是最适合用于柔性小分子的分子模拟。

  • RESP

RESP,全称Restrained ElectroStatic Potential,是由Kollman等人[2]在1993年提出的计算原子电荷的方法。在Amber分子动力学模拟中,RESP是有机小分子计算电荷的标配方法。它需要配合使用量化计算软件(如Gaussian、ORCA)获得静电势,然后进行限制性拟合计算得到。

  • AM1-BCC

与之比较接近的电荷是2000-2002年Bayly等人[3-4]提出的AM1-BCC电荷,在Amber中自带计算程序。它首先在AM1水平下优化结构和计算静电势拟合得到电荷,然后进行键电荷校正(BCC)。AM1-BCC的计算开销比RESP要小,准确性不比RESP更好,但适合于处理大批量的分子,或者没有Gaussian等商业软件版权的情况下使用。(不过,可以使用学术免费的ORCA程序,请看【量化计算(ORCA 4.2)】教程)。

净电荷

分子结构中不能抵消的正电荷或负电荷称为净电荷(net charge),即各原子正负电荷的代数和。通常情况下,净电荷总是整数。中性分子的净电荷为0,带电分子的净电荷即为其含有的价电荷,如:乙酸净电荷为0,去质子化(脱去羧基氢)后为-1,十八烷基胺的净电荷为0,质子化后为1。

入口

平台地址:https://cloud.yinfotek.com/

功能入口:左侧菜单栏【计算方案】->【小工具】->【分子动力学】->【添加原子电荷】

步骤

1. 上传分子结构文件

分子结构需为良好的3D结构,无氢原子缺失。可使用【准备化合物】小工具进行处理。

2. 设置净电荷

该项默认为空,即由程序自动计算净电荷。但对于特殊结构,可能会计算出错。必要时,请用户根据自己的化学知识判断填写。

3. 选择电荷计算方法

  • RESP该方法需要用户上传包含静电势的量化计算文件(可使用【量化计算】方案进行计算),并指定该文件的计算程序。

  • AM1-BCC该方法无需提供额外数据文件,提交后将调用AmberTools 20的sqm半经验程序即时计算。

    对于较大的柔性分子,计算时间较长,可能因超出限制(10 min)而失败。同时,AM1-BCC的精度不如RESP电荷。因此,若非特殊情况,强烈建议使用RESP。

4. 点击【生成】,等待返回结果

本工具除了计算原子电荷,还检查该分子是否存在Amber GAFF力场所没有的参数。该检查主要用于使用amber力场的分子动力学模拟,若进行其他不需要该文件的分子模拟,请忽略之。

GAFF力场已经发展得相当好,几乎覆盖了大多数的有机小分子结构,不太容易出现参数缺失的情况。假若真的出现,请下载ligand.frcmod文件自行填补参数,在提交分子动力学计算时上传该文件。

5. 查看电荷分布

从分子视图上可查看生成的原子电荷,尤其注意极性原子及其附近的电荷分布是否合理。

6. 下载分子结构文件。

参考文献

[1] 卢天, 陈飞武. 原子电荷计算方法的对比[J]. 物理化学学报, 2012, 28(1):1-18. doi: 10.3866/PKU.WHXB2012281

[2] Christopher I. Bayly, Piotr Cieplak, Wendy Cornell, and Peter A. Kollman. A well-behaved electrostatic potential based method using charge restraints for deriving atomic charges: the RESP model. The Journal of Physical Chemistry 1993, 97, 40, 10269-10280. doi: 10.1021/j100142a004

[3] Jakalian, A., Bush, B.L., Jack, D.B. and Bayly, C.I. (2000), Fast, efficient generation of high‐quality atomic charges. AM1‐BCC model: I. Method. J. Comput. Chem., 21: 132-146. https://doi.org/10.1002/(SICI)1096-987X(20000130)21:2%3C132::AID-JCC5%3E3.0.CO;2-P

[4] Jakalian, A., Jack, D.B. and Bayly, C.I. (2002), Fast, efficient generation of high‐quality atomic charges. AM1‐BCC model: II. Parameterization and validation. J. Comput. Chem., 23: 1623-1641. https://doi.org/10.1002/jcc.1012