Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 预测物质的晶体结构

Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 预测3-oxabicyclo(3.2.0)hepta-1,4-diene的晶体结构

背景：制药、农用化学品、颜料、染料、特种化学品和爆炸物在制造过程的某些阶段都是有机晶体材料。在下游开发和配方过程中，多态性会影响这些产品，因为晶体形式决定了材料的许多特性，包括：

保质期
蒸汽压力
溶解度
生物利用度
形态学
密度
冲击敏感性
至关重要的是，参与结晶产品配方的研究人员应选择具有正确性质的Polymorph物，并能够预见不良Polymorph物的竞争结晶等问题。为了做到这一点，首先需要建立最可能的Polymorph。Polymorph的知识对于专利和注册也很重要。

使用单晶X射线衍射通常是不可能或不切实际的，单晶X射线衍射是阐明分子晶体结构的标准实验程序。因此，在没有实验数据的情况下预测晶体结构的Calculation技术具有很大的价值。

Polymorph采用力场技术提出稳定的packing安排。这种方法在蒙特卡罗模拟期间保持分子几何形状的固定，并且仅在 Energy 最小化阶段允许完全优化。因此，在处理柔性分子时，必须对所研究化合物的每个稳定分子构象进行平行Calculation。

简介：3-oxabicyclo(3.2.0)hepta-1,4-diene（OHD）的可能晶体结构将使用Polymorph确定。该分子用于剑桥晶体数据中心（CCDC）组织的盲测，以评估目前可用于晶体结构预测的方法1的性能。

晶体结构预测的成功率主要取决于所用力场的准确性。在本教程中，您将使用Dreiding力场，当它与通过高水平从头Calculation的原子电荷结合使用时，被证明适用于晶体结构预测。

目的：说明如何使用Polymorph预测可能的分子结构晶体堆积排列。

本教程重要节点：

使用Dmol3构建和优化分子并CalculationESP拟合电荷-设置和运行Polymorph-使用研究表分析结果-将结果与已知的OHD晶体结构进行比较-确定与实验粉末图案的最佳匹配

1. 使用Dmol3构建和优化分子并CalculationESP拟合电荷

在项目浏览器中，右键单击OHD并从快捷菜单中选择New | 3D Atomistic Document。将新结构文档的名称更改为OHD-mol。使用Sketch工具绘制一个OHD分子(如下所示)，然后按下 Clean 按钮。

现在，您将使用Dmol3优化分子，并Calculation适合ESP的电荷。

在 Modules工具栏上，单击Dmol3箭头，然后从下拉列表中选择Calculation以打开Dmol3 Calculation对话框。

在Setup选项卡上，从Task下拉列表中选择Geometry Optimization。从功能下拉列表中选择GGA和PBE。将Quality设置为Medium。

在Electronic选项卡上，将Basis set设置为DNP。

在Properties选项卡上，选中Electrostatics和Population analysis复选框。选择Electrostatics时，选中Electrostatic potential复选框。选择Population analysis后，选中ESP charges复选框。

在Job Control选项卡上，选择My Computer作为Gateway location。单击Run按钮并关闭对话框。

在项目浏览器中创建了一个名为OHD mol Dmol3 GeomOpt的新文件夹。工作进度以图表和文本文件的形式呈现。根据Calculation机中处理器的速度，Calculation可能需要一些时间。您应该等到作业完成后再继续。

接下来，您应该分析Dmol3结果并提取有关ESP安装charge的信息。

在项目浏览器中，双击OHD-mol Dmol3 GeomOpt文件夹中的OHD-mol.outmol。按CTRL+F键并搜索ESP-fitted charges。

您将到达文档的如下部分：

注意：由于初始绘制结构和优化水平的差异，实际ESP电荷值可能与这些值略有不同。

列出了由Dmol3 Calculation的每个原子的ESP拟合电荷。现在，您将所有这些电荷分配给完全优化的OHD结构。

在Project Explorer中，双击OHD-mol Dmol3 GeomOpt文件夹中的OHD-mol.xsd。从菜单栏选择Modules | Dmol3 | Analysis进行分析以打开Dmol3 分析对话框。选择Population analysis并将charges to structure设置更改为 ESP. 单击Assign按钮并关闭对话框。

由于截断误差，Dmol3生成的ESP拟合电荷之和不完全为零。因此，在继续之前，您应该稍微修改电荷，使其加起来为零。

从菜单栏中选择Modify | Charges。在Edit选项卡上，选择Set total charge to并指定值0.0。单击 Assign按钮并关闭对话框。

现在显示每个原子上的电荷。 

在OHD-mol.xsd 3D Viewer中单击鼠标右键，然后从快捷菜单中选择Label,打开Label对话框。从属性列表框中选择charge，然后单击Apply 按钮。

检查完charge后，单击Remove All按钮从显示中删除charge，并关闭对话框。

2. 设置和运行Polymorph

在本节中，您将使用Polymorph来预测OHD的各种可能的晶体排列。OHD是一种刚性分子，因此不需要构象分析。

根据剑桥结构数据库（CSD），大约90%的有机和有机金属晶体结构被17个最常见的空间组所覆盖。如果没有晶体对称性的先验知识，您将不得不对至少五个最常见的空间组进行Calculation。

从菜单栏中选择 File | Save Project 并关闭所有打开的文档，OHD-mol Dmol3 GeomOpt\OHD-mol.xsd除外。

单击 Modules工具栏上的Polymorph箭头，然后从下拉列表中选择Calculation以打开Polymorph Calculation对话框。在Setup选项卡上，单击Assign automatically按钮。从Quality下拉列表中选择Fine。

在本教程中，您将运行Polymorph预测序列。您可以通过单独运行序列中的每一步或在单个连续Calculation中运行所有步骤来做到这一点。Polymorph预测序列由四个步骤组成：packing（蒙特卡洛模拟）、预Clustering、优化和Clustering。整个序列可能需要数小时甚至数天，在此期间Polymorph：

运行蒙特卡罗模拟，为选定空间组中的OHD生成数千个潜在晶体结构
运行预Clustering分析，将晶体分组为具有相似结构的Clustering
最小化每个群集以获得一组优化的结构
运行第二次Clustering分析，以检查任何优化结构是否收敛到相同的 Energy 最小值
蒙特卡罗模拟生成的晶体结构在预Clustering步骤中被分类为相似结构的组。相似性由控制面板上设置的几何公差定义。预Clustering步骤在Calculation的下一阶段：优化之前减少了结构的总数。由于优化是Calculation成本最高的步骤，预Clustering可以帮助显着加快Calculation速度。但是，在预Clustering阶段存在丢失可能解决方案的风险。保留的结构数量取决于公差和您设置的最大Clustering数量。由于蒙特卡罗模拟生成的晶体结构在预Clustering之前没有进行优化，因此相似性的度量不是很精确。默认情况下，不包括预Clustering步骤，因此不会丢弃任何结构。在本教程中，您将包括此步骤，以便加快Calculation速度。

在Polymorph Calculation对话框的设置选项卡上，将Task设置为Prediction。单击More…按钮打开Polymorph预测对话框。

选中两个Clustering复选框，然后单击Packing的More…按钮以打开多晶形Packing 对话框。

按照Polymorph Calculation对话框的设置选项卡上的指定，Quality设置为Fine。

蒙特卡洛温度循环总共有七个参数，包括：冷却因子（从空间组选项卡访问，如下所示）、加热因子、最大步数、冷却前接受的步数、最小移动因子、最大温度和最小温度。通过将Quality从Coarse到Ultra-fine更改，您可以增加生成所有相关晶体Packing 安排的概率和所需的CPU总时间。

每个参数集都经过优化，因此，理想情况下，您应该选择一组参数，而不是尝试手动设置单个参数。在现实生活中，您通常应该使用Medium、Fine或Ultra-fine搜索级别。在本教程中，将搜索级别设置为Fine。

确保可以看到 Polymorph Calculation对话框的Setup选项卡。在Polymorph Packing对话框中，将Quality设置更改为Coarse，然后更改为Medium，然后再更改为Fine。

当您更改Packing Task的Quality设置时,Polymorph Calculation对话框的Setup选项卡上的整体Quality设置会自动从Fine更改为Customized,并最终返回Fine。

关闭Polymorph Packing 对话框。

如果您愿意，可以通过对多形Clustering和多形几何体优化对话框重复相同的过程，观察修改其他设置对全局Quality参数的影响。

Clustering过程取决于几个参数。同样，建议从四个预定义的参数集中选择一个，而不是手动选择单个参数(在某些情况下，最大Clustering数除外)。

在Clustering对话框中，单击More…按钮进行Clustering分析以打开多态Clustering分析对话框。

在Cluster generation部分中，将Maximum clusters更改为 2000。关闭Clustering分析对话框。

提高Quality可降低将不同结构Clustering在一起的可能性，从而增加生成的Clustering数量。在实际Calculation中，必须确保正确的晶体结构不会在Clustering过程中丢失。因此，搜索级别应设置为Fine或Ultra-fine。

几何优化过程还取决于几个参数。同样，建议从四个预定义的参数集中选择一个，而不是手动选择单个参数。在实际Calculation中，搜索级别应设置为Medium或Fine。您还可以选择设置最大迭代次数，是施加外部压力，还是仅优化原子坐标或同时包括单元参数。建议使用优化单元格选项。在本教程中，应使用默认设置。

提示：默认情况下，每个独特结构的几何形状都针对所有自由度进行了优化。然而，刚体约束可以Apply 于一组原子之间的相对距离固定的情况。刚体约束有助于防止几何优化器探索配置空间的不切实际区域。定义刚体往往会减少描述系统配置所需的自由度数量，因此计算通常会加快。要使用刚体优化，请选中Polymorph Geometry Optimization对话框上的Keep motion groups rigid复选框。

注意：不同的Polymorph晶体结构通常只相差几千卡/mol的 Energy 。因此，建议您优化晶体的所有自由度，包括cell参数。所有的原子都应该是可移动的。对于要比较的所有几何优化运行，应使用完全相同的 Energy 表达式。

Close Polymorph预测对话框。

接下来，您将选择Dreiding力场，并使用之前通过Dmol3获得的ESP电荷。

在 Polymorph Calculation对话框的 Energy 选项卡上，选择Dreiding作为力场,并从Charges下拉列表中选择Use current。

 Polymorph可以搜索所有空间组。但是，默认情况下，它只搜索五个最常用的空间组。OHD的晶体结构属于PBCA空间群。因此，为了加快教程的速度，您将只搜索两个正交空间组，P212121和PBCA。通常，您必须在搜索中包括所有其他公共空间组。

可以为每个空间组单独设置冷却系数。在本教程中，两个空间组都将使用默认值0.001。

在Polymorph Calculation对话框的Space Groups选项卡上，选中空间组P212121和PBCA的复选框，取消选中所有其他复选框。

在Job Control选项卡上，选择My Computer作为Gateway location。取消选中Automatic，然后输入OHD-Fine作为Job description。单击Run按钮并关闭Polymorph Calculation对话框。

作业资源管理器会通知您Calculation的进度。一段时间后，出现两个新窗口：文本文档Status.txt和图表文档。随着工作的进展，这些文件会定期更新。

文本文档显示以下信息：

1.     当前正在执行的Task，例如 Polymorph Packing 或 Polymorph几何体优化（您不会看到 Polymorph Clustering-Calculation会很快完成）。

2.     当前正在其中执行搜索的空间组。搜索遵循空间组选项卡上列出的顺序。

对于Polymorph Packing ：空间组、当前步长、当前晶体结构接受度、温度、当前晶体的总 Energy （包括氢键、范德华和静电能的贡献）以及当前晶体结构的密度。
对于Polymorph几何优化：空间群、帧总数、当前帧数、优化收敛、当前晶体结构的总 Energy 、总非键能（包括氢键、范德华和静电贡献）和总键能（包含键、角度、扭转、反转和交叉项贡献）。
图表文档根据预测序列的当前步骤和空间组而变化。在Polymorph Packing 期间，创建一个名为OHD-Fine[空间组名称]Ener-Dens.xcd的图表文档，其中显示了迄今为止发现的每个潜在晶体结构的密度和 Energy 信息。在Polymorph几何优化期间，创建一个名为OHD-Fine[空间组名称]Energy.xcd的图表文档，其中显示了每个优化晶体结构的 Energy 。

Calculation开始后，将在Project Explorer中创建一个名为OHD-FINPMP Predic的新文件夹。此作业的参数设置会自动保存在名为OHD-FIN-Calculation的文件中。

在新文件夹中，随着作业的进行会创建四个子文件夹：

Input-包含因任何原因停止作业时重新启动所需的输入分子结构。
Packing -包括每个空间组的四种类型的文件：包含蒙特卡罗模拟生成的所有潜在晶体结构的轨迹文件、显示蒙特卡罗仿真的接受率和温度分布的图表文件、显示每个潜在晶体结构密度和 Energy 的第二个图表文件，以及一个文本文件，显示生成的所有结构的验收、温度、 Energy 和密度。
GeomOpt-包括每个空间组的轨迹文件，包含每个簇的最低 Energy 结构，以及显示每个优化晶体结构的 Energy 的图表文档。
预Clustering-包括每个空间组的轨迹文件，该轨迹文件将蒙特卡罗过程生成的类似晶体结构分组在一起。每个簇由具有最低晶格能的结构表示。
整个过程会产生数百种晶体结构。这些中的许多非常相似，并且将最小化为相同的晶体结构。将相似的晶体结构组合在一起，并用具有最低晶格能的结构来表示每个簇是有用的。这些结果是Polymorph预测序列的最终结果，保存在OHD-Fine PMP Predict文件夹的顶层。为每个空间组创建包含所有非冗余 Energy 最小值的轨迹文件。

注意：Polymorph中的搜索依赖于蒙特卡罗模拟，这是一种随机方法。因此，单一的Calculation可能无法保证给定空间组中的所有低能晶体结构都已被识别。为了评估Polymorph搜索的完整性，Polymorph预测应使用相同的设置多次运行。如果具有相同设置的单独运行产生相同的低能晶体结构，则可以认为搜索已完成。如果获得不同的结果，则必须重复搜索，直到找不到新的晶体结构。

现在，您将使用相同的设置开始第二个 Polymorph作业。

从菜单栏中选择 File | Save Project ，关闭所有打开的文档，除了OHD-mol Dmol3 GeomOpt文件夹中的OHD-mol. xsd。

打开Polymorph Calculation对话框。在Job Control选项卡上，选择My Computer作为Gateway location，并输入OHD-Fine 2作为Job description。单击Run按钮并关闭对话框。

您应该等到作业完成后再继续。