期刊J Comput Chem：计算化学必杀技！LOBSTER、TITAN、DH你想看的都在这！

计算化学类期刊介绍：

《Journal of Computational Chemistry》(一)

这个杰出的期刊发表的文章，涉及计算化学的各个方面:分析，生物，无机，有机，物理和材料等。

计算化学杂志提出了原始的研究，当代发展的理论和方法，和最先进的应用。该杂志的计算领域包括从头算和半经验量子力学，密度泛函理论，分子力学，分子动力学，统计力学，化学信息学，生物分子结构预测，分子设计和生物信息学等。

在此，我们将分两期，对2020年《Journal of Computational Chemistry》期刊上，引用量排名前十的文章，进行详细阐述(由于篇幅原因，这期仅放排名前五的文章，下期将对剩下的五篇文章进行推送)。

1
LOBSTER：局部轨道投影、原子电荷和化学键分析，来自基于投影缀加波密度泛函理论

在此，来自德国亚琛工业大学的Richard Dronskowski等人，介绍了用于周期性系统化学键分析的计算机程序Local Orbital Basis Suite Toward Electronic - Structure Reconstruction (LOBSTER)的最新开发方法和功能。

LOBSTER是投影缀加波(PAW)密度泛函理论(DFT)计算的解析投影，根据局部辅助原子轨道重建化学信息，从而打开基于PAW的DFT代码的输出，用于化学解释。

研究者演示了，如何通过考虑时间反演对称来改进LOBSTER，从而将DFT和LOBSTER的计算速度提高了2倍。近年来，其功能也在不断扩展，包括精确的态投影密度(DOSs)、晶体轨道汉密尔顿布居(COHP)分析、原子和轨道电荷、总布居以及最近引入的依赖k-COHP。该软件为非商业研究免费提供。

参考文献：Nelson, R, Ertural, C, George, J, Deringer, VL, Hautier, G, Dronskowski, R. LOBSTER: Local orbital projections, atomic charges, and chemical‐bonding analysis from projector‐augmented‐wave‐based density‐functional theory. J Comput Chem. 2020; 41: 1931– 1940.

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jcc.26353

2
TITAN：建模和产生电场的代码-酶反应的特征和应用

在此，来自以色列耶路撒冷希伯来大学的Thijs Stuyver & Sason Shaik等人，在这里提供了一个通用的计算代码，名为“电场产生和操纵(TITAN)”，能够产生各种类型的外部电场，以及根据库仑定律，定量蛋白质和其他生物系统中，存在的局部(或内在)电场。

产生的电场可以与大多数量子力学(QM)，分子力学(MM)， QM/MM和分子动力学计算中可用的软件包。本文通过示例说明了TITAN代码的功能。最后，研究者介绍了局部电场对细胞色素P450 OleT_JE酶的氢转移反应的影响和定向外电场诱导的修饰。

研究者发现P450 OleT_JE中的蛋白基质是一种中等的催化剂，外部电场沿化合物I的Fe-O键方向对反应势垒的影响最大。诱导催化/抑制与O原子上的自旋密度有关。

参考文献：Stuyver, T., Huang, J., Mallick, D., Danovich, D., Shaik, S.. J. Comput. Chem. 2020, 41, 74– 82. DOI: 10.1002/jcc.26072

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jcc.26072

3
DH:双杂化和含时密度泛函理论：电荷转移激发态的实现和基准

此文中，来自法国国家科学研究中心的Giovanni Scalmani & Carlo Adamo等人，提出了含时密度泛函理论联合双杂化泛函(DH)方法的实现和基准。

研究者着重分析了它们，在通过空间电荷转移(CT)激发下的性能，众所周知，这对于常用的泛函(如全局杂化)来说是十分困难的。研究者比较了两类不同的泛函，它们分别包含纯泛函、杂化泛函和双杂化泛函。

得到的结果表明：除了实现的稳健性，这些函数提供的结果与调整范围分离的函数具有可比性，相关的差异是，DHs没有针对特定化合物调整参数，因此它们的通用性更强。此外，所描述和实现的算法，具有与用于MP2和双杂化的基态算法相同的计算代价尺度的特征。

参考文献：Ottochian, A, Morgillo, C, Ciofini, I, Frisch, MJ, Scalmani, G, Adamo, C. Double hybrids and time‐dependent density functional theory: An implementation and benchmark on charge transfer excited states. J Comput Chem. 2020; 41: 1242-1251.

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jcc.26170

4
LOBSTER：模拟生物硫醇共价修饰的量子化学方法

靶向共价抑制剂药物，需要超越简单分子-力学力场的计算方法，以模拟它们与目标结合时发生的化学反应。在此，来自加拿大纽芬兰纪念大学的 Christopher N. Rowley等人，评价了几种半经验和密度泛函理论(DFT)方法，描述亲电试剂共价修饰硫醇的势能、表面和反应能的能力。

PBE和B3LYP等泛函，未能预测出稳定的烯醇化中间体。这在很大程度上是由于离域误差，它假象地稳定了反应前复合物，其中过量的电子密度从硫酸盐转移到亲电试剂。

具有高精确交换组件的泛函，范围分离的DFT泛函，以及可变优化的精确交换(即LC-B05minV功能)，在不同程度上修正了这个问题。交换增强因子的大梯度行为也显著影响结果，导致PBE0性能的改善。

虽然ωB97X-D和M06-2X是相当准确的，但没有方法提供所有三种亲电试剂的定量准确性，这使得这是一个非常费力的功能性能测试。此外，M06-2X的一个缺点是，使用该泛函的分子动力学(MD)模拟，只有在使用良好的集成网格时才稳定。

低成本的半经验方法，PM3, AM1和PM7，提供了一个定性正确的描述反应机理，尽管能量学在定量上并不可靠。为了证明这一概念，研究者利用QM/MM MD，计算了甲基硫酸盐在显式极化水溶液中加入甲基乙烯酮的平均力势。

参考文献：Awoonor‐Williams, E., Isley, W. C., Dale, S. G., Johnson, E. R., Yu, H., Becke, A. D., Roux, B., Rowley, C. N.. J. Comput. Chem. 2020, 41, 427– 438. DOI: 10.1002/jcc.26064

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jcc.26064

5
FEP:配体结合自由能测定中的过采样自由能微扰模拟

配体结合亲合力的测定，是一个非常有趣的问题。通常，自由能微扰(FEP)方法，提供了一个合适的结果。然而，如何提高该方法的准确性和精密度，是非常重要的。在此，来自越南东德胜大学的Son Tung Ngo& 阮大庆大学的 Van V. Vu等人提出了，FEP计算方法的温度复制交换分子动力学实现，研究者称之为复制交换自由能微扰(REP)。

尤其是，在REP模拟过程中，通过高温交换构型，系统可以很容易地避免陷入局部极小值，从而显著提高蛋白质配体结合亲和力计算的准确性和精度。解耦自由能分布增大，解耦自由能均值减小。这导致了计算得到的束缚自由能大小的变化以及束缚机制的变化。此外，与FEP相关系数(R^FEP = 0.64±0.30)相比，REP与实验相关系数(R^REP = 0.85±0.15)显著提高。此外，REP的均方根误差(RMSE)也小于FEP, RMSE^REP = 4.28±0.69, RMSE^FEP = 5.80±1.11 kcal/mol。

参考文献：Ngo, S. T., Nguyen, T. H., Tung, N. T., Nam, P. C., Vu, K. B., Vu, V. V.. J. Comput. Chem. 2020, 41, 611– 618. DOI: 10.1002/jcc.26130

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jcc.26130

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