第五章 分子力學(xué)方法

1、中國石油大學(xué)二、二、分子力學(xué)方法的應(yīng)用分子力學(xué)方法的應(yīng)用本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容一、一、分子力學(xué)方法簡介分子力學(xué)方法簡介分子力學(xué)方法 分子力學(xué)（分子力學(xué)（Molecular Mechanics） ，又叫，又叫力場方法力場方法（force field method），目前廣泛地用于計算分子的構(gòu)象和），目前廣泛地用于計算分子的構(gòu)象和能量。能量。u1.1 1.1 何謂分子力學(xué)何謂分子力學(xué) 一、分子力學(xué)方法簡介一、分子力學(xué)方法簡介分子力學(xué)方法 在分子內(nèi)部，化學(xué)鍵都有在分子內(nèi)部，化學(xué)鍵都有“自然自然”的鍵長值和鍵角值。分子的鍵長值和鍵角值。分子要調(diào)整它的幾何形狀（構(gòu)象），以使其鍵長值和鍵角值盡可能接要調(diào)

2、整它的幾何形狀（構(gòu)象），以使其鍵長值和鍵角值盡可能接近自然值，同時也使非鍵作用（近自然值，同時也使非鍵作用（van der Waals力）處于最小的狀力）處于最小的狀態(tài)，給出原子核位置的最佳排布。態(tài)，給出原子核位置的最佳排布。u1.2 1.2 子的經(jīng)典力學(xué)模型子的經(jīng)典力學(xué)模型 - 1946- 1946，T.L.HillT.L.Hill T.L.Hill提出用提出用van der Waals作用能和鍵長、鍵角的變形能來計算分作用能和鍵長、鍵角的變形能來計算分子的能量，以優(yōu)化分子的空間構(gòu)型。子的能量，以優(yōu)化分子的空間構(gòu)型。分子力學(xué)方法0.811.21.41.61.822.22.42.6-1-0.5

3、00.511.52間距勢能Lennard-Jones 勢 能 模 型62ijr分子力學(xué)方法 雖然分子力學(xué)的思想和方法在雖然分子力學(xué)的思想和方法在40年代就建立起來了，年代就建立起來了，但是直到但是直到50年代以后，隨著電子計算機(jī)的發(fā)展，用分年代以后，隨著電子計算機(jī)的發(fā)展，用分子力學(xué)來確定和理解分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究才越來子力學(xué)來確定和理解分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究才越來越多。直到這時，才可以說分子力學(xué)已成為結(jié)構(gòu)化學(xué)越多。直到這時，才可以說分子力學(xué)已成為結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的重要方法之一。研究的重要方法之一。 u1.3 1.3 分子力學(xué)的發(fā)展分子力學(xué)的發(fā)展 近幾年來，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，特別是計算近幾

4、年來，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，分子力學(xué)方法已不僅能處理一般的中機(jī)技術(shù)的發(fā)展，分子力學(xué)方法已不僅能處理一般的中小分子，也不僅主要應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，而且能處小分子，也不僅主要應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，而且能處理大分子體系。在其他的一些領(lǐng)域，如生物化學(xué)、藥理大分子體系。在其他的一些領(lǐng)域，如生物化學(xué)、藥物設(shè)計、配位化學(xué)中，都有了廣泛的應(yīng)用。物設(shè)計、配位化學(xué)中，都有了廣泛的應(yīng)用。 分子力學(xué)方法u1.4 1.4 分子的空間能分子的空間能( (力場的形式力場的形式) )，即用空間能函數(shù)來表示當(dāng)鍵長、鍵角、二面角等結(jié)構(gòu)參，即用空間能函數(shù)來表示當(dāng)鍵長、鍵角、二面角等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及非鍵作用等偏

5、離數(shù)以及非鍵作用等偏離“理想理想”值時分子能量（稱為空間能，值時分子能量（稱為空間能，space energy）的變化。）的變化。分子力學(xué)方法 其中其中Ec 是鍵的伸縮能是鍵的伸縮能，Eb 是鍵角彎曲能是鍵角彎曲能，Et 是鍵的二面角扭是鍵的二面角扭轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)能，Enb 是非鍵作用能，它包括是非鍵作用能，它包括van der Waals作用能，偶極作用能，偶極（電荷）作用能、氫鍵作用能等。（電荷）作用能、氫鍵作用能等。 . nbtbCSEEEEE分子力學(xué)方法. nbtbCSEEEEE分子力學(xué)方法bbbbkbbkbbkE)()()(404303202鍵伸縮：)()()(404303202kkkE鍵彎

6、曲： )3cos(1)2cos(1)cos(13,032,021 ,01kkkE二二面面角角：2kE鍵面外彎曲：,0000)()(bbbbxkbbbbkE交叉項：,3210003cos2coscos)()(bbbkkkbbbbk, 32103cos2coscos)(bkkkbb,32103cos2coscos)(kkk,00)(cosk. nbtbCSEEEEE分子力學(xué)方法u1.5 1.5 力場的參數(shù)化力場的參數(shù)化 1 1、分子力學(xué)力場的性能即它的計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性主要分子力學(xué)力場的性能即它的計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性主要取決于勢能函數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。取決于勢能函數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。 2 2、這些有

7、關(guān)力常數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)的這些有關(guān)力常數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)的“本征值本征值”的置定過程稱為力的置定過程稱為力場的參數(shù)化。場的參數(shù)化。 3 3、參數(shù)化的過程要在大量的熱力學(xué)、光譜學(xué)實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上參數(shù)化的過程要在大量的熱力學(xué)、光譜學(xué)實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，有時也需要由量子化學(xué)計算的結(jié)果提供數(shù)據(jù)。進(jìn)行，有時也需要由量子化學(xué)計算的結(jié)果提供數(shù)據(jù)。 4 4、各類鍵長、鍵角的各類鍵長、鍵角的“本征值本征值”一般取自晶體學(xué)、電子衍射或其一般取自晶體學(xué)、電子衍射或其他的譜學(xué)數(shù)據(jù)，鍵伸縮和角變力常數(shù)主要由振動光譜數(shù)據(jù)確定，扭轉(zhuǎn)他的譜學(xué)數(shù)據(jù)，鍵伸縮和角變力常數(shù)主要由振動光譜數(shù)據(jù)確定，扭轉(zhuǎn)力常數(shù)經(jīng)常要從分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘來推算。力常數(shù)

8、經(jīng)常要從分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘來推算。 5 5、對于不同的力場不僅力場參數(shù)不同，函數(shù)形式也可能不同。因?qū)τ诓煌牧霾粌H力場參數(shù)不同，函數(shù)形式也可能不同。因此，在將一個力場中的參數(shù)應(yīng)用于另一個力場時應(yīng)十分小心。此，在將一個力場中的參數(shù)應(yīng)用于另一個力場時應(yīng)十分小心。 6 6、一個好的力場不僅能重現(xiàn)已被研究過的實驗觀察結(jié)果，而且能一個好的力場不僅能重現(xiàn)已被研究過的實驗觀察結(jié)果，而且能有一定的廣泛性，能用于解決未被實驗測定過的分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。有一定的廣泛性，能用于解決未被實驗測定過的分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。分子力學(xué)方法 QCFF/PI A Warshel & M levittMMI/MMPINL Allinge

9、rMM2/MMP2NL AllingerMM3NL AllingerECEPPHA ScheragaAMBERP KollmanCHARMMM KarplusGROMOSvan GunsterenSYBYLTripos Inc.DISCOVERMSI Inc.分子力學(xué)方法u1.6 1.6 分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化粗結(jié)構(gòu)粗結(jié)構(gòu)能量極小構(gòu)象能量極小構(gòu)象分子幾何優(yōu)化分子幾何優(yōu)化E0; 022xiifxf局部極小值問題；鞍點局部極小值問題；鞍點分子力學(xué)方法輸入坐標(biāo)及連接關(guān)系輸入坐標(biāo)及連接關(guān)系力場選擇、作用項、參數(shù)力場選擇、作用項、參數(shù)能量極小化能量極小化最終結(jié)構(gòu)與能量最終結(jié)構(gòu)與能量其它信息其它信息

10、分子力學(xué)方法 1 1、由于只是局部優(yōu)化，這樣的計算只能找到所用的初始由于只是局部優(yōu)化，這樣的計算只能找到所用的初始構(gòu)象附近的構(gòu)象附近的“最優(yōu)構(gòu)象最優(yōu)構(gòu)象”。所以選擇初始構(gòu)象是非常關(guān)鍵的。所以選擇初始構(gòu)象是非常關(guān)鍵的。 2 2、若為找到全局能量最低構(gòu)象，須將所有可能的初始構(gòu)若為找到全局能量最低構(gòu)象，須將所有可能的初始構(gòu)象分別進(jìn)行優(yōu)化，最后進(jìn)行比較，確定分子體系的最優(yōu)構(gòu)象。象分別進(jìn)行優(yōu)化，最后進(jìn)行比較，確定分子體系的最優(yōu)構(gòu)象。 3 3、對于較大的分子，可能的初始構(gòu)象的數(shù)目會隨原子數(shù)對于較大的分子，可能的初始構(gòu)象的數(shù)目會隨原子數(shù)目的增加而急劇增加。在選擇初始構(gòu)象時，應(yīng)把從基本的化學(xué)目的增加而急劇增加

11、。在選擇初始構(gòu)象時，應(yīng)把從基本的化學(xué)知識方面考慮是不可能的構(gòu)象略去。知識方面考慮是不可能的構(gòu)象略去。E分子力學(xué)方法 一級微商算法一級微商算法 最陡下降算法最陡下降算法 Steepest Descents - SD 共軛梯度算法共軛梯度算法 Conjugate Gradients - CONJ 二級微商算法二級微商算法 Newton-Raphson Method v能量極小化算法能量極小化算法最陡下降法：最陡下降法： 方向變化大，收斂慢，優(yōu)化輻度大方向變化大，收斂慢，優(yōu)化輻度大共軛梯度法共軛梯度法收斂快，易陷入局部勢阱，對初始結(jié)構(gòu)偏離不大收斂快，易陷入局部勢阱，對初始結(jié)構(gòu)偏離不大 Newton-

12、Raphson法法計算量較大，當(dāng)微商小時收斂快計算量較大，當(dāng)微商小時收斂快v能量極小化算法比較能量極小化算法比較分子力學(xué)方法 宜用于對大分子進(jìn)行構(gòu)象分析、研究宜用于對大分子進(jìn)行構(gòu)象分析、研究與空間效應(yīng)密切相關(guān)的有機(jī)反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)活性、與空間效應(yīng)密切相關(guān)的有機(jī)反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)活性、有機(jī)物的穩(wěn)定性及生物活性分子的構(gòu)象與活性的關(guān)有機(jī)物的穩(wěn)定性及生物活性分子的構(gòu)象與活性的關(guān)系；系；宜用于對化合物的電子結(jié)構(gòu)、光譜性宜用于對化合物的電子結(jié)構(gòu)、光譜性質(zhì)、反應(yīng)能力等涉及電子運動的研究質(zhì)、反應(yīng)能力等涉及電子運動的研究分子力學(xué)方法 是經(jīng)典模型，以原子為是經(jīng)典模型，以原子為“粒子粒子”，按，按經(jīng)典力學(xué)運動，而經(jīng)典力學(xué)

13、運動，而則主要處理對象為電子，則主要處理對象為電子，其運動服從量子力學(xué)規(guī)律其運動服從量子力學(xué)規(guī)律 中，電子或原子核間的相互作用服從中，電子或原子核間的相互作用服從庫侖定律，而庫侖定律，而中每對原子之間有一特定的中每對原子之間有一特定的作用勢函數(shù)，原子不同或者原子雖然相同但所處環(huán)作用勢函數(shù)，原子不同或者原子雖然相同但所處環(huán)境不同，則勢函數(shù)不同，即使對同一對原子，也無境不同，則勢函數(shù)不同，即使對同一對原子，也無法給出準(zhǔn)確的普適勢函數(shù)。法給出準(zhǔn)確的普適勢函數(shù)。分子力學(xué)方法當(dāng)研究對象與所用的分子力學(xué)力場當(dāng)研究對象與所用的分子力學(xué)力場參數(shù)化基于的分子集合相差甚遠(yuǎn)時不宜使用，也不參數(shù)化基于的分子集合相差甚

14、遠(yuǎn)時不宜使用，也不能用于人們感興趣但沒有足夠多的實驗數(shù)據(jù)的新類能用于人們感興趣但沒有足夠多的實驗數(shù)據(jù)的新類型的分子。型的分子。計算量大，研究的體系小。計算量大，研究的體系小。分子力學(xué)方法 油氣田的開發(fā)過程中，地層中油氣田的開發(fā)過程中，地層中CO2會對油管、套管以及會對油管、套管以及管線等設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕。目前，油氣田所采用的管線設(shè)管線等設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕。目前，油氣田所采用的管線設(shè)備多為碳鋼所制，其抗備多為碳鋼所制，其抗CO2腐蝕性能較差。碳鋼在含腐蝕性能較差。碳鋼在含CO2環(huán)環(huán)境中腐蝕產(chǎn)物主要是境中腐蝕產(chǎn)物主要是FeCO3，沉積在金屬表面形成疏松多孔，沉積在金屬表面形成疏松多孔的的FeCO3膜

15、。膜。二、分子力學(xué)方法的應(yīng)用二、分子力學(xué)方法的應(yīng)用分子力學(xué)方法分子力學(xué)方法 There are three aspects important in the determination of an appropriate force-field for determining energy changes that occur when an inhibitor binds to a magnetite surface and forms a two dimensional film. These are the following:1) The force-field should accu

16、rately describe the structure of magnetite.2) It should describe inhibitor surface iron atom interactions accurately.3) It should describe the interactions between inhibitor molecules accurately.分子力學(xué)方法FIGURE 1- The(111 ) miller plane of Fe3O4 . The surface Fe2+ sites are in black. O2- anions are in

17、white while the Fe 3+are in gray. The hexagonal spacing of surface Fe*+sites is highlighted in the diagram.FIGURE 2- Water on the (11 i ) miller plane of FesOd, The distance between the oxygen atom of water and a m-face Fe*+site is shown in the diagram.分子力學(xué)方法分子力學(xué)方法IAIB圖圖1 1-羥乙基羥乙基-2-十七烷基咪唑啉十七烷基咪唑啉 (

18、IA) 和和1-氨乙基氨乙基-2-十七烷基咪唑啉十七烷基咪唑啉 (IB) 的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)Figure 1 Optimized molecular structures:1-hydroxyethyl-2-heptadecylimidazoline (IA) and 1-aminoethyl -2-heptadecylimidazoline (IB).咪唑啉緩蝕劑緩蝕性能的理論研究咪唑啉緩蝕劑緩蝕性能的理論研究分子力學(xué)方法IAIBEHOMO=-5.27evEHOMO=-5.10ev圖圖2 IA和和IB緩蝕劑分子的最高占有軌道，等值面數(shù)值為緩蝕劑分子的最高占有軌道，等值面數(shù)值為0.02

19、 a.u.Figure 2 Highest occupied molecular orbital (HOMO) with a value of isosurface of 0.02 a.u. for IA and IB.IAIBELUMO=1.27evELUMO=1.43ev圖圖3 IA和和IB緩蝕劑分子的最低未占軌道，等值面為緩蝕劑分子的最低未占軌道，等值面為0.02 a.u.Figure 3 Lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) with a value of isosurface of 0.02 a.u. for IA and IB.2.1

20、 分子反應(yīng)活性的量子化學(xué)計算分子反應(yīng)活性的量子化學(xué)計算分子力學(xué)方法 分子的反應(yīng)活性點位可通過分子的反應(yīng)活性點位可通過Fukui指數(shù)來分析，指數(shù)來分析，F(xiàn)ukui指數(shù)不僅可以測定分子指數(shù)不僅可以測定分子的化學(xué)活性點位和強(qiáng)弱，同時還可以確定活性點位的親核或親電子的特性。的化學(xué)活性點位和強(qiáng)弱，同時還可以確定活性點位的親核或親電子的特性。 1Nq Nq1Nqff分子原子IA1C-0.287-0.283-0.297-0.004 0.0142C-0.290-0.319-0.348 0.029 0.0293C 0.132 0.431 0.450-0.299-0.0194N-0.530-0.496-0.276

21、-0.034-0.2207N-0.657-0.491-0.277-0.166-0.2148C-0.285-0.289-0.316 0.004 0.02711C-0.149-0.153-0.144 0.004-0.00914O-0.677-0.661-0.622-0.016-0.039IB1C-0.291-0.281-0.297-0.010 0.0162C-0.312-0.319-0.339 0.007 0.0203C 0.079 0.429 0.432-0.350-0.0034N-0.548-0.494-0.301-0.054-0.1937N-0.619-0.496-0.312-0.123-0

22、.1848C-0.256-0.259-0.283 0.003 0.02411C 0.199-0.276-0.262 0.475-0.01414N-0.855-0.869-0.750 0.014-0.119表表1 IA和和IB分子的分子的Mulliken原子電量和原子電量和Fukui指數(shù)指數(shù)Table 1 Mulliken atomic charges and Fukui index for IA and IB分子力學(xué)方法IAIB分子力學(xué)方法IAIB圖圖4 IA和和IB分子在分子在FeCO3表面的吸附構(gòu)型表面的吸附構(gòu)型Figure 4 Adsorption conformations of in

23、hibitor molecules on FeCO3 surface for IA and IB.2.2 單分子吸附的分子動力學(xué)模擬單分子吸附的分子動力學(xué)模擬分子IAIBH2O單分子吸附能(kcal/mol)-84.0-106.0-44.0表表2 IA、IB 和和 H2O在在FeCO3表面的單分子吸附能表面的單分子吸附能Table 2 The adsorption energy of IA、IB and H2O molecules on FeCO3 surface.分子力學(xué)方法IAIB圖圖5 IA和和IB分子在分子在FeCO3表面上吸附成膜的側(cè)視圖表面上吸附成膜的側(cè)視圖Figure 5 The side view of IA and IB monolayer on FeCO3 surface after optimization.2.3 吸附成膜的分子力場模擬吸附成膜的分子力場模擬IAIB圖圖6 IA和和IB分子在碳酸亞鐵界面上吸附成膜的俯視圖分子在碳酸亞鐵界面上吸附成膜的俯視圖Figure 6 The top view of IA and IB monolayer on FeCO3 surface after optimization.分子力學(xué)方法表表3 IA和和IB的內(nèi)聚能和吸附角的內(nèi)聚能和吸附角Table3 Cohesive en