分子力學(xué)方法

1、關(guān)于分子力學(xué)方法第一張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、分子力學(xué)方法的應(yīng)用本章主要內(nèi)容一、分子力學(xué)方法簡介分子力學(xué)方法第二張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 分子力學(xué)（Molecular Mechanics） ，又叫力場方法（force field method），目前廣泛地用于計算分子的構(gòu)象和能量。1.1 何謂分子力學(xué) 分子力學(xué)從本質(zhì)上說上是能量最小值方法，即在原子間相互作用勢的作用下, 通過改變粒子分布的幾何位型, 以能量最小為判據(jù), 從而獲得體系的最佳結(jié)構(gòu)。一、分子力學(xué)方法簡介分子力學(xué)方法第三張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 在分子內(nèi)部，化學(xué)鍵都有“自然”的鍵

2、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近自然值，同時也使非鍵作用（van der Waals力）處于最小的狀態(tài)，給出原子核位置的最佳排布。1.2 子的經(jīng)典力學(xué)模型 - 1946，T.L.Hill T.L.Hill提出用van der Waals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。 分子內(nèi)部的空間作用是眾所周知的：1）基團或原子之間靠近時則相互排斥； 2）為了減少這種作用，基團或原子就趨于相互離開，但是這將使鍵長伸長或鍵角發(fā)生彎曲，又引起了相應(yīng)的能量升高。最后的構(gòu)型將是這兩種力折衷的結(jié)果，并且是能量最低的構(gòu)型。分子力學(xué)方法第四張，

3、PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)方法第五張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月雖然分子力學(xué)的思想和方法在40年代就建立起來了，但是直到50年代以后，隨著電子計算機的發(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。 1.3 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，特別是計算機技術(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)方法第六張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2

4、022年6月1.4 分子的空間能(力場的形式) 分子力學(xué)從幾個主要的典型結(jié)構(gòu)參數(shù)和作用力出發(fā)來討論分子結(jié)構(gòu)，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)以及非鍵作用等偏離“理想”值時分子能量（稱為空間能，space energy）的變化。采用優(yōu)化的方法，尋找分子空間能處于極小值狀態(tài)時分子的構(gòu)型。分子力學(xué)方法第七張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 其中Ec 是鍵的伸縮能，Eb 是鍵角彎曲能，Et 是鍵的二面角扭轉(zhuǎn)能，Enb 是非鍵作用能，它包括van der Waals作用能，偶極（電荷）作用能、氫鍵作用能等。 分子的空間能 E s可表示為：分子力學(xué)方法第八張，PPT共三十二頁，創(chuàng)

5、作于2022年6月 空間能函數(shù)描述了各種形式的相互作用力對分子能量的影響，它的有關(guān)參數(shù)、常數(shù)和表達式通常稱為力場。分子力學(xué)方法第九張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月例: COMPASS-98力場(condensed-phase optimized molecular potentials for atomistic simulation studies)的表達式如下分子力學(xué)方法第十張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.5 力場的參數(shù)化 1、分子力學(xué)力場的性能即它的計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性主要取決于勢能函數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。 2、這些有關(guān)力常數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)的“本征值”的置定過程稱為力場的

6、參數(shù)化。 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)上進行，有時也需要由量子化學(xué)計算的結(jié)果提供數(shù)據(jù)。 4、各類鍵長、鍵角的“本征值”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)力常數(shù)經(jīng)常要從分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘來推算。 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、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)。分子力學(xué)方法第十一張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 QCFF/PI A Warshel

7、& M levittMMI/MMPINL AllingerMM2/MMP2NL AllingerMM3NL AllingerECEPPHA ScheragaAMBERP KollmanCHARMMM KarplusGROMOSvan GunsterenSYBYLTripos Inc.DISCOVERMSI Inc.常見的力場及程序分子力學(xué)方法第十二張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.6 分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化粗結(jié)構(gòu)能量極小構(gòu)象分子幾何優(yōu)化E局部極小值問題；鞍點分子力學(xué)方法第十三張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化輸入坐標(biāo)及連接關(guān)系力場選擇、作用項、參數(shù)能量極小化最終結(jié)構(gòu)與

8、能量其它信息1、首先，給出所計算分子的試探結(jié)構(gòu)。不一定是分子的穩(wěn)定構(gòu)象，而且往往不是穩(wěn)定構(gòu)象。2、然后，將總空間能Es對所有描述分子構(gòu)象的變量即分子各原子的三維坐標(biāo)在一定的范圍內(nèi)求極小值。3、由于數(shù)學(xué)上只能保證求得局部極小值，即實現(xiàn)局部優(yōu)化，而不一定能求得全局最小值。所以得到的是在這一構(gòu)象附近的一相對穩(wěn)定的構(gòu)象。4、分子力學(xué)常用的優(yōu)化方法有使用一階導(dǎo)數(shù)的最速下降法和使用二階導(dǎo)數(shù)的Newton-Raphson法。分子力學(xué)方法第十四張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 1、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“最優(yōu)構(gòu)象”。所以選擇初始構(gòu)象是非常關(guān)鍵的。 2、若為找到全局能

9、量最低構(gòu)象，須將所有可能的初始構(gòu)象分別進行優(yōu)化，最后進行比較，確定分子體系的最優(yōu)構(gòu)象。 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)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)知識方面考慮是不可能的構(gòu)象略去。注意:E分子力學(xué)方法第十五張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一級微商算法最陡下降算法 Steepest Descents - SD共軛梯度算法 Conjugate Gradients - CONJ二級微商算法Newton-Raphson Method 能量極小化算法最陡下降法： 方向變化大，收斂慢，優(yōu)化輻度大共軛梯度法收斂快，易陷入局部勢阱，對初始結(jié)構(gòu)偏離不大 Ne

10、wton-Raphson法計算量較大，當(dāng)微商小時收斂快能量極小化算法比較分子力學(xué)方法第十六張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)與量子化學(xué)計算相輔相成1、研究對象： 分子力學(xué)宜用于對大分子進行構(gòu)象分析、研究與空間效應(yīng)密切相關(guān)的有機反應(yīng)機理、反應(yīng)活性、有機物的穩(wěn)定性及生物活性分子的構(gòu)象與活性的關(guān)系； 量子力學(xué)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分子力學(xué)方法第十七張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、基本原理： 分子力學(xué)是經(jīng)典模型，以原子為“粒子”，按經(jīng)典力學(xué)運動，而量子化學(xué)則主要處理對象為電子，其運動服從量子力學(xué)規(guī)律 量子化學(xué)中，電子或原子核間的相

11、互作用服從庫侖定律，而分子力學(xué)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)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)。分子力學(xué)方法第十八張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 在許多情況下，將量子化學(xué)計算和分子力學(xué)計算結(jié)合使用能取得較好的效果。分子力學(xué)計算結(jié)果可提供量子化學(xué)計算所需的分子構(gòu)象坐標(biāo)，而量子化學(xué)計算結(jié)果又給出了分子力學(xué)所不能給出的分子的電子性質(zhì)。 分子力學(xué)：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)的新類型的分子。3、缺陷與不足：量子力學(xué)：計算量大，研究的體系小

12、。分子力學(xué)方法第十九張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 油氣田的開發(fā)過程中，地層中CO2會對油管、套管以及管線等設(shè)備造成嚴重腐蝕。目前，油氣田所采用的管線設(shè)備多為碳鋼所制，其抗CO2腐蝕性能較差。碳鋼在含CO2環(huán)境中腐蝕產(chǎn)物主要是FeCO3，沉積在金屬表面形成疏松多孔的FeCO3膜。二、分子力學(xué)方法的應(yīng)用分子力學(xué)方法第二十張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)方法第二十一張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 There are three aspects important in the determination of an appropriate force-fi

13、eld for determining energy changes that occur when an inhibitor binds to a magnetite surface and forms a two dimensional film. These are the following:The force-field should accurately describe the structure of magnetite.2) It should describe inhibitor surface iron atom interactions accurately.3) It

14、 should describe the interactions between inhibitor molecules accurately.分子力學(xué)方法第二十二張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月FIGURE 1- The(111 ) miller plane of Fe3O4 . The surface Fe2+ sites are in black. O2- anions are in white while the Fe 3+are in gray. The hexagonal spacing of surface Fe*+sites is highlighted in th

15、e 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)方法第二十三張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)方法第二十四張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月IAIB圖1 1-羥乙基-2-十七烷基咪唑啉 (IA) 和1-氨乙基-2-十七烷基咪唑啉 (IB) 的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)Figure 1 Optimized molecu

16、lar 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分子力學(xué)方法第二十五張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月IAIBEHOMO=-5.27evEHOMO=-5.10ev圖2 IA和IB緩蝕劑分子的最高占有軌道，等值面數(shù)值為0.02 a.u.Figure 2 Highest occupied molecular orbital (HOMO) with a value of isosurface of 0

17、.02 a.u. for IA and IB.IAIBELUMO=1.27evELUMO=1.43ev圖3 IA和IB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 分子反應(yīng)活性的量子化學(xué)計算分子力學(xué)方法第二十六張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 分子的反應(yīng)活性點位可通過Fukui指數(shù)來分析，F(xiàn)ukui指數(shù)不僅可以測定分子的化學(xué)活性點位和強弱，同時還可以確定活性點位

18、的親核或親電子的特性。 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-0.530-0.496-0.276-0.034-0.2207N-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

19、.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-0.619-0.496-0.312-0.123-0.1848C-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1 IA和IB分子的Mulliken原子電量和Fukui指數(shù)Table 1 Mulliken atomic charges a

20、nd Fukui index for IA and IB分子力學(xué)方法第二十七張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月IAIB分子力學(xué)方法第二十八張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月IAIB圖4 IA和IB分子在FeCO3表面的吸附構(gòu)型Figure 4 Adsorption conformations of inhibitor molecules on FeCO3 surface for IA and IB.2.2 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2 IA、IB 和 H2O在FeCO3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)方法第二十九張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月IAIB圖5 IA和IB分子在FeCO3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