分子模擬的原理及應(yīng)用-陳正隆課件

分子模擬的原理及應(yīng)用

Principles&ApplicationsofMolecularModeling

計算在化學(xué)報告的百分比重圖

資料來源:美國化學(xué)會(AmericanChemicalSociety,ACS)ForceField力場力場

ForceField力場:將分子的勢能表示為分子中原子

幾何坐標(biāo)的簡單函數(shù)雙原子分子振動范德華勢能

VanderWaals12-6potential

典型的范德華勢能參數(shù)

原子或分子/kB(K)

(?)He10.412.602Ne42.02.755Ar141.63.350Kr199.83.581Xe281.03.790CH4161.33.721CF4156.54.478SF6207.75.252MM

形式力場的遠(yuǎn)程作用項

atom(kcal/mol)(A)C0.0272.04H0.021.62鍵伸縮勢能

AllingerMM2(1977)Bondr0(A)Kb(kcalmol-1A-2)Csp3-Csp31.523317Csp3-Csp21.497317Csp2=Csp21.337690Csp2=O1.208777Csp3–Nsp31.438367C–N(amide)1.345719任何2

個連續(xù)的原子A-B

鍵角彎曲勢能

(anglebendingpotential)任何3

個連續(xù)的原子A-B-CAngle0k(kcalmol-1deg-1)Csp3-Csp3-Csp3109.479.910-3Csp3-Csp3-H109.477.910-3H-Csp3-H109.477.010-3Csp3-Csp2-Csp3117.29.910-3Csp3-Csp2=Csp2121.41.2110-2Csp3-Csp2=O122.51.0110-2雙面角,扭轉(zhuǎn)角

dihedralangle,torsionangleH2O2

分子的雙面角扭轉(zhuǎn)角任何4個連續(xù)的原子A-B-C-D

扭轉(zhuǎn)角力常數(shù)

typicaltorsionalconstantsTorsionalconstantKcal/molangleV1V2V3Csp3-Csp3-Csp3-Csp30.1850.1700.52Csp2-Csp3-Csp3-Csp25.000Csp2-Csp2-Csp2-Csp2016.252.00Csp3-Csp2-Csp2-Csp2-0.316.250Csp3-Csp2-Csp2-Csp3-0.716.250H-Csp3-Csp3-Csp3000.28H-Csp2-Csp3-Csp3001.00H-Csp2-Csp2-Csp20.416.250H-Csp3-Csp3-H000.238離平面振動

out-of-planebending

傾向形成共平面的4個原子:Csp2

特殊的作用項

SpecialInteractionterms

氫鍵作用H-bondingInteraction

12-10potential

芳香環(huán)間-

作用

-Interactionforaromaticrings

C3H8

的勢能:

常見的力場形式

決定力場參數(shù)

DeterminationofForceFieldParameters實驗:紅外光譜,熱力學(xué)性質(zhì),偶極矩,….計算:高階量子力學(xué)計算結(jié)果

(DFT,abinitio,…)擬合計算的物理量以決定力場參數(shù)◎不同的力場,針對特殊的體系與物理特性第一代力場MM

形態(tài)力場:Allinger,MM2,MM3,有機(jī)分子,聚合物AMBER

力場:PeterKollman (AssistedModelBuildingwithEnergyMinimization)

蛋白質(zhì),核酸,多醣等生化分子。CHARMM

力場:MartinKarplus (ChemistryatHarvardMacromolecularMechanics)

蛋白質(zhì),核酸,多醣等生化分子CVFF

力場:DauberOsguthope (ConsistentValenceForceField)以生化分子為主,適用于胺基酸,水,及各種官能基。各種多肽,蛋白質(zhì),與大量的有機(jī)分子。一致性力場

(ConsistentForceField,CFF)

耦合作用項CrosstermsCFF95

力場:

衍生自CFF91力場,特殊針對如多糖類,聚碳酸酯等生化分子與有機(jī)聚合物所設(shè)計的,較適用于生命科學(xué)的應(yīng)用。此力場含有鹵素原子及Li,Na,K,Rb,Cs,Mg,Ca,Fe,Cu,Zn

等金屬原子的參數(shù)。MMFF93

力場:

為美國Merck公司針對有機(jī)藥物設(shè)計所發(fā)展的。采取MM2,MM3力場的形式。主要應(yīng)用于計算固態(tài)或液態(tài)的小型有機(jī)分子系統(tǒng)。可得到很準(zhǔn)確的幾何結(jié)構(gòu),振動頻率與各種熱力學(xué)性質(zhì)。涵蓋周期表元素的力場ESFF

力場:

可用于預(yù)測氣態(tài)與凝態(tài)的有機(jī)分子,無機(jī)分子,有機(jī)金屬分子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。但不能用以計算構(gòu)形能,或準(zhǔn)確的振動頻率。涵蓋周期表中由氫至氡的元素。DREDING力場:

可計算分子聚集體的結(jié)構(gòu)及各項性質(zhì),但其力場參數(shù)并未涵蓋周期表的全部元素。UFF力場:(UniversalForceField)

適用于周期表所涵蓋的所有元素,適用于任何分子與原子系統(tǒng)。以UFF力場所計算的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)于由DREDING力場所得的結(jié)果,但計算與分子間作用有關(guān)的性質(zhì),則有較大的偏差。ESFF,UNIVERSAL力場

ESFF力場

原子的陰電性(electronegativity)

原子的堅硬度(hardness)

能量對原子的電荷量最小化

拉格朗日乘子(Lagrangianmultiplier)

靜電作用能

密度泛函數(shù)方法DFT

UniversalForceField(UFF)NaturalRadii,Effectivecharges,Electronegativity,bondtype

特殊的力場

全原子(all-atom)力場:

考慮系統(tǒng)中所有的原子

聯(lián)合原子(united-atom)力場:

將原子基團(tuán)合并考慮

特殊的力場針對某些特殊系統(tǒng)所設(shè)計:

計算沸石(zeolite)系統(tǒng)的力場

計算金屬氧化物固體的COMPASS

力場

計算高分子的力場

簡化的力場

長鏈烷分子簡化力場

Ryckaert,J.P.,andA.Bellemans,Chem.Phys.Lett.30,123(1975)

甲基CH3

與亞甲基CH2

均視為一原子團(tuán),質(zhì)量分別為15amu及14amu,原子團(tuán)的中心位于碳原子上

簡化的烷分子力場

◎大量減化計算工作正確的計算分子,聚合物體系結(jié)構(gòu)正確的計算相變化,比熱,…等熱力學(xué)性質(zhì)

非均向性

(anisotropic)分子作用簡化力場

Gay,J.G.&B.J.Berne,J.Chem.Phys.74,3316(1981)非均向性分子作用非均向性分子作用簡化力場

Gay-Berne力場(GB)

各種非均向作用

分子力學(xué)(MM)MolecularMechanics分子力學(xué)

MolecularMechanics分子的勢能為分子坐標(biāo)的函數(shù)結(jié)構(gòu)最佳化(geometryoptimization)能量最小化(energyminimization)利用力場由任何起始構(gòu)形可求得最低能量構(gòu)形 EnergyMinimization:自定,~0.1A利用力場由任何起始構(gòu)形可求得最低能量構(gòu)形區(qū)域最小值問題

Localminima區(qū)域最小值問題選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法選擇不同的起點(diǎn)(MC)隨機(jī)移動(MCrandomknick)分子動力學(xué)升溫回火(MDannealing)

勢能面PotentialEnergySurface(PES)正戊烷函數(shù)的極小值

一次導(dǎo)數(shù)法最速下降法(steepestdescents)共軛梯度法(conjugategradient)二次導(dǎo)數(shù)法牛頓-拉森法(Newton-Ralpsonmethod)近似牛頓拉森法(Quasi-NewtonRapsonmethod)對角線塊狀牛頓拉森法(Block-diagonalNewton-Rapsonmethod)

導(dǎo)數(shù)適用范圍

藥物分子的MM計算

DNAinhibitornetrospin能量最小化計算netrospin第一階段第二階段方

法平均梯度<1kcal?-2平均梯度<0.1kcal?-2CPU(秒)計算次數(shù)CPU(秒)計算次數(shù)最速下降679814051893共軛梯度149213257367力場方法與量子力學(xué)計算的比較

Forcefield–QuantumMechanics氘化麥芽醣

勢能等高線振動頻率vibrationfrequency

彈力常數(shù)

WilsonGF矩陣G: 分子結(jié)構(gòu)與原子質(zhì)量F: 彈力常數(shù)E: 單位矩陣:

: MM3力場計算甲醇(methanol)的振動頻率實驗值(cm-1)計算值(cm-1)振動模式36823679O-H伸縮蕩(str.)29772976C-H3

非對稱伸縮(asym.str.)297028442873C-H3

對稱伸縮(sym.Str.)14771484CH3

扭曲(def.)145514461430143013401287C-O-H彎曲(bend)1106CH3

擺動(rock.)1086CH3搖擺(wag.)10341052C-O伸縮(str.)270263CH3-O(tor.)分子內(nèi)能

氣態(tài)分子的標(biāo)準(zhǔn)生成焓

(standardheatofformation)

烷類實驗值計算值誤差SE2,2,3-三甲基丁烷-48.87-48.860.018.273,3-二甲基戊烷-48.08-47.450.638.26新戊烷-40.14-40.78-0.642.273-甲基戊烷-41.33-41.34-0.015.53正戊烷-35.56-36.30-0.742.82正丁烷-30.60-30.62-0.022.17丙烷-24.83-24.97-0.141.50乙烷-20.24-19.330.910.82環(huán)己烷

-29.50-29.000.506.55環(huán)丁烷6.786.32-0.4629.22正庚烷晶體的堆積圖MM3Lii,J.H.andN.L.Allinger,J.Amer.Chem.Soc.111,8576(1989)液晶分子體系

LiquidCrystal(LC)軟碳鏈

向列形液晶系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

StructureofNematicLC

Gay-BerneSimplifiedForceField12960個液晶分子

清楚的顯示系統(tǒng)中液晶分子的排列次序

Bates,M.A.,andC.Zannoni,Chem.Phys.Lett.26,40(1997)商用軟件

MaterialStudios

AccelryInc.北京創(chuàng)騰公司代理Porphyrin-AppendedCholesterolDerivatives

Tsutomuetal.Langmuir(2001)1758252:1Zn(II)porphyrin/[60]fullereneSandwichComplexGelationAbility[60]F/55a5b5c5dSolvent(mol/mol)20oC5oC20oC5oC20oC5oC20oC5oCBenzene0.0SGSSSSSS0.5GGSSGGSSToluene0.0SGSSSSSS0.5GGSSpGGSSp-xylene0.0SGSSSSSS0.5GGSSSSSSS:solution,G:gel;pG=partialgelF:fullerene;S:solution,G:gel;pG=partialgelEnergyMinimizedresult

Discover3/insightII98.0bentextendedAmide-appendedPorphyrins

MichihiroShirakawa,etal.J.AM.CHEM.SOC.2003,125,9902amide1bshouldassemble,inthepresenceofC60,intotheone-dimensionalarray.

1bdimerizesbytheH-bondinginteraction