第二章計(jì)算化學(xué)的應(yīng)用

第二章計(jì)算化學(xué)的應(yīng)用第1頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三計(jì)算化學(xué)的應(yīng)用第2頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三化學(xué)生物材料第3頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在化學(xué)中的應(yīng)用第4頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.計(jì)算結(jié)構(gòu)和性質(zhì)3.理論預(yù)測(cè)分子設(shè)計(jì)4.研究反應(yīng)機(jī)理計(jì)算化學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用第5頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三通過(guò)計(jì)算可得到1.幾何結(jié)構(gòu),分子軌道,電荷密度,偶極矩,生成熱,質(zhì)子親和勢(shì),電離能,電子親和能,熱力學(xué)數(shù)據(jù),垂直激發(fā)能,溶劑化自由能,物質(zhì)的酸性pKa,芳香性,磁性質(zhì)等等......2.可計(jì)算紅外光譜,拉曼光譜,紫外可見(jiàn)光譜,NMR譜……第6頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三化合物性質(zhì)的預(yù)測(cè)苯甲酸第7頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三它的鍵長(zhǎng)、鍵角分別是多少?它有異構(gòu)體嗎?哪個(gè)異構(gòu)體更穩(wěn)定?光照射后發(fā)射熒光還是磷光?需要多少nm的光才能發(fā)生光分解?第8頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第9頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三勢(shì)能面圖第10頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三苯甲酸單體不發(fā)射熒光，只有磷光苯甲酸的光物理性質(zhì)內(nèi)轉(zhuǎn)換系間串躍第11頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三C6H5COOHC6H6+CO2(1)C6H5CO+OH(2)C6H5+COOH(3)苯甲酸的光化學(xué)性質(zhì)≥270nmT2紫外光波長(zhǎng):400nm以下,可見(jiàn)光波長(zhǎng):400-760nm,紅外光:大于760nm第12頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第13頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三反應(yīng)機(jī)理研究目前的研究主要是這類(lèi)反應(yīng)的區(qū)域選擇性第14頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三內(nèi)部炔烴-區(qū)域選擇性

第15頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Boththedissociativeandassociativemechanismsforthecouplingreactionwerecalculated.第16頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三內(nèi)端末端分步機(jī)理23.4kcal/mol21.2kcal/molFigureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.第17頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三內(nèi)端末端21.5kcal/mol18.7kcal/mol協(xié)同機(jī)理Figureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.第18頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三軌道分析-CO2和炔烴耦合反應(yīng)的本質(zhì)HOMOHOMOLUMOLUMO第19頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在生物中的應(yīng)用第20頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三應(yīng)用理論化學(xué)研究生物體系已具備的條件：（1）分子力學(xué)和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬已被用于模擬蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的三維結(jié)構(gòu)和構(gòu)象以及分子的動(dòng)力學(xué)行為。（2）線(xiàn)性標(biāo)度的半經(jīng)驗(yàn)和從頭算量子化學(xué)方法已能處理生物大分子的片段（上千個(gè)原子）。（3）量子力學(xué)與分子力學(xué)相結(jié)合的組合方法使描述酶的活性中心或藥物的結(jié)合部位成為可能。（4）從頭算分子動(dòng)力學(xué)方法已開(kāi)始被應(yīng)用于模擬生物體系中的快速反應(yīng)。第21頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，理論化學(xué)方法的精度逐漸提高、計(jì)算方法日趨成熟，可處理的體系也越來(lái)越大，為研究生物體系中的重要科學(xué)問(wèn)題提供了重要工具。

同時(shí)，分子生物學(xué)的發(fā)展也迫切需要理論化學(xué)研究的介入和幫助。第22頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三生命科學(xué)中的重要研究方向蛋白質(zhì)和核酸三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、動(dòng)力學(xué)及功能重要酶催化反應(yīng)機(jī)理配體-受體相互作用生物體系中的電荷傳遞過(guò)程生物體系中光化學(xué)反應(yīng)第23頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.1.蛋白質(zhì)和核酸三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)基本單元：氨基酸及肽鏈肽鏈第24頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第25頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三肽鏈折疊過(guò)程第26頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三蛋白質(zhì)折疊過(guò)程的反演：

折疊的蛋白質(zhì)展開(kāi)逆過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬W.Daggett,Acc.Chem.Res.

2002,35,422第27頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三溶劑化效應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬：時(shí)間尺度長(zhǎng)時(shí)間模擬(>80ps)短時(shí)間模擬(<10ps)VMarkov,etal.Acc.Chem.Res.

2002,35,376.第28頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三酶催化反應(yīng)機(jī)理：酶分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)合部位：酶分子中與底物結(jié)合的部位區(qū)域。催化部位：酶分子中促使底物發(fā)生化學(xué)變化的部位活性中心第29頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三蛋白質(zhì)與小分子相互作用--創(chuàng)新藥物的研究與發(fā)現(xiàn)

從過(guò)去相對(duì)盲目地大量合成，大量篩選

發(fā)展為首先確定藥物作用的靶分子，在此基礎(chǔ)上來(lái)設(shè)計(jì)、篩選藥物物分子的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)定量構(gòu)效關(guān)系分析(QSAR)成功的實(shí)例之一：抗癌藥物9-苯胺呀啶第30頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三腦紅蛋白和CO結(jié)合機(jī)理的QM/MM研究J.Phys.Chem.B2008,112,8715-8723.第31頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.主要功能：儲(chǔ)存和輸送氧氣含有血紅素的球蛋白2.主要成員：肌紅蛋白(Mb)血紅蛋白(Hb)腦紅蛋白(Ngb)胞紅蛋白(Cgb)1.課題背景第32頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三最為大家所熟悉的就是肌紅蛋白和血紅蛋白人體內(nèi)的血紅蛋白人體內(nèi)的肌紅蛋白

紅細(xì)胞肌肉組織把新鮮氧氣運(yùn)送到各組織

儲(chǔ)存氧氣，當(dāng)機(jī)體需要時(shí)再釋放1.課題背景第33頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三新近發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)蛋白，腦紅蛋白(Ngb)和胞紅蛋白(Cgb)腦紅蛋白(Nature,2000,407,520-524)1.課題背景第34頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三胞紅蛋白(JBC,2001,276,25318-25323)1.課題背景第35頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三EABCDD÷FHG結(jié)構(gòu)上的共性：整個(gè)蛋白含有八個(gè)α-螺旋，分別標(biāo)記為A－H保守殘基：E7，F(xiàn)8，CD11.課題背景第36頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.課題背景CO:O220000配體親和力CO:O225~200配體親和力為什么配體親和力會(huì)發(fā)生改變？血紅素穴中殘基對(duì)配體的位阻作用血紅素穴中殘基對(duì)配體的氫鍵作用配體結(jié)合后多肽的扭曲配體親和力第37頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三野生型Ngb和Cgb與CO/O2結(jié)合的機(jī)理將會(huì)與Mb和Hb明顯不同，而且更加復(fù)雜。Ngb和CgbMb和HbFe的配位形式1.課題背景第38頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

PNAS.2002,99,7992;2004,101,17351;2005,102,8483;2006,103,2469;J.Biol.Chem.2003,278,4919;2004,279,5886;referencestherein.

CO結(jié)合E7解離分步機(jī)理Ngb11.課題背景第39頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三k(E7結(jié)合)k(E7解離)=1.2(Trentetal.JBC2001,276,30106)=444.4(Dewildeetal.JBC2001,276,38949)=3000(Kigeretal.IUBMBLife2004,56,709)Ngb3實(shí)驗(yàn)上觀(guān)察到的配體親和力是很不相同的1.課題背景第40頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三J.Biol,Chem.2001,276,36377–36382.ClosedOpen4Ngb不同機(jī)理導(dǎo)致的結(jié)果？？？1.課題背景第41頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.待解決的問(wèn)題雖然有幾個(gè)DFT計(jì)算用來(lái)處理Mb和CO的結(jié)合，但據(jù)我們所知，只是優(yōu)化結(jié)合物的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有機(jī)理上的研究，而且大部分是模型體系的計(jì)算。對(duì)于Ngb的計(jì)算，甚至連模型體系的計(jì)算都沒(méi)有。

蛋白與配體的結(jié)合是分步還是協(xié)同過(guò)程，分步過(guò)程是不是要考慮絕熱還是非絕熱機(jī)理？第42頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.研究思路Ngb-XO(B)NgbImNgb-XO(A)+XO-His64+XO協(xié)同機(jī)理分步機(jī)理第43頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三計(jì)算所采取的模型和參考的晶體結(jié)構(gòu)模型體系QM部分真實(shí)體系XO+NgbPDB編號(hào)1q1f：1.5?分辨率的X-rayNgb晶體構(gòu)型1w92：1.7?分辨率的X-rayNgb-CO晶體構(gòu)型氫原子由于晶體構(gòu)型中沒(méi)有氫原子，我們用分子動(dòng)力學(xué)軟件加入且進(jìn)行簡(jiǎn)單優(yōu)化。第44頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三桔黃色：晶體構(gòu)型(1q1f)藍(lán)色：Im-FeP-Im...CO(S)桔黃色：晶體構(gòu)型(1w92)藍(lán)色：Im-FeP-CO...Im-A(S)計(jì)算所采取的模型和參考的晶體結(jié)構(gòu)第45頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.腦紅蛋白和CO的結(jié)合機(jī)理協(xié)同機(jī)理DFT(QM/MM)“Open”Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-B(S)第46頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分步機(jī)理

DFT(QM/MM)Im-FeP-Im…CO(S)Im-FeP…CO…Im(S)TS-S(S)Im-FeP-CO…Im-A(S)“Closed”4.腦紅蛋白和CO的結(jié)合機(jī)理第47頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Im-FeP-Im…CO(T)Im-FeP…CO…Im(T)Im-FeP-Im…CO(Q)Im-FeP…CO…Im(Q)三重態(tài)和五重態(tài)上不存在Ngb-CO結(jié)合物分步機(jī)理

DFT(QM/MM)4.腦紅蛋白和CO的結(jié)合機(jī)理第48頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三QM-6-31G**-PCM(模型-6-31G**)分步機(jī)理協(xié)同機(jī)理S/T(1)S/T(2)4.腦紅蛋白和CO的結(jié)合機(jī)理第49頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Fourmainpathways不管是絕熱還是非絕熱途徑，五配位中間物的形成是限速步。4.腦紅蛋白和CO的結(jié)合機(jī)理第50頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.腦紅蛋白和CO的結(jié)合機(jī)理Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-B(S)協(xié)同機(jī)理CO與血紅素的結(jié)合導(dǎo)致周?chē)鷼埢幸?guī)律的移動(dòng)。第51頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在材料科學(xué)中的應(yīng)用第52頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.計(jì)算固體各種性質(zhì)能帶圖態(tài)密度2.模擬固體吸附氣體的物理化學(xué)行為3.計(jì)算設(shè)計(jì)固體材料結(jié)構(gòu)第53頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三LST/QST:H2AdsorptiononPd(111)0.054eV0.96eV1.01eV第54頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第55頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(n,0)zigzagnanotube(n,n)armchairnanotube(n,m)chiralnanotube第56頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第57頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第58頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第59頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的合作第60頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三釕催化芳基和烯基疊氮化合物分子內(nèi)C-H鍵胺化機(jī)理的理論研究第61頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

1.課題背景金屬催化的C-H鍵胺化，是C-N鍵形成的一個(gè)重要合成方法，是烴類(lèi)活化研究的熱點(diǎn)S.Cenini,E.Gallo,A.Penoni,F.Ragaini,S.Tollari,Chem.Commun.2000,2265F.Ragaini,A.Penoni,E.Gallo,S.Tollari,C.L.Gotti,M.Lapadula,E.Mangioni,S.Cenini,Chem.Eur.J.2003,9,249.烷烴第62頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三然而，烯基和芳基中C-H鍵的胺化是較少被研究的M.H.Shen,B.E.Leslie,T.G.Driver,Angew.Chem.Int.Ed.

2008,47,5056.B.J.Stokes,H.Dong,B.E.Leslie,A.L.Pumphrey,T.G.Driver,J.Am.Chem.Soc.2007,129,7500.烯基芳基

1.課題背景第63頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果便宜易得第64頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果第65頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三反應(yīng)機(jī)理

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果第66頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分步機(jī)理18.0kcal/molC-N鍵形成1,2-H遷移

2.計(jì)算結(jié)果---驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)推斷的反應(yīng)機(jī)理第67頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三協(xié)同機(jī)理28.0kcal/mol

2.計(jì)算結(jié)果從理論計(jì)算角度來(lái)講反應(yīng)主要按分步機(jī)理進(jìn)行第68頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三cis-17和trans-17兩種異構(gòu)體按照1:1比例混合，反應(yīng)得到一種異構(gòu)體18反應(yīng)按分步機(jī)理進(jìn)行

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果---驗(yàn)證計(jì)算推斷的分步機(jī)理第69頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三共振式C1和C2

2.計(jì)算結(jié)果---C-N鍵形成的本質(zhì)？？第70頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第71頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三共振式---反應(yīng)機(jī)理親電進(jìn)攻

2.計(jì)算結(jié)果第72頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三類(lèi)似電環(huán)化反應(yīng)

2.計(jì)算結(jié)果第73頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三TxtTextText從Ｂ到Ｃ是電環(huán)化過(guò)程

2.計(jì)算結(jié)果第74頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果---驗(yàn)證電環(huán)化機(jī)理第75頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三36.5kcal/mol18.0kcal/mol

2.計(jì)算結(jié)果第76頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果---驗(yàn)證電環(huán)化機(jī)理類(lèi)似第77頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果---驗(yàn)證電環(huán)化機(jī)理無(wú)法形成類(lèi)似電環(huán)化的反應(yīng)機(jī)理是正確的第78頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三實(shí)驗(yàn)和計(jì)算都認(rèn)為反應(yīng)是按分步機(jī)理進(jìn)行的C-N鍵的形成是類(lèi)似電環(huán)化的反應(yīng)

3.結(jié)論第79頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三常用計(jì)算軟件的介紹第80頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三ΨGaussian03計(jì)算化學(xué)面臨的挑戰(zhàn)是艱巨的，但也正在取得很大的進(jìn)展，年輕化學(xué)家若對(duì)計(jì)算機(jī)有興趣的話(huà)，那末計(jì)算化學(xué)是具有令人興奮前景的研究領(lǐng)域。

──美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)R.布里斯羅第81頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

Gaussian輸入界面第82頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三NH3的幾何構(gòu)型優(yōu)化輸入窗口第83頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三NH3的振動(dòng)頻率計(jì)算輸入窗口（作為優(yōu)化的后繼作業(yè)）第84頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

Gaussian應(yīng)用范圍Gaussian是做半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算使用最廣泛的量子化學(xué)軟件，可以研究：分子能量和結(jié)構(gòu)過(guò)渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量分子軌道偶極矩和多極矩原子電荷和電勢(shì)振動(dòng)頻率，紅外和拉曼光譜，NMR極化率和超極化率熱力學(xué)性質(zhì)，反應(yīng)路徑計(jì)算可以模擬在氣相和溶液中的體系,模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)第85頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三摘自Gaussian手冊(cè)分子的能量和結(jié)構(gòu)過(guò)渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率紅外和拉曼光譜熱化學(xué)性質(zhì)成鍵和化學(xué)反應(yīng)能量化學(xué)反應(yīng)路徑分子軌道原子電荷電多極矩NMR屏蔽和磁化系數(shù)振動(dòng)圓二色性強(qiáng)度電子親和能和電離勢(shì)極化和超極化率靜電勢(shì)和電子密度單分子性質(zhì)集團(tuán)性質(zhì)不可測(cè)量性質(zhì)第86頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

GaussView3.0第87頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月20日，星期三顯示Gaussian計(jì)算結(jié)果分子軌道原子電荷

由電子密度、靜電勢(shì)場(chǎng)、NMR屏蔽以及其他性質(zhì)得到的表面?？梢杂脤?shí)體、半透明和網(wǎng)格三種方式顯示。使用不同的顏色來(lái)標(biāo)記不同部分表面的性質(zhì)用動(dòng)畫(huà)的方式來(lái)演示振動(dòng)頻率用動(dòng)畫(huà)的方式來(lái)演示幾何優(yōu)化過(guò)程、勢(shì)能面掃描、IRC反應(yīng)路徑第88頁(yè)，共103頁(yè)，2023年，2月2