第二章計算化學的應用

第二章計算化學的應用第1頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三計算化學的應用第2頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三化學生物材料第3頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三在化學中的應用第4頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三1.驗證實驗結果2.計算結構和性質3.理論預測分子設計4.研究反應機理計算化學在化學中的應用第5頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三通過計算可得到1.幾何結構,分子軌道,電荷密度,偶極矩,生成熱,質子親和勢,電離能,電子親和能,熱力學數(shù)據,垂直激發(fā)能,溶劑化自由能,物質的酸性pKa,芳香性,磁性質等等......2.可計算紅外光譜,拉曼光譜,紫外可見光譜,NMR譜……第6頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三化合物性質的預測苯甲酸第7頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三它的鍵長、鍵角分別是多少?它有異構體嗎?哪個異構體更穩(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，共103頁，2023年，2月20日，星期三第9頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三勢能面圖第10頁，共103頁，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內轉換系間串躍第11頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三C6H5COOHC6H6+CO2(1)C6H5CO+OH(2)C6H5+COOH(3)苯甲酸的光化學性質≥270nmT2紫外光波長:400nm以下,可見光波長:400-760nm,紅外光:大于760nm第12頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第13頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三反應機理研究目前的研究主要是這類反應的區(qū)域選擇性第14頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三內部炔烴-區(qū)域選擇性

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

經過幾十年的發(fā)展，理論化學方法的精度逐漸提高、計算方法日趨成熟，可處理的體系也越來越大，為研究生物體系中的重要科學問題提供了重要工具。

同時，分子生物學的發(fā)展也迫切需要理論化學研究的介入和幫助。第22頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三生命科學中的重要研究方向蛋白質和核酸三維結構預測、動力學及功能重要酶催化反應機理配體-受體相互作用生物體系中的電荷傳遞過程生物體系中光化學反應第23頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三1.1.蛋白質和核酸三維結構預測蛋白質基本單元：氨基酸及肽鏈肽鏈第24頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三一級結構二級結構三級結構四級結構蛋白質的三維結構第25頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三肽鏈折疊過程第26頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質折疊過程的反演：

折疊的蛋白質展開逆過程的分子動力學模擬W.Daggett,Acc.Chem.Res.

2002,35,422第27頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三溶劑化效應的分子動力學模擬：時間尺度長時間模擬(>80ps)短時間模擬(<10ps)VMarkov,etal.Acc.Chem.Res.

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

從過去相對盲目地大量合成，大量篩選

發(fā)展為首先確定藥物作用的靶分子，在此基礎上來設計、篩選藥物物分子的計算機輔助設計定量構效關系分析(QSAR)成功的實例之一：抗癌藥物9-苯胺呀啶第30頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三腦紅蛋白和CO結合機理的QM/MM研究J.Phys.Chem.B2008,112,8715-8723.第31頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三1.主要功能：儲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，共103頁，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的血紅蛋白人體內的肌紅蛋白

紅細胞肌肉組織把新鮮氧氣運送到各組織

儲存氧氣，當機體需要時再釋放1.課題背景第33頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三新近發(fā)現(xiàn)的兩個蛋白，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，共103頁，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，共103頁，2023年，2月20日，星期三EABCDD÷FHG結構上的共性：整個蛋白含有八個α-螺旋，分別標記為A－H保守殘基：E7，F(xiàn)8，CD11.課題背景第36頁，共103頁，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發(fā)生改變？血紅素穴中殘基對配體的位阻作用血紅素穴中殘基對配體的氫鍵作用配體結合后多肽的扭曲配體親和力第37頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三野生型Ngb和Cgb與CO/O2結合的機理將會與Mb和Hb明顯不同，而且更加復雜。Ngb和CgbMb和HbFe的配位形式1.課題背景第38頁，共103頁，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結合E7解離分步機理Ngb11.課題背景第39頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三k(E7結合)k(E7解離)=1.2(Trentetal.JBC2001,276,30106)=444.4(Dewildeetal.JBC2001,276,38949)=3000(Kigeretal.IUBMBLife2004,56,709)Ngb3實驗上觀察到的配體親和力是很不相同的1.課題背景第40頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三J.Biol,Chem.2001,276,36377–36382.ClosedOpen4Ngb不同機理導致的結果？？？1.課題背景第41頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三2.待解決的問題雖然有幾個DFT計算用來處理Mb和CO的結合，但據我們所知，只是優(yōu)化結合物的結構，沒有機理上的研究，而且大部分是模型體系的計算。對于Ngb的計算，甚至連模型體系的計算都沒有。

蛋白與配體的結合是分步還是協(xié)同過程，分步過程是不是要考慮絕熱還是非絕熱機理？第42頁，共103頁，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)同機理分步機理第43頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三計算所采取的模型和參考的晶體結構模型體系QM部分真實體系XO+NgbPDB編號1q1f：1.5?分辨率的X-rayNgb晶體構型1w92：1.7?分辨率的X-rayNgb-CO晶體構型氫原子由于晶體構型中沒有氫原子，我們用分子動力學軟件加入且進行簡單優(yōu)化。第44頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三桔黃色：晶體構型(1q1f)藍色：Im-FeP-Im...CO(S)桔黃色：晶體構型(1w92)藍色：Im-FeP-CO...Im-A(S)計算所采取的模型和參考的晶體結構第45頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三4.腦紅蛋白和CO的結合機理協(xié)同機理DFT(QM/MM)“Open”Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-B(S)第46頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三分步機理

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的結合機理第47頁，共103頁，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結合物分步機理

DFT(QM/MM)4.腦紅蛋白和CO的結合機理第48頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三QM-6-31G**-PCM(模型-6-31G**)分步機理協(xié)同機理S/T(1)S/T(2)4.腦紅蛋白和CO的結合機理第49頁，共103頁，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的結合機理第50頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三4.腦紅蛋白和CO的結合機理Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-B(S)協(xié)同機理CO與血紅素的結合導致周圍殘基有規(guī)律的移動。第51頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三在材料科學中的應用第52頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三1.計算固體各種性質能帶圖態(tài)密度2.模擬固體吸附氣體的物理化學行為3.計算設計固體材料結構第53頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三LST/QST:H2AdsorptiononPd(111)0.054eV0.96eV1.01eV第54頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第55頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三(n,0)zigzagnanotube(n,n)armchairnanotube(n,m)chiralnanotube第56頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第57頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第58頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第59頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三計算與實驗的合作第60頁，共103頁，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C-H鍵胺化機理的理論研究第61頁，共103頁，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鍵形成的一個重要合成方法，是烴類活化研究的熱點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，共103頁，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，共103頁，2023年，2月20日，星期三

2.實驗結果便宜易得第64頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

2.實驗結果第65頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三反應機理

2.實驗結果第66頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三分步機理18.0kcal/molC-N鍵形成1,2-H遷移

2.計算結果---驗證實驗推斷的反應機理第67頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三協(xié)同機理28.0kcal/mol

2.計算結果從理論計算角度來講反應主要按分步機理進行第68頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三cis-17和trans-17兩種異構體按照1:1比例混合，反應得到一種異構體18反應按分步機理進行

2.實驗結果---驗證計算推斷的分步機理第69頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三共振式C1和C2

2.計算結果---C-N鍵形成的本質？？第70頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第71頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三共振式---反應機理親電進攻

2.計算結果第72頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三類似電環(huán)化反應

2.計算結果第73頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三TxtTextText從Ｂ到Ｃ是電環(huán)化過程

2.計算結果第74頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

2.實驗結果---驗證電環(huán)化機理第75頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三36.5kcal/mol18.0kcal/mol

2.計算結果第76頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

2.實驗結果---驗證電環(huán)化機理類似第77頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

2.實驗結果---驗證電環(huán)化機理無法形成類似電環(huán)化的反應機理是正確的第78頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三實驗和計算都認為反應是按分步機理進行的C-N鍵的形成是類似電環(huán)化的反應

3.結論第79頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三常用計算軟件的介紹第80頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三ΨGaussian03計算化學面臨的挑戰(zhàn)是艱巨的，但也正在取得很大的進展，年輕化學家若對計算機有興趣的話，那末計算化學是具有令人興奮前景的研究領域。

──美國化學會會長R.布里斯羅第81頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

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

Gaussian應用范圍Gaussian是做半經驗計算和從頭計算使用最廣泛的量子化學軟件，可以研究：分子能量和結構過渡態(tài)的能量和結構化學鍵以及反應能量分子軌道偶極矩和多極矩原子電荷和電勢振動頻率，紅外和拉曼光譜，NMR極化率和超極化率熱力學性質，反應路徑計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，共103頁，2023年，2月20日，星期三摘自Gaussian手冊分子的能量和結構過渡態(tài)的能量和結構振動頻率紅外和拉曼光譜熱化學性質成鍵和化學反應能量化學反應路徑分子軌道原子電荷電多極矩NMR屏蔽和磁化系數(shù)振動圓二色性強度電子親和能和電離勢極化和超極化率靜電勢和電子密度單分子性質集團性質不可測量性質第86頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

GaussView3.0第87頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三顯示Gaussian計算結果分子軌道原子電荷

由電子密度、靜電勢場、NMR屏蔽以及其他性質得到的表面。可以用實體、半透明和網格三種方式顯示。使用不同的顏色來標記不同部分表面的性質用動畫的方式來演示振動頻率用動畫的方式來演示幾何優(yōu)化過程、勢能面掃描、IRC反應路徑第88頁，共103頁，2023年，2月2