分子模擬課件-第一章-概論

分子模擬主講：李慎敏

分子模擬主講：李慎敏1

前輩的忠告-摘自陳敏伯

只要是理論科學(xué)，都要反復(fù)幾遍才能得到要領(lǐng)，不要指望聽一遍就懂個(gè)大概，不要在“自我感覺差”面前退縮，“不懂”意味著正在入門，更不要指望寓教于樂。不過，在熬過長(zhǎng)夜、豁然開朗之際，“樂”卻會(huì)不期而至，那是晨曦中第一原理送來的神圣感。前輩的忠告-摘自陳敏伯2

主講內(nèi)容及參考書分子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)模擬蒙特卡羅模擬分子模擬與藥物設(shè)計(jì)1.《分子模擬的理論與實(shí)踐》陳正隆等化學(xué)工業(yè)出版社2.《分子模擬(從算法到應(yīng)用)》汪文川等譯化學(xué)工業(yè)出版社3.《分子模擬的原理與應(yīng)用》Leach,A.R.世界圖書出版公司（影印）4.

《計(jì)算化學(xué)-從理論化學(xué)到分子模擬》陳敏伯著科學(xué)出版社主講內(nèi)容及參考書分子力學(xué)3課時(shí)安排及考核形式32課時(shí)理論課16課時(shí)實(shí)驗(yàn)課考試形式：平時(shí)作業(yè)20%

期末筆試50%

上機(jī)實(shí)踐及考試30%課時(shí)安排及考核形式32課時(shí)理論課4

第一章

分子模擬的概況第一章

分子模擬的概況長(zhǎng)期以來，化學(xué)一直被科學(xué)界公認(rèn)為一門純實(shí)驗(yàn)科學(xué)。其理由要追溯到人類認(rèn)識(shí)自然的兩種科學(xué)方法長(zhǎng)期以來，化學(xué)一直被科學(xué)界公認(rèn)為一門純實(shí)驗(yàn)科學(xué)。其理由要追溯⑴ 歸納法

(F.Bacon,1561-1626)⑵ 演繹法

(R.Decartes,1596-1650)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)唯象理論“預(yù)測(cè)”數(shù)據(jù)擬合檢驗(yàn)公理假設(shè)形式理論

二次形式化近似、計(jì)算和模擬預(yù)測(cè)模型實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)⑴ 歸納法(F.Bacon,1561-1626)物理化學(xué)在20世紀(jì)初形成。旨在揭示化學(xué)反應(yīng)的普遍規(guī)律—反應(yīng)進(jìn)行的方向、程度和速度…Gibbs

化學(xué)熱力學(xué)Gibbs自由能：

G=HTS

反應(yīng)速率常數(shù)：Arrhenius

化學(xué)動(dòng)力學(xué)物理化學(xué)在20世紀(jì)初形成。旨在揭示化學(xué)反應(yīng)的普遍規(guī)律—反量子力學(xué)是演繹法最成功的實(shí)例Heisenberg、Schr?dinger、Dirac、Born等于1925~1926創(chuàng)建30年代初由vonNeumann完成形式理論體系

量子力學(xué)的建立未依據(jù)任何實(shí)驗(yàn)事實(shí)或經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。它用少數(shù)幾條基本假定作為公理，由此出發(fā)，通過嚴(yán)格的邏輯演繹，迅速地建成一個(gè)自洽、完備、嚴(yán)密的理論體系量子力學(xué)是演繹法最成功的實(shí)例Heisenberg、Schr?基本運(yùn)動(dòng)方程—Schr?dinger方程微觀粒子或體系的性質(zhì)由狀態(tài)波函數(shù)唯一確定，服從Schr?dinger方程Schr?dinger方程：Hamilton算符：在10-13m的微觀層次，方程放之四海而皆準(zhǔn)方程建立容易，困難在于求解基本運(yùn)動(dòng)方程—Schr?dinger方程微觀粒子或體系的計(jì)算化學(xué)新時(shí)代30年代量子化學(xué)和量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)分支的形成使化學(xué)科學(xué)開始與演繹法“沾上了邊”。但在80年代前進(jìn)展十分緩慢90年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展計(jì)算化學(xué)進(jìn)入新時(shí)代計(jì)算化學(xué)新時(shí)代30年代量子化學(xué)和量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)分支的形成使化學(xué)TheLaureatesof1998NobelPrizeinChemistryWalterKohn&JohnA.Pople

瑞典皇家科學(xué)院將1998年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)予兩位年邁的量子化學(xué)家Kohn和Pople,

表彰他們?cè)陂_拓用于分子性質(zhì)及其參與化學(xué)過程研究的理論和方法上的杰出貢獻(xiàn)。TheLaureatesof1998NobelPr對(duì)1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

劃時(shí)代的評(píng)價(jià)瑞典皇家科學(xué)院的評(píng)價(jià)：“···

量子化學(xué)已發(fā)展成為廣大化學(xué)家都能使用的工具，將化學(xué)帶入一個(gè)新時(shí)代—實(shí)驗(yàn)與理論能攜手協(xié)力揭示分子體系的性質(zhì)?；瘜W(xué)不再是一門純實(shí)驗(yàn)科學(xué)了”對(duì)1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

劃時(shí)代的評(píng)價(jià)瑞典皇家科“三十年前，如果說并非大多數(shù)化學(xué)家，那末至少是有許多化學(xué)家嘲笑量子化學(xué)研究，認(rèn)為這些工作對(duì)化學(xué)用處不大，甚至幾乎完全無用?，F(xiàn)在的情況卻是完全兩樣了…。當(dāng)90年代行將結(jié)束之際，我們看到化學(xué)理論和計(jì)算研究的巨大進(jìn)展，導(dǎo)致整個(gè)化學(xué)正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命性的變化。Kohn和Pople是其中的兩位最優(yōu)秀代表”“這項(xiàng)突破被廣泛地公認(rèn)為近一、二十年來化學(xué)學(xué)科中最重要的成果之一”“三十年前，如果說并非大多數(shù)化學(xué)家，那末至少是有許多化學(xué)家嘲化學(xué)科學(xué)的體系和結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化

對(duì)象： 宏觀現(xiàn)象微觀本質(zhì)

方法學(xué)： 描述、歸納演繹、推理

理論層次：定性定量化學(xué)與物理學(xué)的界限在模糊，在理論上趨于統(tǒng)一化學(xué)各分支學(xué)科的交叉；與其他學(xué)科相互滲透

帶動(dòng)生物、材料科學(xué)進(jìn)入分子水平 與化學(xué)相關(guān)的的新領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)化學(xué)科學(xué)的體系和結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化 對(duì)象： 宏觀現(xiàn)象

1986：李遠(yuǎn)哲：“在十五年前，如果理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)有矛盾，那么經(jīng)常證明是理論結(jié)果錯(cuò)了。但是最近十年則相反，常常是實(shí)驗(yàn)錯(cuò)了。…量子力學(xué)有些結(jié)果是實(shí)驗(yàn)工作者事先未想到的，或者是難以實(shí)現(xiàn)的”電子自旋磁矩的理論值和實(shí)驗(yàn)值精確符合到12位有效數(shù)字H2分子的解離能理論計(jì)算值 36117.4cm-1實(shí)驗(yàn)值 36113.40.3cm-1改進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段后測(cè)得 36117.31.0cm-11986：李遠(yuǎn)哲：“在十五年前，如體系數(shù)據(jù)和性質(zhì)的綜合分析分子(材料)CAD合成路線CAD化學(xué)CAI數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析及其它應(yīng)用化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)量子化學(xué)計(jì)算計(jì)算機(jī)分子模擬分子結(jié)構(gòu)建模與圖象顯示化學(xué)人工智能分子力學(xué)(MM)分子動(dòng)力學(xué)(MD&MC)計(jì)算機(jī)化學(xué)計(jì)算化學(xué)的主要內(nèi)容體系數(shù)據(jù)和性質(zhì)的綜合分析分子(材料)合成路線化學(xué)CAI數(shù)計(jì)算化學(xué)是化學(xué)與多個(gè)學(xué)科的交叉化學(xué)物理學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)材料科學(xué)生命科學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算化學(xué)環(huán)境科學(xué)計(jì)算化學(xué)是化學(xué)與多個(gè)學(xué)科的交叉化學(xué)物理學(xué)計(jì)算機(jī)材料科學(xué)生模擬尺度LengthScaleHy=EyF=MAexp(-DE/kT)domainquantumchemistrymoleculardynamicsMonteCarlomesoscalecontinuum

TimeScale10-10M10-8M10-6M10-4M10-12S10-8S10-6S模擬尺度Len1.量子化學(xué)計(jì)算1）

從頭算方法2）

密度泛函方法3）

半經(jīng)驗(yàn)從頭算方法

幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，振動(dòng)頻率分析；尋找反應(yīng)過渡態(tài)，反應(yīng)路徑分析，反應(yīng)勢(shì)能面；熱力學(xué)數(shù)據(jù)分析，如反應(yīng)焓變，活化能等；電子和電荷分布；利用過渡態(tài)理論計(jì)算反應(yīng)速率常數(shù)等；光譜、能譜分析，如紅外光譜，紫外光電子能譜，核磁共振譜等。1.量子化學(xué)計(jì)算1）

從頭算方法2.分子力學(xué)方法利用勢(shì)函數(shù)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法:幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，振動(dòng)頻率構(gòu)象分析熱力學(xué)靜態(tài)性質(zhì)分子對(duì)接2.分子力學(xué)方法利用勢(shì)函數(shù)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法:3.分子動(dòng)力學(xué)模擬利用牛頓方程結(jié)合分子力學(xué)方法1）藥物設(shè)計(jì)，QSPR，QSAR分析2）催化設(shè)計(jì)，表面吸附活性分析3）高分子化學(xué)4）生物化學(xué)，酶催化設(shè)計(jì)5）液相化學(xué)反應(yīng)6）氣相反應(yīng)截面和反應(yīng)速率常數(shù)局限：忽略量子效應(yīng)，時(shí)間范圍短等3.分子動(dòng)力學(xué)模擬利用牛頓方程結(jié)合分子力學(xué)方法4.蒙特卡洛模擬

利用“隨機(jī)數(shù)”對(duì)模型系統(tǒng)進(jìn)行模擬以產(chǎn)生數(shù)值形式的概率分布而得名。由系統(tǒng)中質(zhì)點(diǎn)（原子或分子）的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)力學(xué)的概率分配原理，以得到體系的統(tǒng)計(jì)及熱力學(xué)資料。多用以研究復(fù)雜體系及金屬的結(jié)構(gòu)及其相變化性質(zhì)，弱點(diǎn)在于只能計(jì)算統(tǒng)計(jì)的平均值，無法得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息。蒙特卡洛法是數(shù)理統(tǒng)計(jì)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。4.蒙特卡洛模擬利用“隨機(jī)數(shù)”對(duì)模型系統(tǒng)進(jìn)行模擬以產(chǎn)生數(shù)5.量子動(dòng)力學(xué)

研究反應(yīng)過程中體系微觀態(tài)（電子態(tài)、振動(dòng)態(tài)、和轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)的變化和能量轉(zhuǎn)移1）

反應(yīng)截面和反應(yīng)速率常數(shù)。2）

弱相互作用3)

能量轉(zhuǎn)移5.量子動(dòng)力學(xué)研究反應(yīng)過程中體系微觀態(tài)（電子態(tài)、各種方法各具特色

以上幾種分子模擬方法各有特色:量了力學(xué)方法能得到有關(guān)立體構(gòu)型和構(gòu)象能的可靠信息,可以描述電子結(jié)構(gòu)的變化;分子力學(xué)法研究的是體系的靜態(tài)性質(zhì),描述基態(tài)原子結(jié)構(gòu)的變化;蒙特卡洛法的誤差容易確定,計(jì)算量沒有分子動(dòng)力學(xué)那樣大,費(fèi)時(shí)少,就獲取某種狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)構(gòu)這一點(diǎn)而言,蒙特卡洛方法往往比分子動(dòng)力學(xué)更有效;分子動(dòng)力學(xué)能研究體系中與時(shí)間和溫度有關(guān)的性質(zhì),是動(dòng)態(tài)性質(zhì),它既克服了蒙特卡洛法僅能夠描述不同溫度下分子結(jié)構(gòu)的特征,卻不能描述不同溫度下體系從一種熱力學(xué)狀態(tài)向另一種熱力學(xué)狀態(tài)演變過程的缺點(diǎn),也克服了量子力學(xué)法中僅能計(jì)算絕對(duì)溫度零度的真空中的孤立分子和分子力學(xué)只能計(jì)算絕對(duì)溫度零度的分子體系等問題,能計(jì)算任何溫度下分子體系的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。當(dāng)然,四種模擬方法構(gòu)成了與分子模擬密不可分的組成部分。各種方法各具特色以上幾種分子模擬方法各有特色:前沿發(fā)展—QM/MM法

Combinedabinitio&MolecularMechanics將MO法或DFT與分子力學(xué)法相結(jié)合，取QM與MM兩者之長(zhǎng)。解決大分子參與的化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算反應(yīng)的活性部位（activesite）采用QM計(jì)算其它基團(tuán)的相互作用及與活性部位的作用采用MM處理QM/MM使計(jì)算酶催化、蛋白質(zhì)等參與的生物化學(xué)反應(yīng)成為可能前沿發(fā)展—QM/MM法

Combinedabinit分子模擬應(yīng)用舉例

計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)納米材料及納米反應(yīng)器生命過程的模擬

分子模擬應(yīng)用舉例計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)

DNA-四方結(jié)構(gòu)的

分子動(dòng)力學(xué)模擬研究DNA-四方結(jié)構(gòu)的

分子動(dòng)力學(xué)模擬研究bead-on-a-stringInNa+solution

InK+crystal

InK+solutionbead-on-a-stringInNa+solutioAutodock抗癌新藥開發(fā)DrugligandG-quadruplex分子對(duì)接-分子力學(xué)Autodock抗癌新藥開發(fā)DrugligandG-qua復(fù)合物被裝在TIP3P水分子且具有周期性邊界條件的水盒子中

分子動(dòng)力學(xué)模擬復(fù)合物被裝在TIP3P水分子且具有周期性邊界條件的水盒子中模擬體系的均方根偏差模擬體系的均方根偏差納米材料納米材料

幾何效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)

納米限制體

碳納米管、富勒烯、多孔材料、反膠團(tuán)等特異的理化性質(zhì)

幾何結(jié)構(gòu)、輸運(yùn)性質(zhì)、反應(yīng)性等C60(buckyball)SilicateReverseMicellesZeolitesCarbonNanotubeQuantumWire納米材料納米材料C60(buckyball)Silic納米材料限制體系內(nèi)溶液

的動(dòng)力學(xué)行為納米限制體系內(nèi)水分子的結(jié)構(gòu)納米材料限制體系內(nèi)溶液

的動(dòng)力學(xué)行為納米限制體系內(nèi)水分子的結(jié)La2@C80(Ih)Akasaka,T.etal.Angew.Chem.,Int.Ed.Engl.1997,36,1643.Shimotani,H.etal.J.Am.Chem.Soc.2004,126,364-369.La2@C80(Ih)Akasaka,T.etal.Laatom,fromD2htoD2h?G:animaginaryfrequency(29.64icm-1),1.056kcalmol-1higherthanthatoftheD2hLaatom,fromD2htoD2h?G:Nishibori,E.etal.Angew.Chem.,Int.Ed.2001,40,2998.MEMNishibori,E.etal.Angew.CheRamanJunfengZhang,CeHao*,ShenminLi,WeihongMi,andPengJin，J.Phys.Chem.C,

2007,111,7862-7867RamanJunfengZhang,CeHao*,S受限于不同半徑的光滑球內(nèi)I2在Ar溶劑中的振動(dòng)光譜位移在溶劑中的振動(dòng)弛豫時(shí)間不同半徑光滑球內(nèi)光滑球模型ArI2Radius/nmShift/cm-11.21.201.51.791.81.762.21.75受限于不同半徑的光滑球內(nèi)I2在Ar溶劑中的振動(dòng)光譜位移在Radius/nmShift/cm-10.68(10,10)3.421.02(15,15)3.531.36(20,20)3.541.70(25,25)3.552.04(30,30)3.55單壁碳納米管模型受限于不同半徑的碳納米管內(nèi)I2在Ar溶劑中的振動(dòng)光譜位移密度為0.5g/cm3Radius/nmShift/cm-10.68(1納米反應(yīng)器

反應(yīng)物

產(chǎn)物納米反應(yīng)器規(guī)整排列的孔道的擔(dān)載功能,表面活性，空間限制作用

穩(wěn)定性，選擇性絕佳的反應(yīng)環(huán)境

自然界生命體系中的化學(xué)變化生化酶------細(xì)胞

nmμm納米反應(yīng)器反應(yīng)物產(chǎn)物納米反應(yīng)器規(guī)整排列的孔道AminesadsorptioninHMORSiOzAlO1O2HzNH2H1OzAlO2O3O5O4HzNH1H3H2SiO1O5SiOzAlO3H5H2H3O1O2H4NO4H1HzO4OzAlO1O5O3HzH2H