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計算化學(xué)-多學(xué)科交叉化學(xué)物理學(xué)計算機(jī)科學(xué)材料科學(xué)生命科學(xué)數(shù)學(xué)計算化學(xué)環(huán)境科學(xué)計算化學(xué)-多學(xué)科交叉化學(xué)物理學(xué)計算機(jī)材料科學(xué)生命科學(xué)數(shù)1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)計分析及其它應(yīng)用化學(xué)數(shù)據(jù)庫量子化學(xué)計算分子模擬分子結(jié)構(gòu)建模與圖象顯示化學(xué)人工智能分子力學(xué)(MM)分子動力學(xué)(MD&MC)計算化學(xué)計算機(jī)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)2模型與模擬模型:在概念上、數(shù)學(xué)上是模擬系統(tǒng)的代表,其行為應(yīng)與系統(tǒng)行為相似,由于常常忽略許多不重要的相互作用項(xiàng),因此,它涉及了較少的系統(tǒng)的態(tài)。模擬:基于模型運(yùn)動軌跡,利用數(shù)值方法表述模型的性質(zhì)。模型與模擬模型:在概念上、數(shù)學(xué)上是模擬系統(tǒng)的代表,其行為應(yīng)與3模型與模擬模型與模擬4分子模擬的模型模擬模型=分子相互作用(分子結(jié)構(gòu),力場函數(shù)形式及參數(shù)選取)邊界條件(系統(tǒng)的大?。?分子模擬的模型模擬模型=分子相互作用邊界條件+5分子的微觀結(jié)構(gòu)模型分子的結(jié)構(gòu)-分子構(gòu)象(理論與實(shí)驗(yàn))模擬系統(tǒng)的分子結(jié)構(gòu)分子的微觀結(jié)構(gòu)模型分子的結(jié)構(gòu)-分子構(gòu)象(理論與實(shí)驗(yàn))6分子的微觀的表述模型分子的幾何坐標(biāo)直角坐標(biāo)內(nèi)坐標(biāo)幾何坐標(biāo)的獲得實(shí)驗(yàn)方法理論計算(量子化學(xué))笛卡爾直角坐標(biāo)系例如:XYZO-0.4640.1770.0H-0.4641.1370.0H0.441-0.1430.0內(nèi)坐標(biāo)OH11.0H11.02104.0分子的微觀的表述模型分子的幾何坐標(biāo)笛卡爾直角坐標(biāo)系7分子的原子、基團(tuán)表述全原子模型聯(lián)合原子模型粗粒模型REMARK蛋白質(zhì)PDB庫ATOM1O5*DT51-4.58112.5206.8131.000.00OATOM2C5*DT51-5.60311.9605.9811.000.00CATOM3C4*DT51-6.49010.9906.7571.000.00CATOM4O4*DT51-5.6769.9627.3461.000.00OATOM5C1*DT51-5.8519.9548.7711.000.00C分子的原子、基團(tuán)表述全原子模型REMARK8模擬系統(tǒng)的幾何坐標(biāo)晶體模型法蒙特卡羅隨機(jī)采樣法模擬系統(tǒng)的幾何坐標(biāo)晶體模型法9分子內(nèi)能分子的振動自由度=3N-6非線性=3N-6線性分子的振動能分子的能量分子內(nèi)能分子的振動自由度=3N-6非線性分子的10分子間相互作用能范德華能靜電能分子間相互作用能范德華能11微觀性質(zhì)與宏觀性質(zhì)
微觀性質(zhì)T,PU,H,A,G,Sm,Cp,…宏觀性質(zhì)統(tǒng)計熱力學(xué)分子特性熱力學(xué)性質(zhì)勢能動能uijr微觀性質(zhì)與宏觀性質(zhì)
微觀性質(zhì)T,P宏觀性質(zhì)統(tǒng)計熱力學(xué)分子特性12分子力場分子動力學(xué)模特卡羅模擬力場量子化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分子模擬分子力場力場量子化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分子模擬13第二章:力場第二章:力場14力場簡述分子的總能量為動能與勢能的和,分子的勢能通??杀硎緸楹唵蔚膸缀巫鴺?biāo)的函數(shù)。復(fù)雜的分子的總勢能一般可分為各類型勢能的和,這些類型包括:總勢能=鍵伸縮勢能+鍵角彎曲勢能+二面角扭曲勢能+非鍵結(jié)勢能+庫侖靜電勢能+交叉項(xiàng)
勢能項(xiàng)習(xí)慣用以下符號表示:這樣以簡單數(shù)學(xué)形式表示的勢能函數(shù)稱為力場,力場的完備與否決定計算的正確程度。力場簡述分子的總能量為動能與勢能的和,分子的勢能通??杀硎緸?5各項(xiàng)表示
Estr
:伸展能
Ebend
:彎曲能
Etor
:扭轉(zhuǎn)能
Evdw:范德華能
Eel:靜電勢能
Ecross:前三項(xiàng)的耦合能鍵相互作用分子間非鍵相互作用力場作用項(xiàng)的一般形式各項(xiàng)表示鍵相互作用分子間非鍵相互作用力場作用項(xiàng)的一般形式16
Estr:AB鍵伸縮能
平衡鍵長
能量最低
平衡鍵長的泰勒級數(shù)展開AB設(shè)為
0最小能量為0簡化:諧振子鍵伸縮能Estr:AB鍵伸縮能AB設(shè)為0最小能量為0簡化:17諧振形式是最簡化的可能形式當(dāng)鍵長伸展較大時,預(yù)測的結(jié)果不可靠多項(xiàng)式展開
更多的參數(shù)在若干情形下,極限性質(zhì)是不對的
(如
3rd,5th展開情況…)優(yōu)化時考慮要注意(長距離能量的截斷
)鍵伸縮能諧振形式是最簡化的可能形式鍵伸縮能18Morse勢
D:解離能
精確的真實(shí)行為問題由于指數(shù)項(xiàng)評價所需更多的計算時間,若開始于不良幾何構(gòu)型,慢收斂
通常采用方法:Morse勢的nth級展開鍵伸縮能Morse勢鍵伸縮能19
Ebend:彎曲A-B-C三原子鍵角的能量
諧振子近似可加入更多的項(xiàng)加以改進(jìn)調(diào)整高次項(xiàng)進(jìn)行修正對于絕大多數(shù)應(yīng)用,諧振子簡化完全足夠
MM3力場
:6th項(xiàng)
q角彎曲能Ebend:彎曲A-B-C三原子鍵角的能量q角彎曲20A-B-C-D原子序中B-C鍵的角旋轉(zhuǎn)
與伸縮能和彎曲能間的差別能量函數(shù)必須以w角為周期扭曲所引起的能量通常很低。
偏離極小值較大的扭曲可以發(fā)生傅立葉級數(shù)展開二面角扭轉(zhuǎn)能A-B-C-D原子序中B-C鍵的角旋轉(zhuǎn)二面角扭轉(zhuǎn)能21建立在一些Vn為
0的基礎(chǔ)上n=1:360度周期n=2:180度周期n=3:120度周期乙烷:3個最大和3個最小n=3,6,9,…canhaveVn
二面角扭轉(zhuǎn)能建立在一些Vn為0的基礎(chǔ)上二面角扭轉(zhuǎn)能22
sp2-雜化原子
(ABCD)有一種重要能量與中心角錐的形成有關(guān)
ABD,ABD,CBD角扭曲反映了聯(lián)合形成角錐的能量損耗平面外的彎曲能sp2-雜化原子(ABCD)平面外的彎曲能23
Evdw:描述兩個原子之間弱相互作用能量
:非鍵能互作用能不涉及原子電荷引起的靜電能排斥和吸引小距離,大排斥
電子云交迭中間距離,微小作用電子相關(guān)-+-+排斥吸引范德華能Evdw:描述兩個原子之間弱相互作用能量:-+-+24
排斥
+吸引提供兩個模型
Lennard-Jones勢
Exp-6勢也稱為“Buckingham”或“Hill”類型勢能范德華能排斥+吸引提供兩個模型范德華能25庫侖作用能點(diǎn)電荷近似浮動電荷極化電荷庫侖作用能點(diǎn)電荷近似26常見力場MM系列力場AMBER力場CHARMM力場第二代力場常見力場MM系列力場27MM系列力場此力場為Alinger等所發(fā)展的,依其發(fā)展的先后順序分別稱為MM2、MM3、MM4等此力場適用于各種有機(jī)化合物、自由基、離子。應(yīng)用此力場可得到十分精準(zhǔn)的構(gòu)型、夠性能、各種熱力學(xué)性質(zhì)、振動光譜、晶體能量等。在MM形式的力場中仔細(xì)考慮了許多交叉作用項(xiàng),其結(jié)果往往優(yōu)于其他形式的力場。相對的,其力場形式較為復(fù)雜,比較不易程序化,計算亦較為費(fèi)時。MM系列力場此力場為Alinger等所發(fā)展的,依其發(fā)展的先后28AMBER力場AMBER力場為美國加州大學(xué)的PeterKollman等所發(fā)展的。此力場主要適用于較小的蛋白質(zhì)、核酸、多糖等生化分子。應(yīng)用此力場通??傻玫胶侠淼臍鈶B(tài)分子幾何構(gòu)型、構(gòu)像能、振動頻率與溶劑化自由能。AMBER力場的參數(shù)全來自計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的比對。AMBER力場AMBER力場為美國加州大學(xué)的Peter29CHARMM力場CHARMM力場為美國哈佛大學(xué)所發(fā)展的。此力場參數(shù)除來自計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的比對外,并引用了大量的量子計算結(jié)果為依據(jù)。此力場可應(yīng)用于研究許多分子系統(tǒng),包括小的有機(jī)分子、溶液、聚合物、生化分子等。除了有機(jī)金屬分子外,應(yīng)用此力場通常皆可得到與實(shí)驗(yàn)值相近的結(jié)構(gòu)、作用能、夠性能、轉(zhuǎn)動能障、振動頻率、自由能與許多與時間相關(guān)的物理量。CHARMM力場CHARMM力場為美國哈佛大學(xué)所發(fā)展的。此30第二代力場第二代力場的形式遠(yuǎn)較上述的經(jīng)典力場復(fù)雜,需要大量的力常數(shù)。其設(shè)計的目的為能精確地計算分子的各種性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、光譜、熱力學(xué)特性、晶體特性等資料。其力常數(shù)的推導(dǎo)除引用大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外,還參照精確的量子計算的結(jié)果。尤其適用于有機(jī)分子或不含過渡金屬元素的分子系統(tǒng)。第二代力場因其參數(shù)的不同,包括CFF91、CFF95、PCFF與MMFF93等。第二代力場第二代力場的形式遠(yuǎn)較上述的經(jīng)典力場復(fù)雜,需要大量的31常用軟件包TINKERAMBERCHARMMDLPOLYGROMACS常用軟件包TINKER32TINKER/tinker/TheTINKERmolecularmodelingsoftwareisacompleteandgeneralpackageformolecularmechanicsanddynamics,withsomespecialfeaturesforbiopolymers.TINKERhastheabilitytouseanyofseveralcommonparametersets,suchasAmber(ff94,ff96,ff98andff99),CHARMM(19and27),AllingerMM(MM2-1991andMM3-2000),OPLS(OPLS-UA,OPLS-AAandOPLS-AA/L),LiamDang'spolarizablepotentials,andourownAMOEBApolarizableatomicmultipoleforcefield.ThereleaseofTINKERversion4.2coincideswithagreatlyimprovedversionoftheForceFieldExplorer(FFE)visualizationprogramandGUI.ThismajornewreleaseofFFEcontainssignificantimprovementsinmanyareassuchasstability,featuresetandintegrationwithTINKER.TINKER's"MolecularMechanics"LogoIllustrationbyJayNelson.CourtesyofProf.RobertPaine,ChemistryDept.,Univ.ofNewMexico.TINKER/33AMBER/"Amber"referstotwothings:asetofmolecularmechanicalforcefieldsforthesimulationofbiomolecules;andapackageofmolecularsimulationprogramswhichincludessourcecodeanddemos.ThecurrentversionofthecodeisAmberversion10,whichisdistributedbyUCSFsubjecttoalicensingagreementdescribedbelow.Amberisnowdistributedintwoparts:AmberToolsandAmber10.AmberTools1.2&Amber10
isnowavailable!AmberwasoriginallydevelopedundertheleadershipofPeterKollman,andVersion9isdedicatedtohismemory.AMBER/34CHARMM/CHARMMisaversatileandwidelyusedmolecularsimulationprogramwithbroadapplicationtomany-particlesystems。Ithasbeendevelopedwithaprimaryfocusonthestudyofmoleculesofbiologicalinterest,includingpeptides,proteins,prostheticgroups,smallmoleculeligands,nucleicacids,lipids,andcarbohydrates,astheyoccurinsolution,crystals,andmembraneenvironments.Itprovidesalargesuiteofcomputationaltoolsthatencompassnumerousconformationalandpathsamplingmethods,freeenergyestimates,molecularminimization,dynamics,andanalysistechniques,andmodel-buildingcapabilitiesTheCHARMMpackageisupdatedeveryhalfyear.Thelatestversionis
CHARMM35(c32b2).Thefollowingliststhepresentdevelopers:IoanAndricioaei,GeorgiosArchontis,StefanBoresch,AmedeoCaflisch,MikeCrowley,QiangCui,AaronDinner,StefanFischer,JialiGao
CHARMM/35DLPOLYhttp://www.cse.scitech.ac.uk:/ccg/software/DL_POLY/DL_POLYisageneralpurposeserialandparallelmoleculardynamicssimulationpackagedevelopedatDaresburyLaboratorybyW.Smith,T.R.ForesterandI.T.Todorov.TwoversionsofDL_POLYarecurrentlyavailable.DL_POLY_2istheoriginalversionwhichhasbeenparallelizedusingtheReplicatedDatastrategyandisusefulforsimulationsofupto30,000atomson100processors.DL_POLY_3isaversionwhichusesDomainDecompositiontoachieveparallelismandissuitableforsimulationsoforder1millionatomson8-1024proces
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