第二章計算化學(xué)的應(yīng)用

第二章計算化學(xué)的應(yīng)用第1頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月計算化學(xué)的應(yīng)用第2頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)生物材料第3頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月在化學(xué)中的應(yīng)用第4頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月1.驗證實驗結(jié)果2.計算結(jié)構(gòu)和性質(zhì)3.理論預(yù)測分子設(shè)計4.研究反應(yīng)機(jī)理計算化學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用第5頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月通過計算可得到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,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.可計算紅外光譜,拉曼光譜,紫外可見光譜,NMR譜……第6頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月化合物性質(zhì)的預(yù)測苯甲酸第7頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月它的鍵長、鍵角分別是多少?它有異構(gòu)體嗎?哪個異構(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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月勢能面圖第10頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月苯甲酸單體不發(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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月C6H5COOH

C6H6+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:400nm以下,可見光波長:400-760nm,紅外光:大于760nm第12頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月反應(yīng)機(jī)理研究目前的研究主要是這類反應(yīng)的區(qū)域選擇性第14頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)部炔烴-區(qū)域選擇性

第15頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月Boththedissociativeandassociativemechanismsforthecouplingreactionwerecalculated.第16頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)端末端分步機(jī)理23.4kcal/mol21.2kcal/molFigureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.第17頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)端末端21.5kcal/mol18.7kcal/mol協(xié)同機(jī)理Figureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.第18頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月軌道分析-CO2和炔烴耦合反應(yīng)的本質(zhì)HOMOHOMOLUMOLUMO第19頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月在生物中的應(yīng)用第20頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月應(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)象以及分子的動力學(xué)行為。（2）線性標(biāo)度的半經(jīng)驗和從頭算量子化學(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）從頭算分子動力學(xué)方法已開始被應(yīng)用于模擬生物體系中的快速反應(yīng)。第21頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，理論化學(xué)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(xué)問題提供了重要工具。

同時，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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月生命科學(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、動力學(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程生物體系中光化學(xué)反應(yīng)第23頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.蛋白質(zhì)和核酸三維結(jié)構(gòu)預(yù)測蛋白質(zhì)基本單元：氨基酸及肽鏈肽鏈第24頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第25頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月肽鏈折疊過程第26頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質(zhì)折疊過程的反演：

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

2002,35,422第27頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月溶劑化效應(yīng)的分子動力學(xué)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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月酶催化反應(yīng)機(jī)理：酶分子的結(jié)構(gòu)特點結(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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質(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(chǔ)上來設(shè)計、篩選藥物物分子的計算機(jī)輔助設(shè)計定量構(gòu)效關(guān)系分析(QSAR)成功的實例之一：抗癌藥物9-苯胺呀啶第30頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月腦紅蛋白和CO結(jié)合機(jī)理的QM/MM研究J.Phys.Chem.B2008,112,8715-8723.第31頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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送到各組織

儲存氧氣，當(dāng)機(jī)體需要時再釋放1.課題背景第33頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月新近發(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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月胞紅蛋白(JBC,2001,276,25318-25323)1.課題背景第35頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月EABCDD÷FHG結(jié)構(gòu)上的共性：整個蛋白含有八個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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jié)合后多肽的扭曲配體親和力第37頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月野生型Ngb和Cgb與CO/O2結(jié)合的機(jī)理將會與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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月2.待解決的問題雖然有幾個DFT計算用來處理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)，沒有機(jī)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(jié)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(jī)理？第42頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月計算所采取的模型和參考的晶體結(jié)構(gòu)模型體系QM部分真實體系XO+NgbPDB編號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)型中沒有氫原子，我們用分子動力學(xué)軟件加入且進(jìn)行簡單優(yōu)化。第44頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月桔黃色：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)計算所采取的模型和參考的晶體結(jié)構(gòu)第45頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月分步機(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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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)致周圍殘基有規(guī)律的移動。第51頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月在材料科學(xué)中的應(yīng)用第52頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月1.計算固體各種性質(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.計算設(shè)計固體材料結(jié)構(gòu)第53頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月LST/QST:H2AdsorptiononPd(111)0.054eV0.96eV1.01eV第54頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月第55頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月(n,0)zigzagnanotube(n,n)armchairnanotube(n,m)chiralnanotube第56頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月第57頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月第58頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月第59頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月計算與實驗的合作第60頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月然而，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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.實驗結(jié)果便宜易得第64頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.實驗結(jié)果第65頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月反應(yīng)機(jī)理

2.實驗結(jié)果第66頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月分步機(jī)理18.0kcal/molC-N鍵形成1,2-H遷移

2.計算結(jié)果---驗證實驗推斷的反應(yīng)機(jī)理第67頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月協(xié)同機(jī)理28.0kcal/mol

2.計算結(jié)果從理論計算角度來講反應(yīng)主要按分步機(jī)理進(jìn)行第68頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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.實驗結(jié)果---驗證計算推斷的分步機(jī)理第69頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月共振式C1和C2

2.計算結(jié)果---C-N鍵形成的本質(zhì)？？第70頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月第71頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月共振式---反應(yīng)機(jī)理親電進(jìn)攻

2.計算結(jié)果第72頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月類似電環(huán)化反應(yīng)

2.計算結(jié)果第73頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月TxtTextText從Ｂ到Ｃ是電環(huán)化過程

2.計算結(jié)果第74頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.實驗結(jié)果---驗證電環(huán)化機(jī)理第75頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月36.5kcal/mol18.0kcal/mol

2.計算結(jié)果第76頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.實驗結(jié)果---驗證電環(huán)化機(jī)理類似第77頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.實驗結(jié)果---驗證電環(huán)化機(jī)理無法形成類似電環(huán)化的反應(yīng)機(jī)理是正確的第78頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗和計算都認(rèn)為反應(yīng)是按分步機(jī)理進(jìn)行的C-N鍵的形成是類似電環(huán)化的反應(yīng)

3.結(jié)論第79頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月常用計算軟件的介紹第80頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月ΨGaussian03計算化學(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)家若對計算機(jī)有興趣的話，那末計算化學(xué)是具有令人興奮前景的研究領(lǐng)域。

──美國化學(xué)會會長R.布里斯羅第81頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月

Gaussian輸入界面第82頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月NH3的幾何構(gòu)型優(yōu)化輸入窗口第83頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月

Gaussian應(yīng)用范圍Gaussian是做半經(jīng)驗計算和從頭計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振動頻率，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，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月摘自Gaussian手冊分子的能量和結(jié)構(gòu)過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)振動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(zhì)集團(tuán)性質(zhì)不可測量性質(zhì)第86頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月

GaussView3.0第87頁，課件共103頁，創(chuàng)作于2023年2月顯示Gaussian計算結(jié)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(zhì)得到的表面?？梢杂脤嶓w、半透明和網(wǎng)格三種方式顯示。使用不同的顏色來標(biāo)記不同部分表面的性質(zhì)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(yīng)路徑第88頁，