1、分子模拟的原理及应用,Principles & Applications of Molecular Modeling,陈正隆 中山大学化学系,计算在化学报告的百分比重图,资料来源: 美国化学会 (American Chemical Society, ACS),分子模拟 (Molecular Modeling),1. 力场(Force Field) 2. 分子力学原理 (Principle of Molecular Mechanics, MM) 3. 分子力学的应用 (Application of Molecular Mechanics) 4. 分子动力学原理 (Principle of Mol
2、ecular Dynamics, MD) 5. 分子动力学计算 (Molecular Dynamics Simulation) 6. 分子动力学的应用 (Application of Molecular Dynamics),Force Field,力场,力场 Force Field,力场:将分子的势能表示为分子中原子 几何坐标的简单函数,双原子分子振动,范德华势能 Van der Waals 12-6 potential,典型的范德华势能参数,MM 形式力场的远程作用项,VDW 远程作用,键伸缩势能 Allinger MM2 (1977),任何 2 个连续的原子 A-B,键角弯曲势能 (ang
3、le bending potential),任何 3 个连续的原子 A-B-C,双面角, 扭转角 dihedral angle, torsion angle,H2O2 分子的双面角扭转角,任何 4 个连续的原子 A-B-C-D,扭转角势能,O-C-C-O,扭转角力常数 typical torsional constants,离平面振动 out-of-plane bending,倾向形成共平面的 4 个原子: Csp2,特殊的作用项 Special Interaction terms,氢键作用 H-bonding Interaction,12-10 potential,YETI 氢键作用 YET
4、I H-bonding Interaction,Vedani A., J. of Computational Chemistry 9, 269 (1988),芳香环间 - 作用 - Interaction for aromatic rings,C3H8 的势能:,常见的力场形式,力場參數的互通性 (transferable),决定力场参数 Determination of Force Field Parameters,实验: 红外光谱, 热力学性质, 偶极矩, . 计算: 高阶量子力学计算结果 (DFT, ab initio, )拟合计算的物理量以决定力场参数 不同的力场, 针对特殊的体系与物
5、理特性,第一代力场,MM 形态力场: Allinger, MM2, MM3, 有機分子, 聚合物 AMBER 力场: Peter Kollman (Assisted Model Building with Energy Minimization)蛋白质, 核酸, 多醣等生化分子。 CHARMM 力场: Martin Karplus( Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics) 蛋白质, 核酸, 多醣等生化分子 CVFF 力场: Dauber Osguthope (Consistent Valence Force Field) 以生化分子为主,适
6、用于胺基酸, 水, 及各种官能基。各种多肽, 蛋白质, 与大量的有机分子。,AMBER 力场,AMBER (Assisted Model Building with Energy Minimization) Peter Kollman U.C. Sanfrancisco,蛋白质, 核酸, 多醣等生化分子,分子几何结构, 构形能, 振动频率与溶剂化自由能,力场参数全来自计算结果与实验值的比对,第二代力场,CFF91力场:碳氢化合物, 蛋白质, 蛋白质-配位基。含 H, Na, Ca, C, Si, N, P, O, S, F, Cl, Br, I, Ar 等原子参数。 PCFF 力场: 由 CF
7、F91 力场衍生而出, 聚合物及有机物, 多糖类 (polysaccharides), 碳水化合物, 脂肪类, 核酸, 有机物, 20 种无机物。除 CFF91 力场参数外, PCFF 含有 He, Ne, Kr, Xe 等钝气原子及 Li, K, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Al, Sn, Pb 等金属原子的力场参数。,一致性力场 (Consistent Force Field, CFF),耦合作用項 Cross terms,CFF95 力场:衍生自CFF91 力场, 特殊针对如多糖类, 聚碳酸酯等生化分子与有机聚合物所设计的, 较适用于生命
8、科学的应用。此力场含有卤素原子及 Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Fe, Cu, Zn 等金属原子的参数。 MMFF93 力场:为美国 Merck 公司针对有机药物设计所发展的。采取 MM2, MM3 力场的形式。主要应用于计算固态或液态的小型有机分子系统。可得到很准确的几何结构, 振动频率与各种热力学性质。,涵盖周期表元素的力场,ESFF 力场:可用于预测气态与凝态的有机分子, 无机分子, 有机金属分子系统的结构。但不能用以计算构形能, 或准确的振动频率。涵盖周期表中由氢至氡的元素。 DREDING力场:可计算分子聚集体的结构及各项性质, 但其力场参数并未涵盖周期表的全
9、部元素。 UFF 力场: (Universal Force Field )适用于周期表所涵盖的所有元素, 适用于任何分子与原子系统。以 UFF 力场所计算的分子结构优于由DREDING力场所得的结果, 但计算与分子间作用有关的性质, 则有较大的偏差。,ESFF, UNIVERSAL 力场,ESFF力场,原子的阴电性 (electronegativity),原子的坚硬度 (hardness),能量对原子的电荷量最小化,拉格朗日乘子 (Lagrangian multiplier),静电作用能,密度泛函数方法 DFT,Universal Force Field (UFF),Natural Radii
10、,Effective charges,Electronegativity,bond type,特殊的力场,全原子 (all-atom) 力场:考虑系统中所有的原子 联合原子 (united-atom) 力场:将原子基团合并考虑 特殊的力场针对某些特殊系统所设计: 计算沸石 (zeolite) 系统的力场 计算金属氧化物固体的 COMPASS 力场 计算高分子的力场 简化的力场,长链烷分子简化力场 Ryckaert, J. P., and A. Bellemans, Chem. Phys. Lett. 30, 123 (1975),甲基 CH3 与亚甲基 CH2 均视为一原子团, 质量分别为 1
11、5 amu 及 14 amu, 原子团的中心位于碳原子上,简化的烷分子力场,大量减化计算工作 正确的计算分子, 聚合物体系结构 正确的计算相变化, 比热, 等热力学性质,非均向性 (anisotropic) 分子作用简化力场 Gay, J. G. & B. J. Berne, J. Chem. Phys. 74, 3316 (1981),非均向性 分子作用,非均向性分子作用简化力场,Gay-Berne力场 (GB) 各种非均向作用,分子力学 (MM),Molecular Mechanics,分子力学 Molecular Mechanics,分子的势能为分子坐标的函数,结构最佳化 (geomet
12、ry optimization) 能量最小化 (energy minimization),利用力場由任何起始構形可求得最低能量構形,Energy Minimization,: 自定, 0.1 A,利用力場由任何起始構形可求得最低能量構形,区域最小值问题 Local minima,区域最小值问题,选择适当的数学方法 选择不同的起点 (MC) 随机移动 (MC random knick) 分子动力学升温回火 (MD annealing),势能面 Potential Energy Surface (PES),正戊烷,函数的极小值,一次导数法 最速下降法 (steepest descents) 共轭梯
13、度法 (conjugate gradient)二次导数法 牛顿-拉森法 (Newton-Ralpson method) 近似牛顿拉森法 (Quasi-Newton Rapson method) 对角线块状牛顿拉森法 (Block-diagonal Newton-Rapson method),导数适用范围,药物分子的 MM 计算 DNA inhibitor netrospin,能量最小化计算,力场方法 与量子力学计算的比较 Force field Quantum Mechanics,氘化麦芽醣,势能等高线,振动频率 vibration frequency,弹力常数,Wilson G F 矩阵,G
14、: 分子结构与原子质量 F: 弹力常数 E: 单位矩阵,:,:,MM3力场计算甲醇 (methanol) 的振动频率,分子内能,气态分子的标准生成焓 (standard heat of formation),正庚烷晶体的堆积图 MM3,Lii, J. H. and N. L. Allinger, J. Amer. Chem. Soc. 111, 8576 (1989),液晶分子体系 Liquid Crystal (LC),软碳链,向列形液晶系统的结构 Structure of Nematic LC,Gay-Berne Simplified Force Field 12960 个液晶分子 清楚的
15、显示系统中液晶分子的排列次序,Bates, M. A., and C. Zannoni, Chem. Phys. Lett. 26, 40 (1997),商用软件 Material Studios,Accelry Inc. 北京创腾公司代理,Porphyrin-Appended Cholesterol Derivatives Tsutomu et al. Langmuir (2001) 17 5825,2:1 Zn(II) porphyrin/60fullerene Sandwich Complex,Gelation Ability,S: solution, G: gel; pG = part
16、ial gel,F: fullerene; S: solution, G: gel; pG = partial gel,Energy Minimized result Discover 3/insight II 98.0,bent,extended,Amide-appended Porphyrins Michihiro Shirakawa, et al. J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 9902,amide,1b should assemble, in the presence of C60, into the one-dimensional array.,1b di
17、merizes by the H-bonding interactions, can form a circular H-bonding array according to the -sheet motif and the inner space is exactly comparable with the size of C60,化合物 1b 的模式 1b Aggregation Mode,MM result of 6 1b + 3 C60,自組裝超分子 (Self-assembly Supramolecule),蘑菇形聚集体 (Mushroom-Shaped Aggregates),St
18、upp, S. I.,et al, SCIENCE 276, 384 (1997),杆状-线状 分子 (rod-coil),蘑菇形聚集体的 MM 计算,MM 计算的适用性,分子最低能量构形, 构形能 生成焓, 反应热, 热力学性质 振动光谱 适用于大量的有机化合物, 醣类, 生化分子, 部份无机错化合物 单一分子, 气态分子, 低浓度液态分子, 规则性晶体分子, 小团簇体。, MM 计算的限制 (limitation of MM),MM 计算忽略环境对分子的影响, 因此不适合复杂的体系, 如高浓度的液态系统, 非晶相聚合物系统。 分子过大时 (原子数 1000 ), 往往不容易求得最低能量构形。 MM 计算的能量为 0 K 时分子的能量, 往往与实验的条件不一致。 MM 计算仅能获得静态的信息, 无动态或统计的信息。,
