第五章 分子力學(xué)方法

分子力學(xué)方法中國石油大學(xué)二、分子力學(xué)方法的應(yīng)用本章主要內(nèi)容一、分子力學(xué)方法簡介分子力學(xué)方法分子力學(xué)（MolecularMechanics）

，又叫力場方法（forcefieldmethod），目前廣泛地用于計(jì)算分子的構(gòu)象和能量。1.1何謂分子力學(xué)

分子力學(xué)從本質(zhì)上說上是能量最小值方法，即在原子間相互作用勢的作用下,通過改變粒子分布的幾何位型,以能量最小為判據(jù),從而獲得體系的最佳結(jié)構(gòu)。一、分子力學(xué)方法簡介分子力學(xué)方法在分子內(nèi)部，化學(xué)鍵都有“自然”的鍵長值和鍵角值。分子要調(diào)整它的幾何形狀（構(gòu)象），以使其鍵長值和鍵角值盡可能接近自然值，同時(shí)也使非鍵作用（vanderWaals力）處于最小的狀態(tài)，給出原子核位置的最佳排布。1.2子的經(jīng)典力學(xué)模型-1946，T.L.Hill

T.L.Hill提出用vanderWaals作用能和鍵長、鍵角的變形能來計(jì)算分子的能量，以優(yōu)化分子的空間構(gòu)型。

分子內(nèi)部的空間作用是眾所周知的：1）基團(tuán)或原子之間靠近時(shí)則相互排斥；2）為了減少這種作用，基團(tuán)或原子就趨于相互離開，但是這將使鍵長伸長或鍵角發(fā)生彎曲，又引起了相應(yīng)的能量升高。最后的構(gòu)型將是這兩種力折衷的結(jié)果，并且是能量最低的構(gòu)型。分子力學(xué)方法分子力學(xué)方法雖然分子力學(xué)的思想和方法在40年代就建立起來了，但是直到50年代以后，隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，用分子力學(xué)來確定和理解分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究才越來越多。直到這時(shí)，才可以說分子力學(xué)已成為結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的重要方法之一。

1.3分子力學(xué)的發(fā)展

近幾年來，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，分子力學(xué)方法已不僅能處理一般的中小分子，也不僅主要應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，而且能處理大分子體系。在其他的一些領(lǐng)域，如生物化學(xué)、藥物設(shè)計(jì)、配位化學(xué)中，都有了廣泛的應(yīng)用。分子力學(xué)方法1.4分子的空間能(力場的形式)分子力學(xué)從幾個(gè)主要的典型結(jié)構(gòu)參數(shù)和作用力出發(fā)來討論分子結(jié)構(gòu)，即用空間能函數(shù)來表示當(dāng)鍵長、鍵角、二面角等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及非鍵作用等偏離“理想”值時(shí)分子能量（稱為空間能，spaceenergy）的變化。采用優(yōu)化的方法，尋找分子空間能處于極小值狀態(tài)時(shí)分子的構(gòu)型。分子力學(xué)方法其中Ec

是鍵的伸縮能，Eb

是鍵角彎曲能，Et是鍵的二面角扭轉(zhuǎn)能，Enb

是非鍵作用能，它包括vanderWaals作用能，偶極（電荷）作用能、氫鍵作用能等。分子的空間能Es可表示為：分子力學(xué)方法空間能函數(shù)描述了各種形式的相互作用力對(duì)分子能量的影響，它的有關(guān)參數(shù)、常數(shù)和表達(dá)式通常稱為力場。分子力學(xué)方法例:COMPASS-98力場(condensed-phaseoptimizedmolecularpotentialsforatomisticsimulationstudies)的表達(dá)式如下分子力學(xué)方法1.5力場的參數(shù)化

1、分子力學(xué)力場的性能即它的計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性主要取決于勢能函數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2、這些有關(guān)力常數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)的“本征值”的置定過程稱為力場的參數(shù)化。

3、參數(shù)化的過程要在大量的熱力學(xué)、光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，有時(shí)也需要由量子化學(xué)計(jì)算的結(jié)果提供數(shù)據(jù)。

4、各類鍵長、鍵角的“本征值”一般取自晶體學(xué)、電子衍射或其他的譜學(xué)數(shù)據(jù)，鍵伸縮和角變力常數(shù)主要由振動(dòng)光譜數(shù)據(jù)確定，扭轉(zhuǎn)力常數(shù)經(jīng)常要從分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘來推算。

5、對(duì)于不同的力場不僅力場參數(shù)不同，函數(shù)形式也可能不同。因此，在將一個(gè)力場中的參數(shù)應(yīng)用于另一個(gè)力場時(shí)應(yīng)十分小心。

6、一個(gè)好的力場不僅能重現(xiàn)已被研究過的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，而且能有一定的廣泛性，能用于解決未被實(shí)驗(yàn)測定過的分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。分子力學(xué)方法

QCFF/PI AWarshel&MlevittMMI/MMPI NLAllingerMM2/MMP2 NLAllingerMM3 NLAllingerECEPP HAScheragaAMBER PKollmanCHARMM MKarplusGROMOS vanGunsterenSYBYL

TriposInc.DISCOVER MSIInc.常見的力場及程序分子力學(xué)方法1.6分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化粗結(jié)構(gòu)能量極小構(gòu)象分子幾何優(yōu)化E局部極小值問題；鞍點(diǎn)分子力學(xué)方法分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化輸入坐標(biāo)及連接關(guān)系力場選擇、作用項(xiàng)、參數(shù)能量極小化最終結(jié)構(gòu)與能量其它信息1、首先，給出所計(jì)算分子的試探結(jié)構(gòu)。不一定是分子的穩(wěn)定構(gòu)象，而且往往不是穩(wěn)定構(gòu)象。2、然后，將總空間能Es對(duì)所有描述分子構(gòu)象的變量即分子各原子的三維坐標(biāo)在一定的范圍內(nèi)求極小值。3、由于數(shù)學(xué)上只能保證求得局部極小值，即實(shí)現(xiàn)局部優(yōu)化，而不一定能求得全局最小值。所以得到的是在這一構(gòu)象附近的一相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)象。4、分子力學(xué)常用的優(yōu)化方法有使用一階導(dǎo)數(shù)的最速下降法和使用二階導(dǎo)數(shù)的Newton-Raphson法。分子力學(xué)方法

1、由于只是局部優(yōu)化，這樣的計(jì)算只能找到所用的初始構(gòu)象附近的“最優(yōu)構(gòu)象”。所以選擇初始構(gòu)象是非常關(guān)鍵的。

2、若為找到全局能量最低構(gòu)象，須將所有可能的初始構(gòu)象分別進(jìn)行優(yōu)化，最后進(jìn)行比較，確定分子體系的最優(yōu)構(gòu)象。

3、對(duì)于較大的分子，可能的初始構(gòu)象的數(shù)目會(huì)隨原子數(shù)目的增加而急劇增加。在選擇初始構(gòu)象時(shí)，應(yīng)把從基本的化學(xué)知識(shí)方面考慮是不可能的構(gòu)象略去。注意:E分子力學(xué)方法一級(jí)微商算法最陡下降算法SteepestDescents-SD共軛梯度算法ConjugateGradients-CONJ二級(jí)微商算法Newton-RaphsonMethod能量極小化算法最陡下降法：

方向變化大，收斂慢，優(yōu)化輻度大共軛梯度法收斂快，易陷入局部勢阱，對(duì)初始結(jié)構(gòu)偏離不大

Newton-Raphson法

計(jì)算量較大，當(dāng)微商小時(shí)收斂快能量極小化算法比較分子力學(xué)方法分子力學(xué)與量子化學(xué)計(jì)算相輔相成1、研究對(duì)象：

分子力學(xué)宜用于對(duì)大分子進(jìn)行構(gòu)象分析、研究與空間效應(yīng)密切相關(guān)的有機(jī)反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)活性、有機(jī)物的穩(wěn)定性及生物活性分子的構(gòu)象與活性的關(guān)系；

量子力學(xué)宜用于對(duì)化合物的電子結(jié)構(gòu)、光譜性質(zhì)、反應(yīng)能力等涉及電子運(yùn)動(dòng)的研究分子力學(xué)方法2、基本原理：

分子力學(xué)是經(jīng)典模型，以原子為“粒子”，按經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)，而量子化學(xué)則主要處理對(duì)象為電子，其運(yùn)動(dòng)服從量子力學(xué)規(guī)律

量子化學(xué)中，電子或原子核間的相互作用服從庫侖定律，而分子力學(xué)中每對(duì)原子之間有一特定的作用勢函數(shù)，原子不同或者原子雖然相同但所處環(huán)境不同，則勢函數(shù)不同，即使對(duì)同一對(duì)原子，也無法給出準(zhǔn)確的普適勢函數(shù)。分子力學(xué)方法在許多情況下，將量子化學(xué)計(jì)算和分子力學(xué)計(jì)算結(jié)合使用能取得較好的效果。分子力學(xué)計(jì)算結(jié)果可提供量子化學(xué)計(jì)算所需的分子構(gòu)象坐標(biāo)，而量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果又給出了分子力學(xué)所不能給出的分子的電子性質(zhì)。分子力學(xué)：當(dāng)研究對(duì)象與所用的分子力學(xué)力場參數(shù)化基于的分子集合相差甚遠(yuǎn)時(shí)不宜使用，也不能用于人們感興趣但沒有足夠多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的新類型的分子。3、缺陷與不足：量子力學(xué)：計(jì)算量大，研究的體系小。分子力學(xué)方法油氣田的開發(fā)過程中，地層中CO2會(huì)對(duì)油管、套管以及管線等設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕。目前，油氣田所采用的管線設(shè)備多為碳鋼所制，其抗CO2腐蝕性能較差。碳鋼在含CO2環(huán)境中腐蝕產(chǎn)物主要是FeCO3，沉積在金屬表面形成疏松多孔的FeCO3膜。二、分子力學(xué)方法的應(yīng)用分子力學(xué)方法分子力學(xué)方法Therearethreeaspectsimportantinthedeterminationofanappropriateforce-fieldfordeterminingenergychangesthatoccurwhenaninhibitorbindstoamagnetitesurfaceandformsatwodimensionalfilm.Thesearethefollowing:Theforce-fieldshouldaccuratelydescribethestructureofmagnetite.2)Itshoulddescribeinhibitorsurfaceironatominteractionsaccurately.3)Itshoulddescribetheinteractionsbetweeninhibitormoleculesaccurately.分子力學(xué)方法FIGURE1-The(111)millerplaneofFe3O4.ThesurfaceFe2+sitesareinblack.O2-anionsareinwhitewhiletheFe3+areingray.ThehexagonalspacingofsurfaceFe*+sitesishighlightedinthediagram.FIGURE2-Wateronthe(11i)millerplaneofFesOd,Thedistancebetweentheoxygenatomofwaterandam-faceFe*+siteisshowninthediagram.分子力學(xué)方法分子力學(xué)方法IAIB圖11-羥乙基-2-十七烷基咪唑啉(IA)和1-氨乙基-2-十七烷基咪唑啉(IB)的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)Figure1Optimizedmolecularstructures:1-hydroxyethyl-2-heptadecylimidazoline(IA)and1-aminoethyl-2-heptadecylimidazoline(IB).咪唑啉緩蝕劑緩蝕性能的理論研究分子力學(xué)方法IAIBEHOMO=-5.27evEHOMO=-5.10ev圖2IA和IB緩蝕劑分子的最高占有軌道，等值面數(shù)值為0.02a.u.Figure2Highestoccupiedmolecularorbital(HOMO)withavalueofisosurfaceof0.02a.u.forIAandIB.IAIBELUMO=1.27evELUMO=1.43ev圖3IA和IB緩蝕劑分子的最低未占軌道，等值面為0.02a.u.Figure3Lowestunoccupiedmolecularorbital(LUMO)withavalueofisosurfaceof0.02a.u.forIAandIB.2.1分子反應(yīng)活性的量子化學(xué)計(jì)算分子力學(xué)方法分子的反應(yīng)活性點(diǎn)位可通過Fukui指數(shù)來分析，F(xiàn)ukui指數(shù)不僅可以測定分子的化學(xué)活性點(diǎn)位和強(qiáng)弱，同時(shí)還可以確定活性點(diǎn)位的親核或親電子的特性。分子原子IA1C-0.287-0.283-0.297-0.004

0.0142C-0.290-0.319-0.348

0.029

0.0293C

0.132

0.431

0.450-0.299-0.0194N-0.530-0.496-0.276-0.034-0.2207N-0.657-0.491-0.277-0.166-0.2148C-0.285-0.289-0.316

0.004

0.02711C-0.149-0.153-0.144

0.004-0.00914O-0.677-0.661-0.622-0.016-0.039IB1C-0.291-0.281-0.297-0.010

0.0162C-0.312-0.319-0.339

0.007

0.0203C

0.079

0.429

0.432-0.350-0.0034N-0.548-0.494-0.301-0.054-0.1937N-0.619-0.496-0.312-0.123-0.1848C-0.256-0.259-0.283

0.003

0.02411C

0.199-0.276-0.262

0.475-0.01414N-0.855-0.869-0.750

0.014-0.119表1IA和IB分子的Mulliken原子電量和Fukui指數(shù)Table1MullikenatomicchargesandFukuiindexforIAandIB分子力學(xué)方法IAIB分子力學(xué)方法IAIB圖4IA和IB分子在FeCO3表面的吸附構(gòu)型Figure4AdsorptionconformationsofinhibitormoleculesonFeCO3surfaceforIAandIB.2.2單分子吸附的分子動(dòng)力學(xué)模擬分子IAIBH2O單分子吸附能(kcal/mol)-84.0-106.0-44.0表2IA、IB和

H2O在FeCO3表面的單分子吸附能Table2TheadsorptionenergyofIA、IBandH2OmoleculesonFeCO3surface.分子力學(xué)方法IAIB圖5IA和IB分子在FeCO3表面上吸附成膜的側(cè)視圖Figure5ThesideviewofIAandIBmonolayeronFeCO3surfaceafteroptimization.2.3吸附成