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，都要反復幾遍才能得到要領，不要指望聽一遍就懂個大概，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，在熬過長夜、豁然開朗之際，“樂”卻會不期而至，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分子動力學模擬蒙特卡羅模擬分子模擬與藥物設計1.《分子模擬的理論與實踐》陳正隆等化學工業(yè)出版社2.《分子模擬(從算法到應用)》汪文川等譯化學工業(yè)出版社3.《分子模擬的原理與應用》Leach,A.R.世界圖書出版公司（影?。?.

《計算化學-從理論化學到分子模擬》陳敏伯著科學出版社主講內(nèi)容及參考書分子力學3課時安排及考核形式32課時理論課16課時實驗課考試形式：平時作業(yè)20%

期末筆試50%

上機實踐及考試30%課時安排及考核形式32課時理論課4

第一章

分子模擬的概況第一章

分子模擬的概況長期以來，化學一直被科學界公認為一門純實驗科學。其理由要追溯到人類認識自然的兩種科學方法長期以來，化學一直被科學界公認為一門純實驗科學。其理由要追溯⑴ 歸納法

(F.Bacon,1561-1626)⑵ 演繹法

(R.Decartes,1596-1650)設計實驗實驗數(shù)據(jù)唯象理論“預測”數(shù)據(jù)擬合檢驗公理假設形式理論

二次形式化近似、計算和模擬預測模型實驗檢驗⑴ 歸納法(F.Bacon,1561-1626)物理化學在20世紀初形成。旨在揭示化學反應的普遍規(guī)律—反應進行的方向、程度和速度…Gibbs

化學熱力學Gibbs自由能：

G=HTS

反應速率常數(shù)：Arrhenius

化學動力學物理化學在20世紀初形成。旨在揭示化學反應的普遍規(guī)律—反量子力學是演繹法最成功的實例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

量子力學的建立未依據(jù)任何實驗事實或經(jīng)驗規(guī)律。它用少數(shù)幾條基本假定作為公理，由此出發(fā)，通過嚴格的邏輯演繹，迅速地建成一個自洽、完備、嚴密的理論體系量子力學是演繹法最成功的實例Heisenberg、Schr?基本運動方程—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方程建立容易，困難在于求解基本運動方程—Schr?dinger方程微觀粒子或體系的計算化學新時代30年代量子化學和量子統(tǒng)計力學分支的形成使化學科學開始與演繹法“沾上了邊”。但在80年代前進展十分緩慢90年代計算機技術的發(fā)展計算化學進入新時代計算化學新時代30年代量子化學和量子統(tǒng)計力學分支的形成使化學TheLaureatesof1998NobelPrizeinChemistryWalterKohn&JohnA.Pople

瑞典皇家科學院將1998年度諾貝爾化學獎予兩位年邁的量子化學家Kohn和Pople,

表彰他們在開拓用于分子性質(zhì)及其參與化學過程研究的理論和方法上的杰出貢獻。TheLaureatesof1998NobelPr對1998年諾貝爾化學獎

劃時代的評價瑞典皇家科學院的評價：“···

量子化學已發(fā)展成為廣大化學家都能使用的工具，將化學帶入一個新時代—實驗與理論能攜手協(xié)力揭示分子體系的性質(zhì)?；瘜W不再是一門純實驗科學了”對1998年諾貝爾化學獎

劃時代的評價瑞典皇家科“三十年前，如果說并非大多數(shù)化學家，那末至少是有許多化學家嘲笑量子化學研究，認為這些工作對化學用處不大，甚至幾乎完全無用?，F(xiàn)在的情況卻是完全兩樣了…。當90年代行將結(jié)束之際，我們看到化學理論和計算研究的巨大進展，導致整個化學正在經(jīng)歷一場革命性的變化。Kohn和Pople是其中的兩位最優(yōu)秀代表”“這項突破被廣泛地公認為近一、二十年來化學學科中最重要的成果之一”“三十年前，如果說并非大多數(shù)化學家，那末至少是有許多化學家嘲化學科學的體系和結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化

對象： 宏觀現(xiàn)象微觀本質(zhì)

方法學： 描述、歸納演繹、推理

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

帶動生物、材料科學進入分子水平 與化學相關的的新領域不斷涌現(xiàn)化學科學的體系和結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化 對象： 宏觀現(xiàn)象

1986：李遠哲：“在十五年前，如果理論結(jié)果與實驗有矛盾，那么經(jīng)常證明是理論結(jié)果錯了。但是最近十年則相反，常常是實驗錯了?！孔恿W有些結(jié)果是實驗工作者事先未想到的，或者是難以實現(xiàn)的”電子自旋磁矩的理論值和實驗值精確符合到12位有效數(shù)字H2分子的解離能理論計算值 36117.4cm-1實驗值 36113.40.3cm-1改進實驗手段后測得 36117.31.0cm-11986：李遠哲：“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CAI數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析及其它應用化學數(shù)據(jù)庫量子化學計算計算機分子模擬分子結(jié)構(gòu)建模與圖象顯示化學人工智能分子力學(MM)分子動力學(MD&MC)計算機化學計算化學的主要內(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CAI數(shù)計算化學是化學與多個學科的交叉化學物理學計算機科學材料科學生命科學數(shù)學計算化學環(huán)境科學計算化學是化學與多個學科的交叉化學物理學計算機材料科學生模擬尺度LengthScaleHy=EyF=MAexp(-DE/kT)domainquantumchemistrymoleculardynamicsMonteCarlomesoscalecontinuum

TimeScale10-10M10-8M10-6M10-4M10-12S10-8S10-6S模擬尺度Len1.量子化學計算1）

從頭算方法2）

密度泛函方法3）

半經(jīng)驗從頭算方法

幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，振動頻率分析；尋找反應過渡態(tài)，反應路徑分析，反應勢能面；熱力學數(shù)據(jù)分析，如反應焓變，活化能等；電子和電荷分布；利用過渡態(tài)理論計算反應速率常數(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.量子化學計算1）

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

利用“隨機數(shù)”對模型系統(tǒng)進行模擬以產(chǎn)生數(shù)值形式的概率分布而得名。由系統(tǒng)中質(zhì)點（原子或分子）的隨機運動，結(jié)合統(tǒng)計力學的概率分配原理，以得到體系的統(tǒng)計及熱力學資料。多用以研究復雜體系及金屬的結(jié)構(gòu)及其相變化性質(zhì)，弱點在于只能計算統(tǒng)計的平均值，無法得到系統(tǒng)的動態(tài)信息。蒙特卡洛法是數(shù)理統(tǒng)計與計算機相結(jié)合的產(chǎn)物。4.蒙特卡洛模擬利用“隨機數(shù)”對模型系統(tǒng)進行模擬以產(chǎn)生數(shù)5.量子動力學

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

反應截面和反應速率常數(shù)。2）

弱相互作用3)

能量轉(zhuǎn)移5.量子動力學研究反應過程中體系微觀態(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:量了力學方法能得到有關立體構(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,計算量沒有分子動力學那樣大,費時少,就獲取某種狀態(tài)的統(tǒng)計平均結(jié)構(gòu)這一點而言,蒙特卡洛方法往往比分子動力學更有效;分子動力學能研究體系中與時間和溫度有關的性質(zhì),是動態(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狀態(tài)向另一種熱力學狀態(tài)演變過程的缺點,也克服了量子力學法中僅能計算絕對溫度零度的真空中的孤立分子和分子力學只能計算絕對溫度零度的分子體系等問題,能計算任何溫度下分子體系的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。當然,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與分子力學法相結(jié)合，取QM與MM兩者之長。解決大分子參與的化學反應的計算反應的活性部位（activesite）采用QM計算其它基團的相互作用及與活性部位的作用采用MM處理QM/MM使計算酶催化、蛋白質(zhì)等參與的生物化學反應成為可能前沿發(fā)展—QM/MM法

Combinedabinit分子模擬應用舉例

計算機輔助藥物設計納米材料及納米反應器生命過程的模擬

分子模擬應用舉例計算機輔助藥物設計

DNA-四方結(jié)構(gòu)的

分子動力學模擬研究DNA-四方結(jié)構(gòu)的

分子動力學模擬研究bead-on-a-stringInNa+solution

InK+crystal

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

分子動力學模擬復合物被裝在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、量子尺寸效應、表面效應

納米限制體

碳納米管、富勒烯、多孔材料、反膠團等特異的理化性質(zhì)

幾何結(jié)構(gòu)、輸運性質(zhì)、反應性等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

的動力學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

的動力學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溶劑中的振動光譜位移在溶劑中的振動弛豫時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溶劑中的振動光譜位移密度為0.5g/cm3Radius/nmShift/cm-10.68(1納米反應器

反應物

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

穩(wěn)定性，選擇性絕佳的反應環(huán)境

自然界生命體系中的化學變化生化酶------細胞

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