第五章 分子力学方法

1、中国石油大学二、二、分子力学方法的应用分子力学方法的应用本章主要内容本章主要内容一、一、分子力学方法简介分子力学方法简介分子力学方法 分子力学（分子力学（Molecular Mechanics） ，又叫，又叫力场方法力场方法（force field method），目前广泛地用于计算分子的构象和），目前广泛地用于计算分子的构象和能量。能量。u1.1 1.1 何谓分子力学何谓分子力学 一、分子力学方法简介一、分子力学方法简介分子力学方法 在分子内部，化学键都有在分子内部，化学键都有“自然自然”的键长值和键角值。分子的键长值和键角值。分子要调整它的几何形状（构象），以使其键长值和键角值尽可能接要调

2、整它的几何形状（构象），以使其键长值和键角值尽可能接近自然值，同时也使非键作用（近自然值，同时也使非键作用（van der Waals力）处于最小的状力）处于最小的状态，给出原子核位置的最佳排布。态，给出原子核位置的最佳排布。u1.2 1.2 子的经典力学模型子的经典力学模型 - 1946- 1946，T.L.HillT.L.Hill T.L.Hill提出用提出用van der Waals作用能和键长、键角的变形能来计算分作用能和键长、键角的变形能来计算分子的能量，以优化分子的空间构型。子的能量，以优化分子的空间构型。分子力学方法0.811.21.41.61.822.22.42.6-1-0.5

3、00.511.52间距势能Lennard-Jones 势 能 模 型62ijr分子力学方法 虽然分子力学的思想和方法在虽然分子力学的思想和方法在40年代就建立起来了，年代就建立起来了，但是直到但是直到50年代以后，随着电子计算机的发展，用分年代以后，随着电子计算机的发展，用分子力学来确定和理解分子的结构和性质的研究才越来子力学来确定和理解分子的结构和性质的研究才越来越多。直到这时，才可以说分子力学已成为结构化学越多。直到这时，才可以说分子力学已成为结构化学研究的重要方法之一。研究的重要方法之一。 u1.3 1.3 分子力学的发展分子力学的发展 近几年来，随着现代技术的发展和应用，特别是计算近几

4、年来，随着现代技术的发展和应用，特别是计算机技术的发展，分子力学方法已不仅能处理一般的中机技术的发展，分子力学方法已不仅能处理一般的中小分子，也不仅主要应用于有机化学领域，而且能处小分子，也不仅主要应用于有机化学领域，而且能处理大分子体系。在其他的一些领域，如生物化学、药理大分子体系。在其他的一些领域，如生物化学、药物设计、配位化学中，都有了广泛的应用。物设计、配位化学中，都有了广泛的应用。 分子力学方法u1.4 1.4 分子的空间能分子的空间能( (力场的形式力场的形式) )，即用空间能函数来表示当键长、键角、二面角等结构参，即用空间能函数来表示当键长、键角、二面角等结构参数以及非键作用等偏

5、离数以及非键作用等偏离“理想理想”值时分子能量（称为空间能，值时分子能量（称为空间能，space energy）的变化。）的变化。分子力学方法 其中其中Ec 是键的伸缩能是键的伸缩能，Eb 是键角弯曲能是键角弯曲能，Et 是键的二面角扭是键的二面角扭转能转能，Enb 是非键作用能，它包括是非键作用能，它包括van der Waals作用能，偶极作用能，偶极（电荷）作用能、氢键作用能等。（电荷）作用能、氢键作用能等。 . nbtbCSEEEEE分子力学方法. nbtbCSEEEEE分子力学方法bbbbkbbkbbkE)()()(404303202键伸缩：)()()(404303202kkkE键弯

6、曲： )3cos(1)2cos(1)cos(13,032,021 ,01kkkE二二面面角角：2kE键面外弯曲：,0000)()(bbbbxkbbbbkE交叉项：,3210003cos2coscos)()(bbbkkkbbbbk, 32103cos2coscos)(bkkkbb,32103cos2coscos)(kkk,00)(cosk. nbtbCSEEEEE分子力学方法u1.5 1.5 力场的参数化力场的参数化 1 1、分子力学力场的性能即它的计算结果的准确性和可靠性主要分子力学力场的性能即它的计算结果的准确性和可靠性主要取决于势能函数和结构参数。取决于势能函数和结构参数。 2 2、这些有

7、关力常数，结构参数的这些有关力常数，结构参数的“本征值本征值”的置定过程称为力的置定过程称为力场的参数化。场的参数化。 3 3、参数化的过程要在大量的热力学、光谱学实验数据的基础上参数化的过程要在大量的热力学、光谱学实验数据的基础上进行，有时也需要由量子化学计算的结果提供数据。进行，有时也需要由量子化学计算的结果提供数据。 4 4、各类键长、键角的各类键长、键角的“本征值本征值”一般取自晶体学、电子衍射或其一般取自晶体学、电子衍射或其他的谱学数据，键伸缩和角变力常数主要由振动光谱数据确定，扭转他的谱学数据，键伸缩和角变力常数主要由振动光谱数据确定，扭转力常数经常要从分子内旋转位垒来推算。力常数

8、经常要从分子内旋转位垒来推算。 5 5、对于不同的力场不仅力场参数不同，函数形式也可能不同。因对于不同的力场不仅力场参数不同，函数形式也可能不同。因此，在将一个力场中的参数应用于另一个力场时应十分小心。此，在将一个力场中的参数应用于另一个力场时应十分小心。 6 6、一个好的力场不仅能重现已被研究过的实验观察结果，而且能一个好的力场不仅能重现已被研究过的实验观察结果，而且能有一定的广泛性，能用于解决未被实验测定过的分子的结构和性质。有一定的广泛性，能用于解决未被实验测定过的分子的结构和性质。分子力学方法 QCFF/PI A Warshel & M levittMMI/MMPINL Allinge

9、rMM2/MMP2NL AllingerMM3NL AllingerECEPPHA ScheragaAMBERP KollmanCHARMMM KarplusGROMOSvan GunsterenSYBYLTripos Inc.DISCOVERMSI Inc.分子力学方法u1.6 1.6 分子结构的优化分子结构的优化粗结构粗结构能量极小构象能量极小构象分子几何优化分子几何优化E0; 022xiifxf局部极小值问题；鞍点局部极小值问题；鞍点分子力学方法输入坐标及连接关系输入坐标及连接关系力场选择、作用项、参数力场选择、作用项、参数能量极小化能量极小化最终结构与能量最终结构与能量其它信息其它信息

10、分子力学方法 1 1、由于只是局部优化，这样的计算只能找到所用的初始由于只是局部优化，这样的计算只能找到所用的初始构象附近的构象附近的“最优构象最优构象”。所以选择初始构象是非常关键的。所以选择初始构象是非常关键的。 2 2、若为找到全局能量最低构象，须将所有可能的初始构若为找到全局能量最低构象，须将所有可能的初始构象分别进行优化，最后进行比较，确定分子体系的最优构象。象分别进行优化，最后进行比较，确定分子体系的最优构象。 3 3、对于较大的分子，可能的初始构象的数目会随原子数对于较大的分子，可能的初始构象的数目会随原子数目的增加而急剧增加。在选择初始构象时，应把从基本的化学目的增加而急剧增加

11、。在选择初始构象时，应把从基本的化学知识方面考虑是不可能的构象略去。知识方面考虑是不可能的构象略去。E分子力学方法 一级微商算法一级微商算法 最陡下降算法最陡下降算法 Steepest Descents - SD 共轭梯度算法共轭梯度算法 Conjugate Gradients - CONJ 二级微商算法二级微商算法 Newton-Raphson Method v能量极小化算法能量极小化算法最陡下降法：最陡下降法： 方向变化大，收敛慢，优化辐度大方向变化大，收敛慢，优化辐度大共轭梯度法共轭梯度法收敛快，易陷入局部势阱，对初始结构偏离不大收敛快，易陷入局部势阱，对初始结构偏离不大 Newton-

12、Raphson法法计算量较大，当微商小时收敛快计算量较大，当微商小时收敛快v能量极小化算法比较能量极小化算法比较分子力学方法 宜用于对大分子进行构象分析、研究宜用于对大分子进行构象分析、研究与空间效应密切相关的有机反应机理、反应活性、与空间效应密切相关的有机反应机理、反应活性、有机物的稳定性及生物活性分子的构象与活性的关有机物的稳定性及生物活性分子的构象与活性的关系；系；宜用于对化合物的电子结构、光谱性宜用于对化合物的电子结构、光谱性质、反应能力等涉及电子运动的研究质、反应能力等涉及电子运动的研究分子力学方法 是经典模型，以原子为是经典模型，以原子为“粒子粒子”，按，按经典力学运动，而经典力学

13、运动，而则主要处理对象为电子，则主要处理对象为电子，其运动服从量子力学规律其运动服从量子力学规律 中，电子或原子核间的相互作用服从中，电子或原子核间的相互作用服从库仑定律，而库仑定律，而中每对原子之间有一特定的中每对原子之间有一特定的作用势函数，原子不同或者原子虽然相同但所处环作用势函数，原子不同或者原子虽然相同但所处环境不同，则势函数不同，即使对同一对原子，也无境不同，则势函数不同，即使对同一对原子，也无法给出准确的普适势函数。法给出准确的普适势函数。分子力学方法当研究对象与所用的分子力学力场当研究对象与所用的分子力学力场参数化基于的分子集合相差甚远时不宜使用，也不参数化基于的分子集合相差甚

14、远时不宜使用，也不能用于人们感兴趣但没有足够多的实验数据的新类能用于人们感兴趣但没有足够多的实验数据的新类型的分子。型的分子。计算量大，研究的体系小。计算量大，研究的体系小。分子力学方法 油气田的开发过程中，地层中油气田的开发过程中，地层中CO2会对油管、套管以及会对油管、套管以及管线等设备造成严重腐蚀。目前，油气田所采用的管线设管线等设备造成严重腐蚀。目前，油气田所采用的管线设备多为碳钢所制，其抗备多为碳钢所制，其抗CO2腐蚀性能较差。碳钢在含腐蚀性能较差。碳钢在含CO2环环境中腐蚀产物主要是境中腐蚀产物主要是FeCO3，沉积在金属表面形成疏松多孔，沉积在金属表面形成疏松多孔的的FeCO3膜

15、。膜。二、分子力学方法的应用二、分子力学方法的应用分子力学方法分子力学方法 There are three aspects important in the determination of an appropriate force-field for determining energy changes that occur when an inhibitor binds to a magnetite surface and forms a two dimensional film. These are the following:1) The force-field should accu

16、rately describe the structure of magnetite.2) It should describe inhibitor surface iron atom interactions accurately.3) It should describe the interactions between inhibitor molecules accurately.分子力学方法FIGURE 1- The(111 ) miller plane of Fe3O4 . The surface Fe2+ sites are in black. O2- anions are in

17、white while the Fe 3+are in gray. The hexagonal spacing of surface Fe*+sites is highlighted in the diagram.FIGURE 2- Water on the (11 i ) miller plane of FesOd, The distance between the oxygen atom of water and a m-face Fe*+site is shown in the diagram.分子力学方法分子力学方法IAIB图图1 1-羟乙基羟乙基-2-十七烷基咪唑啉十七烷基咪唑啉 (

18、IA) 和和1-氨乙基氨乙基-2-十七烷基咪唑啉十七烷基咪唑啉 (IB) 的优化分子结构的优化分子结构Figure 1 Optimized molecular structures:1-hydroxyethyl-2-heptadecylimidazoline (IA) and 1-aminoethyl -2-heptadecylimidazoline (IB).咪唑啉缓蚀剂缓蚀性能的理论研究咪唑啉缓蚀剂缓蚀性能的理论研究分子力学方法IAIBEHOMO=-5.27evEHOMO=-5.10ev图图2 IA和和IB缓蚀剂分子的最高占有轨道，等值面数值为缓蚀剂分子的最高占有轨道，等值面数值为0.02

19、 a.u.Figure 2 Highest occupied molecular orbital (HOMO) with a value of isosurface of 0.02 a.u. for IA and IB.IAIBELUMO=1.27evELUMO=1.43ev图图3 IA和和IB缓蚀剂分子的最低未占轨道，等值面为缓蚀剂分子的最低未占轨道，等值面为0.02 a.u.Figure 3 Lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) with a value of isosurface of 0.02 a.u. for IA and IB.2.1

20、 分子反应活性的量子化学计算分子反应活性的量子化学计算分子力学方法 分子的反应活性点位可通过分子的反应活性点位可通过Fukui指数来分析，指数来分析，Fukui指数不仅可以测定分子指数不仅可以测定分子的化学活性点位和强弱，同时还可以确定活性点位的亲核或亲电子的特性。的化学活性点位和强弱，同时还可以确定活性点位的亲核或亲电子的特性。 1Nq Nq1Nqff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

21、-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

22、.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表表1 IA和和IB分子的分子的Mulliken原子电量和原子电量和Fukui指数指数Table 1 Mulliken atomic charges and Fukui index for IA and IB分子力学方法IAIB分子力学方法IAIB图图4 IA和和IB分子在分子在FeCO3表面的吸附构型表面的吸附构型Figure 4 Adsorption conformations of in

23、hibitor molecules on FeCO3 surface for IA and IB.2.2 单分子吸附的分子动力学模拟单分子吸附的分子动力学模拟分子IAIBH2O单分子吸附能(kcal/mol)-84.0-106.0-44.0表表2 IA、IB 和和 H2O在在FeCO3表面的单分子吸附能表面的单分子吸附能Table 2 The adsorption energy of IA、IB and H2O molecules on FeCO3 surface.分子力学方法IAIB图图5 IA和和IB分子在分子在FeCO3表面上吸附成膜的侧视图表面上吸附成膜的侧视图Figure 5 The side view of IA and IB monolayer on FeCO3 surface after optimization.2.3 吸附成膜的分子力场模拟吸附成膜的分子力场模拟IAIB图图6 IA和和IB分子在碳酸亚铁界面上吸附成膜的俯视图分子在碳酸亚铁界面上吸附成膜的俯视图Figure 6 The top view of IA and IB monolayer on FeCO3 surface after optimization.分子力学方法表表3 IA和和IB的内聚能和吸附角的内聚能和吸附角Table3 Cohesive en