第二章计算化学的应用

第二章计算化学的应用第一页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五计算化学的应用第二页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五化学生物材料第三页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五在化学中的应用第四页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五1.验证实验结果2.计算结构和性质3.理论预测分子设计4.研究反应机理计算化学在化学中的应用第五页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五通过计算可得到1.几何结构,分子轨道,电荷密度,偶极矩,生成热,质子亲和势,电离能,电子亲和能,热力学数据,垂直激发能,溶剂化自由能,物质的酸性pKa,芳香性,磁性质等等......2.可计算红外光谱,拉曼光谱,紫外可见光谱,NMR谱……第六页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五化合物性质的预测苯甲酸第七页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五它的键长、键角分别是多少?它有异构体吗?哪个异构体更稳定?光照射后发射荧光还是磷光?需要多少nm的光才能发生光分解?第八页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五第九页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五势能面图第十页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五苯甲酸单体不发射荧光，只有磷光苯甲酸的光物理性质内转换系间串跃第十一页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五C6H5COOHC6H6+CO2(1)C6H5CO+OH(2)C6H5+COOH(3)苯甲酸的光化学性质≥270nmT2紫外光波长:400nm以下,可见光波长:400-760nm,红外光:大于760nm第十二页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五第十三页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五反应机理研究目前的研究主要是这类反应的区域选择性第十四页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五内部炔烃-区域选择性

第十五页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五Boththedissociativeandassociativemechanismsforthecouplingreactionwerecalculated.第十六页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五内端末端分步机理23.4kcal/mol21.2kcal/molFigureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.第十七页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五内端末端21.5kcal/mol18.7kcal/mol协同机理Figureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.第十八页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五轨道分析-CO2和炔烃耦合反应的本质HOMOHOMOLUMOLUMO第十九页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五在生物中的应用第二十页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五应用理论化学研究生物体系已具备的条件：（1）分子力学和经典分子动力学模拟已被用于模拟蛋白质、核酸等生物大分子的三维结构和构象以及分子的动力学行为。（2）线性标度的半经验和从头算量子化学方法已能处理生物大分子的片段（上千个原子）。（3）量子力学与分子力学相结合的组合方法使描述酶的活性中心或药物的结合部位成为可能。（4）从头算分子动力学方法已开始被应用于模拟生物体系中的快速反应。第二十一页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五

经过几十年的发展，理论化学方法的精度逐渐提高、计算方法日趋成熟，可处理的体系也越来越大，为研究生物体系中的重要科学问题提供了重要工具。

同时，分子生物学的发展也迫切需要理论化学研究的介入和帮助。第二十二页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五生命科学中的重要研究方向蛋白质和核酸三维结构预测、动力学及功能重要酶催化反应机理配体-受体相互作用生物体系中的电荷传递过程生物体系中光化学反应第二十三页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五1.1.蛋白质和核酸三维结构预测蛋白质基本单元：氨基酸及肽链肽链第二十四页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五一级结构二级结构三级结构四级结构蛋白质的三维结构第二十五页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五肽链折叠过程第二十六页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五蛋白质折叠过程的反演：

折叠的蛋白质展开逆过程的分子动力学模拟W.Daggett,Acc.Chem.Res.

2002,35,422第二十七页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五溶剂化效应的分子动力学模拟：时间尺度长时间模拟(>80ps)短时间模拟(<10ps)VMarkov,etal.Acc.Chem.Res.

2002,35,376.第二十八页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五酶催化反应机理：酶分子的结构特点结合部位：酶分子中与底物结合的部位区域。催化部位：酶分子中促使底物发生化学变化的部位活性中心第二十九页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五蛋白质与小分子相互作用--创新药物的研究与发现

从过去相对盲目地大量合成，大量筛选

发展为首先确定药物作用的靶分子，在此基础上来设计、筛选药物物分子的计算机辅助设计定量构效关系分析(QSAR)成功的实例之一：抗癌药物9-苯胺呀啶第三十页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五脑红蛋白和CO结合机理的QM/MM研究J.Phys.Chem.B2008,112,8715-8723.第三十一页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五1.主要功能：储存和输送氧气含有血红素的球蛋白2.主要成员：肌红蛋白(Mb)血红蛋白(Hb)脑红蛋白(Ngb)胞红蛋白(Cgb)1.课题背景第三十二页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五最为大家所熟悉的就是肌红蛋白和血红蛋白人体内的血红蛋白人体内的肌红蛋白

红细胞肌肉组织把新鲜氧气运送到各组织

储存氧气，当机体需要时再释放1.课题背景第三十三页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五新近发现的两个蛋白，脑红蛋白(Ngb)和胞红蛋白(Cgb)脑红蛋白(Nature,2000,407,520-524)1.课题背景第三十四页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五胞红蛋白(JBC,2001,276,25318-25323)1.课题背景第三十五页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五EABCDD÷FHG结构上的共性：整个蛋白含有八个α-螺旋，分别标记为A－H保守残基：E7，F8，CD11.课题背景第三十六页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五1.课题背景CO:O220000配体亲和力CO:O225~200配体亲和力为什么配体亲和力会发生改变？血红素穴中残基对配体的位阻作用血红素穴中残基对配体的氢键作用配体结合后多肽的扭曲配体亲和力第三十七页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五野生型Ngb和Cgb与CO/O2结合的机理将会与Mb和Hb明显不同，而且更加复杂。Ngb和CgbMb和HbFe的配位形式1.课题背景第三十八页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五

PNAS.2002,99,7992;2004,101,17351;2005,102,8483;2006,103,2469;J.Biol.Chem.2003,278,4919;2004,279,5886;referencestherein.

CO结合E7解离分步机理Ngb11.课题背景第三十九页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五k(E7结合)k(E7解离)=1.2(Trentetal.JBC2001,276,30106)=444.4(Dewildeetal.JBC2001,276,38949)=3000(Kigeretal.IUBMBLife2004,56,709)Ngb3实验上观察到的配体亲和力是很不相同的1.课题背景第四十页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五J.Biol,Chem.2001,276,36377–36382.ClosedOpen4Ngb不同机理导致的结果？？？1.课题背景第四十一页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五2.待解决的问题虽然有几个DFT计算用来处理Mb和CO的结合，但据我们所知，只是优化结合物的结构，没有机理上的研究，而且大部分是模型体系的计算。对于Ngb的计算，甚至连模型体系的计算都没有。

蛋白与配体的结合是分步还是协同过程，分步过程是不是要考虑绝热还是非绝热机理？第四十二页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五3.研究思路Ngb-XO(B)NgbImNgb-XO(A)+XO-His64+XO协同机理分步机理第四十三页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五计算所采取的模型和参考的晶体结构模型体系QM部分真实体系XO+NgbPDB编号1q1f：1.5Å分辨率的X-rayNgb晶体构型1w92：1.7Å分辨率的X-rayNgb-CO晶体构型氢原子由于晶体构型中没有氢原子，我们用分子动力学软件加入且进行简单优化。第四十四页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五桔黄色：晶体构型(1q1f)蓝色：Im-FeP-Im...CO(S)桔黄色：晶体构型(1w92)蓝色：Im-FeP-CO...Im-A(S)计算所采取的模型和参考的晶体结构第四十五页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五4.脑红蛋白和CO的结合机理协同机理DFT(QM/MM)“Open”Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-B(S)第四十六页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五分步机理

DFT(QM/MM)Im-FeP-Im…CO(S)Im-FeP…CO…Im(S)TS-S(S)Im-FeP-CO…Im-A(S)“Closed”4.脑红蛋白和CO的结合机理第四十七页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五Im-FeP-Im…CO(T)Im-FeP…CO…Im(T)Im-FeP-Im…CO(Q)Im-FeP…CO…Im(Q)三重态和五重态上不存在Ngb-CO结合物分步机理

DFT(QM/MM)4.脑红蛋白和CO的结合机理第四十八页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五QM-6-31G**-PCM(模型-6-31G**)分步机理协同机理S/T(1)S/T(2)4.脑红蛋白和CO的结合机理第四十九页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五Fourmainpathways不管是绝热还是非绝热途径，五配位中间物的形成是限速步。4.脑红蛋白和CO的结合机理第五十页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五4.脑红蛋白和CO的结合机理Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-B(S)协同机理CO与血红素的结合导致周围残基有规律的移动。第五十一页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五在材料科学中的应用第五十二页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五1.计算固体各种性质能带图态密度2.模拟固体吸附气体的物理化学行为3.计算设计固体材料结构第五十三页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五LST/QST:H2AdsorptiononPd(111)0.054eV0.96eV1.01eV第五十四页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五第五十五页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五(n,0)zigzagnanotube(n,n)armchairnanotube(n,m)chiralnanotube第五十六页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五第五十七页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五第五十八页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五第五十九页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五计算与实验的合作第六十页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五钌催化芳基和烯基叠氮化合物分子内C-H键胺化机理的理论研究第六十一页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五

1.课题背景金属催化的C-H键胺化，是C-N键形成的一个重要合成方法，是烃类活化研究的热点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.烷烃第六十二页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五然而，烯基和芳基中C-H键的胺化是较少被研究的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.课题背景第六十三页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五

2.实验结果便宜易得第六十四页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五

2.实验结果第六十五页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五反应机理

2.实验结果第六十六页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五分步机理18.0kcal/molC-N键形成1,2-H迁移

2.计算结果---验证实验推断的反应机理第六十七页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五协同机理28.0kcal/mol

2.计算结果从理论计算角度来讲反应主要按分步机理进行第六十八页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五cis-17和trans-17两种异构体按照1:1比例混合，反应得到一种异构体18反应按分步机理进行

2.实验结果---验证计算推断的分步机理第六十九页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五共振式C1和C2

2.计算结果---C-N键形成的本质？？第七十页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五第七十一页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五共振式---反应机理亲电进攻

2.计算结果第七十二页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五类似电环化反应

2.计算结果第七十三页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五TxtTextText从Ｂ到Ｃ是电环化过程

2.计算结果第七十四页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五

2.实验结果---验证电环化机理第七十五页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五36.5kcal/mol18.0kcal/mol

2.计算结果第七十六页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五

2.实验结果---验证电环化机理类似第七十七页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五

2.实验结果---验证电环化机理无法形成类似电环化的反应机理是正确的第七十八页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五实验和计算都认为反应是按分步机理进行的C-N键的形成是类似电环化的反应

3.结论第七十九页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五常用计算软件的介绍第八十页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五ΨGaussian03计算化学面临的挑战是艰巨的，但也正在取得很大的进展，年轻化学家若对计算机有兴趣的话，那末计算化学是具有令人兴奋前景的研究领域。

──美国化学会会长R.布里斯罗第八十一页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五

Gaussian输入界面第八十二页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五NH3的几何构型优化输入窗口第八十三页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五NH3的振动频率计算输入窗口（作为优化的后继作业）第八十四页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五

Gaussian应用范围Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以研究：分子能量和结构过渡态的能量和结构化学键以及反应能量分子轨道偶极矩和多极矩原子电荷和电势振动频率，红外和拉曼光谱，NMR极化率和超极化率热力学性质，反应路径计算可以模拟在气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态第八十五页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五摘自Gaussian手册分子的能量和结构过渡态的能量和结构振动频率红外和拉曼光谱热化学性质成键和化学反应能量化学反应路径分子轨道原子电荷电多极矩NMR屏蔽和磁化系数振动圆二色性强度电子亲和能和电离势极化和超极化率静电势和电子密度单分子性质集团性质不可测量性质第八十六页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五

GaussView3.0第八十七页，共一百零三页，编辑于2023年，星期五显示Gaussian计算结果分子轨道原子电荷

由电子密度、静电势场、NMR屏蔽以及其他性质得到的表面。可以用实体、半透明和网格三种方式显示。使用不同的颜色来标记不同部分表面的性质用动画的方式来演示振动频率用动画的方式来演示几何优化过程、势能面扫描、IRC反应路径第八十八页，共一百零三页，编