分子模拟的原理及应用课件

分子模拟的原理及应用

Principles&ApplicationsofMolecularModeling

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(AmericanChemicalSociety,ACS)分子模拟

(MolecularModeling)1. 力场

(ForceField)2. 分子力学原理

(PrincipleofMolecularMechanics,MM)3. 分子力学的应用

(ApplicationofMolecularMechanics)4. 分子动力学原理

(PrincipleofMolecularDynamics,MD)5. 分子动力学计算

(MolecularDynamicsSimulation)6. 分子动力学的应用

(ApplicationofMolecularDynamics)ForceField力场力场

ForceField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

Vander

Waals

12-6potential

典型的范德华势能参数

原子或分子/kB(K)

(Å)He10.412.602Ne42.02.755Ar141.63.350Kr199.83.581Xe281.03.790CH4161.33.721CF4156.54.478SF6207.75.252MM

形式力场的远程作用项

atom(kcal/mol)(A)C0.0272.04H0.021.62VDW远程作用

键伸缩势能

AllingerMM2(1977)Bondr0(A)Kb(kcalmol-1A-2)Csp3-Csp31.523317Csp3-Csp21.497317Csp2=Csp21.337690Csp2=O1.208777Csp3–Nsp31.438367C–N(amide)1.345719任何2

个连续的原子A-B

键角弯曲势能

(anglebendingpotential)任何3

个连续的原子A-B-CAngle0k(kcalmol-1deg-1)Csp3-Csp3-Csp3109.479.910-3Csp3-Csp3-H109.477.910-3H-Csp3-H109.477.010-3Csp3-Csp2-Csp3117.29.910-3Csp3-Csp2=Csp2121.41.2110-2Csp3-Csp2=O122.51.0110-2双面角,扭转角

dihedralangle,torsionangleH2O2

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

typicaltorsionalconstantsTorsionalconstantKcal/molangleV1V2V3Csp3-Csp3-Csp3-Csp30.1850.1700.52Csp2-Csp3-Csp3-Csp25.000Csp2-Csp2-Csp2-Csp2016.252.00Csp3-Csp2-Csp2-Csp2-0.316.250Csp3-Csp2-Csp2-Csp3-0.716.250H-Csp3-Csp3-Csp3000.28H-Csp2-Csp3-Csp3001.00H-Csp2-Csp2-Csp20.416.250H-Csp3-Csp3-H000.238离平面振动

out-of-planebending

倾向形成共平面的4个原子:Csp2

特殊的作用项

SpecialInteractionterms

氢键作用

H-bondingInteraction

12-10potential

YETI氢键作用

YETIH-bondingInteractionVedaniA.,

J.ofComputationalChemistry

9,269(1988)

芳香环间-

作用

-Interactionforaromaticrings

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

DeterminationofForceFieldParameters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:PeterKollman

(AssistedModelBuildingwithEnergyMinimization)

蛋白质,核酸,多醣等生化分子。CHARMM

力场:MartinKarplus (ChemistryatHarvardMacromolecularMechanics)

蛋白质,核酸,多醣等生化分子CVFF

力场:DauberOsguthope

(ConsistentValenceForceField)以生化分子为主,适用于胺基酸,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

(AssistedModelBuildingwithEnergyMinimization)

PeterKollmanU.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CFF91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

(ConsistentForceField,CFF)

耦合作用項CrosstermsCFF95

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部元素。UFF力场:(UniversalForceField)

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(Lagrangianmultiplier)

静电作用能

密度泛函数方法DFT

UniversalForceField(UFF)NaturalRadii,Effectivecharges,Electronegativity,bondtype

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.,andA.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15amu

及14amu,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)MolecularMechanics分子力学

MolecularMechanics分子的势能为分子坐标的函数结构最佳化(geometryoptimization)能量最小化(energyminimization)利用力場由任何起始構形可求得最低能量構形 EnergyMinimization:自定,~0.1A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

Localminima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(MCrandomknick)分子动力学升温回火(MDannealing)

势能面PotentialEnergySurface(PES)正戊烷函数的极小值

一次导数法最速下降法(steepestdescents)共轭梯度法(conjugategradient)二次导数法牛顿-拉森法(Newton-Ralpsonmethod)近似牛顿拉森法(Quasi-NewtonRapsonmethod)对角线块状牛顿拉森法(Block-diagonalNewton-Rapsonmethod)

导数适用范围

药物分子的

MM计算

DNAinhibitornetrospin能量最小化计算netrospin第一阶段第二阶段方

法平均梯度<1

kcalÅ-2平均梯度<0.1kcalÅ-2CPU(秒)计算次数CPU(秒)计算次数最速下降679814051893共轭梯度149213257367力场方法与量子力学计算的比较

Forcefield–QuantumMechanics氘化麦芽醣

势能等高线振动频率

vibrationfrequency

弹力常数

WilsonGF矩阵G: 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)

的振动频率实验值(cm-1)计算值(cm-1)振动模式36823679O-H伸缩荡(str.)29772976C-H3

非对称伸缩(asym.str.)297028442873C-H3

对称伸缩(sym.Str.)14771484CH3

扭曲(def.)145514461430143013401287C-O-H弯曲(bend)1106CH3

摆动(rock.)1086CH3摇摆(wag.)10341052C-O伸缩(str.)270263CH3-O(tor.)分子内能

气态分子的标准生成焓

(standardheatofformation)

烷类实验值计算值誤差SE2,2,3-三甲基丁烷-48.87-48.860.018.273,3-二甲基戊烷-48.08-47.450.638.26新戊烷-40.14-40.78-0.642.273-甲基戊烷-41.33-41.34-0.015.53正戊烷-35.56-36.30-0.742.82正丁烷-30.60-30.62-0.022.17丙烷-24.83-24.97-0.141.50乙烷-20.24-19.330.910.82环己烷

-29.50-29.000.506.55环丁烷6.786.32-0.4629.22正庚烷晶体的堆积图

MM3Lii,J.H.andN.L.Allinger,J.Amer.Chem.Soc.111,8576(1989)液晶分子体系

LiquidCrystal(LC)软碳链

向列形液晶系统的结构

StructureofNematicLC

Gay-BerneSimplifiedForceField12960个液晶分子

清楚的显示系统中液晶分子的排列次序

Bates,M.A.,andC.Zannoni,Chem.Phys.Lett.26,40(1997)商用软件

MaterialStudios

AccelryInc.北京创腾公司代理

Porphyrin-AppendedCholesterolDerivatives

Tsutomuetal.Langmuir(2001)1758252:1Zn(II)porphyrin/[60]fullereneSandwichComplexGelationAbility[60]F/55a5b5c5dSolvent(mol/mol)20oC5oC20oC5oC20oC5oC20oC5oCBenzene0.0SGSSSSSS0.5GGSSGGSSToluene0.0SGSSSSSS0.5GGSSpGGSSp-xylene0.0SGSSSSSS0.5GGSSSSSSS:solution,G:gel;pG

=partialgelF:fullerene;S:solution,G:gel;

pG=partialgelEnergyMinimizedresult

Discover3/insightII98.0bentextendedAmide-appendedPorphyrins

Michihiro

Shirakawa,etal.J.AM.CHEM.SOC.2003,125,9902amide1bshouldas