分子模拟课件-第一章-概论

分子模拟主讲：李慎敏

分子模拟主讲：李慎敏1

前辈的忠告-摘自陈敏伯

只要是理论科学，都要反复几遍才能得到要领，不要指望听一遍就懂个大概，不要在“自我感觉差”面前退缩，“不懂”意味着正在入门，更不要指望寓教于乐。不过，在熬过长夜、豁然开朗之际，“乐”却会不期而至，那是晨曦中第一原理送来的神圣感。前辈的忠告-摘自陈敏伯2

主讲内容及参考书分子力学分子动力学模拟蒙特卡罗模拟分子模拟与药物设计1.《分子模拟的理论与实践》陈正隆等化学工业出版社2.《分子模拟(从算法到应用)》汪文川等译化学工业出版社3.《分子模拟的原理与应用》Leach,A.R.世界图书出版公司（影印）4.

《计算化学-从理论化学到分子模拟》陈敏伯著科学出版社主讲内容及参考书分子力学3课时安排及考核形式32课时理论课16课时实验课考试形式：平时作业20%

期末笔试50%

上机实践及考试30%课时安排及考核形式32课时理论课4

第一章

分子模拟的概况第一章

分子模拟的概况长期以来，化学一直被科学界公认为一门纯实验科学。其理由要追溯到人类认识自然的两种科学方法长期以来，化学一直被科学界公认为一门纯实验科学。其理由要追溯⑴ 归纳法

(F.Bacon,1561-1626)⑵ 演绎法

(R.Decartes,1596-1650)设计实验实验数据唯象理论“预测”数据拟合检验公理假设形式理论

二次形式化近似、计算和模拟预测模型实验检验⑴ 归纳法(F.Bacon,1561-1626)物理化学在20世纪初形成。旨在揭示化学反应的普遍规律—反应进行的方向、程度和速度…Gibbs

化学热力学Gibbs自由能：

G=HTS

反应速率常数：Arrhenius

化学动力学物理化学在20世纪初形成。旨在揭示化学反应的普遍规律—反量子力学是演绎法最成功的实例Heisenberg、Schrödinger、Dirac、Born等于1925~1926创建30年代初由vonNeumann完成形式理论体系

量子力学的建立未依据任何实验事实或经验规律。它用少数几条基本假定作为公理，由此出发，通过严格的逻辑演绎，迅速地建成一个自洽、完备、严密的理论体系量子力学是演绎法最成功的实例Heisenberg、Schrö基本运动方程—Schrödinger方程微观粒子或体系的性质由状态波函数唯一确定，服从Schrödinger方程Schrödinger方程：Hamilton算符：在10-13m的微观层次，方程放之四海而皆准方程建立容易，困难在于求解基本运动方程—Schrödinger方程微观粒子或体系的计算化学新时代30年代量子化学和量子统计力学分支的形成使化学科学开始与演绎法“沾上了边”。但在80年代前进展十分缓慢90年代计算机技术的发展计算化学进入新时代计算化学新时代30年代量子化学和量子统计力学分支的形成使化学TheLaureatesof1998NobelPrizeinChemistryWalterKohn&JohnA.Pople

瑞典皇家科学院将1998年度诺贝尔化学奖予两位年迈的量子化学家Kohn和Pople,

表彰他们在开拓用于分子性质及其参与化学过程研究的理论和方法上的杰出贡献。TheLaureatesof1998NobelPr对1998年诺贝尔化学奖

划时代的评价瑞典皇家科学院的评价：“···

量子化学已发展成为广大化学家都能使用的工具，将化学带入一个新时代—实验与理论能携手协力揭示分子体系的性质。化学不再是一门纯实验科学了”对1998年诺贝尔化学奖

划时代的评价瑞典皇家科“三十年前，如果说并非大多数化学家，那末至少是有许多化学家嘲笑量子化学研究，认为这些工作对化学用处不大，甚至几乎完全无用。现在的情况却是完全两样了…。当90年代行将结束之际，我们看到化学理论和计算研究的巨大进展，导致整个化学正在经历一场革命性的变化。Kohn和Pople是其中的两位最优秀代表”“这项突破被广泛地公认为近一、二十年来化学学科中最重要的成果之一”“三十年前，如果说并非大多数化学家，那末至少是有许多化学家嘲化学科学的体系和结构发生深刻变化

对象： 宏观现象微观本质

方法学： 描述、归纳演绎、推理

理论层次：定性定量化学与物理学的界限在模糊，在理论上趋于统一化学各分支学科的交叉；与其他学科相互渗透

带动生物、材料科学进入分子水平 与化学相关的的新领域不断涌现化学科学的体系和结构发生深刻变化 对象： 宏观现象

1986：李远哲：“在十五年前，如果理论结果与实验有矛盾，那么经常证明是理论结果错了。但是最近十年则相反，常常是实验错了。…量子力学有些结果是实验工作者事先未想到的，或者是难以实现的”电子自旋磁矩的理论值和实验值精确符合到12位有效数字H2分子的解离能理论计算值 36117.4cm-1实验值 36113.40.3cm-1改进实验手段后测得 36117.31.0cm-11986：李远哲：“在十五年前，如体系数据和性质的综合分析分子(材料)CAD合成路线CAD化学CAI数据采集、统计分析及其它应用化学数据库量子化学计算计算机分子模拟分子结构建模与图象显示化学人工智能分子力学(MM)分子动力学(MD&MC)计算机化学计算化学的主要内容体系数据和性质的综合分析分子(材料)合成路线化学CAI数计算化学是化学与多个学科的交叉化学物理学计算机科学材料科学生命科学数学计算化学环境科学计算化学是化学与多个学科的交叉化学物理学计算机材料科学生模拟尺度LengthScaleHy=EyF=MAexp(-DE/kT)domainquantumchemistrymoleculardynamicsMonteCarlomesoscalecontinuum

TimeScale10-10M10-8M10-6M10-4M10-12S10-8S10-6S模拟尺度Len1.量子化学计算1）

从头算方法2）

密度泛函方法3）

半经验从头算方法

几何结构优化，振动频率分析；寻找反应过渡态，反应路径分析，反应势能面；热力学数据分析，如反应焓变，活化能等；电子和电荷分布；利用过渡态理论计算反应速率常数等；光谱、能谱分析，如红外光谱，紫外光电子能谱，核磁共振谱等。1.量子化学计算1）

从头算方法2.分子力学方法利用势函数和统计力学方法:几何结构优化，振动频率构象分析热力学静态性质分子对接2.分子力学方法利用势函数和统计力学方法:3.分子动力学模拟利用牛顿方程结合分子力学方法1）药物设计，QSPR，QSAR分析2）催化设计，表面吸附活性分析3）高分子化学4）生物化学，酶催化设计5）液相化学反应6）气相反应截面和反应速率常数局限：忽略量子效应，时间范围短等3.分子动力学模拟利用牛顿方程结合分子力学方法4.蒙特卡洛模拟

利用“随机数”对模型系统进行模拟以产生数值形式的概率分布而得名。由系统中质点（原子或分子）的随机运动，结合统计力学的概率分配原理，以得到体系的统计及热力学资料。多用以研究复杂体系及金属的结构及其相变化性质，弱点在于只能计算统计的平均值，无法得到系统的动态信息。蒙特卡洛法是数理统计与计算机相结合的产物。4.蒙特卡洛模拟利用“随机数”对模型系统进行模拟以产生数5.量子动力学

研究反应过程中体系微观态（电子态、振动态、和转动态的变化和能量转移1）

反应截面和反应速率常数。2）

弱相互作用3)

能量转移5.量子动力学研究反应过程中体系微观态（电子态、各种方法各具特色

以上几种分子模拟方法各有特色:量了力学方法能得到有关立体构型和构象能的可靠信息,可以描述电子结构的变化;分子力学法研究的是体系的静态性质,描述基态原子结构的变化;蒙特卡洛法的误差容易确定,计算量没有分子动力学那样大,费时少,就获取某种状态的统计平均结构这一点而言,蒙特卡洛方法往往比分子动力学更有效;分子动力学能研究体系中与时间和温度有关的性质,是动态性质,它既克服了蒙特卡洛法仅能够描述不同温度下分子结构的特征,却不能描述不同温度下体系从一种热力学状态向另一种热力学状态演变过程的缺点,也克服了量子力学法中仅能计算绝对温度零度的真空中的孤立分子和分子力学只能计算绝对温度零度的分子体系等问题,能计算任何温度下分子体系的结构与性质。当然,四种模拟方法构成了与分子模拟密不可分的组成部分。各种方法各具特色以上几种分子模拟方法各有特色:前沿发展—QM/MM法

Combinedabinitio&MolecularMechanics将MO法或DFT与分子力学法相结合，取QM与MM两者之长。解决大分子参与的化学反应的计算反应的活性部位（activesite）采用QM计算其它基团的相互作用及与活性部位的作用采用MM处理QM/MM使计算酶催化、蛋白质等参与的生物化学反应成为可能前沿发展—QM/MM法

Combinedabinit分子模拟应用举例

计算机辅助药物设计纳米材料及纳米反应器生命过程的模拟

分子模拟应用举例计算机辅助药物设计

DNA-四方结构的

分子动力学模拟研究DNA-四方结构的

分子动力学模拟研究bead-on-a-stringInNa+solution

InK+crystal

InK+solutionbead-on-a-stringInNa+solutioAutodock抗癌新药开发DrugligandG-quadruplex分子对接-分子力学Autodock抗癌新药开发DrugligandG-qua复合物被装在TIP3P水分子且具有周期性边界条件的水盒子中

分子动力学模拟复合物被装在TIP3P水分子且具有周期性边界条件的水盒子中模拟体系的均方根偏差模拟体系的均方根偏差纳米材料纳米材料

几何效应、量子尺寸效应、表面效应

纳米限制体

碳纳米管、富勒烯、多孔材料、反胶团等特异的理化性质

几何结构、输运性质、反应性等C60(buckyball)SilicateReverseMicellesZeolitesCarbonNanotubeQuantumWire纳米材料纳米材料C60(buckyball)Silic纳米材料限制体系内溶液

的动力学行为纳米限制体系内水分子的结构纳米材料限制体系内溶液

的动力学行为纳米限制体系内水分子的结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受限于不同半径的光滑球内I2在Ar溶剂中的振动光谱位移在溶剂中的振动弛豫时间不同半径光滑球内光滑球模型ArI2Radius/nmShift/cm-11.21.201.51.791.81.762.21.75受限于不同半径的光滑球内I2在Ar溶剂中的振动光谱位移在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单壁碳纳米管模型受限于不同半径的碳纳米管内I2在Ar溶剂中的振动光谱位移密度为0.5g/cm3Radius/nmShift/cm-10.68(1纳米反应器

反应物

产物纳米反应器规整排列的孔道的担载功能,表面活性，空间限制作用

稳定性，选择性绝佳的反应环境

自然界生命体系中的化学变化生化酶------细胞

nmμm纳米反应器反应物产物纳米反应器规整排列的孔道AminesadsorptioninHMORSiOzAlO1O2HzNH2H1OzAlO2O3O5O4HzNH1H3H2SiO1O5SiOzAlO3H5H2H3O1O2H4NO4H1HzO4OzAlO1O5O3HzH2H