分子力场简介
化学反应中的分子间力场分析
化学反应中的分子间力场分析在化学反应中，分子间的力场起着重要的作用。
理解和分析分子间力场对于理解反应机理和优化反应条件至关重要。
本文将探讨化学反应中的分子间力场，并分析其对反应的影响。
一、分子间力场的概述分子间力场是指分子之间相互作用的力场。
它包括静电相互作用、范德华力、氢键等。
这些力场可以影响分子的构型、相互作用和反应速率。
二、静电相互作用静电相互作用是由于分子之间的电荷分布不均引起的。
分子中的正、负电荷相互吸引，从而形成静电相互作用。
静电相互作用在离子之间和极性分子之间尤为显著。
它可以影响分子的构型和稳定性，同时也可以影响反应的速率和方向。
三、范德华力范德华力是分子之间由于电子云的相互作用而产生的吸引力。
它主要存在于非极性分子之间，并且随着分子间距的增加而递减。
范德华力的强弱取决于分子的极化能力和电子云的分布。
它可以在化学反应中促进或者抑制反应的进行。
四、氢键氢键是一种特殊的化学键，它由氢原子和电负性较高的原子（如氧、氮等）的非共价相互作用形成。
氢键的强度较大，可以影响分子的构型和相互作用。
它在生物分子的结构和功能中发挥着重要的作用。
五、分子间力场对反应的影响1. 影响构型：分子间的力场可以影响分子的构型，从而影响反应的进行。
静电相互作用和氢键等可以稳定分子的特定构型，促进反应的发生。
2. 影响反应速率：分子间的力场可以影响反应的速率。
范德华力的存在可以降低分子的反应活化能，从而加快反应速率。
而氢键可以通过稳定过渡态或诱导拆分产物等方式影响反应速率。
3. 影响反应方向：分子间力场也可以影响反应的方向。
静电相互作用和氢键等的引入可以改变反应的平衡常数，使得反应向有利方向偏移。
六、优化反应条件通过分子间力场的分析，可以优化反应条件，使反应更加高效和选择性。
可以通过改变温度、溶剂、催化剂等条件来调节分子间力场，从而调控反应速率和方向。
七、结论分子间力场在化学反应中起着重要的作用。
它可以影响分子的构型、相互作用和反应速率。
分子力学与分子动力学
Molecular Mechanics and Molecular Dynamics
甄云梅 20111210
内容
简介 力场
1.分子力场的势函数形式
2.分子力场分类 3.力场的参数化
能量最小化 热力学性质
分子力学----简介
分子力学----简介
分子力学，又叫力场方法（
分子力学----分子力场的势函数形式
分子力学----分子力场的势函数形式
分子力学----分子力场的势函数形式
键伸缩能
EBondDStretching——谐振子函数 e [exp( A(l l0 )) 1]2 键伸缩能 s
1
De：depth of (l potential energy minimum Es ks the l0 )2 2 A=ω√μ/2De 平衡键长 键长 μ：mess 键伸缩力常数 ω：frequency of the bond vibration (ω= √κ/μ) 含非谐项的函数： l0 ：the reference value of the bond
N
• 大部分力场如AMBER, TRIPOS, CHEM-X, CHARMm, COSMIC, DREIDING和CVFF采 用较简单的势函数形式
• 第二代力场如MM2, MM3, CFF及MMFF94 采用傅里叶级数形式
分子力学----分子力场的势函数形式
二面角扭转能
由于二面角的扭转对总能量的贡献小于键长和键角的贡献， 一般情况下二面角的改变要比键长和键角的变化自由得多。 因此在一些处理大分子的力场中常保持键长、键角不变， 只考虑二面角及其他的作用而优化整个分子的构象和能量。
compass力场简介doc资料
Introduction to COMPASS ForcefieldLiang Taining, Yang Xiaozhen(Center for Molecsclar Science, Institute of Chemistry, Beijing 100080)Abstrat COMPASS forcefield is the new kind forcefield developed for the Condensed-phase Optimized Molecular Potentials. It is the first ab initio forcefield that enables accurate and simultaneous prediction of structural, conformational, vibrational, and thermophysical properties for a broad range of molecules in isolation and in condensed phases. It is also the first high quality forcefield that consolidates parameters for organic and inorganic materials previously found in different forcefields. This forcefield includes the most common organics, inorganic small molecules, polymers, some metal ions, metal oxides and metals.Key words COMPASS, Molecular forcefield摘要COMPASS力场是最近发展的适合凝聚态应用的一个全新的分子力场。
分子力场简介
永久偶极（i， j ）间的作用Vdipl：
Vdipl i j / D rij3 (cosX 3cosai cosa j ) i j
分子力学
❖分子的力场形式-氢键
V(r) = A/r12 - C/r10
实例：YETI力场
VHB = (A/r12 - C/r10)cos2cos4
分子力学
❖力场的参数化-常力场:
根据量子力学的波恩-奥本海默近似，一个分 子的能量可以近似看作构成分子的各个原子 的空间坐标的函数，简单地讲就是分子的能 量随分子构型的变化而变化，而描述这种分 子能量和分子结构之间关系的就是分子力场 函数。
分子力学和分子力场
• 很多情况下，对大分子体系的处理可以完全避 免使用量子化学计算。分子力学模拟使用古典 力学模型（例如谐振子）描述化合物的能量。 分子力学模型的所有常数均通过实验数据或第 一原理计算结果得到。参数和函数的优化结果 称为分子力场。
键长及键角交叉项：
Vb/ = (1/2)kr(r-r0)(- 0)
分子力学
❖分子的力场形式-键能项：扭转能
分子内部基团绕化学键的旋转会改变分子的构象， 同时也改变了分子的能量状态。用二面角(i)来 描述这种运动形式,采用Fourier级数形式表示为：
V
bonds
Vn
2
(1cos(n
))2
分子力学
分子力学
❖力场的参数化
➢ 各类键长、键角的“本征值”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，扭转力常数经常要从分子内旋转位垒来推算。
➢ 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。
分子模拟PPT—第二章 力场
2. 蒙特卡罗随机采样法
分子内能
分子的能量
Etot Eele Evib Erot Etrans
分子的振动自由度 = 3N-6 = 3N-6 分子的振动能 非线性 线性
Evib Ebonds Eangles Etorsions Ecross
分子间相互作用能
1. 范德华能
AMBER
• / • "Amber" refers to two things: a set of molecular mechanical force fields for the simulation of biomolecules ;and a package of molecular simulation programs which includes source code and demos. The current version of the code is Amber version 10, which is distributed by UCSF subject to a licensing agreement described below. • Amber is now distributed in two parts: AmberTools and Amber10. AmberTools 1.2 & Amber 10 is now available! • Amber was originally developed under the leadership of Peter Kollman, and Version 9 is dedicated to his memory.
第二代力场
• 第二代力场的形式远较上述的经典力场复杂，需 要大量的力常数。其设计的目的为能精确地计算 分子的各种性质、结构、光谱、热力学特性、晶 体特性等资料。其力常数的推导除引用大量的实 验数据外，还参照精确的量子计算的结果。尤其 适用于有机分子或不含过渡金属元素的分子系统。 • 第二代力场因其参数的不同，包括CFF91、 CFF95、PCFF与MMFF93等。
gromacs中各种力场的区别
一、介绍Gromacs是一种用于模拟生物分子动力学的软件，它可以利用不同的力场来模拟不同类型的生物分子。
力场是指描述分子内部和分子之间作用力的数学模型，不同的力场具有不同的参数化和假设，因此在模拟不同生物分子时会产生不同的效果。
本文将从不同类型的力场入手，探讨Gromacs中各种力场的区别。
二、分子力场1. 分子内部作用力分子内部作用力包括键长、键角、二面角和二次导数作用力，它们描述了分子内部原子之间的相互作用。
AMBER、CHARMM和OPLS力场是常用的分子内部作用力模型，它们在描述不同类型的分子内部作用力时有各自的参数集。
2. 分子间作用力分子间作用力包括万有引力和库伦相互作用力，描述了分子之间的相互作用。
在模拟生物分子时，通常使用非键相互作用力模型，如Lennard-Jones势函数。
在Gromacs中，常用的分子间作用力模型有GROMOS、AMBER和CHARMM力场，它们在描述不同类型的分子间相互作用时有各自的参数集。
三、参数化1. 原子类型与参数不同的力场对分子中的原子类型和参数化有不同的处理方式。
AMBER 力场使用不同的原子类型和参数来描述不同类型的分子，而OPLS力场则较为通用，可以适用于多种类型的分子。
2. 水模型在模拟蛋白质和其他生物分子时，水分子的模型也是非常重要的。
目前常用的水模型有SPC、TIP3P和TIP4P等，它们与不同的力场相结合能够产生不同的模拟效果。
四、模拟效果不同的力场在模拟生物分子时会产生不同的效果，这取决于力场的参数化和假设。
一般来说，AMBER力场较为适用于蛋白质和核酸的模拟，而OPLS力场则更适合描述有机小分子。
五、总结Gromacs中各种力场的区别主要体现在分子内部作用力和分子间作用力的描述以及参数化和模拟效果上。
选择合适的力场对于模拟生物分子具有至关重要的意义，因此在进行模拟前需要对不同的力场进行充分的了解和选择。
希望本文能够为使用Gromacs进行生物分子模拟的研究者提供一些参考和帮助。
分子力场中原子类型和力场参数
分子力场中原子类型和力场参数引言分子力场是研究分子结构和相互作用的重要工具。
它模拟分子中原子之间的相互作用，并通过定义原子类型和力场参数来描述这些相互作用。
本文将介绍分子力场中的原子类型和力场参数，并探讨它们在模拟分子行为中的重要性。
原子类型在分子力场中，每个原子都被赋予一个特定的原子类型。
原子类型可以根据元素周期表上的化学元素进行分类，例如氢、氧、碳等。
此外，还可以根据化学环境和功能基团进行分类，例如芳香环、羧基等。
每个原子类型都有一个唯一的标识符，以便在模拟过程中进行区分。
通常使用字母或数字表示原子类型，例如H代表氢、O代表氧。
确定正确的原子类型对于准确地描述分子结构和相互作用至关重要。
不同的原子类型可能具有不同的力场参数，这将在下一节中详细讨论。
力场参数在分子力场中，每个原子类型都有一组与之相关联的力场参数。
这些参数描述了原子之间相互作用的强度和性质。
常见的力场参数包括键长、键角、二面角和相互作用能。
键长键长是指相邻原子之间共价键的距离。
它决定了分子中化学键的强度和稳定性。
不同类型的化学键具有不同的理想键长值，例如C-C键、C-O键等。
键角键角是指两个相邻化学键之间的夹角。
它描述了分子中原子之间的空间排布和化学键的方向性。
不同类型的化学键具有不同的理想键角值，例如C-C-C角、C-O-H角等。
二面角二面角是指四个相邻原子构成的平面之间的夹角。
它描述了分子中特定功能基团或环结构的构象变化。
不同类型的功能基团或环结构具有不同的理想二面角值，例如苯环上两个相邻氢原子之间的二面角等。
相互作用能相互作用能描述了分子中不同原子之间各种相互作用（如范德华力、库仑力）的强度和性质。
它是模拟分子行为和预测物理化学性质所必需的重要参数。
力场参数选择与开发力场参数的选择和开发是分子力场研究中的重要任务。
通常采用实验数据和量化计算结果来确定合适的力场参数。
实验数据实验数据包括分子结构、振动频率、热力学性质等。
通过与实验数据的比较，可以调整力场参数，使模拟结果与实验结果一致。
2 分子动力学第二章
2.2 力场函数的内容
一般而言，分子力场函数由成键项Ubonded、 交叉项Ucross和非键项Unobonded三部分构成， 所以分子总势能为：
U total = U bonded + U cross + U nobonded
成键项（Bonded Term）
• • • • 键伸缩能 键角弯曲能 二面角扭曲能 离平面振动能 Us Ua Ut Uo
1
r12
2
3
r23
二面角扭曲能(torsion
angle)
• 单键旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量 变化.
U t = kn [1 ± cos(nϕ − ϕ 0 )] 1 2 U t = k (ϕ − ϕ 0 ) 2
1
4
2
3
离平面振动能(out of plane bending)
• 共平面的四个原子中有一个原子偏离平面 进行微小振动所引起的分子能量变化.
• 利用LJ势描述原子间vdw作用的时候,通常 有两种方式： • 1，指定反应参数 • 2，分别指定参数 举例说明:水和甲醇混合液中的vdw类型
ε i j = ε iε j
1 σ ij = (σ i + σ j ) 2
Ai j = Ai Aj Bij = Bi B j
力场函数中参数的获得
• 有两种来源： 1，实验观测的数据 2，量子力学计算的数据 • 方法： 1，提出函数形式，并估计力常数的值 2，根据一些分子（或晶体）的结构+性质数据进行拟合 3，重复进行多次，并逐渐增加拟合的结构和性质，误差小 于一定标准时即可 拟合通常采用的软件：GULP。
• 分析力学所注重的不是力和加速度，而是 具有更广泛意义的能量，同时又扩大了坐 标的概念，因而使这种方法和结论便于运 用到物理学的其它领域。 • 但是由于分析力学中数学推理较多，在历 史上曾经发生过一些不良倾向，容易使人 忘记力学的物理实质。 1. 拉格朗日力学 2. 哈密顿力学
分子力场——compass简介
分子力场（Molecular Field）是一种用于分子模拟的计算方法，它是通过建立一个模拟分子的数学模型来计算分子性质的。
这种方法基于原子或分子的原子力场理论，并使用计算机程序来模拟分子之间的相互作用。
Compass是一种用于分子力场模拟的软件包，它是由Schrodinger公司开发的。
Compass包含了多种分子力场方法，包括Gasteiger-Hückel电子密度（Gasteiger-Hückel electronic density）、AM1（Austin Model 1）和PM3（Parametric Model 3）等。
Compass还包含了一些有用的工具，如分子配对、分子对接、动力学模拟和反应性模拟等。
Compass能够计算各种分子性质，包括分子结构、能量、极化率、电荷密度和电子密度等。
它还能够进行分子对接和反应性模拟，从而帮助化学家和生物学家研究分子之间的相互作用和反应机理。
Compass是一个强大的工具，能够帮助研究人员更好地理解和模拟分子的行为。
分子模拟 (MS)
2fs，常规分子1fs，对水分子0.1-0.2fs
19
MD模拟常用的系综(ensemble)
系综是指在一定的宏观条件下，大量性质和结构完 全相同的、处于各种运动状态的、各自独立的系统的 集合。全称为统计系综。
可以通过以下简单的譬喻来理解吉布斯的“系综原理”
骰子有6个面，分别刻着点数1、2、3、4、5和6。6个 面上点数的平均值，可以用算术(1+2+3+4+5+6)/6=3.5。 如果用“实验”方法，可以将一颗骰子掷很多次，比 如1000次（作1000次测量），将向上一面的点数的总 和除以1000，就求得每个面点数的平均值。掷的次数 20 越多，结果就越趋近于真实值3.5。
11
能量最小化 (Energy minimization)
分子力学重要的应用之一是根据适合的力场计算分
子各种可能构象的势能。势能愈低，构象愈稳定，在 系统中出现的几率愈大。
寻找势能最低点（最稳定的构象）
的过程称为能量最小化 (Energy Minimization, MM)。
12
一般势能面上有许多最小点， 其中只有一个或几个能量最低， 称全局最小点(global e.m.)，其 它均为局部最小点(local e.m.)。
系综是用统计方法描述热力学系统的统计规律性时 引入的一个基本概念。系综并不是实际的物体，构 成系综的系统才是实际物体。 在进行MD模拟之前必须确定选取何种系综。
21
正则系综（NVT） ：系统的原子数N、体积V和温度 T保持不变，并且总动量为零(P=0) 。将等能系统放在 一恒温的大热源中，系统与大热源之间可以交换能量， 此时系统的能量可能有涨落，但温度保持恒定。
CHARMM力场则将氢键包含在范德华相互作用和静电 相互作用中。
分子力场详细讲解
分子力场详细讲解分子力场（Molecular Force Field），简称FF，是描述分子体系中分子间相互作用和内部构型变化的数学模型。
它可以通过经验力场和基于量子化学计算的理论力场两种方式来建立。
本文将详细讲解分子力场的原理、构建方式以及在分子模拟和化学计算中的应用。
一、原理与目标分子力场的目标是通过描述原子之间的键长、键角以及相互作用力的形式，来预测分子的结构、稳定性和相对能量变化。
它的基本原理是将分子势能视为原子之间相互作用的总和，并通过参数化来拟合实验数据或量子化学计算结果。
二、常见参数分子力场的参数化包括键长、键角、二面角、扭曲能以及原子电荷等。
键长是相邻两个原子之间的距离，如C-C键长为1.54 Å。
键角是三个相邻原子所形成的夹角，如C-C-C键角为109.5°。
二面角是四个连续原子所形成的角度，如C-C-C-C二面角为180°。
扭曲能是分子内部原子之间由于旋转而引起的能量变化。
原子电荷用于描述原子之间的静电相互作用，一般可以通过量子化学计算来得到。
三、参数化方法1. 经验参数化：一种常用的方法是通过拟合实验数据来确定分子力场的参数。
例如，通过测量一系列分子的结构和能量，可得到不同键长、键角和二面角对应的能量差值。
然后采用数学方法进行拟合，从而获得各个参数的数值。
2. 理论参数化：基于量子化学计算的理论力场是另一种参数化方法。
通过量子化学软件计算分子的结构和能量，然后与实验数据进行对比，并通过优化参数得到最佳的拟合结果。
四、分子模拟与化学计算分子力场在分子模拟和化学计算中得到了广泛的应用。
1. 分子模拟（Molecular Dynamics，MD）模拟分子系统的动力学过程，通过数值求解牛顿运动方程来模拟分子的运动轨迹。
分子力场用于计算给定构型下分子的势能和受力矢量，并在模拟过程中改变原子的位置和速度。
根据分子力场的计算结果，可以得到分子的平衡构型、结构和能量的变化规律，进而研究分子的稳定性、反应动力学等性质。
Compass力场简介
Introduction to COMPASS ForcefieldLiang Taining, Yang Xiaozhen(Center for Molecsclar Science, Institute of Chemistry, Beijing 100080)Abstrat COMPASS forcefield is the new kind forcefield developed for the Condensed-phase Optimized Molecular Potentials. It is the first ab initio forcefield that enables accurate and simultaneous prediction of structural, conformational, vibrational, and thermophysical properties for a broad range of molecules in isolation and in condensed phases. It is also the first high quality forcefield that consolidates parameters for organic and inorganic materials previously found in different forcefields. This forcefield includes the most common organics, inorganic small molecules, polymers, some metal ions, metal oxides and metals. Key words COMPASS, Molecular forcefield摘要 COMPASS力场是最近发展的适合凝聚态应用的一个全新的分子力场。
基于分子动力学的常用力场、算法及结果分析
基于分子动力学的常用力场、算法及结果分析LT1.11.21.3力场简介分子动力学模拟是计算庞大复杂系统的有效方法，它以力场为依据，力场的完备与否决定计算的可靠程度。
分子的总能量是动能与势能之和，分子的势能通常表示为简单的几何坐标的函数。
一般势能中包括：（1）范德华力，与能量有关的非键相互作用交叉能量项，（2）构成分子的各个化学键在键轴方向上的伸缩运动所引起的能量变化，（3）键角变化引起的分子能量变化，（4）单轴旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量变化，（5）离平面振动项，共平面原子的中心原子离平面小幅振动的势能，（6）库伦作用项，带电荷粒子间存在的静电吸引或排斥作用的势能。
力场可以看作是势能面的经验表达式，它是分子动力学模拟的基础、力场是通过原子位置计算体系能量的，与之前的量子力学方法相比，大大节约了计算时间，可用于计算包含上万粒子数目的体系。
势能函数在大多数情况下将描述分子几何形变最大程度地简化为仅仅使用简谐项和三角函数来实现，而非键原子之间的相互作用，则只采用库伦相互作用和兰纳-琼斯势相结合来描述。
势能函数的可靠性主要取决于力场参数准确性，而力场参数通常通过拟合实验观测数据和量子力学从头计算得到的数据。
目前在生物大分子体系模拟中使用最为广泛的分子力场是CHARMM力场[3]和AMBER力场[4]，也是早期研究生物大分子的分子力场，其现有的力场参数仍在不断优化，并且涵盖的分子类型也在扩大。
粗粒化模型在计算生物物理研究中越来越引起人们的关注[5, 6]由于该模型中定义了粗粒化粒子，对应于全原子模型中的若干原子或原子基团甚至分子，减少了体系中的粒子数和自由度，使得模拟的时间和空间尺度得以大幅度提高，虽然会丢失一些原子细节信息，但是这种模型是应用于研究缓慢的生物现象或依赖于大组装体的生物现象[7]，如生物膜的波动，对它的模拟需要巨大的膜片。
1.2常见力场分子动力计算体系由最初的单原子分子系统延伸至多原子分子、聚合物分子、生化分子系统，力场也随着系统复杂度的增加而增加其复杂性。
charmm-gui 小分子力场
文章标题：深入探讨charmm-gui小分子力场一、charmm-gui小分子力场的概念和应用在当今科学研究和药物设计领域，charmm-gui小分子力场扮演着重要的角色。
它是一种针对小分子模拟和分子动力学仿真的力场，能够准确地描述小分子的结构和性质。
charmm-gui小分子力场主要用于模拟小分子与蛋白质、核酸等生物大分子之间的相互作用，并通过计算分子的力学和热力学性质来揭示分子之间的相互作用规律。
charmm-gui小分子力场的应用范围非常广泛，涉及药物设计、生物医学研究、材料科学等多个领域。
二、charmm-gui小分子力场的原理和模拟方法charmm-gui小分子力场的原理基于分子力学模拟，它通过构建分子的力场参数和模拟方法，来描述分子的结构和动力学行为。
在charmm-gui小分子力场的模拟方法中，通常采用分子的动力学仿真和蒙特卡洛模拟等技术，来模拟分子在不同条件下的动态特性。
charmm-gui小分子力场的模拟方法能够高效地预测分子的构象和能量，从而为进一步的实验设计和数据分析提供重要参考。
三、charmm-gui小分子力场的参数化和优化charmm-gui小分子力场的参数化是指根据实验数据和理论计算，对分子的力场参数进行优化和校正，以使模拟结果更加符合实际情况。
在charmm-gui小分子力场的参数化过程中，需要考虑分子的电荷分布、键长、键角和二面角等参数，以确保模拟结果的准确性和可靠性。
通过参数化和优化，charmm-gui小分子力场可以更好地描述分子之间的相互作用和结构变化，为科学研究和工程设计提供重要支持。
四、个人观点和总结作为一种先进的分子模拟力场，charmm-gui小分子力场在科学研究和工程应用中具有重要的意义。
它不仅能够帮助科学家深入理解分子的结构和性质，还能够为新药研发、生物医学工程和新材料设计等领域提供重要支持。
在未来的研究中，我期待charmm-gui小分子力场能够进一步发展，为人类健康和科学进步做出更大的贡献。
mmff和mmffs分子力场
mmff和mmffs分子力场
MMFF和MMFFs分子力场是分子力学中常用的一类力场。
MMFF代表Merck Molecular Force Field，是由Merck和Dermer等人于1990年代初开发的一种力场。
它基于分子力学理论，使用草图简化方法生成分子的电荷分布、键长和键角等参数，并通过调整这些参数来更好地描述分子的结构和能量。
而MMFFs代表Merck Molecular Force Field with Small Molecules，是在MMFF基础上针对小分子进行改进的分子力场。
它考虑了小分子高分辨率的实验数据，并利用量子力学计算来修正电荷分布和键长等参数，从而提高了力场的精确性和适用范围。
MMFF和MMFFs分子力场在计算和模拟小分子的力学性质、结构和能量等方面具有广泛的应用。
它们可用于计算分子的构象、能量最小化、优化反应路径等，对于药物设计、材料科学等领域有重要的意义。
分子力场
分子模拟的基础，是准确计算原子之间的相互作用，包括组成同一分子的原子之间的成键相互作用，和不同分子间的范德华相互作用，有的分子间还有氢键相互作用。
描述原子间的这些相互作用，有两种方式，一个是通过量子化学计算，另外一种方式就是采用分子力场计算。
分子力场的来源我们知道，量子化学计算分子结构和原子、分子间相互作用比较准确，但是很慢；而采用分子力场计算就会很快，因为分子力场并不计算电子相互作用，它是对分子结构的一种简化模型，所以计算很快。
在这个模型中，它把组成分子的原子看成是由弹簧连接起来的球，然后用简单的数学函数来描述球与球之间的相互作用。
比如，氢分子，看做有弹簧链接的两个球的话，可以用胡克定律描述两个氢原子间的能量：E=k*(b-b0)^2。
其中，b 表示两氢原子间距离，b0表示平衡时原子间距，k为键能系数，b0和K称为力场参数。
更复杂一点可以用四次方表达：E=K1*(b-b0)^2+K2*(b-b0)^3+K3*(b-b0)^4，更多的参数可以获得对成键分子的更精确的描述。
这是描述成键作用，不成键的原子间的相互作用则采用Legendre-Jones函数，或者Bukingham函数描述。
从上面可以看出来，力场用简单的数学函数描述原子间作用，称为分子力场，又叫分子力学力场。
采用分子力场的分子模拟称为经典分子模拟。
这是相对于采用量子力学计算的分子模拟来说的。
那么，分子力学对分子结构和原子间相互作用描述的是否准确呢？这依赖于你所用的参数。
而这些参数通常拟合自实验数据，或者量子化学结果。
它属于经验描述，显然品质要低一些，但是由于计算速度快，适合于描述上千个乃至百万个原子的模拟，在这些情况下，我们无法采用量子力学计算，因此，只能采用经典模拟。
不同分子力场间的区别分子力场有很多，比如生物模拟常用的AMBER, CHARMM, OPLS, GROMOS，材料领域常用的CFF, MMFF, COMPASS等等。
他们的区别在哪里呢？一个力场通常包括三个部分：原子类型，势函数，和力场参数。
compass力场简介
Introduction to COMPASS ForcefieldLiang Taining, Yang Xiaozhen(Center for Molecsclar Science, Institute of Chemistry, Beijing 100080)Abstrat COMPASS forcefield is the new kind forcefield developed for the Condensed-phase Optimized Molecular Potentials. It is the first ab initio forcefield that enables accurate and simultaneous prediction of structural, conformational, vibrational, and thermophysical properties for a broad range of molecules in isolation and in condensed phases. It is also the first high quality forcefield that consolidates parameters for organic and inorganic materials previously found in different forcefields. This forcefield includes the most common organics, inorganic small molecules, polymers, some metal ions, metal oxides and metals.Key words COMPASS, Molecular forcefield摘要COMPASS力场是最近发展的适合凝聚态应用的一个全新的分子力场。
分子力场简介
1.2.2 分子力学(MM)方法分子力学又叫分子力场，是原子尺度上的一种势能场，用于描述体系中原子之间相互作用的一套参数化的经验势函数。
在分子以及凝聚体内部，化学键都有“自然”的键长值和键角值，当满足这些条件时，体系的能量、以及内部原子间的相互作用均应满足某种极值条件，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近自然值，同时也使非键相互作用能处于最小的状态。
随着计算机计算能力的提高和分子模拟方法及分子力场理论的发展，分子力场可以研究的体系越来越大，也越来越复杂。
1.2.2.1 分子力场的各种能量项分子力场由分子内和分子间相互作用两大部分组成，势能面可以由如下公式表示：l cou VDW impro torsion angle bond total E E E E E E E +++++= (1-17) 公式等号右边分别为分子体系中原子之间的键长、键角、二面角、非正常二面角、范德华和电荷相互作用，下面分别加以叙述。
1. 键伸缩项(Bond Stretching Potentials)分子中相互成键的原子之间形成的化学键，如乙烷分子的C －H 键，C －C 键等，其键长并非是固定的，而是在其平衡位置附近作小范围的振荡。
描述这种作用的势能项称为键伸缩项。
如图1-1所示为双原子分子的键伸缩振动示意图。
图1-1 双原子分子键伸缩示意图键伸缩项函数形式一般有以下几种：(1) 二次函数20)()(r r k r E ij ij -= (1-18)其中，k 为键伸缩力常数，r ij 为原子i 、j 间键长，r 0为平衡键长。
力常数越大，键振动越快，相应的振动频率也越大。
该函数形式在诸如AMBER [12] 和CHARMM [13]力场中被采用。
(2) 四次函数])(37)(2)[()(403020r r r r r r k r E ij ij ij ij -+---= (1-19) 该函数形式在TEAM 等力场[14]中被采用。
dreiding力场参数
dreiding力场参数
"Dreiding力场"是一种经典分子力场，用于描述分子的力场相互作用。
它是1970年代由Paul von RaguéSchleyer等人开发的，并在计算化学和分子模拟等领域得到广泛应用。
Dreiding 力场通过赋予原子和键不同的参数来描述分子中原子之间的键的形成和断裂过程，从而模拟分子的结构和性质。
Dreiding力场的参数包括原子的Lennard-Jones势能参数（ε和σ），键的键长和键角参数，以及关联的电子参数等。
这些参数需要通过实验数据和计算来获得，包括量子力学计算、实验测定和分子动力学模拟等手段。
由于Dreiding力场的参数可以根据不同的分子和体系进行调整和优化，所以没有一个固定的通用参数表。
通常，研究人员和使用者需要根据特定的研究对象，根据文献或经验，选择合适的参数。
在使用Dreiding力场进行分子模拟或计算化学研究时，确保使用合适的参数对于模拟结果的准确性和可靠性非常重要。
分子力场及其在分子动力学模拟中的应用
分子力场及其在分子动力学模拟中的应用分子立场及其在分子动力学模拟中的应用一分子模拟的概述自从20世纪量子力学的快速发展后，几乎有关分子的一切性质，例如结构、设想、偶极矩、电离能、电子亲和力、电子密度等，皆可以由量子力学排序赢得。
排序与实验结果往往想要当相符，并且可以由分析排序的结果获得一些实验无法赢得的资料，有利于对实际问题的介绍。
与实验相比较，利用计算机计算研究化学有下列几项优点：（1）成本降低；（2）增加安全性；（3）可研究极快速的反应或变化；（4）得到较佳的准确度；（5）增进对问题的了解。
基于这些原因，分子的量子力学计算子1970年后逐渐受到重视。
利用计算先行了解分子的特性，一成为合成化学家和药物设计学家所依赖的重要方法。
化学家们借此可设计出最佳的反应途径，预测合成的可能性，并评估所欲合成的分子的适用性，节省许多时间和避免材料的浪费。
以欧美的许多大型药厂为例，在采用计算以前，合成新药的成功率约为17%-20%，但自从1980年后，由于在合成前先利用计算预测，其成功率已提高到50%-60%。
图一为1955年美国化学会数据库（acsdatabase）所作的统计图。
图中的纵坐标为引用计算机计算程序报告所占的比例，横坐标为年份。
由图中可以确切窥见排序受到注重的程度逐年减少。
图一美国化学会所发表的计算机计算在化学报告中的比例分子动力演示（md），就是时下最广为为人使用的排序巨大繁杂系统的方法。
自1970年起至，由于分子力学的发展快速，人们又系统地创建了许多适用于于生化分子体系、聚合物、金属与非金属材料的力场，使排序繁杂体系的结构与一些分子立场及其在分子动力学模拟中的应用热力学与光谱性质的能力及准确性大为提高。
分子动力演示就是应用领域这些力场及根据牛顿运动力学原理所发展的计算方法。
此方法的优点为准确性低，可以同时赢得系统的动态与热力学统计资料，并可以广为地采用与各种系统及各类特性的深入探讨。
二力场力场可以看做就是势能面的经验表达式，就是分子动力学演示的基础。
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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、药物设计、配位化学 中，都有了广泛的应用。
分子力学
分子力学的基本假设
The Born-Oppenheimer Approximation - 原子核的运 动与电子的运动可以看成是独立的； 分子是一组靠各种作用力维系在一起的原子集合。这 些原子在空间上若过于靠近，便相互排斥；但又不能 远离，否则连接它们的化学键以及由这些键构成的键 角等会发生变化，即出现键的拉伸或压缩、键角的扭 变等，会引起分子内部应力的增加。每个真实的分子 结构，都是在上述几种作用达到平衡状态的表现。
分子力学
分子的经典力学模型-1946，T.L.Hill
T.L.Hill提出用van derWaals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。 Hill指出：“分子内部的空间作用是众所周知的，（1） 基团或原子之间靠近时则相互排斥；（2）为了减少这 种作用，基团或原子就趋于相互离开，但是这将使键 长伸长或键角发生弯曲，又引起了相应的能量升高。 最后的构型将是这两种力折衷的结果，并且是能量最 低的构型”。
The 2003 Nobel prize for Chemistry
• 2003諾貝爾化學獎頒給了兩位醫生，或 許有些奇怪，然而仔細的去瞭解他們所 做的工作就會發現，其實他們的研究已 經深入到了原子的層次，那不是化學又 會是什麼呢！這其實也告訴了眾多對生 命科學有興趣的年輕人，其實真正精采 的還是在這個化學的層次。
• 分子动力学 • 蒙特卡罗方法 • 分子对接等分子模拟方法中有着广泛的应用.
分子力场
A force field is used to minimize the bond stretching energy of this ethane molecule.
分子力学
• Molecular mechanics refers to the use of Newtonian mechanics to model molecular systems. The potential energy of all systems in molecular mechanics is calculated using force fields. Molecular mechanics can be used to study small molecules as well as large biological systems or material assemblies with many thousands to millions of atoms.
点电荷，部份电荷
分子力学
分子的力场形式-非键能项：静电相互作用
对于原子间的静电作用，作为一级近似，仅考虑
永久偶极（i， j ）间的作用Vdipl：
Vdipl i j / D r (cos X 3 cos ai cos a j )
i j 3 ij
分子力学
分子的力场形式-氢键
分子力学
分子的力场形式-非键能项：van der Waals势
V =Ar-12-Br-6 V′=A′exp（B′/r）-C′r-6
一般地说前者节省机时而后者却能更好地描述原 子间的非键作用。
van der Waals L-J势
分子力学
分子的力场形式-非键能项：静电相互作用
qiqj V ( ) i j 4 0 rij
分子力学
力场的参数化
各类键长、键角的“本征值”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，扭转力常数经常要从分子内旋转位垒来推算。 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。 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
分子力学
分子的空间能
分子力学从几个主要的典型结构参数和作用力 出发来讨论分子结构，即用位能函数来表示当 键长、键角、二面角等结构参数以及非键作用 等偏离“理想”值时分子能量（称为空间能， space energy ）的变化。采用优化的方法，寻 找分子空间能处于极小值状态时分子的构型。
分子力学
分子力学
分子力学，又叫力场方法（ force field method ），目前广泛地用于计算分子的 构象和能量。
分子力学
分子力学的基本思想-1930，D.H.Andrews
在分子内部，化学键都有“自然”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近自然值，同时 也使非键作用（van der Waals力）处于最小的状 态，给出原子核位置的最佳排布。
分子力场
• 分子力场函数为来自实验结果的经验公式， 可以讲对分子能量的模拟比较粗糙，但是相 比于精确的量子力学从头计算方法，分子力 场方法的计算量要小数十倍，而且在适当的 范围内，分子力场方法的计算精度与量子化 学计算相差无几，因此对大分子复杂体系而 言，分子力场方法是一套行之有效的方法。
分子力场
分子的空间能
分子的空间能Es可表示为：
Es=Ec+Eb+Et+Enb+…
其中Ec是键的伸缩能，Eb是键角弯曲能，Et是键
的二面角扭转能，Enb是非键作用能，它包括van
der Waals 作用能，偶极（电荷）作用能、氢键 作用能等等。
分子力学
分子的空间能
位能函数描述了各种形式的相互作用力对分子 位能的影响，它的有关参数、常数和表达式通 常称为力场。 对于某个分子来说，空间能是分子构象的函数。 由于在分子内部的作用力比较复杂，作用类型 也较多；对于不同类型的体系作用力的情况也 有差别。
分子内部基团绕化学键的旋转会改变分子的构象，
同时也改变了分子的能量状态。用二面角(i)来
描述这种运动形式,采用Fourier级数形式表示为：
V
bonds
2 (1cos(n ))
Vn
2
分子力学
分子的力场形式-键能项：扭转能
一般情况下，由于二面角的 扭转对总能量的贡献小于键长 和键角的贡献，一般情况下二 面角的改变要比键长和键角的 变化自由得多。因此在一些处 理大分子的力场中常保持键长、 键角不变，只考虑二面角及其 他的作用而优化整个分子的构 象和能量。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
The 2003 Nobel prize for Chemistry
水分子通過 aquaporin AQP2 。由於通道中心的正電荷， 如H3O+般帶正電荷的離子會被驅逐，這可避免質子的滲漏。
Water channels in cell membranes
water permeation movie for the 2003 Nobel prize in Chemistry
分子力场
• 分子力场:
根据量子力学的波恩-奥本海默近似，一个分 子的能量可以近似看作构成分子的各个原子 的空间坐标的函数，简单地讲就是分子的能 量随分子构型的变化而变化，而描述这种分 子能量和分子结构之间关系的就是分子力场 函数。
分子力学和分子力场
• 很多情况下，对大分子体系的处理可以完全避 免使用量子化学计算。分子力学模拟使用古典 力学模型（例如谐振子）描述化合物的能量。 分子力学模型的所有常数均通过实验数据或第 一原理计算结果得到。参数和函数的优化结果 称为分子力场。 • 进行参数化的化合物库对分子力学方法的计算 成功与否至关重要。针对某类分子优化的力场 只有在应用于同类分子时才可保证得到可信的 结果。
＋
torsions 2
Vn
(1 cos(n ))
2
i j r 12 A
( 4ij[(
r
12
ij
)
(
r
6
ij
)
]
ij
ij
qiqj ) 4 0 rij
(
A' C ' ) f ( ' , " ) rm rp
N ‘
H
―
O C
分子力学
力场的参数化
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。 这些有关力常数，结构参数的“本征值”的置 定过程称为力场的参数化。 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。
分子力场与分子力学 Force field and Molecular Mechanics
原子与分子层次上的物质
Interatomic interactions
2003年諾貝爾化學獎: -細胞膜通道之謎
• 2003年的諾貝爾化學獎，頒給了兩位美國科學 家：約翰霍普金斯大學醫學院的阿格雷（Peter Agre）與洛克斐勒大學霍華休斯醫學研究中心 的麥金農（Roderick MacKinnon）。他們獲獎 的研究都與細胞膜上的通道有關，瑞典皇家科 學院在10月8日發佈的新聞稿中指出，阿格雷 是因為「發現水通道」與麥金農「在離子通道 的結構與機制上的研究」，而共享2003的諾貝 爾化學獎。
分子力学
分子的空间能
分子力学
分子的力场形式-键能项：键长伸缩能
Morse曲线： V = De {1-exp[-a(r-r0)]}2 谐振势函数：V = (k/2)(r- r0)2
分子力学
分子的力场形式-键能项：键长伸缩能
含非谐项的函数： V = (k/2)( r-r0)2[1-k1(r-r0)-k2(r-r0)2-k3(r-r0)3]