多尺度模拟方法在生命科学和材料科学中的若干应用解读

多尺度模拟方法在生命科学和材料科学中的若干应

用

多尺度模拟是指利用不同模拟方法从多个尺度进行研究。本文应用量子化学计算、分子力场和分子动力学方法在电子和原子尺度进行模拟,研究血红素与配体的电子结构以及成键机理、溶剂化自由能和含能材料的反应机理。血红素是一种生物辅酶,在生命过程中发挥着重要的作用。考察小分子与血红素的成键机理对于深入研究血红素的功能有着重要的意义。油水分配系数和无限稀释活度系数是重要的热力学数据,广泛应用于制药、化工分离等领域。它们都是和溶剂化自由能直接相关的热力学性质。自由能是最重要的热力学量之一,直接决定了特定过程是否可以发生以及进行的程度。准确计算自由能一直是计算化学的一个重要研究领域。FOX-7同时具有优越的爆轰性能和钝感特性,被认为是最有希望替代现有含能材料RDX的新型高能钝感材料之一。反应机理与含能材料的生产、运输、贮藏以及使用直接相关,一直是人们重点研究的领域之一。本文研究结果和结论如下:1.应用密度泛函方法研究CO、NO和O2分子与血红素的成键机理并深入考察电子组态对配合物性质的影响。研究结果显示成键机理为σdonation和πback-donation。其中,σdonation在CO与血红素形成的配位键中起着比较重要的作用,而在NO和O2与血红素形成的配位键中作用不显著。咪唑配体通过配位氮原子上的孤对电子与血红素上的铁原子形成σdonation作用,减弱CO与血红素的配合能力,增强NO和O2与血红素的配合能力。咪唑配合后,开壳层单重态电子结构氧分子电子增加量明显多于闭壳层单重态下的结果,表明开壳层电子结构有利于电子的πback-donation作用。在开壳层计算

中,Fe-O2振动频率在咪唑配合后有明显的增加(63cm-1)。而在闭壳层计算中,振动频率则有一定的下降(22cm-1)。研究表明电子组态对配合物的性质有着明显的影响。2.应用基于分子力场的分子动力学方法和热力学积分方法进行高精度自由能计算预测油水分配系数和无限稀释活度系数。应用优化的自由能计算条件和分子力场参数,自由能计算结果精度为0.5kJ/mol,达到目前国际先进水平。基于分子力场方法不依赖实验数据的预测结果与实验值相比误差小于

2.7kJ/mol,与依赖实验数据的定量构效关系(Quantitative Structure Property Relationship, QSPR)方法具有相同水平的准确性。并明确指出通过提高分子力场质量,特别是不同分子间相互作用的准确性,可以进一步提高分子力场方法预测自由能的准确性。本工作在第五届国际工业流体模拟挑战赛上获得分子模拟组最好成绩。

3.应用基于第一原理的Car-Parrinello分子动力学模拟第一次通过理论模拟考察了FOX-7分子在凝聚相和不同温度下的反应机理。研究结果表明FOX-7分子的初始反应机理为C-NO2化学键断裂和氢原子转移。氢原子转移反应机理可以分为分子内氢转移和分子间氢转移。此外,硝基上的氧原子和氨基上的氮原子都可以作为氢的受体。温度对于FOX-7分子的初始反应机理有着显著的影响。这是因为氢转移的反应焓变增加和反应熵变增加都比C-NO2键断裂小。在低温下,焓变在自由能变化中起主要作用,氢转移反应是主要的初始反应机理;在高温下,熵变在自由能变化中更加重要,C-NO2键断裂是主要的初始反应机理。在反应过程中观察到了FOX-7分子形成的多聚体,说明多分子反应机理的存在。反应稳定产物主要为H2O, N2和CO2。得到了FOX-7分子在反应过程中形成的690种不同的分子片段。为ReaxFF力场参数的开发和验证提

供了有效的模型分子。此外,模拟硝基甲烷分子反应过程的结果显示在高温高压下会形成尿素等聚合体,当体系体积增大后,聚合体分解生成水等小分子。研究

结果对于深入研究含能材料的反应机理以及设计性能更为优异的含能材料有着

指导意义。

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