分子模拟PPT—第一章 概论

设计实验
实验数据
唯象理论
检验
“预测”
⑵ 演绎法 ( R. Decartes, 1596-1650 )
模型 公理假设 形式理论 二次形式化 近似、计算 和模拟 预测 实验 检验
•
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
Arrhenius 化学动力学
MEM
Nishibori, E. et al. Angew.Chem., Int. Ed. 2001, 40, 2998.
Raman
Junfeng Zhang, Ce Hao*, Shenmin Li, Weihong Mi, and Peng Jin，J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 7862-7867
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
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。
计算化学的主要内容
化学 CAI
计算化学是化学与多个学科的交叉
计算机 科学 数 学 材料 科学 化 学
计算 化学
环境 科学
物理学 生命 科学
模拟尺度
mesoscale Monte Carlo continuum
10-6 S
molecular dynamics quantum chemistry
F = MA Hy Ey exp(-DE/kT)
0.68 (10,10)
1.02 (15,15) 1.36 (20,20) 1.70 (25,25) 2.04 (30,30)
3.42
3.53 3.54 3.55 3.55
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0.5 g/cm3
纳米反应器
自然界生命体系中的化学变化 绝佳的反应环境
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。
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”
Oz
Oz
O1
Me2N H
H3 H4 Hz N Si Oz Al H2 O3 H1 O2 O1 O5 O5 H3
Me3N
N H5 Al Oz H2 H1 O2 O1 O3 H4 O4 Hz Si
O4

吸附过程中发生了酸性质子从沸石到胺分子的转移 质子化的胺离子与沸石之间存在着多重氢键作用
J. Mol. Catal., 2004, 220: 221-228.
分子模拟
主讲：李慎敏
前辈的忠告-摘自陈wenku.baidu.com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。
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
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
Schrö dinger方程：
ˆ i H t
N i 1
ˆ Hamilton算符： H
2 2 U ( r , r , , r ; t ) 2 i 1 2 N i
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 实验值 36117.4cm-1 36113.40.3cm-1
• “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”
•
化学科学的体系和结构发生深刻变化
对象： 方法学： 宏观现象 微观本质 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
• “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”
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。
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%
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
⑴ 归纳法 ( F. Bacon, 1561-1626 ) 数据拟合
反应速率常数：
k Ae
Ea
RT
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von Neumann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
前沿发展 — QM/MM法
Combined ab initio & Molecular Mechanics
• 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（active site）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
I2 在 光 滑 球 模 型
不 Ar 同溶 半剂 径中 光的 滑振 球动 内弛 豫 时 间
Radius / nm 1.2 1.5 1.8 2.2 Shift / cm-1 1.20 1.79 1.76 1.75
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
单 壁 碳 纳 米 管 模 型
Radius / nm Shift / cm-1
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
DNA-四方结构的 分子动力学模拟研究
In Na+ solution
In K+ crystal
In K+ solution
bead-on-a-string
抗癌新药开发
Autodock
Drug ligand
G-quadruplex
改进实验手段后测得
36117.31.0cm-1
化学数据库 化学人工智能
计 算 机 化 学
分子结构建模 与图象显示
计算机 分子模拟 分子力学 ( MM ) 分子动力学 (MD & MC)
量子化学计算
数据采集、统计 分析及其它应用
体 系 数 据 和 性 质 的 综 合 分 析
分子 (材料) CAD
合成路线 CAD
domain
10-8 S
10-12 S
10-10 M
10-8 M
10-6 M
10-4 M
Length Scale
1.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。
生化酶 ------ 细胞 nm μm
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
反应物 产物
稳定性，选择性
Amines adsorption in HMOR
NH3
N Hz Si H2 H1 O2 Al O1 Si N Hz
MeNH2
H3 O4 H2 O5 H1 O2 Al O3
R
+
R
R
R R
product shape selectivity
几何结构、输运性质、反应性 等
C60 (buckyball)
Reverse Micelles
Silicate
Zeolites
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
La2@C80 (Ih)
Akasaka, T. et al. Angew. Chem., Int. Ed.Engl. 1997, 36, 1643.
Shimotani, H. et al.J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 364-369.
La atom, from D2h to D2h ?
G : an imaginary frequency (29.64i cm-1), 1.056 kcal mol-1 higher than that of the D2h
分子对接-分子力学
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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
纳米材料

纳米材料
几何效应、量子尺寸效应、 表面效应
Quantum Wire
Carbon Nanotube

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
在10-13 m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
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
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
纳米反应器的理论设计及模拟
催化剂反应性能 催化剂制备与改性
实验测定 分子模拟
大量文献工作
吸附扩散反应性
实验关联 分子模拟 量化计算
孔结构与表面性质
ZSM-5分子筛中的烷基化/歧化反应
R R
RX +
R
RX + R R
R
+
HX
transition state shape selectivity
R
2 R R
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
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