分子力场
有机小分子力场
有机小分子力场一、有机小分子力场是什么呢?嘿呀,有机小分子力场这个东西呢,就像是有机小分子世界里的一套特殊规则啦。
你可以把它想象成是一个超级精确的小宇宙法则,专门用来描述有机小分子的各种行为哦。
比如说,分子之间怎么相互吸引啦,怎么相互排斥啦,就像小伙伴们之间有时候玩得很开心靠在一起,有时候又会因为小矛盾离得远远的那种感觉。
它在化学研究里可是超级重要的呢。
就好比是我们要在一个新的游戏世界里玩游戏,这个力场就是游戏规则手册,要是没有这个手册,我们可就不知道怎么玩这个化学游戏啦。
二、有机小分子力场的组成部分那这个有机小分子力场都有啥组成部分呢?这里面有好多有趣的东西呢。
首先就是关于原子类型的定义啦,不同的原子就像不同性格的小伙伴,有着自己独特的属性。
比如说碳啊、氢啊这些原子,它们在力场里都有特定的参数来描述自己的行为。
然后呢,还有键的参数,就像是小伙伴们之间手拉手的力量一样,键的长度、强度这些都是力场要考虑的。
还有呢,非键相互作用的参数也很关键,这就像是小伙伴们之间没有拉手,但是靠得近的时候那种隐隐约约的影响力。
这些组成部分就共同构成了有机小分子力场这个超级有趣的东西。
三、有机小分子力场的应用这个有机小分子力场的应用可广泛啦。
在药物研发方面,它就像是一个小助手。
我们可以用它来模拟药物分子和身体里的一些生物分子之间的相互作用,看看这个药到底能不能起到作用,会不会有副作用。
在材料科学领域呢,它可以帮助我们理解有机小分子在材料中的行为,就像知道一个个小士兵在材料这个大阵营里是怎么排列、怎么工作的。
比如说在研究一些新型的有机高分子材料的时候,有机小分子力场就可以给我们提供很多有用的信息,告诉我们这些小分子在聚合过程中会发生什么变化之类的。
四、有机小分子力场的发展历程哎呀,有机小分子力场也不是一开始就像现在这么完善的呢。
刚开始的时候,科学家们只是有了一个初步的想法,就像我们刚开始搭积木的时候,只有一个大概的形状在脑海里。
分子模拟基础知识点总结
分子模拟基础知识点总结1. 分子力场分子力场是分子模拟的基础,它描述了分子内部原子之间的相互作用力。
分子力场通常包括键的形成和断裂、原子间的相互作用力(如范德瓦尔斯力和静电相互作用力)等。
分子力场模型是根据实验数据和理论计算结果来拟合的,常见的分子力场模型包括AMBER、CHARMM、OPLS等。
分子力场模型的好坏直接影响了分子模拟的结果,因此选择合适的分子力场模型是非常重要的。
2. 分子动力学分子动力学是一种模拟分子在封闭系统中随时间演化的方法。
分子动力学通过求解牛顿运动方程,推导出分子在力场作用下的位移、速度和加速度,从而获得分子的运动轨迹和动力学性质。
分子动力学模拟的关键是要确定分子的初态,即分子的初始位置和速度分布,通过数值积分的方法,可以计算出分子在任意时刻的位置和速度。
分子动力学在研究分子或材料的结构、动力学行为和热力学性质方面有广泛的应用。
3. 蒙特卡洛模拟蒙特卡洛模拟是一种以随机抽样的方法对系统进行模拟的方法。
在蒙特卡洛模拟中,系统中的每一个粒子都有一定的概率发生随机运动,从而使得系统的状态随时间发生变化。
蒙特卡洛模拟通常用于模拟体系的平衡态性质,如热力学性质和相平衡等。
蒙特卡洛模拟的关键是要设计合适的随机抽样方法,并通过大量的模拟样本来获得系统的统计性质。
4. 分子模拟在材料科学中的应用在材料科学中,分子模拟被广泛应用于研究材料的结构、力学性质、热电性质、传输性质等。
通过分子模拟,可以预测材料的力学性质(如弹性模量、屈服强度等)、热电性质(如热导率、热膨胀系数等)、传输性质(如扩散系数、电导率等)等。
分子模拟还可以帮助设计新型的材料,并优化材料的性能。
5. 分子模拟在生物科学中的应用在生物科学中,分子模拟被广泛应用于研究生物分子的结构、功能和相互作用。
通过分子模拟,可以预测蛋白质的结构、预测蛋白质-配体和蛋白质-蛋白质的相互作用方式,从而为药物设计和药物筛选提供理论依据。
分子模拟还可以研究细胞膜的结构和功能,预测药物分子的跨膜转运方式等。
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。
化学计算算法
化学计算算法化学计算算法指的是在化学领域中使用的数学和计算机算法,用于解决各种化学问题和进行化学计算。
这些算法可以帮助化学家们快速准确地预测分子结构、计算反应动力学参数、优化分子构型等。
本文将介绍几种常用的化学计算算法及其应用。
一、分子力场算法分子力场算法是化学计算中常用的一种算法,用于计算分子的几何结构和能量。
该算法通过将原子看做质点,并通过分析原子间的作用力来获得分子结构和稳定能量。
常见的分子力场算法包括分子力场(MM)和分子力场优化(MMO)。
分子力场算法在药物研发、催化剂设计等领域有着广泛的应用。
它可以帮助研究人员预测药物分子的稳定性、药效以及与生物分子的相互作用等。
同时,分子力场算法也可以在反应动力学模拟中提供重要的参数,以便了解反应机理和反应速率。
二、量子力学算法量子力学算法是一种基于量子力学原理的化学计算算法,用于研究分子的电子结构和性质。
量子力学算法能够提供更准确的结果,但计算成本较高。
常用的量子力学算法包括密度泛函理论(DFT)和哈特里-福克方法(HF)等。
量子力学算法广泛应用于分子能级计算、分子轨道计算、电子密度计算等方面。
它可以帮助化学家们更好地理解分子的基态和激发态性质,预测反应中能量变化、电子结构的变化等。
三、分子动力学算法分子动力学算法是一种模拟分子运动和相互作用的算法。
该算法基于牛顿定律和统计力学原理,可以模拟分子的构型变化、动力学行为以及温度、压力等参数的变化。
分子动力学算法在化学反应模拟、材料结构优化、生物分子模拟等方面有广泛应用。
它可以帮助研究人员了解分子在不同环境下的行为,预测反应的速率和机理等。
四、机器学习算法在化学中的应用机器学习算法在化学中的应用日益广泛。
通过从大量实验数据中学习并构建模型,机器学习算法可以实现快速准确地预测分子性质、反应行为等。
常见的机器学习算法包括神经网络、支持向量机、随机森林等。
机器学习算法在药物设计、材料研究、化学反应优化等方面发挥着重要的作用。
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。
分子力学公式总结
分子力学公式总结1. 引言分子力学是研究分子和固体的宏观力学性质的一种方法。
在分子力学中,我们可以使用一系列公式来描述分子系统的结构、能量和运动等特性。
本文将总结一些常用的分子力学公式,以帮助读者更好地理解和应用分子力学。
2. 基本概念在开始介绍公式之前,我们先来回顾一些基本概念。
•原子:构成分子和固体的最小单位,具有质量和电荷等特性。
•键:连接原子的强共价相互作用。
•键长:描述连接两个原子的键的长度。
•键能:描述键中的弹簧势能,与键的长度相关。
•势能曲线:描述分子系统势能与原子间距离的关系。
3. 势能计算3.1 动能分子系统的总能量可以分为动能和势能两部分。
动能可以根据分子的质量和速度计算得出。
动能公式如下:KE = 1/2 * m * v^2其中,KE表示动能,m表示质量,v表示速度。
3.2 势能势能是描述原子之间相互作用的能量。
分子力学中常用的势能函数有Lennard-Jones势能函数和Morse势能函数等。
3.2.1 Lennard-Jones势能函数Lennard-Jones势能函数是一种常用的描述非键相互作用的势能函数。
其公式如下:V_LJ = 4 * ε *((σ/r)^12 - (σ/r)^6)其中,V_LJ表示Lennard-Jones势能,ε表示势能参数,σ表示长度参数,r表示原子间距离。
3.2.2 Morse势能函数Morse势能函数用于描述键的势能。
其公式如下:V_M = D * (1 - exp(-a(r - r_e)))^2其中,V_M表示Morse势能,D表示键能参数,a表示势能参数,r表示原子间距离,r_e表示平衡键长。
3.3 分子力场分子力场是一组用于描述分子系统势能函数的参数。
常用的分子力场包括UFF (Universal Force Field)和Amber力场等。
4. 结构优化结构优化是分子力学中常用的方法之一,用于找到分子系统的能量最小结构。
4.1 力的计算结构优化过程中,需要计算分子系统中每个原子所受的力。
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。
分子力场的势函数形式
DREIDING, UFF以及TRIPOS等力场
ε
分子力学----分子力场的势函数形式
静电相互作用
静电相互作用 Electrostatic Contributions
点电荷法:通过经验规则或者量化计算确定每个原子上的 部分电荷(partial charge),两个原子之间的静电作用用 库仑公式来计算。 qq
分子力学----分子力场的势函数形式
二面角扭转能
二面角扭转能 Torsion Rotation
Vn ET [1 cos(n )] n 0 2
• Vn 为势垒高度(barrier height),定量描述了二面角旋转的难易程度; • N 为多重度(multiplicity),指键从0°到360°旋转过程中能量极小点的个数; • 为相因子(phase factor),指单键旋转通过能量极小值时二面角的数值。 • ω为扭转角度(torsion angle)
乙烷分子hcch二面角传统力场kollmangroup1984最初仅为蛋白质和核酸体系提供相应的原子类型和力场参数1990发展了适用于多糖模拟的力场参数homan1990harvardmacromolecularmechanicskarplusgroup1983适用于各种分子性质的计算和模拟对于从孤立的小分子到溶剂化的大生物体系的多种模拟体系都可以给出较好的结果但不适合于有机金属配合物cvff力场consistentvalenceforcefielddauberosguthorpegroup1988适用范围包括有机小分子和蛋白质体系口扩展后可用于某些无机体系的模拟如硅酸盐铝硅酸盐磷铝化合物主要用于预测分子的结构和结合自由能allingergroup1989包括mm2和mm3主要针对有机小分子函数形式比较复杂包含交叉项口也可用于生物大分子体系但是速度会比较慢eq第二代力场质之间的相互作用cff95除了适用于蛋白质和有机小分子体系还可用于有机高分子体系的模拟如聚碳酸酯及多糖pcff在cff91的基础上还适用于聚碳酸酯三聚氤胺甲醛树脂多糖核酸分子筛等其他无机和有机材料体系的模拟
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
分子力场简介
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。
第5页,幻灯片共66页
Water channels in cell membranes
第30页,幻灯片共66页
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。
第31页,幻灯片共66页
van der Waals L-J势
第32页,幻灯片共66页
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:
Vb onV 2dn (s1cons ( )2)
第29页,幻灯片共66页
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。
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
第26页,幻灯片共66页
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]
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——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。
分子模拟第二章
不同的力场可以有相同的函数形式,但不同的参数。 不同力场的参数(即使是描述相同对象)不能混用。 力场的参数具有力场内部的可移植性
注意: 力场都是经验的(对比从头计算 Nhomakorabea,即没有正确与错误,只能说 某个力场更适用于某些体系。
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分子力学基本特点
原子类型(Atom Type)是分子力学中一个很 重要的概念,计算的基础。 原子类型包括元素类型,原子杂化态,原子环 境。 以碳原子为例,CH4中的碳与C2H4的碳是不同的, 一个是SP3杂化,一个是SP2杂化。
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分子力学的势函数形式
以AMBER力场函数为例说明。
12 6 q q Vn k k ij ij 2 2 i j E (l l0 ) ( 0 ) [1 cos(n )] 4 ij r r 4 r ij ij bonds 2 angles 2 torsions 2 i j 0 ij
第二章 分子模拟中的常用概念
1
坐标体系(Coordinate systems)
笛卡尔坐标(Cartesian coordinates)
即用原子的xyz值来表征分子构型。
如:甲烷分子的笛卡尔坐标表示法
C1 H2 H3 H4 H5 -2.8116 -2.4550 -2.4549 -2.4549 -4.7083 3.2611 2.2523 3.7655 3.7655 2.7550 0.0000 0.0000 0.8737 -0.8737 0.8727
•
为相因子(phase factor),
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指单键旋转通过能量极小值时二面角的数值。
分子力学的势函数形式
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。
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。
分子力场PPT课件
然后,将表达式中的能量使用不同的经验 公式代替,这些经验公式就是力场。
针对材料分子的力场主要有DREIDING, MM2,UFF,COMPASS力场等,
针对蛋白质和生物大分子的力场主要有 AMBER,VFF,CHARMM,GROMOSD力场等。
以DREIDING力场为例: 1). 内坐标:描述分子结构的内坐标有4种: A 键伸缩内坐标; B 键角弯曲内坐标; C 面外弯曲内坐标; D 二面角内坐标;
研究人员首先设计了人免疫缺陷病 毒(HIV-1)蛋白酶的模型。
通过分子力学和分子动力学模拟,
确定了该酶的抑制剂所需要的最短长度, 并确定了该遗址及中心带羟基的碳原子 倾向于R构型。
在此基础上,设计成功了抗艾滋病 药物Saquinavir(HIV蛋白水解酶), 该化合物具有很强的HIV-1蛋白酶抑制 作用,1995年在美国上市。
(a) 100K (b) 200K
(c) 300K (d) 400K
编辑版ppt
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f=kΔX
这样的简单函数,也能令力场运转良好。
另外,分子力场的可移植性也是分子力 学模拟的一个关键属性。
2. 分子动力学方法(Molecular Dynamics)
分子动力学方法,也称为分子动态法。
由于分子力场所描述的是静态性质的势能, 而真实分子的构象除受势能的影响外,还受到 外部因素如温度、压力等条件的影响。
直接药物设计可分为:
a)全新药物设计 b) 数据库搜索(或分子对接)
a).全新药物设计:
这类方法是根据靶标分子与药物分子 相结合的活性部位的几何形状和化学特征, 设计出与其相匹配的具有新颖结构的药物 分子。
b).数据库搜索(分子对接):
这类方法首先要从大量化合物(几十个至 100万个化合物)的三维结构数据库中,找到合 适的分子。
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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。
也就是说不同的力场,他们的函数形式可能不一样,或者函数形式一样而力场参数不一样。
其中,最关键的差别取决于分子力学模型,比如有的力场考虑氢键,有氢键函数;有的考虑极化,有极化函数。
其次,分子力场参数都是拟合特定分子的数据而生成的,比如,面向生物模拟的力场选择生物领域的分子模拟得到参数,而材料的,则侧重选择材料方面的分子。
这些被拟合的分子成为训练基(training set)。
分子力场的局限
由于力场参数是拟合训练基分子得到的,那么这些参数用于计算其它分子准确吗?这叫分子力场的迁移性问题。
迁移性问题还包括状态迁移性问题,就是说所拟合的实验数据是常温常压下测量的,然后你模拟的可能是高温高压下的,那么分子力学的准确性也会降低。
这些都属于分子力场的局限性。
常用势函数的组成
分子力场有时被称为势函数。
以下是一般分子力场势函数包括的几个部分:
描述分子内成键作用的项
键伸缩能: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
键角弯曲能:键角变化引起的分子能量变化
二面角扭曲能:单键旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量变化
交叉能量项:上述作用之间耦合引起的能量变化
描述分子间作用的项
非键相互作用:包括范德华力、静电相互作用等与能量有关的非键相互作用
常用力场函数和分类
不同的分子力场会选取不同的函数形式来描述上述能量与体系构型之间的关系。
到目前,不同的科研团队设计了很多适用于不同体系的力场函数,根据他们选择的函数和力场参数,可以分为以下几类
传统力场
o AMBER力场:由Kollman课题组开发的力场,是目前使用比较广泛的一种力场,适合处理生物大分子。
o CHARMM力场:由Karplus课题组开发,对小分子体系到溶剂化的大分子体系都有很好的拟合。
o CVFF力场:CVFF力场是一个可以用于无机体系计算的力场
o MMX力场:MMX力场包括MM2和MM3,是目前应用最为广泛的一种力场,主要针对有机小分子
∙第二代力场
第二代的势能函数形式比传统力场要更加复杂,涉及的力场参数更多,计算量也更大,当然也相应地更加准确。
o CFF力场CFF力场是一个力场家族,包括了CFF91、PCFF、CFF95等很多力场,可以进行从有机小分子、生物大分子到分子筛等诸多体系的计算o COMPASS力场由MSI公司开发的力场,擅长进行高分子体系的计算
o MMF94力场Hagler开发的力场,是目前最准确的力场之一
∙通用力场
通用力场也叫基于规则的力场,它所应用的力场参数是基于原子性质计算所得,用户可以通过自主设定一系列分子作为训练集来生成合用的力场参数
o ESFF力场MSI公司开发的力场,可以进行有机、无机分子的计算
o UFF力场可以计算周期表上所有元素的参数
o Dreiding力场适用于有机小分子、大分子、主族元素的计算。