分子力場簡介

1、關(guān)于分子力場簡介第一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Interatomic interactions原子與分子層次上的物質(zhì)第二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2003年諾貝爾化學(xué)獎:-細胞膜通道之謎2003年的諾貝爾化學(xué)獎，頒給了兩位美國科學(xué)家：約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的阿格雷（Peter Agre）與洛克斐勒大學(xué)霍華休斯醫(yī)學(xué)研究中心的麥金農(nóng)（Roderick MacKinnon）。他們獲獎的研究都與細胞膜上的通道有關(guān)，瑞典皇家科學(xué)院在10月8日發(fā)佈的新聞稿中指出，阿格雷是因為發(fā)現(xiàn)水通道與麥金農(nóng)在離子通道的結(jié)構(gòu)與機制上的研究，而共享2003的諾貝爾化學(xué)獎。第三張，PPT共六十

2、六頁，創(chuàng)作于2022年6月The 2003 Nobel prize for Chemistry2003諾貝爾化學(xué)獎頒給了兩位醫(yī)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(fā)現(xiàn)，其實他們的研究已經(jīng)深入到了原子的層次，那不是化學(xué)又會是什麼呢！這其實也告訴了眾多對生命科學(xué)有興趣的年輕人，其實真正精采的還是在這個化學(xué)的層次。 第四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月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(qū)逐，這可避免質(zhì)子的滲漏。 第五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2

3、022年6月Water channels in cell membraneswater permeation movie for the 2003 Nobel prize in Chemistry第六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力場分子力場: 根據(jù)量子力學(xué)的波恩-奧本海默近似，一個分子的能量可以近似看作構(gòu)成分子的各個原子的空間坐標的函數(shù)，簡單地講就是分子的能量隨分子構(gòu)型的變化而變化，而描述這種分子能量和分子結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的就是分子力場函數(shù)。第七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)和分子力場 很多情況下，對大分子體系的處理可以完全避免使用量子化學(xué)計算。分子力學(xué)模擬使

4、用古典力學(xué)模型（例如諧振子）描述化合物的能量。分子力學(xué)模型的所有常數(shù)均通過實驗數(shù)據(jù)或第一原理計算結(jié)果得到。參數(shù)和函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果稱為分子力場。進行參數(shù)化的化合物庫對分子力學(xué)方法的計算成功與否至關(guān)重要。針對某類分子優(yōu)化的力場只有在應(yīng)用于同類分子時才可保證得到可信的結(jié)果。第八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力場 定義:A classical forcefield consists of: 1. analytical functional forms describing the interactions 2. parameters in these functional forms T

5、he forcefield is fit to experimental data from a small set of molecules, with the goal that the forcefield will accurately interpolate and extrapolate to other systems. The classical forcefields are fit to reproduce observables such as structures and relative energies, so the significant quantum mec

6、hanical effects (i.e. covalent bonds) are included empirically 第九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力場Force field (also called a forcefield) refers to the functional form and parameter sets used to describe the potential energy of a system of particles (typically but not necessarily atoms). 第十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022

7、年6月分子力場分子力場函數(shù)為來自實驗結(jié)果的經(jīng)驗公式，可以講對分子能量的模擬比較粗糙，但是相比于精確的量子力學(xué)從頭計算方法，分子力場方法的計算量要小數(shù)十倍，而且在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，分子力場方法的計算精度與量子化學(xué)計算相差無幾，因此對大分子復(fù)雜體系而言，分子力場方法是一套行之有效的方法。第十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力場分子動力學(xué)蒙特卡羅方法分子對接等分子模擬方法中有著廣泛的應(yīng)用.第十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力場A force field is used to minimize the bond stretching energy of this etha

8、ne molecule.第十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)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 biol

9、ogical systems or material assemblies with many thousands to millions of atoms.第十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子力學(xué)，又叫力場方法（force field method），目前廣泛地用于計算分子的構(gòu)象和能量。第十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子力學(xué)的基本思想-1930，D.H.Andrews 在分子內(nèi)部，化學(xué)鍵都有“自然”的鍵長值和鍵角值。分子要調(diào)整它的幾何形狀（構(gòu)象），以使其鍵長值和鍵角值盡可能接近自然值，同時也使非

10、鍵作用（van der Waals力）處于最小的狀態(tài)，給出原子核位置的最佳排布。第十七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的經(jīng)典力學(xué)模型-1946，T.L.Hill T.L.Hill提出用van derWaals作用能和鍵長、鍵角的變形能來計算分子的能量，以優(yōu)化分子的空間構(gòu)型。Hill指出：“分子內(nèi)部的空間作用是眾所周知的，（1）基團或原子之間靠近時則相互排斥；（2）為了減少這種作用，基團或原子就趨于相互離開，但是這將使鍵長伸長或鍵角發(fā)生彎曲，又引起了相應(yīng)的能量升高。最后的構(gòu)型將是這兩種力折衷的結(jié)果，并且是能量最低的構(gòu)型”。 第十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分

11、子力學(xué)分子力學(xué)的發(fā)展 雖然分子力學(xué)的思想和方法在40年代就建立起來了，但是直到50年代以后，隨著電子計算機的發(fā)展，用分子力學(xué)來確定和理解分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究才越來越多。直到這時，才可以說分子力學(xué)已成為結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的重要方法之一。 第十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子力學(xué)的發(fā)展 近幾年來，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，分子力學(xué)方法已不僅能處理一般的中小分子，也不僅主要應(yīng)用于有機化學(xué)領(lǐng)域，而且能處理大分子體系。在其他的一些領(lǐng)域，如生物化學(xué)、藥物設(shè)計、配位化學(xué)中，都有了廣泛的應(yīng)用。 第二十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子力學(xué)的基本假

12、設(shè)The Born-Oppenheimer Approximation - 原子核的運動與電子的運動可以看成是獨立的；分子是一組靠各種作用力維系在一起的原子集合。這些原子在空間上若過于靠近，便相互排斥；但又不能遠離，否則連接它們的化學(xué)鍵以及由這些鍵構(gòu)成的鍵角等會發(fā)生變化，即出現(xiàn)鍵的拉伸或壓縮、鍵角的扭變等，會引起分子內(nèi)部應(yīng)力的增加。每個真實的分子結(jié)構(gòu)，都是在上述幾種作用達到平衡狀態(tài)的表現(xiàn)。 第二十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的空間能分子力學(xué)從幾個主要的典型結(jié)構(gòu)參數(shù)和作用力出發(fā)來討論分子結(jié)構(gòu)，即用位能函數(shù)來表示當鍵長、鍵角、二面角等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及非鍵作用等偏離“理想”值

13、時分子能量（稱為空間能，space energy）的變化。采用優(yōu)化的方法，尋找分子空間能處于極小值狀態(tài)時分子的構(gòu)型。 第二十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的空間能分子的空間能Es可表示為： Es=Ec+Eb+Et+Enb+ 其中Ec是鍵的伸縮能，Eb是鍵角彎曲能，Et是鍵的二面角扭轉(zhuǎn)能，Enb是非鍵作用能，它包括van der Waals作用能，偶極（電荷）作用能、氫鍵作用能等等。 第二十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的空間能位能函數(shù)描述了各種形式的相互作用力對分子位能的影響，它的有關(guān)參數(shù)、常數(shù)和表達式通常稱為力場。對于某個分子來說，空間能是

14、分子構(gòu)象的函數(shù)。由于在分子內(nèi)部的作用力比較復(fù)雜，作用類型也較多；對于不同類型的體系作用力的情況也有差別。第二十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的空間能第二十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的力場形式-鍵能項：鍵長伸縮能 Morse曲線： V = De 1-exp-a(r-r0)2諧振勢函數(shù)：V = (k/2)(r- r0)2第二十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的力場形式-鍵能項：鍵長伸縮能 含非諧項的函數(shù)： V = (k/2)( r-r0)21-k1(r-r0)-k2(r-r0)2-k3(r-r0)3第二十七張，PPT共

15、六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的力場形式-鍵能項：鍵角彎曲能 V = (k/2)(- 0)2V = (k/2)( -0)21-k1(-0)-k2(-0)2-k3(-0)3鍵長及鍵角交叉項：Vb/ = (1/2)kr(r-r0)(- 0)第二十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的力場形式-鍵能項：扭轉(zhuǎn)能 分子內(nèi)部基團繞化學(xué)鍵的旋轉(zhuǎn)會改變分子的構(gòu)象，同時也改變了分子的能量狀態(tài)。用二面角(i)來描述這種運動形式,采用Fourier級數(shù)形式表示為：第二十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的力場形式-鍵能項：扭轉(zhuǎn)能 一般情況下，由于二面角的扭轉(zhuǎn)對總

16、能量的貢獻小于鍵長和鍵角的貢獻，一般情況下二面角的改變要比鍵長和鍵角的變化自由得多。因此在一些處理大分子的力場中常保持鍵長、鍵角不變，只考慮二面角及其他的作用而優(yōu)化整個分子的構(gòu)象和能量。 第三十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的力場形式-非鍵能項：van der Waals勢 V =Ar-12-Br-6 V=Aexp（B/r）-Cr-6 一般地說前者節(jié)省機時而后者卻能更好地描述原子間的非鍵作用。 第三十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月van der Waals L-J勢第三十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的力場形式-非鍵能項：靜電相互

17、作用點電荷，部份電荷第三十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的力場形式-非鍵能項：靜電相互作用對于原子間的靜電作用，作為一級近似，僅考慮永久偶極（i， j ）間的作用Vdipl： 第三十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的力場形式-氫鍵V(r) = A/r12 - C/r10實例：YETI力場VHB = (A/r12 - C/r10)cos2cos4r第三十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Improper torsion第三十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子的力場形式-氫鍵: Charmm力場“第三十七張，PPT共

18、六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)力場的參數(shù)化分子力學(xué)力場的性能即它的計算結(jié)果的準確性和可靠性主要取決于勢能函數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。這些有關(guān)力常數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)的“本征值”的置定過程稱為力場的參數(shù)化。參數(shù)化的過程要在大量的熱力學(xué)、光譜學(xué)實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行，有時也需要由量子化學(xué)計算的結(jié)果提供數(shù)據(jù)。 第三十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)力場的參數(shù)化各類鍵長、鍵角的“本征值”一般取自晶體學(xué)、電子衍射或其他的譜學(xué)數(shù)據(jù)，鍵伸縮和角變力常數(shù)主要由振動光譜數(shù)據(jù)確定，扭轉(zhuǎn)力常數(shù)經(jīng)常要從分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘來推算。對于不同的力場不僅力場參數(shù)不同，函數(shù)形式也可能不同。因此，在將一個力場中的參數(shù)應(yīng)用于另一

19、個力場時應(yīng)十分小心。一個好的力場不僅能重現(xiàn)已被研究過的實驗觀察結(jié)果，而且能有一定的廣泛性，能用于解決未被實驗測定過的分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。 第三十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)力場的參數(shù)化-常見的力場及程序 QCFF/PI A Warshel & M levittMMI/MMPI NL AllingerMM2/MMP2 NL AllingerMM3NL AllingerECEPPHA ScheragaAMBERP KollmanCHARMMM KarplusGROMOSvan GunsterenSYBYLTripos Inc.DISCOVER MSI Inc.第四十張，PPT

20、共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)力場所存在的問題兩個相互作用原子間的誘導(dǎo)偶極的作用會受到其它原子的影響；非鍵作用勢中假定原子為球形，實際上非鍵作用受原子形狀影響，還需考慮孤對電子；諧振勢函數(shù)不能精確擬合實驗數(shù)據(jù)對于靜電作用的處理過于簡化。第四十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)力場的發(fā)展趨勢考慮原子極化率取用高次項發(fā)展含金屬的力場第四十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)力場舉例：Bond Stretching:Eb = k2b(b-b0)2 + k3b(b-b0)3 + k4b(b-b0)4Angle Bending:E = k2( - 0)2 +

21、k3(- 0)3 + k4(- 0)4Torsion:E = k1(1-cos ) + k2(1-cos2 ) + k3(1-cos3 )Non-bond:En = qiqj/r + 2(r*/r)9 - 3(r*/r)6第四十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)力場舉例： Bond/Bond Coupling: Ebb = kbb(b-b0)(b-b0)Bond/Angle Coupling: Eb = kb(b-b0)(- 0)Angle/Angle Coupling: E = k(- 0)(- 0)第四十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)力場舉例：Ang

22、le/Angle/Torsion coupling:E = k (- 0)(- 0)cos Bond/Torsion and Angle/Torsion coupling:E b = (b-b0)(k1b cos + k2b cos2 + k3b cos3 )E = (- 0)k1 cos + k 2 cos2 + k 3 cos3 第四十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化首先，給出所計算分子的試探結(jié)構(gòu)。不一定是分子的穩(wěn)定構(gòu)象，而且往往不是穩(wěn)定構(gòu)象。然后，將總空間能Es對所有描述分子構(gòu)象的變量即分子各原子的三維坐標在一定的范圍內(nèi)求極小值。由于數(shù)學(xué)上只能保證求得局

23、部極小值，即實現(xiàn)局部優(yōu)化，而不一定能求得全局最小值。所以得到的是在這一構(gòu)象附近的一相對穩(wěn)定的構(gòu)象。分子力學(xué)常用的優(yōu)化方法有使用一階導(dǎo)數(shù)的最速下降法和使用二階導(dǎo)數(shù)的Newton-Raphson法。 第四十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化粗結(jié)構(gòu)能量極小構(gòu)象分子幾何優(yōu)化E局部極小值問題；鞍點第四十七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 用于描述分子初始結(jié)構(gòu)的原子坐標可以使用分子內(nèi)坐標、直角坐標或晶體坐標。從晶體數(shù)據(jù)得到初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)往往是比較方便的，若沒有晶體數(shù)據(jù)，則可用模型來估計。 輸入坐標及連接關(guān)系力場選擇、作用項、參數(shù)能量極小化最終結(jié)

24、構(gòu)與能量其它信息第四十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 除了初始坐標外，還要提供分子中所有原子的聯(lián)接關(guān)系，以便自動搜索任何兩個原子之間的作用，按不同的聯(lián)接關(guān)系以不同的能量函數(shù)形式計算對總能量的貢獻。計算中所用的能量參數(shù)大部分已在程序中準備好，有時，要對某些參數(shù)進行修改或增補。 輸入坐標及連接關(guān)系力場選擇、作用項、參數(shù)能量極小化最終結(jié)構(gòu)與能量其它信息第四十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 分子總能量是原子三維坐標的函數(shù)，在計算完初始構(gòu)象的分子能量后，要進行能量極小化的迭代，直到達到收斂標準為止。最終給出分子體系優(yōu)化的原子坐標，總

25、空間能及各能量項的貢獻。輸入坐標及連接關(guān)系力場選擇、作用項、參數(shù)能量極小化最終結(jié)構(gòu)與能量其它信息第五十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化由于一般只是局部優(yōu)化，這樣的計算只能找到所用的初始構(gòu)象附近的“最優(yōu)構(gòu)象”。所以，選擇初始構(gòu)象是非常關(guān)鍵的。若為了找到全局能量最低構(gòu)象，須將所有可能的初始構(gòu)象分別進行優(yōu)化，最后進行比較，從而確定分子體系的最優(yōu)構(gòu)象。對于較大的分子，可能的初始構(gòu)象的數(shù)目會隨原子數(shù)目的增加而急劇增加。在選擇初始構(gòu)象時，應(yīng)把從基本的化學(xué)知識方面考慮是不可能的構(gòu)象略去。 第五十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)能量極小化算法一級微商算法最陡

26、下降算法 Steepest Descents - SD共軛梯度算法 Conjugate Gradients - CONJ二級微商算法Newton-Raphson Method 第五十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)能量極小化算法-最陡下降法（SD） f(x i+1) = f(x i) + f(x i) x第五十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)能量極小化算法比較最陡下降法： 方向變化大，收斂慢，優(yōu)化輻度大共軛梯度法收斂快，易陷入局部勢阱，對初始結(jié)構(gòu)偏離不大 Newton-Raphson法計算量較大，當微商小時收斂快第五十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于202

27、2年6月分子力學(xué)分子力學(xué)的特點概念清楚，便于理解及應(yīng)用概念簡明易于接受。分子力學(xué)中的總“能量”被分解成鍵的伸縮、鍵角彎曲、鍵的扭曲和非鍵作用等，比起量子化學(xué)計算中的Fock矩陣等概念來要直觀易懂。 第五十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子力學(xué)的特點計算速度快量子化學(xué)從頭算的計算量隨原子軌道數(shù)目的增加，按4次方的速度上升，而分子力學(xué)的計算量僅與原子數(shù)目的平方成正比。 計算時間 - MM正比于原子數(shù)m的平方m2 QM正比于軌道數(shù)n的n4或n3第五十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子力學(xué)的特點與量子化學(xué)計算相輔相成 分子力學(xué)是一種經(jīng)驗方法，其力場是在大量的

28、實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。分子力學(xué)宜用于對大分子進行構(gòu)象分析、研究與空間效應(yīng)密切相關(guān)的有機反應(yīng)機理、反應(yīng)活性、有機物的穩(wěn)定性及生物活性分子的構(gòu)象與活性的關(guān)系；但是，當研究對象與所用的分子力學(xué)力場參數(shù)化基于的分子集合相差甚遠時不宜使用，當然也不能用于人們感興趣但沒有足夠多的實驗數(shù)據(jù)的新類型的分子。 第五十七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子力學(xué)的特點與量子化學(xué)計算相輔相成 對于化合物的電子結(jié)構(gòu)、光譜性質(zhì)、反應(yīng)能力等涉及電子運動的研究，則應(yīng)使用量子化學(xué)計算的方法。然而，在許多情況下，將量子化學(xué)計算和分子力學(xué)計算結(jié)合使用能取得較好的效果。分子力學(xué)計算結(jié)果可提供量子化學(xué)計算所需的分子構(gòu)象坐標，而量子化學(xué)計算結(jié)果又給出了分子力學(xué)所不能給出的分子的電子性質(zhì)。 第五十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月分子力學(xué)分子力學(xué)與量子化學(xué)計算比較 分子力學(xué)與量子化學(xué)計算的區(qū)別分子力學(xué)是經(jīng)典