計(jì)算化學(xué)的應(yīng)用省公開(kāi)課一等獎(jiǎng)全國(guó)示范課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

計(jì)算機(jī)發(fā)展經(jīng)典力學(xué)量子力學(xué)分子和物質(zhì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題分子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)量子化學(xué)計(jì)算化學(xué)1687NewtonHeisenberg1926

Schr?dingerBorn

1946WestheimerMayer1927HeitlerLondon統(tǒng)計(jì)力學(xué)Before1900Boltzmann1957AlderWainwright1/103計(jì)算化學(xué)的應(yīng)用2/103化學(xué)生物材料3/103在化學(xué)中的應(yīng)用4/1031.驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果2.計(jì)算結(jié)構(gòu)和性質(zhì)3.理論預(yù)測(cè)分子設(shè)計(jì)4.研究反應(yīng)機(jī)理計(jì)算化學(xué)在化學(xué)中應(yīng)用5/103經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到1.幾何結(jié)構(gòu),分子軌道,電荷密度,偶極矩,生成熱,質(zhì)子親和勢(shì),電離能,電子親和能,熱力學(xué)數(shù)據(jù),垂直激發(fā)能,溶劑化自由能,物質(zhì)酸性pKa,芳香性,磁性質(zhì)等等......2.可計(jì)算紅外光譜,拉曼光譜,紫外可見(jiàn)光譜,NMR譜……6/103化合物性質(zhì)預(yù)測(cè)苯甲酸7/103它鍵長(zhǎng)、鍵角分別是多少?它有異構(gòu)體嗎?哪個(gè)異構(gòu)體更穩(wěn)定?光照射后發(fā)射熒光還是磷光?需要多少nm光才能發(fā)生光分解?8/1039/103勢(shì)能面圖10/103苯甲酸單體不發(fā)射熒光，只有磷光苯甲酸光物理性質(zhì)內(nèi)轉(zhuǎn)換系間串躍11/103C6H5COOH

C6H6+CO2(1)

C6H5CO+OH(2)

C6H5+COOH(3)苯甲酸光化學(xué)性質(zhì)≥270nmT2紫外光波長(zhǎng):400nm以下,可見(jiàn)光波長(zhǎng):400-760nm,紅外光:大于760nm12/10313/103反應(yīng)機(jī)理研究當(dāng)前研究主要是這類反應(yīng)區(qū)域選擇性14/103內(nèi)部炔烴-區(qū)域選擇性

15/103Boththedissociativeandassociativemechanismsforthecouplingreactionwerecalculated.16/103內(nèi)端末端分步機(jī)理23.4kcal/mol21.2kcal/molFigureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.17/103內(nèi)端末端21.5kcal/mol18.7kcal/mol協(xié)同機(jī)理Figureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.18/103軌道分析-CO2和炔烴耦合反應(yīng)本質(zhì)HOMOHOMOLUMOLUMO19/103在生物中的應(yīng)用20/103應(yīng)用理論化學(xué)碩士物體系已具備條件：（1）分子力學(xué)和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬已被用于模擬蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子三維結(jié)構(gòu)和構(gòu)象以及分子動(dòng)力學(xué)行為。（2）線性標(biāo)度半經(jīng)驗(yàn)和從頭算量子化學(xué)方法已能處理生物大分子片段（上千個(gè)原子）。（3）量子力學(xué)與分子力學(xué)相結(jié)合組合方法使描述酶活性中心或藥品結(jié)合部位成為可能。（4）從頭算分子動(dòng)力學(xué)方法已開(kāi)始被應(yīng)用于模擬生物體系中快速反應(yīng)。21/103

經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，理論化學(xué)方法精度逐步提升、計(jì)算方法日趨成熟，可處理體系也越來(lái)越大，為碩士物體系中主要科學(xué)問(wèn)題提供了主要工具。

同時(shí)，分子生物學(xué)發(fā)展也迫切需要理論化學(xué)研究介入和幫助。22/103生命科學(xué)中主要研究方向蛋白質(zhì)和核酸三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、動(dòng)力學(xué)及功效主要酶催化反應(yīng)機(jī)理配體-受體相互作用生物體系中電荷傳遞過(guò)程生物體系中光化學(xué)反應(yīng)23/1031.1.蛋白質(zhì)和核酸三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)基本單元：氨基酸及肽鏈肽鏈24/103一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)25/103肽鏈折疊過(guò)程26/103蛋白質(zhì)折疊過(guò)程反演：

折疊蛋白質(zhì)展開(kāi)逆過(guò)程分子動(dòng)力學(xué)模擬W.Daggett,Acc.Chem.Res.

,35,42227/103溶劑化效應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬：時(shí)間尺度長(zhǎng)時(shí)間模擬(>80ps)短時(shí)間模擬(<10ps)VMarkov,etal.Acc.Chem.Res.

,35,376.28/103酶催化反應(yīng)機(jī)理：酶分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)合部位：酶分子中與底物結(jié)合部位區(qū)域。催化部位：酶分子中促使底物發(fā)生化學(xué)改變部位活性中心29/103蛋白質(zhì)與小分子相互作用--創(chuàng)新藥品研究與發(fā)覺(jué)

從過(guò)去相對(duì)盲目地大量合成，大量篩選

發(fā)展為首先確定藥品作用靶分子，在此基礎(chǔ)上來(lái)設(shè)計(jì)、篩選藥品物分子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)定量構(gòu)效關(guān)系分析(QSAR)成功實(shí)例之一：抗癌藥品9-苯胺呀啶30/103腦紅蛋白和CO結(jié)合機(jī)理QM/MM研究J.Phys.Chem.B,112,8715-8723.31/1031.主要功效：儲(chǔ)存和輸送氧氣含有血紅素球蛋白2.主要組員：肌紅蛋白(Mb)血紅蛋白(Hb)腦紅蛋白(Ngb)胞紅蛋白(Cgb)1.課題背景32/103最為大家所熟悉就是肌紅蛋白和血紅蛋白人體內(nèi)血紅蛋白人體內(nèi)肌紅蛋白

紅細(xì)胞肌肉組織把新鮮氧氣運(yùn)輸?shù)礁鹘M織

儲(chǔ)存氧氣，當(dāng)機(jī)體需要時(shí)再釋放1.課題背景33/103新近發(fā)覺(jué)兩個(gè)蛋白，腦紅蛋白(Ngb)和胞紅蛋白(Cgb)腦紅蛋白(Nature,,407,520-524)1.課題背景34/103胞紅蛋白(JBC,,276,25318-25323)1.課題背景35/103EABCDD÷FHG結(jié)構(gòu)上共性：整個(gè)蛋白含有八個(gè)α-螺旋，分別標(biāo)識(shí)為A－H保守殘基：E7，F(xiàn)8，CD11.課題背景36/1031.課題背景CO:O20配體親和力CO:O225~200配體親和力為何配體親和力會(huì)發(fā)生改變？血紅素穴中殘基對(duì)配體位阻作用血紅素穴中殘基對(duì)配體氫鍵作用配體結(jié)合后多肽扭曲配體親和力37/103野生型Ngb和Cgb與CO/O2結(jié)合機(jī)理將會(huì)與Mb和Hb顯著不一樣，而且愈加復(fù)雜。Ngb和CgbMb和HbFe配位形式1.課題背景38/103

PNAS.,99,7992;,101,17351;,102,8483;,103,2469;J.Biol.Chem.,278,4919;,279,5886;referencestherein.

CO結(jié)合E7解離分步機(jī)理Ngb11.課題背景39/103k(E7結(jié)合)k(E7解離)=1.2(Trentetal.JBC,276,30106)=444.4(Dewildeetal.JBC,276,38949)=3000(Kigeretal.IUBMBLife,56,709)Ngb3試驗(yàn)上觀察到配體親和力是很不相同1.課題背景40/103J.Biol,Chem.,276,36377–36382.ClosedOpen4Ngb不一樣機(jī)理造成結(jié)果？？？1.課題背景41/1032.待處理問(wèn)題即使有幾個(gè)DFT計(jì)算用來(lái)處理Mb和CO結(jié)合，但據(jù)我們所知，只是優(yōu)化結(jié)合物結(jié)構(gòu)，沒(méi)有機(jī)理上研究，而且大部分是模型體系計(jì)算。對(duì)于Ngb計(jì)算，甚至連模型體系計(jì)算都沒(méi)有。

蛋白與配體結(jié)合是分步還是協(xié)同過(guò)程，分步過(guò)程是不是要考慮絕熱還是非絕熱機(jī)理？42/1033.研究思緒Ngb-XO(B)NgbImNgb-XO(A)+XO-His64+XO協(xié)同機(jī)理分步機(jī)理43/103計(jì)算所采取模型和參考晶體結(jié)構(gòu)模型體系QM部分真實(shí)體系XO+NgbPDB編號(hào)1q1f：1.5?分辨率X-rayNgb晶體構(gòu)型1w92：1.7?分辨率X-rayNgb-CO晶體構(gòu)型氫原子因?yàn)榫w構(gòu)型中沒(méi)有氫原子，我們用分子動(dòng)力學(xué)軟件加入且進(jìn)行簡(jiǎn)單優(yōu)化。44/103桔黃色：晶體構(gòu)型(1q1f)藍(lán)色：Im-FeP-Im...CO(S)桔黃色：晶體構(gòu)型(1w92)藍(lán)色：Im-FeP-CO...Im-A(S)計(jì)算所采取模型和參考晶體結(jié)構(gòu)45/1034.腦紅蛋白和CO結(jié)合機(jī)理協(xié)同機(jī)理DFT(QM/MM)“Open”Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-B(S)46/103分步機(jī)理DFT(QM/MM)Im-FeP-Im…CO(S)Im-FeP…CO…Im(S)TS-S(S)Im-FeP-CO…Im-A(S)“Closed”4.腦紅蛋白和CO結(jié)合機(jī)理47/103Im-FeP-Im…CO(T)Im-FeP…CO…Im(T)Im-FeP-Im…CO(Q)Im-FeP…CO…Im(Q)三重態(tài)和五重態(tài)上不存在Ngb-CO結(jié)合物分步機(jī)理DFT(QM/MM)4.腦紅蛋白和CO結(jié)合機(jī)理48/103QM-6-31G**-PCM(模型-6-31G**)分步機(jī)理協(xié)同機(jī)理S/T(1)S/T(2)4.腦紅蛋白和CO結(jié)合機(jī)理49/103Fourmainpathways不論是絕熱還是非絕熱路徑，五配位中間物形成是限速步。4.腦紅蛋白和CO結(jié)合機(jī)理50/1034.腦紅蛋白和CO結(jié)合機(jī)理Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-B(S)協(xié)同機(jī)理CO與血紅素結(jié)合造成周圍殘基有規(guī)律移動(dòng)。51/103在材料科學(xué)中的應(yīng)用52/1031.計(jì)算固體各種性質(zhì)能帶圖態(tài)密度2.模擬固體吸附氣體物理化學(xué)行為3.計(jì)算設(shè)計(jì)固體材料結(jié)構(gòu)53/103LST/QST:H2AdsorptiononPd(111)0.054eV0.96eV1.01eV54/10355/103(n,0)zigzagnanotube(n,n)armchairnanotube(n,m)chiralnanotube56/10357/10358/10359/103計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的合作60/103釕催化芳基和烯基疊氮化合物分子內(nèi)C-H鍵胺化機(jī)理理論研究61/103

1.課題背景金屬催化C-H鍵胺化，是C-N鍵形成一個(gè)主要合成方法，是烴類活化研究熱點(diǎn)S.Cenini,E.Gallo,A.Penoni,F.Ragaini,S.Tollari,Chem.Commun.,2265F.Ragaini,A.Penoni,E.Gallo,S.Tollari,C.L.Gotti,M.Lapadula,E.Mangioni,S.Cenini,Chem.Eur.J.,9,249.烷烴62/103然而，烯基和芳基中C-H鍵胺化是較少被研究M.H.Shen,B.E.Leslie,T.G.Driver,Angew.Chem.Int.Ed.

,47,5056.B.J.Stokes,H.Dong,B.E.Leslie,A.L.Pumphrey,T.G.Driver,J.Am.Chem.Soc.,129,7500.烯基芳基

1.課題背景63/103

2.試驗(yàn)結(jié)果廉價(jià)易得64/103

2.試驗(yàn)結(jié)果65/103反應(yīng)機(jī)理

2.試驗(yàn)結(jié)果66/103分步機(jī)理18.0kcal/molC-N鍵形成1,2-H遷移

2.計(jì)算結(jié)果---驗(yàn)證試驗(yàn)推斷反應(yīng)機(jī)理67/103協(xié)同機(jī)理28.0kcal/mol

2.計(jì)算結(jié)果從理論計(jì)算角度來(lái)講反應(yīng)主要按分步機(jī)理進(jìn)行68/103cis-17和trans-17兩種異構(gòu)體按照1:1百分比混合，反應(yīng)得到一個(gè)異構(gòu)體18反應(yīng)按分步機(jī)理進(jìn)行

2.試驗(yàn)結(jié)果---驗(yàn)證計(jì)算推斷分步機(jī)理69/103共振式C1和C2

2.計(jì)算結(jié)果---C-N鍵形成本質(zhì)？？70/10371/103共振式---反應(yīng)機(jī)理

親電進(jìn)攻

2.計(jì)算結(jié)果72/103類似電環(huán)化反應(yīng)

2.計(jì)算結(jié)果73/103TxtTextText從Ｂ到Ｃ是電環(huán)化過(guò)程

2.計(jì)算結(jié)果74/103

2.試驗(yàn)結(jié)果---驗(yàn)證電環(huán)化機(jī)理75/10336.5kcal/mol18.0kcal/mol

2.計(jì)算結(jié)果76/103

2.試驗(yàn)結(jié)果---驗(yàn)證電環(huán)化機(jī)理類似77/103

2.試驗(yàn)結(jié)果---驗(yàn)證電環(huán)化機(jī)理無(wú)法形成類似電環(huán)化反應(yīng)機(jī)理是正確78/103試驗(yàn)和計(jì)算都認(rèn)為反應(yīng)是按分步機(jī)理進(jìn)行C-N鍵形成是類似電環(huán)化反應(yīng)

3.結(jié)論79/103常用計(jì)算軟件的介紹80/103ΨGaussian03計(jì)算化學(xué)面臨挑戰(zhàn)是艱巨，但也正在取得很大進(jìn)展，年輕化學(xué)家若對(duì)計(jì)算機(jī)有興趣話，那末計(jì)算化學(xué)是含有令人興奮前景研究領(lǐng)域。

──美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)R.布里斯羅81/103

Gaussian輸入界面82/103NH3幾何構(gòu)型優(yōu)化輸入窗口83/103NH3振動(dòng)頻率計(jì)算輸入窗口（作為優(yōu)化后繼作業(yè)）84/103

Gaussian應(yīng)用范圍Gaussian是做半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算使用最廣泛量子化學(xué)軟件，能夠研究：分子能量和結(jié)構(gòu)過(guò)渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量分子軌道偶極矩和多極矩原子電荷和電勢(shì)振動(dòng)頻率，紅外和拉曼光譜，NMR極化率和超極化率熱力學(xué)性質(zhì)，反應(yīng)路徑計(jì)算能夠模擬在氣相和溶液中體系,模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)85/103摘自Gaussian手冊(cè)分子能量和結(jié)構(gòu)過(guò)渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率紅外和拉曼光譜熱化學(xué)性質(zhì)成鍵和化學(xué)反應(yīng)能量化學(xué)反應(yīng)路徑分子軌道原子電荷電多極矩NMR屏蔽和磁化系數(shù)振動(dòng)圓二色性強(qiáng)度電子親和能和電離勢(shì)極化和超極化率靜電勢(shì)和電子密度單分子性質(zhì)集團(tuán)性質(zhì)不可測(cè)量性質(zhì)86/103

GaussView3.087/103顯示Gaussian計(jì)算結(jié)果分子軌道原子電荷

由電子密度、靜電勢(shì)場(chǎng)、NM