分子模擬的原理及應(yīng)用課件

分子模擬的原理及應(yīng)用

Principles&ApplicationsofMolecularModeling

陳正隆

中山大學(xué)化學(xué)系

計(jì)算在化學(xué)報(bào)告的百分比重圖

資料來(lái)源:美國(guó)化學(xué)會(huì)(AmericanChemicalSociety,ACS)分子模擬

(MolecularModeling)1. 力場(chǎng)

(ForceField)2. 分子力學(xué)原理

(PrincipleofMolecularMechanics,MM)3. 分子力學(xué)的應(yīng)用

(ApplicationofMolecularMechanics)4. 分子動(dòng)力學(xué)原理

(PrincipleofMolecularDynamics,MD)5. 分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算

(MolecularDynamicsSimulation)6. 分子動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用

(ApplicationofMolecularDynamics)ForceField力場(chǎng)力場(chǎng)

ForceField力場(chǎng):將分子的勢(shì)能表示為分子中原子

幾何坐標(biāo)的簡(jiǎn)單函數(shù)雙原子分子振動(dòng)范德華勢(shì)能

Vander

Waals

12-6potential

典型的范德華勢(shì)能參數(shù)

原子或分子/kB(K)

(?)He10.412.602Ne42.02.755Ar141.63.350Kr199.83.581Xe281.03.790CH4161.33.721CF4156.54.478SF6207.75.252MM

形式力場(chǎng)的遠(yuǎn)程作用項(xiàng)

atom(kcal/mol)(A)C0.0272.04H0.021.62VDW遠(yuǎn)程作用

鍵伸縮勢(shì)能

AllingerMM2(1977)Bondr0(A)Kb(kcalmol-1A-2)Csp3-Csp31.523317Csp3-Csp21.497317Csp2=Csp21.337690Csp2=O1.208777Csp3–Nsp31.438367C–N(amide)1.345719任何2

個(gè)連續(xù)的原子A-B

鍵角彎曲勢(shì)能

(anglebendingpotential)任何3

個(gè)連續(xù)的原子A-B-CAngle0k(kcalmol-1deg-1)Csp3-Csp3-Csp3109.479.910-3Csp3-Csp3-H109.477.910-3H-Csp3-H109.477.010-3Csp3-Csp2-Csp3117.29.910-3Csp3-Csp2=Csp2121.41.2110-2Csp3-Csp2=O122.51.0110-2雙面角,扭轉(zhuǎn)角

dihedralangle,torsionangleH2O2

分子的雙面角扭轉(zhuǎn)角

任何4個(gè)連續(xù)的原子A-B-C-D

扭轉(zhuǎn)角勢(shì)能

O-C-C-O扭轉(zhuǎn)角力常數(shù)

typicaltorsionalconstantsTorsionalconstantKcal/molangleV1V2V3Csp3-Csp3-Csp3-Csp30.1850.1700.52Csp2-Csp3-Csp3-Csp25.000Csp2-Csp2-Csp2-Csp2016.252.00Csp3-Csp2-Csp2-Csp2-0.316.250Csp3-Csp2-Csp2-Csp3-0.716.250H-Csp3-Csp3-Csp3000.28H-Csp2-Csp3-Csp3001.00H-Csp2-Csp2-Csp20.416.250H-Csp3-Csp3-H000.238離平面振動(dòng)

out-of-planebending

傾向形成共平面的4個(gè)原子:Csp2

特殊的作用項(xiàng)

SpecialInteractionterms

氫鍵作用

H-bondingInteraction

12-10potential

YETI氫鍵作用

YETIH-bondingInteractionVedaniA.,

J.ofComputationalChemistry

9,269(1988)

芳香環(huán)間-

作用

-Interactionforaromaticrings

C3H8

的勢(shì)能:

常見的力場(chǎng)形式

力場(chǎng)參數(shù)的互通性

(transferable)決定力場(chǎng)參數(shù)

DeterminationofForceFieldParameters實(shí)驗(yàn):紅外光譜,熱力學(xué)性質(zhì),偶極矩,….計(jì)算:高階量子力學(xué)計(jì)算結(jié)果

(DFT,ab

initio,…)擬合計(jì)算的物理量以決定力場(chǎng)參數(shù)◎不同的力場(chǎng),針對(duì)特殊的體系與物理特性第一代力場(chǎng)MM

形態(tài)力場(chǎng):

Allinger,MM2,MM3,有機(jī)分子,聚合物AMBER

力場(chǎng):PeterKollman

(AssistedModelBuildingwithEnergyMinimization)

蛋白質(zhì),核酸,多醣等生化分子。CHARMM

力場(chǎng):MartinKarplus (ChemistryatHarvardMacromolecularMechanics)

蛋白質(zhì),核酸,多醣等生化分子CVFF

力場(chǎng):DauberOsguthope

(ConsistentValenceForceField)以生化分子為主,適用于胺基酸,水,及各種官能基。各種多肽,蛋白質(zhì),與大量的有機(jī)分子。AMBER

力場(chǎng)

AMBER

(AssistedModelBuildingwithEnergyMinimization)

PeterKollmanU.C.Sanfrancisco

蛋白質(zhì),核酸,多醣等生化分子

分子幾何結(jié)構(gòu),構(gòu)形能,振動(dòng)頻率與溶劑化自由能

力場(chǎng)參數(shù)全來(lái)自計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的比對(duì)

第二代力場(chǎng)

CFF91力場(chǎng): 碳?xì)浠衔?蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)-配位基。含H,Na,

Ca,C,Si,N,P,O,S,F,Cl,Br,I,Ar

等原子參數(shù)。PCFF

力場(chǎng):由CFF91力場(chǎng)衍生而出, 聚合物及有機(jī)物,多糖類(polysaccharides),碳水化合物,脂肪類,核酸,有機(jī)物,20種無(wú)機(jī)物。除CFF91力場(chǎng)參數(shù)外,PCFF含有He,Ne,Kr,Xe

等鈍氣原子及Li,K,Cr,Mo,W,Fe,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Al,Sn,Pb

等金屬原子的力場(chǎng)參數(shù)。一致性力場(chǎng)

(ConsistentForceField,CFF)

耦合作用項(xiàng)CrosstermsCFF95

力場(chǎng):

衍生自CFF91力場(chǎng),特殊針對(duì)如多糖類,聚碳酸酯等生化分子與有機(jī)聚合物所設(shè)計(jì)的,較適用于生命科學(xué)的應(yīng)用。此力場(chǎng)含有鹵素原子及Li,Na,K,Rb,Cs,Mg,Ca,Fe,Cu,Zn

等金屬原子的參數(shù)。MMFF93

力場(chǎng):

為美國(guó)Merck公司針對(duì)有機(jī)藥物設(shè)計(jì)所發(fā)展的。采取MM2,MM3力場(chǎng)的形式。主要應(yīng)用于計(jì)算固態(tài)或液態(tài)的小型有機(jī)分子系統(tǒng)?？傻玫胶軠?zhǔn)確的幾何結(jié)構(gòu),振動(dòng)頻率與各種熱力學(xué)性質(zhì)。涵蓋周期表元素的力場(chǎng)ESFF

力場(chǎng):

可用于預(yù)測(cè)氣態(tài)與凝態(tài)的有機(jī)分子,無(wú)機(jī)分子,有機(jī)金屬分子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。但不能用以計(jì)算構(gòu)形能,或準(zhǔn)確的振動(dòng)頻率。涵蓋周期表中由氫至氡的元素。

DREDING力場(chǎng):

可計(jì)算分子聚集體的結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)性質(zhì),但其力場(chǎng)參數(shù)并未涵蓋周期表的全部元素。UFF力場(chǎng):(UniversalForceField)

適用于周期表所涵蓋的所有元素,適用于任何分子與原子系統(tǒng)。以UFF力場(chǎng)所計(jì)算的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)于由DREDING力場(chǎng)所得的結(jié)果,但計(jì)算與分子間作用有關(guān)的性質(zhì),則有較大的偏差。

ESFF,UNIVERSAL力場(chǎng)

ESFF力場(chǎng)

原子的陰電性(electronegativity)

原子的堅(jiān)硬度(hardness)

能量對(duì)原子的電荷量最小化

拉格朗日乘子(Lagrangianmultiplier)

靜電作用能

密度泛函數(shù)方法DFT

UniversalForceField(UFF)NaturalRadii,Effectivecharges,Electronegativity,bondtype

特殊的力場(chǎng)

全原子(all-atom)力場(chǎng):

考慮系統(tǒng)中所有的原子

聯(lián)合原子(united-atom)力場(chǎng):

將原子基團(tuán)合并考慮

特殊的力場(chǎng)針對(duì)某些特殊系統(tǒng)所設(shè)計(jì):

計(jì)算沸石(zeolite)系統(tǒng)的力場(chǎng)

計(jì)算金屬氧化物固體的COMPASS

力場(chǎng)

計(jì)算高分子的力場(chǎng)

簡(jiǎn)化的力場(chǎng)

長(zhǎng)鏈烷分子簡(jiǎn)化力場(chǎng)

Ryckaert,J.P.,andA.Bellemans,Chem.Phys.Lett.30,123(1975)

甲基CH3

與亞甲基CH2

均視為一原子團(tuán),質(zhì)量分別為15amu

及14amu,原子團(tuán)的中心位于碳原子上

簡(jiǎn)化的烷分子力場(chǎng)

◎大量減化計(jì)算工作正確的計(jì)算分子,聚合物體系結(jié)構(gòu)正確的計(jì)算相變化,比熱,…等熱力學(xué)性質(zhì)

非均向性

(anisotropic)分子作用簡(jiǎn)化力場(chǎng)

Gay,J.G.&B.J.Berne,J.Chem.Phys.74,3316(1981)非均向性分子作用非均向性分子作用簡(jiǎn)化力場(chǎng)

Gay-Berne力場(chǎng)

(GB)

各種非均向作用

分子力學(xué)

(MM)MolecularMechanics分子力學(xué)

MolecularMechanics分子的勢(shì)能為分子坐標(biāo)的函數(shù)結(jié)構(gòu)最佳化(geometryoptimization)能量最小化(energyminimization)利用力場(chǎng)由任何起始構(gòu)形可求得最低能量構(gòu)形 EnergyMinimization:自定,~0.1A利用力場(chǎng)由任何起始構(gòu)形可求得最低能量構(gòu)形區(qū)域最小值問(wèn)題

Localminima區(qū)域最小值問(wèn)題選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法選擇不同的起點(diǎn)

(MC)隨機(jī)移動(dòng)(MCrandomknick)分子動(dòng)力學(xué)升溫回火(MDannealing)

勢(shì)能面PotentialEnergySurface(PES)正戊烷函數(shù)的極小值

一次導(dǎo)數(shù)法最速下降法(steepestdescents)共軛梯度法(conjugategradient)二次導(dǎo)數(shù)法牛頓-拉森法(Newton-Ralpsonmethod)近似牛頓拉森法(Quasi-NewtonRapsonmethod)對(duì)角線塊狀牛頓拉森法(Block-diagonalNewton-Rapsonmethod)

導(dǎo)數(shù)適用范圍

藥物分子的

MM計(jì)算

DNAinhibitornetrospin能量最小化計(jì)算netrospin第一階段第二階段方

法平均梯度<1

kcal?-2平均梯度<0.1kcal?-2CPU(秒)計(jì)算次數(shù)CPU(秒)計(jì)算次數(shù)最速下降679814051893共軛梯度149213257367力場(chǎng)方法與量子力學(xué)計(jì)算的比較

Forcefield–QuantumMechanics氘化麥芽醣

勢(shì)能等高線振動(dòng)頻率

vibrationfrequency

彈力常數(shù)

WilsonGF矩陣G: 分子結(jié)構(gòu)與原子質(zhì)量F: 彈力常數(shù)E: 單位矩陣:

: MM3力場(chǎng)計(jì)算甲醇(methanol)

的振動(dòng)頻率實(shí)驗(yàn)值(cm-1)計(jì)算值(cm-1)振動(dòng)模式36823679O-H伸縮蕩(str.)29772976C-H3

非對(duì)稱伸縮(asym.str.)297028442873C-H3

對(duì)稱伸縮(sym.Str.)14771484CH3

扭曲(def.)145514461430143013401287C-O-H彎曲(bend)1106CH3

擺動(dòng)(rock.)1086CH3搖擺(wag.)10341052C-O伸縮(str.)270263CH3-O(tor.)分子內(nèi)能

氣態(tài)分子的標(biāo)準(zhǔn)生成焓

(standardheatofformation)

烷類實(shí)驗(yàn)值計(jì)算值誤差SE2,2,3-三甲基丁烷-48.87-48.860.018.273,3-二甲基戊烷-48.08-47.450.638.26新戊烷-40.14-40.78-0.642.273-甲基戊烷-41.33-41.34-0.015.53正戊烷-35.56-36.30-0.742.82正丁烷-30.60-30.62-0.022.17丙烷-24.83-24.97-0.141.50乙烷-20.24-19.330.910.82環(huán)己烷

-29.50-29.000.506.55環(huán)丁烷6.786.32-0.4629.22正庚烷晶體的堆積圖

MM3Lii,J.H.andN.L.Allinger,J.Amer.Chem.Soc.111,8576(1989)液晶分子體系

LiquidCrystal(LC)軟碳鏈

向列形液晶系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

StructureofNematicLC

Gay-BerneSimplifiedForceField12960個(gè)液晶分子

清楚的顯示系統(tǒng)中液晶分子的排列次序

Bates,M.A.,andC.Zannoni,Chem.Phys.Lett.26,40(1997)商用軟件

MaterialStudios

AccelryInc.北京創(chuàng)騰公司代理

Porphyrin-AppendedCholesterolDerivatives

Tsutomuetal.Langmuir(2001)1758252:1Zn(II)porphyrin/[60]fullereneSandwichComplexGelationAbility[60]F/55a5b5c5dSolvent(mol/mol)20oC5oC20oC5oC20oC5oC20oC5oCBenzene0.0SGSSSSSS0.5GGSSGGSSToluene0.0SGSSSSSS0.5GGSSpGGSSp-xylene0.0SGSSSSSS0.5GGSSSSSSS:solution,G:gel;pG

=partialgelF:fullerene;S:solution,G:gel;

pG=partialgelEnergyMinimizedresult

Discover3/insightII98.0bentextendedAmide-appendedPorphyrins

Michihiro

Shirakawa,etal.J.AM.CHEM.SOC.2003,125,9902amide1bshouldas