（物理化学专业论文）分子动力学模拟方法应用研究.pdf

三 、 以 聚 乙 烯 分 子 为 例 的 高 分 子 化 合 物 的 分 子 动 力 学 模 拟 方 法 研 究 几 为了 研究不同力场对分子动力学模拟的影响.分别利用a m b e r 和o p l s 力场在 不同温度条件下对聚乙 烯分子进行了 分子动力学模拟，发现不同的力场会产生截然 不同的模拟结果。在利用 o p l s力场基础上，成功地模拟出了不同温度条件下，诸 如局部结晶、玻璃化等高分子化合物的性质。并 班此基础上探讨了模拟退火方法和 周期性边界条件等在高分子化合物研究工作中应用方法。 四 、 分 子 动 力 学 模 拟的 辅 助 程 序 的 编 制0 为 了 克 服h p e r c h e m软 件 本 身 功 能 的 不 足 ， 扩 大 研 究 范 围 ， 提 高 研 究 效 率 ， 编 写了一系列辅助程序，例如给添加溶剂分子的程序、 本文和本课题组的研究工作中得到了很好的应用效果 角速度的调整的程序等，并在 夕 关键词:分子动力学模拟， 环糊精，主客体配合物，磺酞脉分子，溶液，聚乙烯 ab s t r a c t . t h e m o l e c u l e s a r e a l w a y s i n k i n e t i c s t a t e a t s o m e t e m p e r a t u r e . t h e m o l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o n m e t h o d b e c a m e a n i m p o r t a n t m e t h o d t o s t u d y i n t r r m o l e c u l a r a n d i n t e r m o l e c u l a r i n t e r a c t i o n f o r it c a n s i m u l a t e t h e m o v e m e n t o f m o l e c u l e . t h e s e y e a r s , w i t h t h e f a s t i m p r o v e m e n t o f t h e c o m p u t e r t e c h n o l o g y , t h e a v a i l a b l e f i e l d o f m o l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o n m e t h o d i s m o r e a n d m o r e b r o a d . t h e m o l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o n m e t h o d h a s b e e n s t u d i e d b y f o u r p a rt s o f w o r k i n t h i s t h e s i s : 1 . s t u d i e s o n t h e c o n f o r m a t i o n a l p r o p e r t i e s o f s u l f o n y l u r e a m o l e c u l e s i n s o lu t i o n b y m o l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o n m e t h o d . t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e a c t i v it y a n d t h e m o l e c u l a r s t ru c t u r e s o f d r u g i n s o l u t i o n i s i m p o r t a n t , b e c a u s e t h e d rug s o ft e n e x i s t i n t h e s o l u t i o n . t h e s t ruc t u r e s o f s e v e r a l k i n d s o f s u l f o n y l u r e a m o le c u l e s a r e r e s e a r c h e d w i t h m o l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o n m e t h o d . t h e d i p o l e a n d o t h e r p r o p e r t y o f t h e r e s t ru c t u r e a r e g o t w i t h a b i n i t i o m e t h o d , a n d s o m e c o n c l u s i o n s a r e d r a w: t h e b e n d e d a n d e x t e n d e d s t r u c t u r e s o f s u l f o n y l u r e a m o l e c u l e s a r e b o t h e x i s t i n p o l a r s o l v e n t , b u t o n ly t h e e x t e n d e d s t r u c t u r e s a r e e x i s t i n n o n - p o l a r s o l v e n t . t h e d i p o l e o f t h e s u l f o n y l u r e a m o l e c u l e s i s t e n d e d t o t h e d i p o l e o f t h e s o l v e n t , a n d t h e e n e r g y i s t e n d e d t o b e i n g m i n i m i z e d . t h e r e a s o n o f t h a t t h e e x t e n d e d s t ru c t u r e s a l w a y s p r e p o n d e r a n t i s t h e d e g r e e o f fr e e d o m o f t h e e x t e n d e d i s g r e a t e r . i t i s a l s o i n d i c a t e t h a t t h e m o l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o n m e t h o d i s b e tt e r t h a n t h e c o m m o n g e o m e t r y o p t i m i z a t i o n m e t h o d i n d e a l i n g w i t h t h e s t r u c t u r e a t s o m e t e m p e r a t u r e . 2 . r e s e a r c h i n g t h e i n t e r a c t i o n s o f t h e c o m p l e x e s o f c y c l o d e x t r i n s a n d c h ir a l c o m p o u n d s w i t h m o l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o n m e t h o d . t o s t u d y t h e c h i r a l r e c o g n i t i o n o f t h e s u p r a m o l e c u l a r c o m p o u n d , t h e i n t e r a c t i o n s o f t h ep 一 c y c l o d e x t r i n s a n d a s e r i e s o f c h i r a l c o m p o u n d s a r e c a l c u l a t e d a n d s t u d i e d . t h e r e l a t i o n s o f t h e i n t e r a c t i o n s o f t h e h o s t s a n d g u e s t s w i t h t h e e n e r g y a r e s t u d i e d , t o o wi t h t h e i n t u i t i o n i s t i c u n d e r s t a n d i n g t o t h e v a r i e t i e s o f s t r u c t u r e a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e i n m o l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o n , m o l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o n , a n n e a l in g s i m u l a t i o n a n d c i r c u m r o t a t i n g g u e s t m e t h o d a r e u s e d i n s e a r c h o f t h e s t r u c t u r e o f t h e c o m p l e x w i t h t h e m i n i m u m e n e r g y . a c c o r d i n g t o t h i s c o m p l e x , t h e r e s u l t s o f t h e c a l c u l a t i o n i n d i c a t e t h a t t h e f i r s t m e t h o d i s t h e b e s t o n e , a n d t h e t e m p e r a t u r e s e l e c t i o n i s m o s t i m p o r t a n t . 3 . p o l y e t h y l e n e h a s b e e n u s e d a s a n e x a m p l e t o r e s e a r c h m o l e c u l a r d y n a m i c s i m u l a t i o n m e t h o d s t h a t a r e u s e f u l i n t h e s t u d y o f m a c r o m o l e c u l e c o m p o u n d . t o s t u d y t h e e f f e c t t o m o l e c u l a r d y n a m i c s i m u l a t i o n i n d i ff e r e n t f o r c e f i e l d , a m b e r a n d o p l s f o r c e f i e l d i s u s e d t o d o s i m u l a t i o n a t d i ff e r e n t t e m p e r a t u r e o n p o l y e t h y l e n e m o l e c u l e , a n d w e f i n d t h a t t h e r e s u lt s o f c a l c u l a t i o n a r e q u i t e d i f f e r e n t w h e n w e u s e t h e d i f f e r e n t f o r c e f i e l d . s o m e o f t h e p r o p e r t y o f t h e m a c r o m o l e c u l a r c o m p o u n d s , s u c h a s v i t r i f i c a t i o n a n d l o c a l c ry s t a l l i z a t i o n , a r e s u c c e s s f u l s i m u l a t i o n b y u s i n g o p l s f o r c e f i e l d . a n d w e a l s o s t u d i e d h o w t o u s e t h e p e r i o d i c b o x c o n d i t i o n a n d a n n e a l i n g s i m u l a t i o n i n t h e r e s e a r c h w o r k o n m a c r o m o l e c u l a r c o m p o u n d s . 4 . p r o g r a m m i n g as s i s t a n t p r o g r a m o f m o l e c u l a r d y n a m i c s i m u l a t i o n . a s e r i e s o f as s i s t a n t p r o g r a m i s p r o g r a m m e d t o c o n s u m m a t e t h e h p e r c h e m . a n d t h e r e s e a r c h f i e l d i s e x t e n d e d f o r u s i n g t h e m i n s o m e e x t e n t . t h e s e p r o g r a m s a r e a l s o g e t w e l l a p p l i c a t i o n i n t h i s t h e s i s a n d i n o u r l a b . k e y w o r d s : mo l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o n , mo l e c u l e s , s o l u t i o n , p l o y e t h y l e n e c o m p l e x e s , s u l f o n y l u r e a 第一章绪论 1 . 1 论文的背景和意义 对于有机大分子和生物大分子而言，其化学性质和生物活性同分子内和分子间 弱相互作用有很大的联系。象高分子体系的结晶 现象、蛋白 质的多级结构、d n a的 双螺旋结构、酶和底物的结合以及其他有机分子主体与客体的作用等，都是分子间 相互作用的 体 现， 并得到了 广泛的 研究 1 -3 1 。 分子 动力学 模拟方 法是 研究 这一 作用的 一种重要方法，它可以通过模拟分子的运动情况，从而可以 研究分子在一定温度条 件下的性质。近年来，随着计算机技术的发展，使得我们可以更容易地使用分子动 力学模拟这种较为真实和直观的方法。 本论文针对超分子、高分子和小分子三种不同体系，分别以环糊精和聚乙烯和 磺酞腺为例，对利用分子动力学研究分子间的弱相互作用及其构象的关系的方法进 行了探讨。 1 . 1 . 1 环糊精所形成的超分子体系 某些分 子体 系通过弱 相互作用， 可以 形 成超分 子 ( s u p r a m o le c u le ) 体系。 超分 子 化学是一门新兴的学科，它是基于冠醚与穴状配体等大环配体的发展以及分子自组 装的研究和有机半导体、导体的研究进展而迅速发展起来的。l e h n 4 1 给超分子化学 这样一个定义 “ 超分子化学是超出单个分子以外的化学，它是有关超分子体系结构 与功能的学科。超分子体系是由 两个或两个以上的分子通过分子间超分子作用联接 起来的实体”。 超分子的结合方式在生物体系中比较普遍，例如酶和底物的结合、抗原和抗体 的结合以及细胞膜上蛋白质对一些无机和有机物质的传递等。而在生物体系中，手 性的相互作用又是非常重要的。此外，超分子作用还与基因密码的转录、遗传信息 的储存等都有密切关系。超分子作用是一种具有分子识别能力的分子间相互作用， 是空间效应影响下的范德华力、静电引力、氢键力、和兀 相互作用，疏水相互作用 等。分子识别是类似 “ 锁和钥匙”的分子间专一性结合，可以理解为底物与给定受 体间选择性键合，是形成超分子结构的基础。上述作用，都是建立在 “ 分子识别 ( m o le c u la r r e c o g n it i o n ) ” 的 基 础上， 分 子 识 别是 超 分子 化 学的 基 础 和核 心。 另一种关于超分子的 重要 概念是分子自 组装 ( s e l f - a s s e m b l i n g ) ， 分子自 组装是指 分子通过氢键，范德华相互作用、静电相互作用、给体与受体效应等进行分子识别 而自 发构筑成结构和功能确定的超分子体系的过程.分子晶体、液晶、胶束、lb 膜等都可以通过自 组装合成制备。分子自 组装遵循一些原则，如分子形状要互补、 满足范德华接触、接触面积尽可能大、形成多重或多种非共价键，通过正的协同效 应达到较强的结合，使结构稳定并克服不利的嫡效应。对分子自 组装来说，预组织 的 官能团 单 元 很 重要 s ) 。 例 如毗 睫 基、 狡 基、 酷 基、 脉等 基团 具有 强烈的 氢 键 ( 给予 或 接受 ) 相互作用， 一 般对分子自 组 装起到决定作 用。 超分子有别于分子和配合物。分子基于原子间的共价键，而配合物有的也有配 位键等较紧密的相互作用;而超分子化学主要是研究基于分子间相互作用组成的， 是有主体和客体在满足能量匹配、几何匹配等条件下，通过分子间非共价键力的作 用，缔合形成的具有某种特定功能和性质的超分子。非共价键力一般包括静电力、 范 德华力、 氢键力、 疏水作用、 7 c - 7 堆积作用以 及阳离子 - 7 c 吸引 作用等6 - 10 ， 这些弱 相互作用是分子识别的关键，对它们的研究有重要的意义。 超分子体系的理论研究和实验是研究化学、生物学和材料科学等科学领域的研 究热点。以生物化学为例，d n a和 r n a中碱基配对的作用，以及蛋白质大分子的 二级、三级、四级结构，酶与底物的结合以 及药物与受体的结合等等，都是超分子 研究的对象。 天然和化学修饰的环糊精( c y c l o d e x t r i n ) 具有一定的刚性和良 好的疏水空腔，同 时还具有手性，可以作为分子受体识别各种有机和无机以及生物分子形成主一 客体或 超分子配合物。虽然作为一种较为简单的有机物质，它没有特殊的生物活性，但是 由于是手性化合物、易于置备和研究，还可以作为一种优良的酶底物相互作用的模 型，被广泛应用于相关研究领域。 环糊 精2 8 】 是淀粉在淀粉酶作用下生 成的 环状低聚糖总 称。 从结构上看， 它们是 由6 - 8 个d - ( ) 一 毗喃葡萄糖以 (x - 1 , 4 - 昔键连接而形成的一类环状低聚糖化合物。 在 环糊 精名称前面 冠以 a - . p 一 、 和 r - 分别表示其结 构中 含有6 , 7 和8 个葡 萄糖单 元。 早 在1 8 9 1 年， v i ll i e r s 就从 淀 粉的 降 解产 物中 分离 得到了 环糊精 (2 9 。 一百多 年 来，人们对环糊精的结构和性能进行了广泛深入研究，取得了大量成果，近年来探 索、开发环糊精在超分子化学领域中的应用有引起了人们极大的兴趣。 图1 . 1 p 一 环糊精的结构 图 1 . 1中的实心点为碳原子，空心点为氧原子，为清晰起见，氢原子被去掉。 环糊精分子的外形像一个面包圈，环中所有葡萄糖单元都保持椅式构象，基本上没 发生变形。这个结构特点，使环糊精分子中各个官能团的空间排列具有很好的应用 价值。环糊精从侧面看呈倒梯形，即上圈比下圈稍大，整个环糊精分子围成空腔， 空腔内部除了醚键之外就是碳氢键和碳碳键，所以是疏水性的。环糊精上的轻基向 分 子外伸展使自 身具有亲水性， 所以 环糊精能 溶于 水中。 a - , p 一 、 和 7 一 环糊精内 空腔 的直径分别为0 . 5 n m . 0 .6 5 n m和0 .8 5 n m 。由于组成环糊精的葡萄糖都是d 一 型的，因 此环糊精本身也是手性的.葡萄糖单元的伯羚基可以自由旋转，因而能部分地封住 空腔的小口;而仲轻基处于比 较刚性的环上，不能旋转。环糊精分子中的每一个葡 萄糖单元上的仲轻基与相邻葡萄糖单元上的仲轻基形成氢键。这些结构特征都是通 过 x 一 射线晶体衍射得出来的，其构象经核磁共振谱分析得到证实。环糊精分子在碱 性溶液中是相当稳定的，但很容易在酸的催化下发生分解。 环糊精的一个最重要的特点是能与多种化合物形成包合物。在这些包合物中， 化合物被包在环糊精的空腔中，通常将环糊精称为主体，而把进入其空腔内的化合 物成为客体。例如，众多芳香化合物的苯环和脂肪族化合物的高度非极性的烃链都 可以进入环糊精的空腔，一般形成的是 1 : 注包合物。显然，作为主体的坏糊精与客 体分子形成包合物的一个基本要求是尺寸的匹 配， 即 对体积的 选择性， 如表 1 . 1 所 不 。 表1 . 1环糊精空腔和客体分子体积之间的关系 环糊精 葡萄糖 单元数 空腔内部 直径/ r a n 环的 原子数 匹配的客体分子 苯，苯酚 蔡，卜 苯胺基一 8 - 磺酸蔡 蕙，冠醚，卜 苯胺基一 8 一 磺酸葱 nulljcu 凡j凡、14 .56585 00.0. u工犷尹 .l an尸 由于溶剂及主客体类型的不同，配位化合物的形成一般与下列分子间相互作用 因素有关; 1 ) 三维空间排列的相互匹配性; 2 ) 范德华作用; 3 ) 色散力; 4 ) 偶极一 偶极相互作用; 5 ) 电 荷转移相互作用; 6 ) 静电 相互作用; 7 ) 氢键; 8 ) 疏水作用. 当然，还必须考虑嫡的影响。在真空中，客体进入空腔，运动自由度和构象状 态数减少，从而使嫡值降低，这个嫡值的降低必须由主客体之间的某些相互作用导 致能量降低而得到补偿，从而使整个过程的自由能下降，使过程可以自发进行。而 在水溶液中，客体进入空腔时还要考虑由于需要先卸掉周围原有的水分子，墒值减 少，而空腔中的水分子被逐出，嫡值增加所产生的效应。同时，在客体进入空腔 时， 环糊精自 身的构型也会因匹配作用的需要而发生一定的改变。 由于环糊精分子的这种结构特点，即其空腔中能够包结各种有机分子，因此在 诸多方面得到了广泛的应用。例如，利用环糊精对光或氧气敏感物质、香料、药物 以及一些毒性物质进行包合和密封;利用有机物和环糊精的包合物进行选择性有机 反应和有机合成;利用环糊精键合的高聚物进行凝胶色谱以及对映体的分离等等。 环糊精应用研究中最典型的成就就是在 “ 酶模型”和 “ 人造酶”方面，这方面 研究的主要目的是模拟酶与特定底物结合的能力。这种结合不生成新的共价键，因 而是迅速、可逆并且有选择性的，可用于催化一些重要的化学反应。 正是由于环糊精的广泛应用和开发，使得越来越多的化学家对这一领域产生了 浓厚的兴趣，同时应用计算化学的方法对环糊精的结构、性质等方面做了大量的研 究工 作。 第一 个利 用分子力学方 法进行的 环糊精计算 研究发表于1 9 7 0 年 3 0 1 ，当 时的 a - c d的x - r a y 晶 体结 构己 经知 道。 随 着分子 模拟的 硬件和软 件的 不断 发 展， 在理论 上对环糊精结构的研究也在不断的改进和完善着。 对环糊精的理论计算方面，主要涉及两个方面的内容，一是对单独的主体分子 的结构研究;另一个是对主一 客体配合物的的各方面性质的研究计算。早期的有关环 糊精理论计算主要是为了 对其结构有更深的认识和了 解3 1- 3 2 1 。 随 着环糊精理论研究 的不断深入，应用分子力学的方法对其构象分析以 及溶剂的影响等方面进行了大量 的 研究工作3 3 - 3 5 1 。 在环 糊精主体分子的 计 算研究当中， 主要是应用了 分子力学的 方 法。对于半经验量子化学方法，尽管其计算精度要高一些，但是由于环糊精分子比 较大， 计算量非常的大， 计算时间也比 较长，因此在计算上受到了 一定的限制3 6 1 由于分子动力学模拟方法可以获得环糊精分子的在一定温度稳定构象并可以用 来模拟其在溶剂中的 情况，因而也得到了 很大的发展【 3 7 -3 9 1 事实上，对于环糊精的计算研究大多数主要集中在主一 客体配合物上，其中包括 分子的形状、能量、包结方向、对客体分子的选择性等，都有比较详细的研究。对 于 环 糊 精 主 一 客 体 配 合 物 的 计 算 研 究k e n n y b . l ip k o w it z 4 0 1 教 授 将 这 部 分内 容 简 洁 地 分成了四个方面进行了归纳总结:结合能量( e n e r g e t ic s o f b i n d in g ) 、主一 客体配合物 的结构( s t ru c t u r e s o f i n c l u d e d c o m p l e x e s ) 、辅助解释光谱的研究( c o m p u t a t i o n a l s t u d i e s a s s i s t i n g i n t e r p r e t a t i o n o f s p e c t r a ) 、分子识别的研究( s t u d i e s i n m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n ) . 但是到目前为止，对环糊精的理论研究还有很多的限制，这主要是因为环糊精 本身是一个相对比较大的分子，在理论计算中，往往需要采取设定一些条件和假 设.由于环糊精及其衍生物分子的大小，使其用量子化学的方法来进行计算是比较 困难的，因为对于环糊精这类柔性较强的大分子来说，有许多的化学键能够旋转， 因而可以产生很多的构象。因此，即使用比较简单的计算方法，如分子力学方法进 曰. . . . . . . . . 行计算也存在着很多的困难，比如如何有效地跨越势垒，来找到一些有意义的能量 极小值构象以及找到最稳定构象等。 在本论文中，为了探讨环糊精作为主体而与手性客体主一 客体配合物之间的弱相 互作用及构象特点，并探索寻找最稳定构象的方法， 我们主要应用分子力学以及分 子动力学方法进行了计算和研究。 1 . 1 . 2 高 分子化学和聚乙 烯性质的 研究 i t ) 相对超分子而言，高分子的概念比较旧，而且与超分子概念强调功能的特点不 同 . 与“ 高 分子” 这个 词 对 应 得 英 语 单 词 有 两 个: h ig h p o ly m e r 和m a c r o m o le c u le , 直译的话分别为高聚物和大分子，按照国际纯粹与应用化学协会( i u p a c ) 的高分子 命名委员会的规定，前者是指组成单元多次重复连接而成的化合物。在一般情况 下，高分子应该是指前一种意义 1 高分子自 二十世纪初被发现以来，虽经过很多学者的研究，但是早期最起关键 作用的 是 s t a u d in g e r 关于 粘度的 研究。 他选用结构简 单的聚甲 醛代替纤维素或淀粉 这些结构比 较复杂的物质; 用聚苯乙 烯代替天然橡胶进行了 研究。结果发现， 通过 共价键把单体连续地连接起来而得到的链状分子具有相当高的粘度， 其粘度与聚合 度成正比。 而后，随着高分子结构的确立，这一事实成了高分子的基本特征。 现在， 在合成纤维、合成橡胶、塑料等方面所使用的树脂合成技术都已 经成熟 了。对各种高分子的个性与特征进行的研究也已经很普遍了. 在讨论链状高分子的行为时，作为真实链的最简单的例子，一般总是举聚乙 烯 体系为例。这时大多把它看成是完全不含分枝与不饱和双键的，分子链长也是整齐 的 理想的 聚次甲 基链 c h 3 ( c h 2 ) c h ; 。 在高 分子 物理 化学性质 研究中， 取聚次甲 基 的简单性在于:其结构单元单一，对称性也好;键是非极性的，因而链段间的相互 作用一般只考虑范德华力就可以了。 另一方面，实际上，聚乙烯的工业制造方法大致有高、中、低压三种，制品也 有种种不同的性质特征，这显然是由于上述方法所得的聚乙烯的物质结构不同所 致。从微观上讲，聚乙烯的分子量可以从一万到数百万不等，分子中除绝大部分是 直线型结构外，也存在由链转移产生的支链及不饱和基团。即便只考虑直链的聚乙 烯，由于聚乙 烯的分子链柔软，可取的空间形态很多，同时有较高的结晶性( 高压法 得到的产品中结晶 度为5 5 - -6 5 %， 低压法得到高密度产品， 结晶 度为8 5 - 9 0 % ) ，可以 设想结晶层间的非晶区也有高度的不均一性，这些是一般使用各种方法对聚乙烯进 行的研究中的问题。 在本论文中，选用了分子动力学模拟方法，来对聚乙烯的在一些方面的性质进 行了模拟研究。 1 . 1 .3 磺酞腺类除草剂 磺 酞脉 类除 草 剂是 美国 杜 邦 ( d u p o n t ) 公司 开 发 成功的， 是 继对 硫磷、 拟除 虫 菊酷后农药发展史上的又一个里程碑。 磺酞jr类除草剂的发现使除草剂的使用剂量 大大减少，它给人们带来了一个超高效农药的新概念。加之它对哺乳动物的低毒 性，使它对环境的影响很小。此类农药的发明，所带来的已 经不单单是减少成本和 提高产量等结果，而且极大地改变了农业的生产经营方式，从而对人类社会产生了 深刻的影响。而且，自 八十年代以来，随着理论化学研究的进展，在世界范围内迅 速形成了 一股研究热潮12 5 1 磺酞脉类除草剂的的典型结构由三部分组成:芳基、 磺酞脉桥及杂环，如图1 .2 所示 ，在决定其总体除草活性上每个部分都起着重要作用。 0 - r 3 l i = n o r c m i , r i = h , c h 3 , c i ( 卜1 , -5 ) b r id . he t e r o 图1 .2 典型磺酞脉类除草剂的结构特点 1 9 “年， 磺酞脉类除草剂活性曾以 扑灭津衍生物( 1 ) 的 形式被首次 报道，到1 9 7 0 年代初， 杜邦公司的g .l e v i tt 博士注意到从4 - 氰基苯胺衍生的磺酞a( i i ) 具有微弱的 植物生长调节活性。在化合物( 1 1 ) 的两个苯环上所进行的修饰未能进一步提高其植物 生长 调节活 性。1 9 7 5 年， l e v i tt 制备了 磺i l w( 1 1 1 ) ， 显示出良 好的 除 草活 性， 从而开 始了 这一 新 领域， 第 一 个商品 化的 产品 是 氛 磺隆 ( iv, g l e a n , d p x - w 4 1 8 9 ) ， 第二 是 甲 磺隆 ( v , a l l y , d p x 一 丁 6 3 7 6 ) ( 如图 1 .3 所示) 。 至目 前为 止， 经 过世界 各国 公 司 的 不懈努力，己 有十几个磺酞 脉除 草剂品 种完成了 商品 化【2 6 -2 7 1 7 丫丫 s o zn h c o n代 c h ( c h 3 ) 2 n n h c h ( c 比h u川 s0 2n h c o n h 邃 j j - c n c h 3 口口 ,j ,f-so 2n hco n h圣 ,c i n ,o c h 3 v r s 0 2 n h c o n h - _ 户 一n-火 o c o o c h 3尸 城 o c h 3n - c h 2 s 0 2 n h c o n h 伏 _ 2 n一 o c h 3 图1 .3磺酞脉发展史上的几个代表性化合物 磺酞脉类除草剂是以植物体内支链氨基酸生物合成中关键的乙酞乳酸合成酶 ( a l s , a c e t o l a c t a t e s y n t h e s e s e n z y m e ) 为 作用靶标。 磺酞脉类除草剂通过抑制乙 酞乳 酸合成酶，使具侧链的氨基酸一撷氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的合成受到抑制，结果 使细胞分裂和植物生长受到抑制，从而达到除草的目 的.所有磺酞腥类除草剂对各 种敏感和耐药植物中的乙酞乳酸合成酶具有相同的作用。因为动物体缺少合成侧链 氨基酸的功能，也就没有乙酞乳酸合成酶靶标，所以磺酞脉类除草剂对动物体的是 低 毒 性 的 (z 7 1 磺酞脉类化合物开辟了除草剂品种发展的新纪元，它使以乙酞乳酸合成酶作为 靶标成为开发超高效除草剂新品种活跃的领域。 由于药物是在溶液起作用的，为了正确了解药物分子的构效关系，因而研究药 物分子在溶液中的行为是极为重要的。而分子动力学模拟方法是研究分子在溶液中 的行为的重要方法之一，所以本论文通过分子动力学模拟方法，研究了磺酞脉类化 合物在溶液中的构象变化情况，以便从一个侧面揭示真实条件下的磺酞脉化合物的 构象情况。 1 . 1 .4 研究的意义 一方面，一般如果用量子化学计算方法或分子力学计算方法直接优化大分子， 往往可能因为有势垒的存在而不能得到最低能量的构象，可以认为是一种 “ 淬火” 过程，使分子冻结在较高能量的构象上。为避免势垒的影响，可以采取一些诸如构 象搜索等方法，来寻找最低能量构象;而利用分子动力学模拟方法使用模拟退火方 法，在一些条件下，也是得到最低能量构象的好方法。 另一方面，在使用各种优化方法，所得到的最低能量的构象，理论上讲都是对 应于 o k条件下的构象。对于某些分子而言，在一定温度下的构象与 o k时的构象有 较大差异，仅研究 o k条件下的构象，将无法准确了解物质的真实性质。使用分子 动力学模拟将能够得到针对于一定温度条件下分子的构象。 本论文即以分子动力学模拟为主线，应用现代分子模拟和计算化学方法，分别 对环糊精分子的主客体分子和聚乙烯高分子材料的中的弱相互作用进行了计算和研 究。 研究的目的在于:一，利用分子动力学模拟和量子化学方法，对环糊精的手性 主客体相互作用等问题进行研究;二，并针对在超分子和高分子体系中利用分子动 力学方法的具体方式进行讨论。 1 .2 论文所应用的 计算化学和分子模拟方法 本论文所涉及的超分子体系和高分子体系都比 较大， 磺酞脉分子分子虽然比 较 小，但是加上溶剂之后，整个溶液体系也是比较大的.有关分子间弱相互作用的量 子化学计算研究只能在小体系上进行，大分子体系中的弱相互作用的量化计算就比 较困难了。主要的计算方法涉及两个方面: 一是通过基于分子动力学模拟的一些方法，寻找体系在一定温度下的平均能 量、能量变化、构象变化和优势构象等参量:二是对一些比 较小的体系下所找到的 构象进行量子化学计算，以得到诸如偶极距等结构性质的表征参量。 1 . 2 . 1 量子化学计算方法 1 9 -2 3 1 1 . 分 子 轨 道 理 论 方 法 7 2 -7 4 1 根据量子力学原理， 分子性质可通过s c h r b d i n g e r 方程来获得: h甲 =e 9 产 . . . . . . . . . . . . 1 . 1 了 其中， h为哈密顿算符， t 为体系针对哈密顿算符的本征函数， e 为本征值， 是 体系的总能量。 在具体应用量子化学方法计算体系能量时，在物理模型方面使用了三个近似: 非相对论近似、 b o rn - o p p e n h e i m e r 近似( 也称绝热近似) 和单电 子近似( 也称轨道近 似) 。 在三个基本近似下， 求解 s c h r 6 d i n g e r 方程时，分子轨道理论计算依据三个基 本方程: h a r t r e e 方程、 h a r t r e e - f o c k 方程和h a r t r e e - f o c k - r o o t h a a n 方程。 在三个基本近似下，使用单 s l a t e r 行列式波函数，推导电子总能量的表示式， 以分子轨道的正交归一为约束条件，对总能量变分，导出满足能量极小的方程，就 是 h f方程， 它是分子轨道理论中最基本的方程。r o o t h a a n方程是在 h f方程基础 上，引 进原子轨道线性组合成分子轨道( l c a o - m o ) 方法， 使 h f方程从积分方程组 转化为线性代数方程，只对分子轨道的系数变分，求解过程大大简化，因此是分子 轨道理论实际计算的基本方程e h a r t r e e - f o r k - r o o t h a a n 方程则是基于自 恰场方法的分 子轨道理论。 分子轨道理论在三个基本近似条件下，仍需要进一步近似，才能实际求解。 2 . 半经验量子化学方法 7 7 l 在求解r o o t h a a n 方程时，会遇到两类积分: i ., = j w r h n v ., d 二 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 .2 ( r s lt u ) = my 1 丛 迎 理 玉 卫 坐 , 竺 w t i)j w ,w , ( 1 ) ( 1 ) w d ,c , d c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . 3 其中包括单中心、双中心、 r , 2 三中心和四中心积分，在应用 s t o函数的情况下， 其中的多中心积分是无法直接转化为单中心积分的，因此计算就非常困难了。为了 适应实际工作的需要，对上述部分积分以经验参数计算拟合，由此形成了半经验量 子 化学 方 法。 根据 对 微分 重叠 ( d i ff e r e n t ia l o v e r l a p ) y /, y /, d r = 匀 v , k不 同 程度的 忽略， 形成一系列半经验计算方法: 1 ) 全 略 微分 重叠c n d o / 2 ( c o m p l e t e n e g l e c t o f d iff e r e n t i a l o v e r l a p ) 2 ) 间 略 微 分 重 叠i n d o ( i n t e r m e d ia t e n e g le c t o f d iff e r e n t ia l o v e r l a p ) 3 ) 改 进的 间 略 微分 重 叠m n n d o / 3 ( m o d if i e d i n d o ) 4 ) 忽略 双原 子 微分 重叠n d d o ( n e g le c t o f d i a t o m ic d i ff e m e t i a l o v e r la p ) 5 ) 改 进的 忽略双原子微分重叠m n d o ( m o d i f i e d n d d o ) 1 0 6 ) a m i ( a u s t in m o d e l 1 ) 对m n d o 进 一 步 修 正 和发 展， 结 果 较 精 确 7 ) p m 3 ( p a r a m e t r i c m e t h o d 3 ) 在a m i 基础上使用不同 参数值 8 ) z i n d o ( z e m e r i n d o ) 可用 来计算 过渡金 属 还有只能 用于计算 共扼体 系的p p p ( p a r r - p a r s i e r - p o p l e ) 法等。 3 . 从 头 计 算 法 ( a b in it i o ) h s 6 1 在前述三个基本近似条件下，不作任何简化严格计算所有积分之后求解h a r t r e e - f o r k - r o o t h a a n 的 方法叫从头计算法。 虽然在将原子轨道用s l a t e r 型波函数( s t o ) 表示 时，对电子云分布的描述较为准确，但是对单中心以上的积分处理困难。而用 g a u s s 函 数 ( g t o ) 做 基函 数时， 则 可以 对各 类积分 一一严 格计算。 因 而在实际 计算 中， s t o 可用g t o 展开进行计算。 从理论上讲.只有用无限多的 g t o函数的线性组合，才能完全拟合 s t o函 数，而在实际计算中，对于不同精度要求，就必须使用相应的近似。另一方面，也 只有无限多的基函数组，才能绝对精确地计算，而同 样要有一些近似: 1 ) 价轨道 基组: 在选择基函 数时， 我 们只 选取一个原子的价电 子轨道作为 基函 数; 2 ) 极小基组: 在选择基函数时，我们不仅选择价电子轨道，也选择所有内 层轨 道; 3 ) 扩展基组:为了 获得更好的计算结果， 基组包括上述轨道外，还包括一些价 电子层外的轨道。 从头算方法是较为精确的计算方法，对于某些体系，甚至可以达到化学精度， 从而除理论化学研究外，也逐渐为实验化学所重视。但是由于仍然存在近似的关 系，基本使用很复杂的基组，也只能达