分子模拟在乙硫醇-水溶液中的应用.doc

计算化学期末报告 分子模拟在乙硫醇水溶液中的应用摘要：分子模拟是以计算机为工具，在原子水平上建立分子模型，用来模拟分子的结构和行为，以及模拟分子体系各种物理化学性质等。本文阐述了分子模拟的方法，介绍了主要的模拟和计算软件，及其在各方面的研究。随后将利用基本的分子模拟和计算软件简单模拟了一个乙硫醇分子在水溶液中的分子动力学状况。关键字：分子模拟 Guassian HyperChem CPMD 乙硫醇 水正文一、分子模拟及其分类12分子模拟是以计算机为工具，在原子水平上建立分子模型，用来模拟分子的结构与行为，进而模拟分子体系的各种物理化学性质。具体说来，就是指先利用计算机软件，建立分子模型及分子件作用力方程，然后用统计力学关系对分子进行计算，获得分子及其聚集状态的微观结构信息和宏观物性信息。分子模拟主要包括以下几种方法：1. 量子化学方法通过对分子中电子运动的计算，获得分子的结构及其性质等方面的性质。 量子化学认为微观粒子的运动方程是Schrdinger方程，如果不借助任何经验参数求解Schrdinger方程的方法成为从头计算方法，不过对于大分子或其它多原子体系，从头算需要大量的时间，因此还可以采用半经验计算方法。量子化学可以通过计算阐明分子的构象及分子间相互作用。例如，通过对分子体系的能量计算，得出分子的几何形状、构象等性质；另外还可以进行分子结构的优化计算，因为一般来说，稳定的分子构型是所有可能的结构中能量最小或局域最小的。2. 分子力学方法通过用牛顿力学方法寻找分子平衡构型和能量。 分子力场包括价键和非键相互作用，常用的力场方法是MM2、MM3、Amber、CVFF等，分子力学的计算不考虑电子运动状态，其关键是准确表达分子力场，好的分子力场得到的结果也较好，因此与其它方法相比，分子力学的计算具有简单、运算速度快，处理分子构象等优点，不过目前分子力场仍然不能较好的处理金属和过渡金属体系。3. 分子动力学方法通过在一定系综和已知分子位能函数条件下计算分子间作用力，求解牛顿运动方城，得到体系中各分子微观状态随时间的变化，再将离子位置和动量组成的微观状态时间平均，以求出分子的微观结构和性质，此法也称时间系综法。4. Monte Carlo方法通过在计算机上对随机现象进行模拟，从而得到制定条件下流体的径向分布函数以及内能合压缩因子等热力学性质。一般用于分子聚集体或宏观物系的结构与物理化学性质的求解，而且这需要对相应物理量系综求解其平均值，由于系统的状态数过于庞大，因此利用计算机随即抽取一小部分状态进行模拟得到近似系综值。故此法亦称统计系综法。总的来说，量子化学方法着重研究单个分子的内部状态，分子力学研究的是分子系统静态性质，而对分子集合体或宏观物系则采用分子动力学方法或Monte Carlo方法进行计算。二、常用的分子模拟软件由于分子模拟的计算量很大，因此国外很多公司开发了一系列的计算和模拟软件，以减轻科研人员的工作量和提高效率。表一 常用的分子计算与模拟应用软件1软件名称公司作用HyperChemHypercube量子化学计算、分子力学、分子动力学、随机动力学、蒙特卡罗模拟，支持三维图形显示ChemOfficeCambridgeSoft包括ChemDraw、Chem3D、ChemInfo，可用化学结构式进行化学反应信息数据库查询，能预测13C、1H的NMR图谱和计算分子物性功能GaussianGaussian包括量子化学从头算、密度泛函和半经验方法等计算Alchemy 20003Tripos可以在微机上使用，可显示包括蛋白质和高分子在内的分子结构，并将二维分子结构转化成三维结构；计算分子能量和立体化学性质，计算分子物理化学性质并用图形方式显示结果SYBYLTripos用于蛋白质和核算分子的能量优化，也能将二维分子结构转化成三维结构、具有分子构象搜索和结构性质分析CeriusMSI有强大的分子、晶体、表面与界面、非晶材料设计功能BiosymBiosym与SYBYL相似，具有分子构筑、分子结构优化、构象搜索、分子间相互作用研究、结构性质分析等功能ChemXCDL具有结构解析、分子性质计算、分子间相互作用、结构活性关系等功能三、分子模拟应用分子设计1是分子模拟的一个重要应用，在分子设计过程中，主要采用了一下理论方法与技术，1）分子图形学方法与技术，2）构象搜索分析与匹配技术，3）量子化学计算方法，4）分子力学与动力学方法，5）Monte Carlo模拟方法，6）结构活性与结构性质关系分析方法，7）模式识别方法，8）因子分析方法等。分子设计在药物分子、蛋白质分子、分子自组装、超分子、高分子、材料和催化剂等分子的设计中有着广泛的应用。陈晋等4利用分子模拟设计了mB7AP-exCD40L（融合蛋白），并成功在Pichia pastoris成功表达。杨频等5采用分子模拟方法，在MM2力场下，搭建并优化了手性配合物，Co（phen）2tpphz3和BDNAd(GTCGATCGAC)2的模型，并对其相互作用进行模拟，发现该金属配合物对BDNA有明显的立体选择性。唐静成等6利用Insight II 2000软件模拟了真空条件下PAMAM（聚酰胺胺）树状大分子的空间结构。 丛玉凤等7利用分子力学和分子动力学方法对SBS改性剂与沥青间相溶机理进行研究。冯东东等8通过分子模拟研究高度取向的液晶高分子纤维的微观力学行为，研究了聚合物力学性能的本质。景振华9利用分子模拟方法研究了茂金属催化剂结构与其催化活性及立体选择性的关系，对开发金属催化剂有一定指导意义。分子模拟也可以用于溶液体系的研究中，陈瑶等10利用UNIQUAC缔合模型估算了乙酸苯二乙胺的缔合溶液的相平衡，并将其与实验数据进行比较，发现结果是大致相符的。孙炜等11采用分子动力学方法对室温下不同浓度的NaCl溶液进行了研究，考察了浓度对溶液微观结构和动态性质的影响。周建等研究了不同深度下12及超临界13 NaCl水溶液的微观结构。另外，分子模拟可以在分子水平上研究流体性质，检验和完善热力学模型，李春喜等人14利用正则系综Monte Carlo方法模拟，得到一系列状态下1：1价和2：2价对称电解质模型流体的径向分布函数、压缩因子等实验数据，并考察了体系密度、温度和离子浓度等条件变化对体系性质的影响。不少人研究分子模拟在化学反应机理中的应用。例如，金玉顺等15利用了Chem中的模型模拟了不同体系的异丁烯引发反应及与亲核试剂作用所生成的分子结构，并用Gaussian软件对其可能的分子结构进行计算，研究了六氢吡啶在异丁烯正离子聚合反应中的作用机理。美国也有研究人员16采用半经验和从头算的化学方法研究各种苯酚化合物和甲醛的反应性能，探索了甲醛在苯酚邻位和对位的反应机理。此外，分子模拟技术在石油2、化工17等方面也有着广泛的应用,在此就不再一一叙述。四、乙硫醇水溶液的分子模拟乙硫醇23（Ethanethiol）是一种有蒜臭味的无色挥发性液体，极微溶于水，溶于乙醇、乙醚，用于天然气系统、石油气系统指示机器过热的警告剂，也可用作合成药物等。乙硫醇虽然说是微溶于水，但由于结构与乙醇相似，因此猜测乙硫醇与水应该也存在氢键作用，故下文主要对乙硫醇进行分子动力学模拟，研究乙硫醇与水分子的氢键作用。具体步骤是先用Guassian软件进行乙硫醇与一个水分子的分子结构优化，再利用Hyperchem软件随机加入水分子，最后用CPMD进行分子动力学模拟计算。1、 乙硫醇水分子的结构优化（1）乙硫醇分子的结构优化由于乙硫醇是乙烷其中一个氢被硫取代形成的，因此乙硫醇也有两种构型，先用Guassian软件对这两种构型进行能量计算，计算出其中的稳定构型，才能进行下一步的计算，结果可见下表一：表二 两种乙硫醇分子构型能量比较12构型算法MP2-FC/6-31+G(d,p)MP2-FC-6-31+G(d,p)能量(a.u)-477.167934-477.159075从表一可以看出，构型1的能量明显低于构型2，因此在后面的计算中将选用构型1的分子模型进行计算。（2）、乙硫醇与一个水分子形成氢键的探讨乙硫醇分子与乙醇分子结构接近，而且硫与氧的结构与性质也相近，因此虽然乙硫醇是微溶于水，但它在水溶液中应该也会形成氢键，而且与乙醇类似，有两种不同的氢键形式，一种是乙硫醇上的硫原子与水分子上的氢原子形成硫氢键，另一种是乙硫醇与硫相连的氢原子和水分子上的氧原子形成氢氧键（见图一）。 构型一 硫氢键 构型二 氢氧键 图一 乙硫醇与一个水分子形成两种氢键的比较 下面是运用Guassian软件利用不同的算法优化这两种不同构型，并对它们的能量、偶极矩、氢键键长、氢键能等进行比较。A、计算数据a、硫氢键MethodE (au)Dipole（debye）SH bond()备注Hf/3-21G-549.94511731.67952.667C-S键无法显示Hf/6-31G-552.65957481.48192.684C-S键无法显示B3lyp/6-31G-554.36267371.79352.506C-S键无法显示B3lyp/6-31G+d,p-554.46731931.21962.454正常MP2/6-31G+d,p-553.41662371.43152.464正常 表三 EAB：CH3CH2SH-H2OEACH3CH2SH： -477.1771976 EB：H2O: -76.2339026 E1= EAB- EA- EB=-0.0055235aub、氢氧键表四 EAB：CH3CH2SH-H2OMethodE (au)Dipole（debye）OH bond()备注Hf/3-21G-549.94150122.80362.060C-S键无法显示Hf/6-31G-552.65761794.06222.140C-S键无法显示B3lyp/6-31G-554.36034763.59221.929C-S、S-H键无法显示B3lyp/6-31G+d,p-554.46499803.03592.206正常MP2/6-31G+d,p-553.41428673.52312.180正常EA：CH3CH2SH：-477.1764395 EB：H2O：-76.2345458 E2= EAB- EA- EB=-0.00330114auB、综合结果比较表五 综合结果比较EAB（a.u）E（氢键能）（a.u）H bond ()硫氢键-553.4166237-0.00552352.464氧氢键-553.4142867-0.003301142.180（3）、结果分析从以上三个表格结果可以发现，乙硫醇与水分子间的确存在氢键作用，而且比较两种不同构型能量知道，形成硫氢键（构型一）的乙硫醇和水分子体系的能量和氢键能明显比形成氧氢键（构型二）的体系低，表示前者构型比后者稳定。不过在氢键键长方面，后者键长比前者短，这可能是OH间的作用力比SH强的缘故吧。值得一提的是，在硫氢键体系中，我们同样发现了氧氢键的存在，即水分子上的O原子与CH2中的一个H原子形成氢键，键长约为2.600 左右，即体系中形成了双氢键（见右图二）： 优化后的构型见下图： 图二 构型二双氢键示意图 （1）硫氢键 （2）氧氢键图 三 乙硫醇与水分子Guassian最终优化构型图2、乙硫醇水溶液体系的形成在完成了Guassian计算后，用优化过的两个构型分别进行乙硫醇在水溶液中的分子动力学模拟。但之前，必须利用Hyperchem软件在已经优化过的一个乙硫醇分子与一个水分子模型中加入水分子。模拟胞为立方体，采用周期性边界条件，在大小为888的立方胞中，设定溶质原子与溶剂原子最小距离为1.9，随机加入水分子，结果是分别加入了12个水分子，即最后的体系是1个乙硫醇分子与13个水分子（见图三），密度为0.96。 （1）构型一 （2）构型二图四 乙硫醇水溶液体系（图中有数字的分子是Guassian优化后的构型）3、乙硫醇水溶液分子动力学（1）在乙硫醇水溶液分子动力学模拟中选用的软件是CPMD，CPMD的计算分为两个步骤，首先优化波函数，随后再进行分子动力学模拟，得到的轨迹文件可以看到乙硫醇在水溶液中的动力学情况。整个模拟过程中采用的算法是SG_LDA，时间间隔为1.0106S，体系的温度为300K，压力为0.001，对体系进行2000步，每隔10步收集记录体系中所有原子的速度和位置以供分析。（2）结果讨论A、构型从分子动力学模拟后，在ViewerPro Trial软件中显示氢键时发现，构型一中的乙硫醇与水分子形成了两个氢键，分别是硫与邻近水分子上的氢，另一个是与硫相连的氢与水分子上的氧，这与Gaussian优化结构有差异，这可能是因为CPMD中存在的水分子较多，与硫上的氢形成氢键的几率要大一些，形成双氢键这一性质与乙醇水相似。另外构型二中的乙硫醇与水分子并没有显示出氢键，这可能是因为构型二中的氢键强度较小，故软件无法识别，这一结构也表明了乙硫醇与水分子形成的氢键构型应该是构型一较合理。 （1）构型一 （硫氢键） （2）构型二 （氢氧键） 图六 分子动力学计算结果图 （绿色虚线为氢键）B、能量计算两种构型体系的占据轨道都有62个，共124个电子。表六 构型一各种能量表（能量单位：a.u）TOTAL ENERGY (K+E1+L+N+X)-245.36205685KINETIC ENERGY (K)180.22603739ESELF (S)188.83267939ESR (R)9.87330148LOCAL PSEUDOPOTENTIAL ENERGY (L)-210.98292329N-L PSEUDOPOTENTIAL ENERGY (N)19.58019153EXCHANGE-CORRELATIO N ENERGY (X)-60.54318114ELECTROSTATIC ENERGY (E1=A-S+R)-173.64218135表七 构型二各种能量表（能量单位：a.u）TOTAL ENERGY (K+E1+L+N+X)-245.35319220KINETIC ENERGY (K)180.29066431ESELF (S)188.83267939 ESR (R)9.71417250LOCAL PSEUDOPOTENTIAL ENERGY (L)-210.83739488 N-L PSEUDOPOTENTIAL ENERGY (N)19.60141827 EXCHANGE-CORRELATIO N ENERGY (X)-60.58860809 ELECTROSTATIC ENERGY (E1=A-S+R)-173.81927181 从上述两表可以看出，两种体系的总能量相差不大，不过构型一（即硫氢键构型）较稳定。五、结论本文利用分子模拟软件进行了乙硫醇水溶液间氢键和分子动力学的初步研究，发现一个一硫醇分子与一个水分子形成硫氢键的构型较稳定，而且在此构型下，还水分子上的氧还可以与甲基上的氢形成氧氢键，使此结构更稳定。由于所学不多，故CPMD只做了基本的分子动力学计算，如果想得到更多的信息，可以进行深入的计算。参考文献：1、缪强，化学信息学导论，高等教育出版社，2001；2、曹斌等，分子模拟技术在石油相关领域的应用，化学进展，2004，16（2），291298；3、钱宗才，ALCHEMY2000-新一代化学模拟及分析工具，医学信息，2001，14（10），620621；4、陈晋等，mB7AP-exCD40L融合蛋白的分子设计及其在Pichia pastoris中的表达和生物活性，复旦学报：医学版，2005，32（4），401406；5、杨频等，Co（phen）2tpphz3与BDNA相互作用的分子模拟，化学学报，2001，59（7），10381044；6、唐静成等，PAMAM树状大分子的合成及其计算机模拟 首都医科大学学报 2005，26（2），156158；7、丛玉凤等，分子模拟在SBS改性沥青中的应用，化工学报，2005，56（5），769773；8、冯东东等，分子模拟在高性能聚合物纤维力学性能研究中应用，功能高分子学报，2005，18（1），167172；9、景振华，分