第二章计算化学的应用PPT课件

.,1,计算机的发展,经典力学,量子力学,分子和物质结构问题,分子力学,分子动力学,量子化学,计算化学,1687Newton,Heisenberg1926SchrdingerBorn,1946WestheimerMayer,1927HeitlerLondon,统计力学,Before1900Boltzmann,1957AlderWainwright,.,2,计算化学的应用,.,3,化学生物材料,.,4,在化学中的应用,.,5,1.验证实验结果2.计算结构和性质3.理论预测分子设计4.研究反应机理,计算化学在化学中的应用,.,6,通过计算可得到1.几何结构,分子轨道,电荷密度,偶极矩,生成热,质子亲和势,电离能,电子亲和能,热力学数据,垂直激发能,溶剂化自由能,物质的酸性pKa,芳香性,磁性质等等.2.可计算红外光谱,拉曼光谱,紫外可见光谱,NMR谱,.,7,化合物性质的预测,苯甲酸,.,8,它的键长、键角分别是多少?它有异构体吗?哪个异构体更稳定?光照射后发射荧光还是磷光?需要多少nm的光才能发生光分解?,.,9,.,10,势能面图,.,11,苯甲酸单体不发射荧光，只有磷光,苯甲酸的光物理性质,内转换,系间串跃,.,12,C6H5COOHC6H6+CO2(1)C6H5CO+OH(2)C6H5+COOH(3),苯甲酸的光化学性质,270nm,T2,紫外光波长:400nm以下,可见光波长:400-760nm,红外光:大于760nm,.,13,.,14,反应机理研究,目前的研究主要是这类反应的区域选择性,.,15,内部炔烃-区域选择性,.,16,Boththedissociativeandassociativemechanismsforthecouplingreactionwerecalculated.,.,17,分步机理,23.4kcal/mol,21.2kcal/mol,Figureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A,consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.,.,18,21.5kcal/mol,18.7kcal/mol,协同机理,Figureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A,consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.,.,19,轨道分析-CO2和炔烃耦合反应的本质,HOMO,HOMO,LUMO,LUMO,.,20,在生物中的应用,.,21,应用理论化学研究生物体系已具备的条件：,（1）分子力学和经典分子动力学模拟已被用于模拟蛋白质、核酸等生物大分子的三维结构和构象以及分子的动力学行为。,（2）线性标度的半经验和从头算量子化学方法已能处理生物大分子的片段（上千个原子）。,（3）量子力学与分子力学相结合的组合方法使描述酶的活性中心或药物的结合部位成为可能。,（4）从头算分子动力学方法已开始被应用于模拟生物体系中的快速反应。,.,22,经过几十年的发展，理论化学方法的精度逐渐提高、计算方法日趋成熟，可处理的体系也越来越大，为研究生物体系中的重要科学问题提供了重要工具。,同时，分子生物学的发展也迫切需要理论化学研究的介入和帮助。,.,23,生命科学中的重要研究方向,蛋白质和核酸三维结构预测、动力学及功能重要酶催化反应机理配体-受体相互作用生物体系中的电荷传递过程生物体系中光化学反应,.,24,1.1.蛋白质和核酸三维结构预测,蛋白质基本单元：氨基酸及肽链,肽链,.,25,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,蛋白质的三维结构,.,26,肽链折叠过程,.,27,蛋白质折叠过程的反演：折叠的蛋白质展开逆过程的分子动力学模拟,W.Daggett,Acc.Chem.Res.2002,35,422,.,28,溶剂化效应的分子动力学模拟：时间尺度,长时间模拟(80ps),短时间模拟(10ps),VMarkov,etal.Acc.Chem.Res.2002,35,376.,.,29,酶催化反应机理：酶分子的结构特点,结合部位：酶分子中与底物结合的部位区域。,催化部位：酶分子中促使底物发生化学变化的部位,活性中心,.,30,蛋白质与小分子相互作用-创新药物的研究与发现从过去相对盲目地大量合成，大量筛选发展为首先确定药物作用的靶分子，在此基础上来设计、筛选药物物分子的计算机辅助设计,定量构效关系分析(QSAR),成功的实例之一：抗癌药物9-苯胺呀啶,.,31,脑红蛋白和CO结合机理的QM/MM研究,J.Phys.Chem.B2008,112,8715-8723.,.,32,1.主要功能：储存和输送氧气,含有血红素的球蛋白,1.课题背景,.,33,最为大家所熟悉的就是肌红蛋白和血红蛋白,人体内的血红蛋白,人体内的肌红蛋白,红细胞,肌肉组织,把新鲜氧气运送到各组织,储存氧气，当机体需要时再释放,1.课题背景,.,34,新近发现的两个蛋白，脑红蛋白(Ngb)和胞红蛋白(Cgb),脑红蛋白(Nature,2000,407,520-524),1.课题背景,.,35,胞红蛋白(JBC,2001,276,25318-25323),1.课题背景,.,36,1.课题背景,.,37,1.课题背景,CO:O220000,配体亲和力,CO:O225200,配体亲和力,配体亲和力,.,38,野生型,Ngb和Cgb与CO/O2结合的机理将会与Mb和Hb明显不同，而且更加复杂。,Ngb和Cgb,Mb和Hb,Fe的配位形式,1.课题背景,.,39,PNAS.2002,99,7992;2004,101,17351;2005,102,8483;2006,103,2469;J.Biol.Chem.2003,278,4919;2004,279,5886;referencestherein.,分步机理,1,1.课题背景,.,40,3,实验上观察到的配体亲和力是很不相同的,1.课题背景,.,41,J.Biol,Chem.2001,276,3637736382.,Closed,Open,4,不同机理导致的结果？,1.课题背景,.,42,2.待解决的问题,虽然有几个DFT计算用来处理Mb和CO的结合，但据我们所知，只是优化结合物的结构，没有机理上的研究，而且大部分是模型体系的计算。对于Ngb的计算，甚至连模型体系的计算都没有。,蛋白与配体的结合是分步还是协同过程，分步过程是不是要考虑绝热还是非绝热机理？,.,43,3.研究思路,Ngb-XO(B),Ngb,Im,Ngb-XO(A),+XO,-His64,+XO,协同机理,分步机理,.,44,计算所采取的模型和参考的晶体结构,模型体系,QM部分,真实体系XO+Ngb,.,45,桔黄色：晶体构型(1q1f)蓝色：Im-FeP-Im.CO(S),桔黄色：晶体构型(1w92)蓝色：Im-FeP-CO.Im-A(S),计算所采取的模型和参考的晶体结构,.,46,4.脑红蛋白和CO的结合机理,协同机理DFT(QM/MM),“Open”,Im-FeP-ImCO(S),TS-C(S),Im-FeP-COIm-B(S),.,47,分步机理DFT(QM/MM),Im-FeP-ImCO(S),Im-FePCOIm(S),TS-S(S),Im-FeP-COIm-A(S),“Closed”,4.脑红蛋白和CO的结合机理,.,48,Im-FeP-ImCO(T),Im-FePCOIm(T),Im-FeP-ImCO(Q),Im-FePCOIm(Q),三重态和五重态上不存在Ngb-CO结合物,分步机理DFT(QM/MM),4.脑红蛋白和CO的结合机理,.,49,QM-6-31G*-PCM(模型-6-31G*),分步机理,协同机理,S/T(1),S/T(2),4.脑红蛋白和CO的结合机理,.,50,Fourmainpathways,不管是绝热还是非绝热途径，五配位中间物的形成是限速步。,4.脑红蛋白和CO的结合机理,.,51,4.脑红蛋白和CO的结合机理,Im-FeP-ImCO(S),TS-C(S),Im-FeP-COIm-B(S),协同机理,CO与血红素的结合导致周围残基有规律的移动。,.,52,在材料科学中的应用,.,53,1.计算固体各种性质能带图态密度2.模拟固体吸附气体的物理化学行为3.计算设计固体材料结构,.,54,LST/QST:H2AdsorptiononPd(111),.,55,.,56,(n,0)zigzagnanotube,(n,n)armchairnanotube,(n,m)chiralnanotube,.,57,.,58,.,59,.,60,计算与实验的合作,.,61,钌催化芳基和烯基叠氮化合物分子内C-H键胺化机理的理论研究,.,62,1.课题背景,金属催化的C-H键胺化，是C-N键形成的一个重要合成方法，是烃类活化研究的热点,S.Cenini,E.Gallo,A.Penoni,F.Ragaini,S.Tollari,Chem.Commun.2000,2265,F.Ragaini,A.Penoni,E.Gallo,S.Tollari,C.L.Gotti,M.Lapadula,E.Mangioni,S.Cenini,Chem.Eur.J.2003,9,249.,烷烃,.,63,然而，烯基和芳基中C-H键的胺化是较少被研究的,M.H.Shen,B.E.Leslie,T.G.Driver,Angew.Chem.Int.Ed.2008,47,5056.,B.J.Stokes,H.Dong,B.E.Leslie,A.L.Pumphrey,T.G.Driver,J.Am.Chem.Soc.2007,129,7500.,烯基,芳基,1.课题背景,.,64,2.实验结果,便宜易得,.,65,2.实验结果,.,66,反应机理,2.实验结果,.,67,分步机理,18.0kcal/mol,C-N键形成,1,2-H迁移,2.计算结果-验证实验推断的反应机理,.,68,协同机理,28.0kcal/mol,2.计算结果,从理论计算角度来讲反应主要按分步机理进行,.,69,cis-17和trans-17两种异构体按照1:1比例混合，反应得到一种异构体18,反应按分步机理进行,2.实验结果-验证计算推断的分步机理,.,70,共振式C1和C2,2.计算结果-C-N键形成的本质？,.,71,.,72,共振式-反应机理,亲电进攻,2.计算结果,.,73,类似电环化反应,2.计算结果,.,74,Txt,Text,Text,从到是电环化过程,2.计算结果,.,75,2.实验结果-验证电环化机理,.,76,36.5kcal/mol,18.0kcal/mol,2.计算结果,.,77,2.实验结果-验证电环化机理,类似,.,78,2.实验结果-验证电环化机理,无法形成,类似电环化的反应机理是正确的,.,79,实验和计算都认为反应是按分步机理进行的C-N键的形成是类似电环化的反应,3.结论,.,80,常用计算软件的介绍,.,81,Gaussian03,计算化学面临的挑战是艰巨的，但也正在取得很大的进展，年轻化学家若对计算机有兴趣的话，那末计算化学是具有令人兴奋前景的研究领域。美国化学会会长R.布里斯罗,.,82,Gaussian输入界面,.,83,NH3的几何构型优化输入窗口,.,84,NH3的振动频率计算输入窗口（作为优化的后继作业）,.,85,Gaussian应用范围,Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以研究：,分子能量和结构,过渡态的能量和结构,化学键以及反应能量,分子轨道,偶极矩和多极矩,原子电荷和电势,振动频率，红外和拉曼光谱，NMR,极化率和超极化率,热力学性质，反应路径,计算可以模拟在气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态,.,86,摘自Gaussian手册,分子的能量和结构过渡态的能量和结构振动频率红外和拉曼光谱热化学性质成键和化学反应能量化学反应路径分子轨道原子电荷电多极矩NMR屏蔽和磁化系数振动圆二色性强度电子亲和能和电离势极化和超极化率静电势和电子密度,单分子性质集团性质不可测量性质,.,87,GaussView3.0,.,88,显示Gaussian计算结果,分子轨道,原子电荷,由电子密度、静电势场、NMR屏蔽以及其他性质得到的表面。可以用实体、半透明和网格三种方式显示。,使用不同的颜色来标记不同部分表面的性质,用动画的方式来演示振动频率,用动画的方式来演示几何优化过程、势能面扫描、IRC反应路径,.,89,显示表面,.,90,显示光谱,.,91,显示分子轨道,.,92,显示优化过程及反应途径,Stepsfromageometryoptimizationofbenzene,ThissequencedisplaysaseriesstructuresfromanIntrinsicReactionPath(IRC)calculationofthe1,2hydrogenshiftreactioninwhichformaldehydetransfo