计算化学的应用课件

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1687NewtonHeisenberg1926

SchrÖdingerBorn

1946WestheimerMayer1927HeitlerLondon统计力学Before1900Boltzmann1957AlderWainwright1编辑版pppt经典力学量子力学分子力学分子动力学量子化学计算化学1687计算化学的应用2编辑版pppt计算化学的应用2编辑版pppt化学生物材料3编辑版pppt化学3编辑版pppt在化学中的应用4编辑版pppt在化学中的应用4编辑版pppt1.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5编辑版pppt1.验证实验结果计算化学在化学中的应用5编辑版pppt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……6编辑版pppt通过计算可得到6编辑版pppt化合物性质的预测苯甲酸7编辑版pppt化合物性质的预测苯甲酸7编辑版pppt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?8编辑版pppt它的键长、键角分别是多少?8编辑版pppt9编辑版pppt9编辑版pppt势能面图10编辑版pppt势能面图10编辑版pppt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11编辑版pppt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C6H5COOHC6H6+CO2(1)C6H5CO+OH(2)C6H5+COOH(3)苯甲酸的光化学性质≥270nmT2紫外光波长:400nm以下,可见光波长:400-760nm,红外光:大于760nm12编辑版ppptC6H5COOHC6H6+CO213编辑版pppt13编辑版pppt反应机理研究目前的研究主要是这类反应的区域选择性14编辑版pppt反应机理研究目前的研究主要是这类反应的区域选择性14编辑版p内部炔烃-区域选择性

15编辑版pppt内部炔烃-区域选择性15编辑版ppptBoththedissociativeandassociativemechanismsforthecouplingreactionwerecalculated.16编辑版ppptBoththedissociativeandasso内端末端分步机理23.4kcal/mol21.2kcal/molFigureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.17编辑版pppt内端末端分步机理23.4kcal/mol21.2kcal/m内端末端21.5kcal/mol18.7kcal/mol协同机理Figureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.18编辑版pppt内端末端21.5kcal/mol18.7kcal/mol协同轨道分析-CO2和炔烃耦合反应的本质HOMOHOMOLUMOLUMO19编辑版pppt轨道分析-CO2和炔烃耦合反应的本质HOMOHOMOLUMO在生物中的应用20编辑版pppt在生物中的应用20编辑版pppt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。21编辑版pppt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

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。22编辑版pppt经过几十年的发展，理论化学方法的精度逐渐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23编辑版pppt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24编辑版pppt1.1.蛋白质和核酸三维结构预测蛋白质基本单元：氨基酸及肽一级结构二级结构三级结构四级结构蛋白质的三维结构25编辑版pppt一级结构二级结构三级结构四级结构蛋白质的三维结构25编辑版p肽链折叠过程26编辑版pppt肽链折叠过程26编辑版pppt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.

2002,35,42227编辑版pppt蛋白质折叠过程的反演：W.Daggett,Acc.Ch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.

2002,35,376.28编辑版pppt溶剂化效应的分子动力学模拟：时间尺度长时间模拟(>80ps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29编辑版pppt酶催化反应机理：酶分子的结构特点结合部位：催化部位：活性中心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30编辑版pppt蛋白质与小分子相互作用--定量构效关系分析(QSAR)成功脑红蛋白和CO结合机理的QM/MM研究J.Phys.Chem.B2008,112,8715-8723.31编辑版pppt脑红蛋白和CO结合机理的QM/MM研究J.Phys.Ch1.主要功能：储存和输送氧气含有血红素的球蛋白2.主要成员：肌红蛋白(Mb)血红蛋白(Hb)脑红蛋白(Ngb)胞红蛋白(Cgb)1.课题背景32编辑版pppt1.主要功能：含有血红素2.主要成员：1.课题背景32编辑版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33编辑版pppt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34编辑版pppt新近发现的两个蛋白，脑红蛋白(Ngb)和胞红蛋白(Cgb)脑胞红蛋白(JBC,2001,276,25318-25323)1.课题背景35编辑版pppt胞红蛋白(JBC,2001,276,25318-EABCDD÷FHG结构上的共性：整个蛋白含有八个α-螺旋，分别标记为A－H保守残基：E7，F8，CD11.课题背景36编辑版ppptEABCDD÷FHG结构上的共性：1.课题背景36编辑版pp1.课题背景CO:O220000配体亲和力CO:O225~200配体亲和力为什么配体亲和力会发生改变？血红素穴中残基对配体的位阻作用血红素穴中残基对配体的氢键作用配体结合后多肽的扭曲配体亲和力37编辑版pppt1.课题背景CO:O220000配体亲和力CO:O225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CgbMb和HbFe的配位形式1.课题背景38编辑版pppt野生型Ngb和Cgb与CO/O2结合的机理将会与Mb和Hb明

PNAS.2002,99,7992;2004,101,17351;2005,102,8483;2006,103,2469;J.Biol.Chem.2003,278,4919;2004,279,5886;referencestherein.

CO结合E7解离分步机理Ngb11.课题背景39编辑版ppptPNAS.2002,99,7992;k(E7结合)k(E7解离)=1.2(Trentetal.JBC2001,276,30106)=444.4(Dewildeetal.JBC2001,276,38949)=3000(Kigeretal.IUBMBLife2004,56,709)Ngb3实验上观察到的配体亲和力是很不相同的1.课题背景40编辑版ppptk(E7结合)k(E7解离)=1.2(TrenteJ.Biol,Chem.2001,276,36377–36382.ClosedOpen4Ngb不同机理导致的结果？？？1.课题背景41编辑版ppptJ.Biol,Chem.2001,276,36372.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？42编辑版pppt2.待解决的问题虽然有几个DFT计算用来处理Mb和CO的结3.研究思路Ngb-XO(B)NgbImNgb-XO(A)+XO-His64+XO协同机理分步机理43编辑版pppt3.研究思路Ngb-XO(B)NgbImNgb-XO(A)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+NgbPDB编号1q1f：1.5Å分辨率的X-rayNgb晶体构型1w92：1.7Å分辨率的X-rayNgb-CO晶体构型氢原子由于晶体构型中没有氢原子，我们用分子动力学软件加入且进行简单优化。44编辑版pppt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45编辑版pppt桔黄色：晶体构型(1q1f)桔黄色：晶体构型(1w92)计算4.脑红蛋白和CO的结合机理协同机理DFT(QM/MM)“Open”Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-B(S)46编辑版pppt4.脑红蛋白和CO的结合机理协同机理DFT(QM/MM)“分步机理DFT(QM/MM)Im-FeP-Im…CO(S)Im-FeP…CO…Im(S)TS-S(S)Im-FeP-CO…Im-A(S)“Closed”4.脑红蛋白和CO的结合机理47编辑版pppt分步机理DFT(QM/MM)Im-FeP-Im…CO(S)Im-FeP-Im…CO(T)Im-FeP…CO…Im(T)Im-FeP-Im…CO(Q)Im-FeP…CO…Im(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48编辑版ppptIm-FeP-Im…CO(T)Im-FeP…CO…Im(T)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49编辑版ppptQM-6-31G**-PCM(模型-6-31G**)分步机理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50编辑版ppptFourmainpathways不管是绝热还是非绝热途径4.脑红蛋白和CO的结合机理Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-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。51编辑版pppt4.脑红蛋白和CO的结合机理Im-FeP-Im…CO(S)T在材料科学中的应用52编辑版pppt在材料科学中的应用52编辑版pppt1.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53编辑版pppt1.计算固体各种性质能带图态密度53编辑版ppptLST/QST:H2AdsorptiononPd(111)0.054eV0.96eV1.01eV54编辑版ppptLST/QST:H2AdsorptiononPd(55编辑版pppt55编辑版pppt(n,0)zigzagnanotube(n,n)armchairnanotube(n,m)chiralnanotube56编辑版pppt(n,0)zigzagnanotube(n,n)ar57编辑版pppt57编辑版pppt58编辑版pppt58编辑版pppt59编辑版pppt59编辑版pppt计算与实验的合作60编辑版pppt计算与实验的合作60编辑版pppt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61编辑版pppt钌催化芳基和烯基叠氮化合物61编辑版pppt

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.2000,2265F.Ragaini,A.Penoni,E.Gallo,S.Tollari,C.L.Gotti,M.Lapadula,E.Mangioni,S.Cenini,Chem.Eur.J.2003,9,249.烷烃62编辑版pppt1.课题背景金属催化的C-H键胺化，是C-N键形成的然而，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63编辑版ppptM.H.Shen,B.E.Leslie,T.G

2.实验结果便宜易得64编辑版pppt2.实验结果便宜易得64编辑版pppt

2.实验结果65编辑版pppt2.实验结果65编辑版pppt反应机理

2.实验结果66编辑版pppt2.实验结果66编辑版pppt分步机理18.0kcal/molC-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67编辑版pppt18.0kcal/molC-N键形成1,2-H迁移2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68编辑版pppt28.0kcal/mol2.计算结果从理论计算角度来讲68cis-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69编辑版ppptcis-17和trans-17两种异构体按照1:1比例混合，共振式C1和C2

2.计算结果---C-N键形成的本质？？70编辑版pppt2.计算结果---C-N键形成的本质？？70编辑版pppt71编辑版pppt71编辑版pppt共振式---反应机理

亲电进攻

2.计算结果72编辑版pppt亲电进攻2.计算结果72编辑版pppt类似电环化反应

2.计算结果73编辑版pppt类似电环化反应2.计算结果73编辑版ppptTxtTextText从Ｂ到Ｃ是电环化过程

2.计算结果74编辑版ppptTxtTextText从Ｂ到Ｃ是电环化过程2.计算结果74

2.实验结果---验证电环化机理75编辑版pppt2.实验结果---验证电环化机理75编辑版pppt36.5kcal/mol18.0kcal/mol

2.计算结果76编辑版pppt36.5kcal/mol18.0kcal/mol2.计算结

2.实验结果---验证电环化机理类似77编辑版pppt2.实验结果---验证电环化机理类似77编辑版pppt

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78编辑版pppt2.实验结果---验证电环化机理无法形成类似电环化的反应机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79编辑版pppt3.结论79编辑版pppt常用计算软件的介绍80编辑版pppt常用计算软件的介绍80编辑版ppptΨGaussian03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81编辑版ppptΨGaussian03计算化学面临的挑战是艰巨的，但也正在取

Gaussian输入界面82编辑版ppptGaussian输入界面82编辑版ppptNH3的几何构型优化输入窗口83编辑版ppptNH3的几何构型优化输入窗口83编辑版ppptNH3的振动频率计算输入窗口（作为优化的后继作业）84编辑版ppptNH3的振动频率计算输入窗口（作为优化的后继作业）84编辑版

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85编辑版ppptGaussian应用范围Gaussian是做半经摘自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86编辑版pppt摘自Gaussian手册分子的能量和结构单分子性质86

GaussView3.087编辑版ppptGaussView3.087编辑版pppt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88编辑版pppt显示Gaussian计算结果分子轨道原子电荷由电子密

显示表面89编辑版pppt显示表面89编辑版pppt

显示光谱90编辑版pppt显示光谱90编辑版pppt

显示分子轨道91编辑版pppt显示分子轨道91编辑版pppt

显示优化过程及反应途径StepsfromageometryoptimizationofbenzeneThissequencedisplaysaseriesstructuresfromanIntrinsicReactionPath(IRC)calculationofthe1,2hydrogenshiftreactioninwhichformaldehydetransformsintotranshydroxycarbene92编辑版pppt显示优化过程及反应途径StepsfromaHyperChemThatmakegoodchemistry93编辑版ppptHyperChemThatmakegoodchemis构建分子模型及优化构型94编辑版pppt构建分子模型及优化构型94编辑版pppt二面角键角键长95编辑版pppt二面角键角键长95编辑版pppt球模型球棍模型管状模型混合模型96编辑版pppt球模型球棍模型管状模型混合模型96编辑版ppptDatabasesCrystalDNA97编辑版ppptDatabasesCrystalDNA97编辑版ppptDatabasesPolymers98编辑版ppptDatabasesPolymers98编辑版pppt理论方法99编辑版pppt理论方法99编辑版pppt3D表面3D静电势表面3D总电荷密度2D静电势表面Property100编辑版pppt3D表面3D静电势表面3D总电荷密度2D静电势表面POrbital101编辑版ppptOrbital101编辑版ppptElectronicSpectrum102编辑版ppptElectronicSpectrum102编辑版ppptMolecularDynamics103编辑版ppptMolecularDynamics103编辑版pppt感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！104感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，104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1687NewtonHeisenberg1926

SchrÖdingerBorn

1946WestheimerMayer1927HeitlerLondon统计力学Before1900Boltzmann1957AlderWainwright105编辑版pppt经典力学量子力学分子力学分子动力学量子化学计算化学1687计算化学的应用106编辑版pppt计算化学的应用2编辑版pppt化学生物材料107编辑版pppt化学3编辑版pppt在化学中的应用108编辑版pppt在化学中的应用4编辑版pppt1.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109编辑版pppt1.验证实验结果计算化学在化学中的应用5编辑版pppt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……110编辑版pppt通过计算可得到6编辑版pppt化合物性质的预测苯甲酸111编辑版pppt化合物性质的预测苯甲酸7编辑版pppt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?112编辑版pppt它的键长、键角分别是多少?8编辑版pppt113编辑版pppt9编辑版pppt势能面图114编辑版pppt势能面图10编辑版pppt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115编辑版pppt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C6H5COOHC6H6+CO2(1)C6H5CO+OH(2)C6H5+COOH(3)苯甲酸的光化学性质≥270nmT2紫外光波长:400nm以下,可见光波长:400-760nm,红外光:大于760nm116编辑版ppptC6H5COOHC6H6+CO2117编辑版pppt13编辑版pppt反应机理研究目前的研究主要是这类反应的区域选择性118编辑版pppt反应机理研究目前的研究主要是这类反应的区域选择性14编辑版p内部炔烃-区域选择性

119编辑版pppt内部炔烃-区域选择性15编辑版ppptBoththedissociativeandassociativemechanismsforthecouplingreactionwerecalculated.120编辑版ppptBoththedissociativeandasso内端末端分步机理23.4kcal/mol21.2kcal/molFigureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.121编辑版pppt内端末端分步机理23.4kcal/mol21.2kcal/m内端末端21.5kcal/mol18.7kcal/mol协同机理Figureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.122编辑版pppt内端末端21.5kcal/mol18.7kcal/mol协同轨道分析-CO2和炔烃耦合反应的本质HOMOHOMOLUMOLUMO123编辑版pppt轨道分析-CO2和炔烃耦合反应的本质HOMOHOMOLUMO在生物中的应用124编辑版pppt在生物中的应用20编辑版pppt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。125编辑版pppt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

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。126编辑版pppt经过几十年的发展，理论化学方法的精度逐渐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127编辑版pppt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128编辑版pppt1.1.蛋白质和核酸三维结构预测蛋白质基本单元：氨基酸及肽一级结构二级结构三级结构四级结构蛋白质的三维结构129编辑版pppt一级结构二级结构三级结构四级结构蛋白质的三维结构25编辑版p肽链折叠过程130编辑版pppt肽链折叠过程26编辑版pppt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.

2002,35,422131编辑版pppt蛋白质折叠过程的反演：W.Daggett,Acc.Ch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.

2002,35,376.132编辑版pppt溶剂化效应的分子动力学模拟：时间尺度长时间模拟(>80ps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133编辑版pppt酶催化反应机理：酶分子的结构特点结合部位：催化部位：活性中心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134编辑版pppt蛋白质与小分子相互作用--定量构效关系分析(QSAR)成功脑红蛋白和CO结合机理的QM/MM研究J.Phys.Chem.B2008,112,8715-8723.135编辑版pppt脑红蛋白和CO结合机理的QM/MM研究J.Phys.Ch1.主要功能：储存和输送氧气含有血红素的球蛋白2.主要成员：肌红蛋白(Mb)血红蛋白(Hb)脑红蛋白(Ngb)胞红蛋白(Cgb)1.课题背景136编辑版pppt1.主要功能：含有血红素2.主要成员：1.课题背景32编辑版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137编辑版pppt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138编辑版pppt新近发现的两个蛋白，脑红蛋白(Ngb)和胞红蛋白(Cgb)脑胞红蛋白(JBC,2001,276,25318-25323)1.课题背景139编辑版pppt胞红蛋白(JBC,2001,276,25318-EABCDD÷FHG结构上的共性：整个蛋白含有八个α-螺旋，分别标记为A－H保守残基：E7，F8，CD11.课题背景140编辑版ppptEABCDD÷FHG结构上的共性：1.课题背景36编辑版pp1.课题背景CO:O220000配体亲和力CO:O225~200配体亲和力为什么配体亲和力会发生改变？血红素穴中残基对配体的位阻作用血红素穴中残基对配体的氢键作用配体结合后多肽的扭曲配体亲和力141编辑版pppt1.课题背景CO:O220000配体亲和力CO:O225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CgbMb和HbFe的配位形式1.课题背景142编辑版pppt野生型Ngb和Cgb与CO/O2结合的机理将会与Mb和Hb明

PNAS.2002,99,7992;2004,101,17351;2005,102,8483;2006,103,2469;J.Biol.Chem.2003,278,4919;2004,279,5886;referencestherein.

CO结合E7解离分步机理Ngb11.课题背景143编辑版ppptPNAS.2002,99,7992;k(E7结合)k(E7解离)=1.2(Trentetal.JBC2001,276,30106)=444.4(Dewildeetal.JBC2001,276,38949)=3000(Kigeretal.IUBMBLife2004,56,709)Ngb3实验上观察到的配体亲和力是很不相同的1.课题背景144编辑版ppptk(E7结合)k(E7解离)=1.2(TrenteJ.Biol,Chem.2001,276,36377–36382.ClosedOpen4Ngb不同机理导致的结果？？？1.课题背景145编辑版ppptJ.Biol,Chem.2001,276,36372.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？146编辑版pppt2.待解决的问题虽然有几个DFT计算用来处理Mb和CO的结3.研究思路Ngb-XO(B)NgbImNgb-XO(A)+XO-His64+XO协同机理分步机理147编辑版pppt3.研究思路Ngb-XO(B)NgbImNgb-XO(A)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+NgbPDB编号1q1f：1.5Å分辨率的X-rayNgb晶体构型1w92：1.7Å分辨率的X-rayNgb-CO晶体构型氢原子由于晶体构型中没有氢原子，我们用分子动力学软件加入且进行简单优化。148编辑版pppt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149编辑版pppt桔黄色：晶体构型(1q1f)桔黄色：晶体构型(1w92)计算4.脑红蛋白和CO的结合机理协同机理DFT(QM/MM)“Open”Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-B(S)150编辑版pppt4.脑红蛋白和CO的结合机理协同机理DFT(QM/MM)“分步机理DFT(QM/MM)Im-FeP-Im…CO(S)Im-FeP…CO…Im(S)TS-S(S)Im-FeP-CO…Im-A(S)“Closed”4.脑红蛋白和CO的结合机理151编辑版pppt分步机理DFT(QM/MM)Im-FeP-Im…CO(S)Im-FeP-Im…CO(T)Im-FeP…CO…Im(T)Im-FeP-Im…CO(Q)Im-FeP…CO…Im(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152编辑版ppptIm-FeP-Im…CO(T)Im-FeP…CO…Im(T)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153编辑版ppptQM-6-31G**-PCM(模型-6-31G**)分步机理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154编辑版ppptFourmainpathways不管是绝热还是非绝热途径4.脑红蛋白和CO的结合机理Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-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。155编辑版pppt4.脑红蛋白和CO的结合机理Im-FeP-Im…CO(S)T在材料科学中的应用156编辑版pppt在材料科学中的应用52编辑版pppt1.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157编辑版pppt1.计算固体各种性质能带图态密度53编辑版ppptLST/QST:H2AdsorptiononPd(111)0.054eV0.96eV1.01eV158编辑版ppptLST/QST:H2AdsorptiononPd(159编辑版pppt55编辑版pppt(n,0)zigzagnanotube(n,n)armchairnanotube(n,m)chiralnanotube160编辑版pppt(n,0)zigzagnanotube(n,n)ar161编辑版pppt57编辑版pppt162编辑版pppt58编辑版pppt163编辑版pppt59编辑版pppt计算与实验的合作164编辑版pppt计算与实验的合作60编辑版pppt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165编辑版pppt钌催化芳基和烯基叠氮化合物61编辑版pppt

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.2000,2265F.Ragaini,A.Penoni,E.Gallo,S.Tollari,C.L.Gotti,M.Lapadula,E.Mangioni,S.Cenini,Chem.Eur.J.2003,9,249.烷烃166编辑版pppt1.课题背景金属催化的C-H键胺化，是C-N键形成的然而，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167编辑版ppptM.H.Shen,B.E.Leslie,T.G

2.实验结果便宜易得168编辑版pppt2.实验结果便宜易得64编辑版pppt

2.实验结果169编辑版pppt2.实验结果65编辑版pppt反应机理

2.实验结果170编辑版pppt2.实验结果66编辑版pppt分步机理18.0kcal/molC-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171编辑版pppt18.0kcal/molC-N键形成1,2-H迁移2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172编辑版pppt28.0kcal/mol2.计算结果从理论计算角度来讲68cis-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173编辑版ppptcis-17和trans-17两种异构体按照1:1比例混合，共振式C1和C2

2.计算结果---C-N键形成的本质？？174编辑版pppt2.计算结果---C-N键形成的本质？？70编辑版pppt175编辑版pppt71编辑版pppt共振式---反应机理

亲电进攻

2.计算结果176编辑版pppt亲电进攻2.计算结果72编辑版pppt类似电环化反应

2.计算结果177编辑版pppt类似电环化反应2.计算结果73编辑版ppptTxtTextText从Ｂ到Ｃ是电环化过程

2.计算结果178编辑版ppptTxtTextText从Ｂ到Ｃ是电环化过程2.计算结果74

2.实验结果---验证电环化机理179编辑版pppt2.实验结果---验证电环化机理75编辑版pppt36.5kcal/mol18.0kcal/mol

2.计算结果180编辑版pppt36.5kcal/mol18.0kcal/mol2.计算结

2.实验结果---验证电环化机理类似181编辑版pppt2.实验结果---验证电环化机理类似77编辑版pppt

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182编辑版pppt2.实验结果---验证电环化机理无法形成类似电环化的反应机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183编辑版pppt3.结论79编辑版pppt常用计算软件的介绍184编辑版pppt常用计算软件的介绍80编辑版ppptΨGaussian03计算化学面临的挑战是艰巨的，但也