计算化学的应用省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

计算机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Before1900Boltzmann1957AlderWainwright1/103计算化学的应用2/103化学生物材料3/103在化学中的应用4/1031.验证试验结果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应用5/103经过计算可得到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……6/103化合物性质预测苯甲酸7/103它键长、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光才能发生光分解?8/1039/103势能面图10/103苯甲酸单体不发射荧光，只有磷光苯甲酸光物理性质内转换系间串跃11/103C6H5COOH

C6H6+CO2(1)

C6H5CO+OH(2)

C6H5+COOH(3)苯甲酸光化学性质≥270nmT2紫外光波长:400nm以下,可见光波长:400-760nm,红外光:大于760nm12/10313/103反应机理研究当前研究主要是这类反应区域选择性14/103内部炔烃-区域选择性

15/103Boththedissociativeandassociativemechanismsforthecouplingreactionwerecalculated.16/103内端末端分步机理23.4kcal/mol21.2kcal/molFigureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.17/103内端末端21.5kcal/mol18.7kcal/mol协同机理Figureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.18/103轨道分析-CO2和炔烃耦合反应本质HOMOHOMOLUMOLUMO19/103在生物中的应用20/103应用理论化学硕士物体系已具备条件：（1）分子力学和经典分子动力学模拟已被用于模拟蛋白质、核酸等生物大分子三维结构和构象以及分子动力学行为。（2）线性标度半经验和从头算量子化学方法已能处理生物大分子片段（上千个原子）。（3）量子力学与分子力学相结合组合方法使描述酶活性中心或药品结合部位成为可能。（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快速反应。21/103

经过几十年发展，理论化学方法精度逐步提升、计算方法日趋成熟，可处理体系也越来越大，为硕士物体系中主要科学问题提供了主要工具。

同时，分子生物学发展也迫切需要理论化学研究介入和帮助。22/103生命科学中主要研究方向蛋白质和核酸三维结构预测、动力学及功效主要酶催化反应机理配体-受体相互作用生物体系中电荷传递过程生物体系中光化学反应23/1031.1.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24/103一级结构二级结构三级结构四级结构蛋白质三维结构25/103肽链折叠过程26/103蛋白质折叠过程反演：

折叠蛋白质展开逆过程分子动力学模拟W.Daggett,Acc.Chem.Res.

,35,42227/103溶剂化效应分子动力学模拟：时间尺度长时间模拟(>80ps)短时间模拟(<10ps)VMarkov,etal.Acc.Chem.Res.

,35,376.28/103酶催化反应机理：酶分子结构特点结合部位：酶分子中与底物结合部位区域。催化部位：酶分子中促使底物发生化学改变部位活性中心29/103蛋白质与小分子相互作用--创新药品研究与发觉

从过去相对盲目地大量合成，大量筛选

发展为首先确定药品作用靶分子，在此基础上来设计、筛选药品物分子计算机辅助设计定量构效关系分析(QSAR)成功实例之一：抗癌药品9-苯胺呀啶30/103脑红蛋白和CO结合机理QM/MM研究J.Phys.Chem.B,112,8715-8723.31/1031.主要功效：储存和输送氧气含有血红素球蛋白2.主要组员：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32/103最为大家所熟悉就是肌红蛋白和血红蛋白人体内血红蛋白人体内肌红蛋白

红细胞肌肉组织把新鲜氧气运输到各组织

储存氧气，当机体需要时再释放1.课题背景33/103新近发觉两个蛋白，脑红蛋白(Ngb)和胞红蛋白(Cgb)脑红蛋白(Nature,,407,520-524)1.课题背景34/103胞红蛋白(JBC,,276,25318-25323)1.课题背景35/103EABCDD÷FHG结构上共性：整个蛋白含有八个α-螺旋，分别标识为A－H保守残基：E7，F8，CD11.课题背景36/1031.课题背景CO:O20配体亲和力CO:O225~200配体亲和力为何配体亲和力会发生改变？血红素穴中残基对配体位阻作用血红素穴中残基对配体氢键作用配体结合后多肽扭曲配体亲和力37/103野生型Ngb和Cgb与CO/O2结合机理将会与Mb和Hb显著不一样，而且愈加复杂。Ngb和CgbMb和HbFe配位形式1.课题背景38/103

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

CO结合E7解离分步机理Ngb11.课题背景39/103k(E7结合)k(E7解离)=1.2(Trentetal.JBC,276,30106)=444.4(Dewildeetal.JBC,276,38949)=3000(Kigeretal.IUBMBLife,56,709)Ngb3试验上观察到配体亲和力是很不相同1.课题背景40/103J.Biol,Chem.,276,36377–36382.ClosedOpen4Ngb不一样机理造成结果？？？1.课题背景41/1032.待处理问题即使有几个DFT计算用来处理Mb和CO结合，但据我们所知，只是优化结合物结构，没有机理上研究，而且大部分是模型体系计算。对于Ngb计算，甚至连模型体系计算都没有。

蛋白与配体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？42/1033.研究思绪Ngb-XO(B)NgbImNgb-XO(A)+XO-His64+XO协同机理分步机理43/103计算所采取模型和参考晶体结构模型体系QM部分真实体系XO+NgbPDB编号1q1f：1.5Å分辨率X-rayNgb晶体构型1w92：1.7Å分辨率X-rayNgb-CO晶体构型氢原子因为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。44/103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)计算所采取模型和参考晶体结构45/1034.脑红蛋白和CO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)46/103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结合机理47/103Im-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结合机理48/103QM-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结合机理49/103Fourmainpathways不论是绝热还是非绝热路径，五配位中间物形成是限速步。4.脑红蛋白和CO结合机理50/1034.脑红蛋白和CO结合机理Im-FeP-Im…CO(S)TS-C(S)Im-FeP-CO…Im-B(S)协同机理CO与血红素结合造成周围残基有规律移动。51/103在材料科学中的应用52/1031.计算固体各种性质能带图态密度2.模拟固体吸附气体物理化学行为3.计算设计固体材料结构53/103LST/QST:H2AdsorptiononPd(111)0.054eV0.96eV1.01eV54/10355/103(n,0)zigzagnanotube(n,n)armchairnanotube(n,m)chiralnanotube56/10357/10358/10359/103计算与实验的合作60/103钌催化芳基和烯基叠氮化合物分子内C-H键胺化机理理论研究61/103

1.课题背景金属催化C-H键胺化，是C-N键形成一个主要合成方法，是烃类活化研究热点S.Cenini,E.Gallo,A.Penoni,F.Ragaini,S.Tollari,Chem.Commun.,2265F.Ragaini,A.Penoni,E.Gallo,S.Tollari,C.L.Gotti,M.Lapadula,E.Mangioni,S.Cenini,Chem.Eur.J.,9,249.烷烃62/103然而，烯基和芳基中C-H键胺化是较少被研究M.H.Shen,B.E.Leslie,T.G.Driver,Angew.Chem.Int.Ed.

,47,5056.B.J.Stokes,H.Dong,B.E.Leslie,A.L.Pumphrey,T.G.Driver,J.Am.Chem.Soc.,129,7500.烯基芳基

1.课题背景63/103

2.试验结果廉价易得64/103

2.试验结果65/103反应机理

2.试验结果66/103分步机理18.0kcal/molC-N键形成1,2-H迁移

2.计算结果---验证试验推断反应机理67/103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68/103cis-17和trans-17两种异构体按照1:1百分比混合，反应得到一个异构体18反应按分步机理进行

2.试验结果---验证计算推断分步机理69/103共振式C1和C2

2.计算结果---C-N键形成本质？？70/10371/103共振式---反应机理

亲电进攻

2.计算结果72/103类似电环化反应

2.计算结果73/103TxtTextText从Ｂ到Ｃ是电环化过程

2.计算结果74/103

2.试验结果---验证电环化机理75/10336.5kcal/mol18.0kcal/mol

2.计算结果76/103

2.试验结果---验证电环化机理类似77/103

2.试验结果---验证电环化机理无法形成类似电环化反应机理是正确78/103试验和计算都认为反应是按分步机理进行C-N键形成是类似电环化反应

3.结论79/103常用计算软件的介绍80/103ΨGaussian03计算化学面临挑战是艰巨，但也正在取得很大进展，年轻化学家若对计算机有兴趣话，那末计算化学是含有令人兴奋前景研究领域。

──美国化学会会长R.布里斯罗81/103

Gaussian输入界面82/103NH3几何构型优化输入窗口83/103NH3振动频率计算输入窗口（作为优化后继作业）84/103

Gaussian应用范围Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛量子化学软件，能够研究：分子能量和结构过渡态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，反应路径计算能够模拟在气相和溶液中体系,模拟基态和激发态85/103摘自Gaussian手册分子能量和结构过渡态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86/103

GaussView3.087/103显示Gaussian计算结果分子轨道原子电荷

由电子密度、静电势场、NM