分子力学方法

关于分子力学方法二、分子力学方法的应用本章主要内容一、分子力学方法简介分子力学方法第2页,共32页，2024年2月25日，星期天

分子力学（MolecularMechanics）

，又叫力场方法（forcefieldmethod），目前广泛地用于计算分子的构象和能量。1.1何谓分子力学

分子力学从本质上说上是能量最小值方法，即在原子间相互作用势的作用下,通过改变粒子分布的几何位型,以能量最小为判据,从而获得体系的最佳结构。一、分子力学方法简介分子力学方法第3页,共32页，2024年2月25日，星期天

在分子内部，化学键都有“自然”的键长值和键角值。分子要调整它的几何形状（构象），以使其键长值和键角值尽可能接近自然值，同时也使非键作用（vanderWaals力）处于最小的状态，给出原子核位置的最佳排布。1.2子的经典力学模型-1946，T.L.Hill

T.L.Hill提出用vanderWaals作用能和键长、键角的变形能来计算分子的能量，以优化分子的空间构型。

分子内部的空间作用是众所周知的：1）基团或原子之间靠近时则相互排斥；2）为了减少这种作用，基团或原子就趋于相互离开，但是这将使键长伸长或键角发生弯曲，又引起了相应的能量升高。最后的构型将是这两种力折衷的结果，并且是能量最低的构型。分子力学方法第4页,共32页，2024年2月25日，星期天分子力学方法第5页,共32页，2024年2月25日，星期天虽然分子力学的思想和方法在40年代就建立起来了，但是直到50年代以后，随着电子计算机的发展，用分子力学来确定和理解分子的结构和性质的研究才越来越多。直到这时，才可以说分子力学已成为结构化学研究的重要方法之一。

1.3分子力学的发展

近几年来，随着现代技术的发展和应用，特别是计算机技术的发展，分子力学方法已不仅能处理一般的中小分子，也不仅主要应用于有机化学领域，而且能处理大分子体系。在其他的一些领域，如生物化学、药物设计、配位化学中，都有了广泛的应用。分子力学方法第6页,共32页，2024年2月25日，星期天1.4分子的空间能(力场的形式)

分子力学从几个主要的典型结构参数和作用力出发来讨论分子结构，即用空间能函数来表示当键长、键角、二面角等结构参数以及非键作用等偏离“理想”值时分子能量（称为空间能，spaceenergy）的变化。采用优化的方法，寻找分子空间能处于极小值状态时分子的构型。分子力学方法第7页,共32页，2024年2月25日，星期天

其中Ec是键的伸缩能，Eb是键角弯曲能，Et是键的二面角扭转能，Enb

是非键作用能，它包括vanderWaals作用能，偶极（电荷）作用能、氢键作用能等。分子的空间能Es可表示为：分子力学方法第8页,共32页，2024年2月25日，星期天

空间能函数描述了各种形式的相互作用力对分子能量的影响，它的有关参数、常数和表达式通常称为力场。分子力学方法第9页,共32页，2024年2月25日，星期天例:COMPASS-98力场(condensed-phaseoptimizedmolecularpotentialsforatomisticsimulationstudies)的表达式如下分子力学方法第10页,共32页，2024年2月25日，星期天1.5力场的参数化

1、分子力学力场的性能即它的计算结果的准确性和可靠性主要取决于势能函数和结构参数。

2、这些有关力常数，结构参数的“本征值”的置定过程称为力场的参数化。

3、参数化的过程要在大量的热力学、光谱学实验数据的基础上进行，有时也需要由量子化学计算的结果提供数据。

4、各类键长、键角的“本征值”一般取自晶体学、电子衍射或其他的谱学数据，键伸缩和角变力常数主要由振动光谱数据确定，扭转力常数经常要从分子内旋转位垒来推算。

5、对于不同的力场不仅力场参数不同，函数形式也可能不同。因此，在将一个力场中的参数应用于另一个力场时应十分小心。

6、一个好的力场不仅能重现已被研究过的实验观察结果，而且能有一定的广泛性，能用于解决未被实验测定过的分子的结构和性质。分子力学方法第11页,共32页，2024年2月25日，星期天

QCFF/PI AWarshel&MlevittMMI/MMPI NLAllingerMM2/MMP2 NLAllingerMM3 NLAllingerECEPP HAScheragaAMBER PKollmanCHARMM MKarplusGROMOS vanGunsterenSYBYL TriposInc.DISCOVER MSIInc.常见的力场及程序分子力学方法第12页,共32页，2024年2月25日，星期天1.6分子结构的优化粗结构能量极小构象分子几何优化E局部极小值问题；鞍点分子力学方法第13页,共32页，2024年2月25日，星期天分子结构的优化输入坐标及连接关系力场选择、作用项、参数能量极小化最终结构与能量其它信息1、首先，给出所计算分子的试探结构。不一定是分子的稳定构象，而且往往不是稳定构象。2、然后，将总空间能Es对所有描述分子构象的变量即分子各原子的三维坐标在一定的范围内求极小值。3、由于数学上只能保证求得局部极小值，即实现局部优化，而不一定能求得全局最小值。所以得到的是在这一构象附近的一相对稳定的构象。4、分子力学常用的优化方法有使用一阶导数的最速下降法和使用二阶导数的Newton-Raphson法。分子力学方法第14页,共32页，2024年2月25日，星期天1、由于只是局部优化，这样的计算只能找到所用的初始构象附近的“最优构象”。所以选择初始构象是非常关键的。

2、若为找到全局能量最低构象，须将所有可能的初始构象分别进行优化，最后进行比较，确定分子体系的最优构象。

3、对于较大的分子，可能的初始构象的数目会随原子数目的增加而急剧增加。在选择初始构象时，应把从基本的化学知识方面考虑是不可能的构象略去。注意:E分子力学方法第15页,共32页，2024年2月25日，星期天一级微商算法最陡下降算法SteepestDescents-SD共轭梯度算法ConjugateGradients-CONJ二级微商算法Newton-RaphsonMethod能量极小化算法最陡下降法：

方向变化大，收敛慢，优化辐度大共轭梯度法收敛快，易陷入局部势阱，对初始结构偏离不大

Newton-Raphson法

计算量较大，当微商小时收敛快能量极小化算法比较分子力学方法第16页,共32页，2024年2月25日，星期天分子力学与量子化学计算相辅相成1、研究对象：

分子力学宜用于对大分子进行构象分析、研究与空间效应密切相关的有机反应机理、反应活性、有机物的稳定性及生物活性分子的构象与活性的关系；

量子力学宜用于对化合物的电子结构、光谱性质、反应能力等涉及电子运动的研究分子力学方法第17页,共32页，2024年2月25日，星期天2、基本原理：

分子力学是经典模型，以原子为“粒子”，按经典力学运动，而量子化学则主要处理对象为电子，其运动服从量子力学规律

量子化学中，电子或原子核间的相互作用服从库仑定律，而分子力学中每对原子之间有一特定的作用势函数，原子不同或者原子虽然相同但所处环境不同，则势函数不同，即使对同一对原子，也无法给出准确的普适势函数。分子力学方法第18页,共32页，2024年2月25日，星期天

在许多情况下，将量子化学计算和分子力学计算结合使用能取得较好的效果。分子力学计算结果可提供量子化学计算所需的分子构象坐标，而量子化学计算结果又给出了分子力学所不能给出的分子的电子性质。

分子力学：当研究对象与所用的分子力学力场参数化基于的分子集合相差甚远时不宜使用，也不能用于人们感兴趣但没有足够多的实验数据的新类型的分子。3、缺陷与不足：量子力学：计算量大，研究的体系小。分子力学方法第19页,共32页，2024年2月25日，星期天

油气田的开发过程中，地层中CO2会对油管、套管以及管线等设备造成严重腐蚀。目前，油气田所采用的管线设备多为碳钢所制，其抗CO2腐蚀性能较差。碳钢在含CO2环境中腐蚀产物主要是FeCO3，沉积在金属表面形成疏松多孔的FeCO3膜。二、分子力学方法的应用分子力学方法第20页,共32页，2024年2月25日，星期天分子力学方法第21页,共32页，2024年2月25日，星期天Therearethreeaspectsimportantinthedeterminationofanappropriateforce-fieldfordeterminingenergychangesthatoccurwhenaninhibitorbindstoamagnetitesurfaceandformsatwodimensionalfilm.Thesearethefollowing:Theforce-fieldshouldaccuratelydescribethestructureofmagnetite.2)Itshoulddescribeinhibitorsurfaceironatominteractionsaccurately.3)Itshoulddescribetheinteractionsbetweeninhibitormoleculesaccurately.分子力学方法第22页,共32页，2024年2月25日，星期天FIGURE1-The(111)millerplaneofFe3O4.ThesurfaceFe2+sitesareinblack.O2-anionsareinwhitewhiletheFe3+areingray.ThehexagonalspacingofsurfaceFe*+sitesishighlightedinthediagram.FIGURE2-Wateronthe(11i)millerplaneofFesOd,Thedistancebetweentheoxygenatomofwaterandam-faceFe*+siteisshowninthediagram.分子力学方法第23页,共32页，2024年2月25日，星期天分子力学方法第24页,共32页，2024年2月25日，星期天IAIB图11-羟乙基-2-十七烷基咪唑啉(IA)和1-氨乙基-2-十七烷基咪唑啉(IB)的优化分子结构Figure1Optimizedmolecularstructures:1-hydroxyethyl-2-heptadecylimidazoline(IA)and1-aminoethyl-2-heptadecylimidazoline(IB).咪唑啉缓蚀剂缓蚀性能的理论研究分子力学方法第25页,共32页，2024年2月25日，星期天IAIBEHOMO=-5.27evEHOMO=-5.10ev图2IA和IB缓蚀剂分子的最高占有轨道，等值面数值为0.02a.u.Figure2Highestoccupiedmolecularorbital(HOMO)withavalueofisosurfaceof0.02a.u.forIAandIB.IAIBELUMO=1.27evELUMO=1.43ev图3IA和IB缓蚀剂分子的最低未占轨道，等值面为0.02a.u.Figure3Lowestunoccupiedmolecularorbital(LUMO)withavalueofisosurfaceof0.02a.u.forIAandIB.2.1分子反应活性的量子化学计算分子力学方法第26页,共32页，2024年2月25日，星期天

分子的反应活性点位可通过Fukui指数来分析，Fukui指数不仅可以测定分子的化学活性点位和强弱，同时还可以确定活性点位的亲核或亲电子的特性。分子原子IA1C-0.287-0.283-0.297-0.0040.0142C-0.290-0.319-0.3480.0290.0293C0.1320.4310.450-0.299-0.0194N-0.530-0.496-0.276-0.034-0.2207N-0.657-0.491-0.277-0.166-0.2148C-0.285-0.289-0.3160.0040.02711C-0.149-0.153-0.1440.004-0.00914O-0.677-0.661-0.622-0.016-0.039IB1C-0.291-0.281-0.297-0.0100.0162C-0.312-0.319-0.3390.0070.0203C0.0790.4290.432-0.350-0.0034N-0.548-0.494-0.301-0.054-0.1937N-0.619-0.496-0.312-0.123-0.1848C-0.256-0.259-0.2830.0030.02411C0.199-0.276-0.2620.475-0.01414N-0.855-0.869-0.7500.014-0.119表1IA和IB分子的Mulliken原子电量和Fukui指数Table1MullikenatomicchargesandFukuiindexforIAandIB分子力学方法第27页,共32页，2024年2月25日，星期天IAIB分子力学方法第28页,共32页，2024年2月25日，星期天IAIB图4IA和IB分子在FeCO3表面的吸附构型Figure4AdsorptionconformationsofinhibitormoleculesonFeCO3surfaceforIAandIB.2.2单分子吸附的分子动力学模拟分子IAIBH2O单分子吸附能(kcal/mol)-84.0-106.0-44.0表2IA、IB和H2O在FeCO3表面的单分子吸附能Table2TheadsorptionenergyofIA、IBandH2OmoleculesonFeCO3surface.分子力学方法第29页,共32页，2024年2月25日，星期天IAIB图5IA和IB分子在FeCO3表面上吸附成膜的侧视图Figure5ThesideviewofIAandIBmonolayeronFeCO3surfaceafteroptimization.2.3吸附成膜的