分子力場(chǎng)及其在分子動(dòng)力學(xué)模擬中的應(yīng)用

1、分子立場(chǎng)及其在分子動(dòng)力學(xué)模擬中的應(yīng)用分子力場(chǎng)及其在分子動(dòng)力學(xué)模擬中的應(yīng)用分子力場(chǎng)及其在分子動(dòng)力學(xué)模擬中的應(yīng)用一分子模擬的概述分子模擬的概述自從20世紀(jì)量子力學(xué)的快速發(fā)展后，幾乎有關(guān)分子的一切性質(zhì)，如結(jié)構(gòu)、構(gòu)想、偶極矩、電離能、電子親和力、電子密度等，皆可由量子力學(xué)計(jì)算獲得。計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往想當(dāng)吻合，并且可由分析計(jì)算的結(jié)果得到一些實(shí)驗(yàn)無法獲得的資料，有助于對(duì)實(shí)際問題的了解。與實(shí)驗(yàn)相比較，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算研究化學(xué)有下列幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：（1）成本降

2、低；（2）增加安全性；（3）可研究極快速的反應(yīng)或變化；（4）得到較佳的準(zhǔn)確度；（5）增進(jìn)對(duì)問題的了解?；谶@些原因，分子的量子力學(xué)計(jì)算子1970年后逐漸受到重視。利用計(jì)算先行了解分子的特性，一成為合成化學(xué)家和藥物設(shè)計(jì)學(xué)家所依賴的重要方法?；瘜W(xué)家們借此可設(shè)計(jì)出最佳的反應(yīng)途徑，預(yù)測(cè)合成的可能性，并評(píng)估所欲合成的分子的適用性，節(jié)省許多時(shí)間和避免材料的浪費(fèi)。以歐美的許多大型藥廠為例，在采用計(jì)算以前，合成新藥的成功率約為17%20%，但自從198

3、0年后，由于在合成前先利用計(jì)算預(yù)測(cè)，其成功率已提高到50%60%。圖一為1955年美國(guó)化學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)庫（ACSdatabase）所作的統(tǒng)計(jì)圖。圖中的縱坐標(biāo)為引用計(jì)算機(jī)計(jì)算程序報(bào)告所占的比例，橫坐標(biāo)為年份。由圖中可清楚看出計(jì)算受重視的程度逐年增加。圖一美國(guó)化學(xué)會(huì)所發(fā)表的計(jì)算機(jī)計(jì)算在化學(xué)報(bào)告中的比例分子動(dòng)力模擬（MD），是時(shí)下最廣泛為人采用的計(jì)算龐大復(fù)雜系統(tǒng)的方法。自1970年起，由于分子力學(xué)的發(fā)展迅速，人們又系統(tǒng)地建立了許多適用于生化分子體系

4、、聚合物、金屬與非金屬材料的力場(chǎng)，使得計(jì)算復(fù)雜體系的結(jié)構(gòu)與一分子立場(chǎng)及其在分子動(dòng)力學(xué)模擬中的應(yīng)用5）離平面振動(dòng)項(xiàng)分子中有些部分的原子有共平面的傾向，碳原子與氧原子的平衡位置位于共同平面。這些原子有形成共平面的傾向，通常共平面的四個(gè)原子的中心原子離平面小幅度振動(dòng)。描述此種振動(dòng)的勢(shì)能項(xiàng)稱為離平面振動(dòng)項(xiàng)。6）庫倫作用項(xiàng)離子或分子中的原子帶有部分電荷，則這些帶電荷的粒子間存在靜電吸引或排斥作用。描述靜電作用的勢(shì)能項(xiàng)為昆侖作用項(xiàng)。圖二綜合顯示分子

5、中勢(shì)能的各種作用項(xiàng)。圖二綜合顯示分子中勢(shì)能的各種作用項(xiàng)2.2力場(chǎng)作用項(xiàng)的一般式力場(chǎng)作用項(xiàng)的一般式計(jì)算非鍵結(jié)作用，通常將原子視為位于其原子核坐標(biāo)的一點(diǎn)。一般力場(chǎng)中最常見的非鍵結(jié)勢(shì)能形式為lennardjones（LJ）勢(shì)能。此種勢(shì)能又稱為126勢(shì)能，其數(shù)學(xué)式為])()[(4)(612rrrU?????式中，r為原子對(duì)間的距離；ε與σ為勢(shì)能參數(shù)，因原子的種類而異。鍵伸縮勢(shì)能項(xiàng)之一般形式為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，即：20)(21iiibbrrkU???式中