1、計算機分子模擬文獻綜述淺談計算機分子模擬技術(shù)專業(yè)班級： 應(yīng)用化學(xué)1301班 姓名： 張盼 學(xué)號： 1303030126 任課教師： 趙聯(lián)明 開課時間：2015-2016學(xué)年 第 2 學(xué)期成 績教師簽名淺談計算機分子模擬技術(shù)摘 要： 計算機分子模擬技術(shù)的發(fā)展至今已有半個世紀的 歷史，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于解決各種復(fù)雜化學(xué)和生物學(xué)問題，比如藥物設(shè)計口材料設(shè)計。從分子水平來研究化工過程及產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計,無疑是21 世紀化學(xué)工程的一個重要方向【1】。2013年諾貝爾化學(xué)獎授予給卡普 拉斯、萊維特和瓦謝爾三位美國科學(xué)家以表彰他們在發(fā)展多 尺度模型研究復(fù)雜化學(xué)體系上的貢獻。這次授獎表明對于 今天的化學(xué)家來說計算

2、機分子模擬已和試管實驗同等重要，理論和實踐要密切合作才能解決復(fù)雜問題。關(guān)鍵詞：計算機,分子模擬,應(yīng)用前言：分子模擬是80年代初興起的一種計算機輔助實驗技術(shù)，它利用計算機以原子水平的分子模型來模擬分子的結(jié)構(gòu)與行為，進而模擬分子體系的各種物理化學(xué)性質(zhì)。分子模擬不僅可以模擬分子的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，也可以模擬分子體系的動態(tài)行為 (如氫鍵的締合與解締、吸附、擴散等)。 分子力學(xué)(Molecular Mechanics)模擬基本原理:該方法通過對實驗結(jié)果或者高級計算(密度泛函，從頭算等)結(jié)果進行擬合得到的參數(shù)，以及牛頓經(jīng)典力學(xué)對分子體系進行考察。分子力場主要通過分子內(nèi)部的化學(xué)健以及分子間的非鍵作用來描述。分子的鍵

3、長鍵角調(diào)節(jié)分子的構(gòu)象。通過分子力學(xué)進行幾何優(yōu)化就是通過調(diào)整分子的幾何形狀，使得其健長值和鍵角值盡可能接近標準值，同時調(diào)整分子間距離，使非鍵相互作用處于最小的狀態(tài)。體系的幾何優(yōu)化過程就是改變原子坐標對能量函數(shù)求極小化的過程。這些鍵長、鍵角、二面角以及相應(yīng)的力常數(shù)就稱為力場。不同的力場對能量函數(shù)形式和相應(yīng)的鍵長、鍵角等參數(shù)有不同的定義。因而能準確描述研究體系的力場是分子力學(xué)進行精確計算的前提。有關(guān)系統(tǒng)介紹分子模擬的專著見文獻,近期國內(nèi)外有關(guān)評述性文章見文獻【2】。1.分子模擬的相關(guān)概念1.1 分子模擬的定義 分子模擬，是指利用理論方法與計算技術(shù)，模擬或仿真 HYPERLINK /doc/77854

4、06-8059501.html t /doc/_blank 分子運動的微觀行為，廣泛的應(yīng)用于計算化學(xué)，計算生物學(xué)， HYPERLINK /doc/5765208-5977976.html t /doc/_blank 材料科學(xué)領(lǐng)域，小至單個 HYPERLINK /doc/6550147-6763894.html t /doc/_blank 化學(xué)分子，大至復(fù)雜生物體系或材料體系都可以是它用來研究的對象。1.2 分子模擬的優(yōu)勢利用適當?shù)暮喕瘲l件，將原子間的作用等效為質(zhì)點系的運動，從而避免了求解繁瑣的量子力學(xué)方程。原子的運動遵從牛頓第二定律，質(zhì)點系整體遵從哈密頓原理。與之對應(yīng)，完全從量子力學(xué)出發(fā)進行的

5、原子計算稱為”第一性原理(ab into)計算“。第一性原理計算雖然精度高，但是計算復(fù)雜，難以實現(xiàn)大規(guī)模的模擬。而分子模擬則在保證精度的同時，大大擴展了原子的計算機模擬的使用范圍。第一性原理計算通常不過幾十、幾百個原子，而分子模擬甚至可以實現(xiàn)百萬甚至千萬個原子的運算。1.3 分子模擬的分類 分子模擬的工作可分為兩類：預(yù)測型和解釋型。預(yù)測型工作是對材料進行性能預(yù)測、對過程進行優(yōu)化篩選，進而為實驗提供可行性方案設(shè)計。解釋型工作即通過模擬解釋現(xiàn)象、建立理論、探討機理，從而為實驗奠定理論基礎(chǔ)。計算機分子模擬基本原理2.1 從頭計算法：在 HYPERLINK /view/3881.htm t /view

6、/_blank 量子化學(xué) HYPERLINK /view/280138.htm t /view/_blank 計算中指基于量子力學(xué)基本原理直接求解 HYPERLINK /view/551078.htm t /view/_blank 薛定諤方程的量子化學(xué)計算方法。從頭計算法的特點是沒有經(jīng)驗參數(shù)，并且對體系不作過多的簡化。對各種不同的化學(xué)體系采用基本相同的方法進行計算。目前的從頭計算法包括基于 HYPERLINK /view/6790319.htm t /view/_blank 哈特里?？朔匠痰墓乩锔？朔椒?、在哈特里福克基礎(chǔ)上引入電子相關(guān)作用校正而發(fā)展起來的后哈特里?？朔椒?，以及多組態(tài)多參考態(tài)方

7、法等。與半經(jīng)驗方法相比，從頭計算法精度高，但耗時長。2.2 密度泛函：密度泛函理論(Density Functional Theory，DFT)，是基于量子力學(xué)和玻恩-奧本海默絕熱近似的從頭算方法中的一類解法，與量子化學(xué)中基于分子軌道理論發(fā)展而來的眾多通過構(gòu)造多電子體系波函數(shù)的方法(如Hartree-Fock類方法)不同，這一方法構(gòu)建在一個定理的基礎(chǔ)上:體系的基態(tài)唯一的決定于電子密度的分布(Hohenberg-Kohn定理)，從而使得我們可以采用最優(yōu)化理論，通過KS-SCF自洽迭代求解單電子多體薛定諤方程來獲得電子密度分布，這一操作減少了自由變量的數(shù)量，減小了體系物理量振蕩程度，并提高了收斂速

8、度，并易于通過應(yīng)用HF定理等手段，與分子動力學(xué)模擬方法結(jié)合，構(gòu)成從頭算的分子動力學(xué)方法。這一方法在早期通過與 HYPERLINK /doc/5654980-5867628.html t /doc/_blank 金屬電子論、 HYPERLINK /doc/6904440-7126229.html t /doc/_blank 周期性邊界條件及能帶論的結(jié)合，在金屬、 HYPERLINK /doc/1619052-1711651.html t /doc/_blank 半導(dǎo)體等 HYPERLINK /doc/306464-324444.html t /doc/_blank 固體材料的模擬中取得了較大的成

9、功，后來被推廣到其它若干領(lǐng)域。計算機分子模擬的應(yīng)用3.1 計算機分子模擬在化學(xué)工程中的應(yīng)用 在化工界普遍采用經(jīng)典的電解質(zhì)活度模型以及在電解質(zhì)原始模型平均球近似基礎(chǔ)上建立的狀態(tài)方程【3】。3.1.1 用于研究分子微觀結(jié)構(gòu) 分子模擬是研究分子微觀結(jié)構(gòu)的強有力手段。如在采用TIP3P及TIP位能函數(shù)分別對水和甲醇進行MC 分子模擬時,即可區(qū)分氫鍵締合和非氫鍵締合的分子數(shù),確定分子周圍氫鍵的配位數(shù)分布，從而得出水分子的氫鍵平均締合點數(shù)和甲醇分子的氫鍵平均締合點數(shù)。與此同時,從分子模擬還可得到體系的靜電能、離子偶極能( 即離子水化能)、偶極能以及LJ 色散能等數(shù)值,這些數(shù)值對構(gòu)筑以微擾理論和平均球近似理

10、論為基礎(chǔ)的電解質(zhì)分子熱力學(xué)模型是十分必要的。3.1.2 用于研究相界面分子模擬不僅能測定流體主體內(nèi)分子的近程有序,還能測定汽液界面、液液界面以及氣固、液固界面的分子分布。對純流體垂直于汽液界面的分子密度剖面分布及界面層厚度均可從分子模擬得出的雙曲正切函數(shù)表示【4】,還可用分子模擬獲得界面張力數(shù)據(jù)。也可以采用密度泛函理論與SAFT狀態(tài)方程,采用狀態(tài)方程中的微觀參數(shù)預(yù)測純流體( 含鏈狀分子和氫鍵締合分子) 的表面張力和液液不互溶體系的界面張力。但上述計算僅能獲得鏈節(jié)數(shù)沿垂直界面的分布,不能得出鏈狀分子在界面附近的幾何構(gòu)型,后者必須借助于分子模擬。 3.1.3 用于研究分子擴散性質(zhì) 分子擴散系數(shù)是化

11、工傳質(zhì)過程中最重要的物性參數(shù)之一,目前擴散系數(shù)數(shù)據(jù)的取得主要來自實驗測定或經(jīng)驗公式估算。統(tǒng)計力學(xué)理論計算還很不完善,僅能用于稀薄氣體,而MD分子模擬已成為取得傳遞性質(zhì)數(shù)據(jù)的重要手段及建立理論模型的主要依據(jù)。模型流體( 硬球、方阱以及LJ流體) 的自擴散系數(shù)方程首先是從搜集大量分子動力學(xué)數(shù)據(jù)擬合得到的。后來又在 Enskog 硬球流體方程基礎(chǔ)上, 用MD模擬數(shù)據(jù)分別擬合硬球及硬球鏈流體的校正函數(shù),從而得到可用于實際的球形和鏈狀 LJ 分子( C 原子可達154個) 的自擴散系數(shù)的理論方程。將Enskog的稠密硬球方程與電解質(zhì)原始MSA 相結(jié)合,即可得到電解質(zhì)離子在水中的自擴散系數(shù)方程。【5】3.

12、2 計算機分子模擬在石油工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用3.2.1 在分子篩催化劑研究開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用沸石在分離方面有著重要的地位，而吸附是研究沸石結(jié)構(gòu)的一種方法，雖然關(guān)于沸石吸附的文獻相當多，而費事的擴散性質(zhì)對確定沸石催化劑能達到的優(yōu)異選擇性是十分重要的，缺乏理論根據(jù)的時候則必須通過實驗測定。而分子模擬技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為研究沸石催化及的吸附、擴散性質(zhì)、溫度對擴散系數(shù)的影響、選擇合適的沸石結(jié)構(gòu)以及進行精細調(diào)節(jié)提供了優(yōu)良的工具。對尋找可以用于形態(tài)選擇性反應(yīng)的可能的催化劑這方面的工作來說,一種高效的方法是建立沸石和被吸附分子的計算模型。采用分子圖形法可以很快在計算機屏幕上顯示出各種反應(yīng)物或產(chǎn)品的分子與候選的沸石孔的

13、形狀與尺徑的匹配程度,用量子力學(xué)或分子動力學(xué)研究沸石內(nèi)的分子擴散可以提供對所顯示的分子圖像的證明。 3.2.2 在高分子材料研究開發(fā)領(lǐng)域中的應(yīng)用計算機模擬目前在彈性材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、性能的解析以及預(yù)測方面扮演者越來越重要的角色。比如，對表現(xiàn)出可逆轉(zhuǎn)彈性性質(zhì)的材料的開發(fā)而進行的對凝膠過程的模擬，以充分表征溶膠相的量和構(gòu)成以及凝膠相的結(jié)構(gòu)以預(yù)測它們的模量；對多環(huán)分子的立體構(gòu)象的模擬，尤其是對其“孔徑”的表征，可用以預(yù)測在端連接過程中的捕獲效率；研究共聚物的結(jié)構(gòu)和性能等。3.2.3 在添加劑研究開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用分子模擬技術(shù)在一定程度上可以應(yīng)用于油品添加劑的設(shè)計開發(fā)工作中。油品添加劑的種類和產(chǎn)品很多，隨

14、著工程技術(shù)的進步而提出的要求，油品添加劑的新產(chǎn)品還在不斷涌現(xiàn)，利用分子模擬技術(shù)，可以輔助新產(chǎn)品的開服，也可以預(yù)測其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。尤其是在研究添加劑的結(jié)構(gòu)對性能的影響中，分子模擬技術(shù)顯得尤為重要。3.3 計算機分子模擬技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用3.3.1 蛋白質(zhì)折疊和動力學(xué)模擬 多 n 鏈折疊成規(guī)則 的三維結(jié)構(gòu)是蛋白 質(zhì)發(fā)揮其生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。 在某些情況下蛋白質(zhì)又需要去折咎以 到達作用部位， 比如穿過細胞膜，然后再折登為三維結(jié)構(gòu)。理解蛋內(nèi) 質(zhì)折疊與去折疊過程及機理直是生物學(xué)領(lǐng)域的 個賴，而實驗方法很難實現(xiàn)這一目標。隨著計算能力的提高和物理模勒的發(fā)展，分子模擬技術(shù)為解決這一題提供了可能。蛋白質(zhì)

15、的空間結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為決定了蛋白質(zhì)的生物功能。而試驗中只能給出蛋白質(zhì)的靜態(tài)或者瞬間構(gòu)象，而不能反應(yīng)蛋白子的動態(tài)特征。分子動力學(xué)模擬技術(shù)則可以彌補試驗方法的不足，探尋更大的構(gòu)象空間，捕捉到試驗方法無法觸及的構(gòu)象，從而為研究蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能提供更多有用的信息。3.3.2 酶催化反應(yīng)模擬人體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)條件都很溫和，使得人體幾乎感覺不到，其原因就在于酶的催化作用。酶是生物催化劑，能有效降低反應(yīng)的活化能。酶具有高效性和專一性，對催化的反應(yīng)具有一定的選擇性。弄清楚酶催化反應(yīng)過程，不但有利于深入了解生命的奧秘，更有利于人工改造并和平利用酶到日常生活中。利用計算機分子模擬技術(shù)，模擬酶催化反應(yīng)的作用機理和過

16、程，可以獲得許多影響酶催化反應(yīng)的因素以及提高酶活性手段的信息。3.3.3 藥物分子設(shè)計 酶在生命活動中有著重要作用，但許多酶同時也是藥物作用的靶標，藥物作用于這些靶標時，一般是進攻酶的催化活性位點，作為底物競爭性抑制劑，而這類抑制劑的設(shè)計可以模仿底物的結(jié)構(gòu)特征。利用分子模擬技術(shù)結(jié)合自由能計算的方法，可以分析出抑制劑失活或者活性降低的原因。配體和受體之間的相互識別對于李杰配體的作用機理和受體的生理功能具有重要意義?；谂潴w和受體之間的分子識別機制，利用分子動力學(xué)模擬方法，可以對配體和受體之間的結(jié)合和解離過程進行詳細的動態(tài)表征，從而得到很多有用的信息。4 展望 得益于計算機能力的提升和各種算法的改

17、進和完善，計算機分子模擬技術(shù)在過去幾十年里取得了顯著進展。在生物學(xué)、藥學(xué)、材料學(xué)、高分子和催化劑等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。盡管如此，分子模擬技術(shù)在多個方面還存在改進的空間。例如，分子力場對大分子體系的參數(shù)準確度還有待進一步提高，尤其是含有金屬離子的體系以及多糖體系的分子力場還不夠完善【6】。而且，目前對于生物體內(nèi)更大的體系，要深入研究其分子機制和功能，還需要進一步提升計算機的計算能力并開發(fā)更快的算法。當前的分子模擬技術(shù)都是基于電子和原子的物理模型進行納秒、微妙級的模擬，而生物大分子發(fā)揮勝利功能的時間尺度通常在毫秒和秒級，因而發(fā)展超原子水平的物理模型，進行更長時間尺度的模擬研究也將是未來分子模擬技術(shù)的一個發(fā)展方向。中國在計算機分子模擬方面的研究起步比較晚，但是近年的發(fā)展很快，相信在未來，中國在此領(lǐng)域的研究將會掀起熱浪，更上一層樓。參考文獻1胡英,劉洪來. 分子工程與化學(xué)工程 J . 化學(xué)進展, 1995, 7( 3):235 2502 呂家楨,陸小華,周健等. 化學(xué)工程中的分子動力學(xué)模擬 J . 化工學(xué)報,1998 , 49( 增刊): 64 703李以圭,李春喜. 電解質(zhì)溶液的分子熱力學(xué)模型研究進展 J . 化學(xué)進展,1996 , 8( 2): 155 1614Alejandre J