分子力場及其在分子動力學模擬中的應用

1、分子立場及其在分子動力學模擬中的應用分子力場及其在分子動力學模擬中的應用分子力場及其在分子動力學模擬中的應用一分子模擬的概述分子模擬的概述自從20世紀量子力學的快速發(fā)展后，幾乎有關分子的一切性質，如結構、構想、偶極矩、電離能、電子親和力、電子密度等，皆可由量子力學計算獲得。計算與實驗結果往往想當吻合，并且可由分析計算的結果得到一些實驗無法獲得的資料，有助于對實際問題的了解。與實驗相比較，利用計算機計算研究化學有下列幾項優(yōu)點：（1）成本降

2、低；（2）增加安全性；（3）可研究極快速的反應或變化；（4）得到較佳的準確度；（5）增進對問題的了解?；谶@些原因，分子的量子力學計算子1970年后逐漸受到重視。利用計算先行了解分子的特性，一成為合成化學家和藥物設計學家所依賴的重要方法。化學家們借此可設計出最佳的反應途徑，預測合成的可能性，并評估所欲合成的分子的適用性，節(jié)省許多時間和避免材料的浪費。以歐美的許多大型藥廠為例，在采用計算以前，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算預測，其成功率已提高到50%60%。圖一為1955年美國化學會數(shù)據(jù)庫（ACSdatabase）所作的統(tǒng)計圖。圖中的縱坐標為引用計算機計算程序報告所占的比例，橫坐標為年份。由圖中可清楚看出計算受重視的程度逐年增加。圖一美國化學會所發(fā)表的計算機計算在化學報告中的比例分子動力模擬（MD），是時下最廣泛為人采用的計算龐大復雜系統(tǒng)的方法。自1970年起，由于分子力學的發(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，使得計算復雜體系的結構與一分子立場及其在分子動力學模擬中的應用5）離平面振動項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，通常共平面的四個原子的中心原子離平面小幅度振動。描述此種振動的勢能項稱為離平面振動項。6）庫倫作用項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。描述靜電作用的勢能項為昆侖作用項。圖二綜合顯示分子

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