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1、分子模拟基础,任彦亮 Tel: 15071407727 E-mail: ,Molecular Modelling 分子模拟,根据物理与化学的基本原理，建立一种以计算数据（由计算机执行）代替实验测量的研究方法，获取分子信息（化学、生命、材料） 。 -江元生院士,框 架,材料科学 药物研发,分子模拟,分子科学 生命科学,分子模拟的发展趋势,Case Study,合成技术、分析表征技术、分子模拟技术,各种化学问题研究,化学合成 路线设计,化学信息系统 (数据分析处理),化学生物学 数据库,分子模拟,分子结构模建 3D图象显示,量子化学 计算化学,分子力学 分子动力学,分子模拟 应 用 网 格 系 统
2、,药物、农药材料设计,计算硬件资源（PC-Cluster、各种Server、OS）,网络计算应用中间件平台和安全支撑环境（CGSP ）,分子模拟软件资源,分子体系的信息、性质、结构、功能、反应,分子模拟应用用户,化学信息学研究,化学-生物学数据库,化合物库 晶体库 热力学数据库 反应数据库 分子光谱 波谱图谱库 化学文献库 生物数据库（蛋白质、核酸、多糖库） 代谢数据库 生物活性、毒性数据库,化学-生物学信息（人工智能）系统,计算机辅助分子结构解释 化学模式识别 结构活性关系分析 (QSAR) 结构性质关系分析 (QSPR) 数理统计方法：ANN、GA、SA、Boosting,10,Porta
3、l for users,Nodes and Machines,12,Work Flow,Virtual Screening Process,Gaussian03/GaussView,Outline,1. The Theoretical Background 理论背景 2. Single Point Energy Calculations 单点能计算 3. Geometry Optimizations 几何构型优化 4. Frequency Calculations 频率计算 5. Reaction Pathways 反应途径,References,Exploring Chemistry wit
4、h Electronic Structure Methods, J. R. Foresman, A. Frisch, Second Edition Gaussian, Inc. Molecular Modelling, A. R. Leach, Addison Wesley Long-man Limited, 1996. 量子化学, 徐光宪等, 科学出版社. 计算机辅助药物设计，陈凯先等，上海科学技术出版社。 蛋白质的结构预测与药物设计，来路华， 北京大学。 结构化学，东北师范大学等，高等教育出版社。 ,The Theoretical Background 理论背景,Chapter One,M
5、olecular Modelling的主要理论方法有： 1. Molecular Mechanics (MM分子力学) 2. Molecular Dynamics (MD分子动力学) 3. Electronic Structure Theory (电子结构理论) Quantum Mechanics, QC & Semiempirical QC (Ab initio Methods) 4. Quantum Statistics (量子统计理论),1.1 Molecular Modelling (Computational Chemistry),a) 计算分子体系的能量、与能量有关的物理、化学性质
6、。 b) 进行几何构型优化。在初始几何构型的附近寻找具有最低能量(local minimum)的平衡几何构型。依据是能量梯度（即能量对原子位置坐标的一阶导数）最小化得到的。 c) 计算分子振动频率。依据是能量对原子位置坐标的二阶导数矩阵。,MM、MD、ab initio方法的共同点,Advantages 优点 方法很便宜。可用于大分子体系，如蛋白质，酶等生物体系的模拟计算。,1.1.1 Molecular Mechanics & Dynamics 分子力学与分子动力学,Disadvantages 缺点 每一系列参数都是针对特定原子得出的,没有针对原子各个状态的统一参数。 计算中忽略了电子，只考
7、虑键和原子，自然就不能处理有很强电子效应的体系,比如不能描述键的断裂。,1. Molecular Mechanics (MM分子力学) 2. Molecular Dynamics (MD分子动力学),a) Semi-empirical 半经验方法 HMO、AM1、MNDO、PM3、INDO/S等方法,b) Ab initio Methods 从头算方法 Hartree-Fock/HF方法,c) Density Functional Theory 密度泛函理论 DFT/(B3LYP，X3LYP，PW91）等方法,1.1.2 Electronic Structure Theory 电子结构理论,主
8、要有三类,常见的软件包： Gaussian 、ADF、 MOPAC、HyperChem Amber 、Gromos,Functions in Gaussian03,Molecular energy and structures 分子的能量和结构 Energies and structures of transition states过渡态的能量和结构 Bond and reaction energies 化学键以及反应能垒 Molecular obitals 分子轨道 Dipole/Multipole moments 偶极矩和多极矩 Atomic charges and electrostat
9、ic potentials 原子电荷和静电势 Vibrational frequency 振动频率 IR and Raman spectra 红外和拉曼光谱 NMR properties 核磁共振屏蔽常数 Polarizabilities and hyperpolarizabilities 极化率和超极化率 Thermochemical properties 热力学性质 Reaction pathways 反应途径,1.2 Computational Models & Model Chemistries,All chemists use models. Plastic models - the
10、 structures of molecules,SN2 mechanism is a simple model for a particular class of reactions,Molecular modeling simulates chemical structures and reactions numerically, based in full or in part on the fundamental laws of physics. It allows chemists to study chemical phenomena by running calculations
11、 on computers rather than by examining reactions and compounds experimentally.,包括: 理论方法、电子的自旋状态、基组 （分子自旋多重度）,Gaussian03关键词 理论方法： PM3 半经验分子轨道方法 HF Hartree-Fock自恰场模型 B3LYP Becke型3参数密度泛函方法 MP2 二级Moller-Plesset微扰理论,1.2.1 Defining Model Chemistries 模型化学的定义,Model chemistries are characterized by the combi
12、nation of the theoretical procedure and basis set in addition to specifying the molecular system to consider and which results to computer for it.,1.2.2 Open shell vs. Closed shell 开壳层 vs. 闭壳层,电子的自旋状态: 对于闭壳层体系,采用限制性的Restricted Hartree-Fock方法计算。在方法关键词前面加R：RHF。 对于开壳层,采用非限制性的Unrestricted Hartree-Fock方法
13、计算。在方法关键词前面加U：UHF。 对于不加的，程序默认为是闭壳层。,开壳层的可能情况： 1. 存在奇数个电子的体系,如自由基，某些离子体系 2. 激发态 3. 有多个单电子的体系（含过渡金属原子体系） 4. 描述键的断裂过程,1.3 Basis set 基组,LCAO-MO 基函数: 分子轨道线性展开时用到的独立基矢 基组：某个原子所用基函数的集合,H原子的1s轨道：,H原子的2s轨道：,Types of Basis Sets, Slater type orbitals (STO) Gaussian type orbitals (GTO) - functional form - zerot
14、h-order Gaussian function n=0,Laguerre polynomial,The orbital exponent,Gauss型轨道计算起来快速、方便, 但它与电子运动的真实图象相差太远。,Slater型轨道会增加分子积分计算的难度，但它更接近电子运动的真实图象。,为了弥补这些缺陷，可用GTO的线性组合近似拟合逼近STO的办法。即以STO作为基函数，而每个STO用若干个GTO来逼近(一般是3到6个, 一般表示为STO-NG)。,Property of Gaussian functions is that the product of two Gaussians can
15、 be expressed as a single Gaussian, located along the line joining the centers of the two Gaussians,1.3.1 Minimal Basis Sets 最小基组,最小基组包含了描述一个原子的最少的基函数,例如 第一周期原子 H、He：1s 第二周期原子 Li、Be、CNe： 1s, 2s, 2px, 2py, 2pz,STO-NG是最小基组(N=3),1.3.2 Split Valence Basis Sets 分裂价层基组,双分裂价基组：对于价键轨道都用两个函数来进行描述,如：3-21G，6-31G,H、He：1s, 1s Li、Be、C：1s, 2s, 2s, 2Px, 2Py, 2Pz, 2Px, 2Py, 2Pz,3-21G表示 非价轨道用一个基函数描述，这个基函数由3个Gauss函数拟合而成； 价轨道用两个基函数描述，这两个基函数中一个由2个Gauss函数拟合，另一个由1个Gauss函数拟
