浅谈计算机分子模拟技术

《计算机分子模拟》文献综述浅谈计算机分子模拟技术专业班级：应用化学1301班姓名：张盼学号：1303030126任课教师：赵联明开课时间：2015-2016学年第2学期成绩教师签名浅谈计算机分子模拟技术摘要：计算机分子模拟技术的发展至今已有半个世纪的历史，现被广泛应用于解决各种复杂化学和生物学问题，比如药物设计口材料设计。从分子水平来研究化工过程及产品的开发和设计,无疑是21世纪化学工程的一个重要方向【1】。2013年诺贝尔化学奖授予给卡普拉斯、莱维特和瓦谢尔三位美国科学家以表彰他们在发展多尺度模型研究复杂化学体系上的贡献。这次授奖表明对于今天的化学家来说计算机分子模拟已和试管实验同等重要，理论和实践要密切合作才能解决复杂问题。关键词：计算机,分子模拟,应用前言：分子模拟是80年代初兴起的一种计算机辅助实验技术，它利用计算机以原子水平的分子模型来模拟分子的结构与行为，进而模拟分子体系的各种物理化学性质。分子模拟不仅可以模拟分子的静态结构，也可以模拟分子体系的动态行为(如氢键的缔合与解缔、吸附、扩散等)。分子力学(MolecularMechanics)模拟基本原理:该方法通过对实验结果或者高级计算(密度泛函，从头算等)结果进行拟合得到的参数，以及牛顿经典力学对分子体系进行考察。分子力场主要通过分子内部的化学健以及分子间的非键作用来描述。分子的键长键角调节分子的构象。通过分子力学进行几何优化就是通过调整分子的几何形状，使得其健长值和键角值尽可能接近标准值，同时调整分子间距离，使非键相互作用处于最小的状态。体系的几何优化过程就是改变原子坐标对能量函数求极小化的过程。这些键长、键角、二面角以及相应的力常数就称为力场。不同的力场对能量函数形式和相应的键长、键角等参数有不同的定义。因而能准确描述研究体系的力场是分子力学进行精确计算的前提。有关系统介绍分子模拟的专著见文献,近期国内外有关评述性文章见文献【2】。1.分子模拟的相关概念1.1分子模拟的定义分子模拟，是指利用理论方法与计算技术，模拟或仿真分子运动的微观行为，广泛的应用于计算化学，计算生物学，材料科学领域，小至单个化学分子，大至复杂生物体系或材料体系都可以是它用来研究的对象。1.2分子模拟的优势利用适当的简化条件，将原子间的作用等效为质点系的运动，从而避免了求解繁琐的量子力学方程。原子的运动遵从牛顿第二定律，质点系整体遵从哈密顿原理。与之对应，完全从量子力学出发进行的原子计算称为”第一性原理(abinto)计算“。第一性原理计算虽然精度高，但是计算复杂，难以实现大规模的模拟。而分子模拟则在保证精度的同时，大大扩展了原子的计算机模拟的使用范围。第一性原理计算通常不过几十、几百个原子，而分子模拟甚至可以实现百万甚至千万个原子的运算。1.3分子模拟的分类分子模拟的工作可分为两类：预测型和解释型。预测型工作是对材料进行性能预测、对过程进行优化筛选，进而为实验提供可行性方案设计。解释型工作即通过模拟解释现象、建立理论、探讨机理，从而为实验奠定理论基础。2.计算机分子模拟基本原理2.1从头计算法：在量子化学计算中指基于量子力学基本原理直接求解薛定谔方程的量子化学计算方法。从头计算法的特点是没有经验参数，并且对体系不作过多的简化。对各种不同的化学体系采用基本相同的方法进行计算。目前的从头计算法包括基于哈特里－福克方程的哈特里–福克方法、在哈特里–福克基础上引入电子相关作用校正而发展起来的后哈特里–福克方法，以及多组态多参考态方法等。与半经验方法相比，从头计算法精度高，但耗时长。2.2密度泛函：密度泛函理论(DensityFunctionalTheory，DFT)，是基于量子力学和玻恩-奥本海默绝热近似的从头算方法中的一类解法，与量子化学中基于分子轨道理论发展而来的众多通过构造多电子体系波函数的方法(如Hartree-Fock类方法)不同，这一方法构建在一个定理的基础上:体系的基态唯一的决定于电子密度的分布(Hohenberg-Kohn定理)，从而使得我们可以采用最优化理论，通过KS-SCF自洽迭代求解单电子多体薛定谔方程来获得电子密度分布，这一操作减少了自由变量的数量，减小了体系物理量振荡程度，并提高了收敛速度，并易于通过应用HF定理等手段，与分子动力学模拟方法结合，构成从头算的分子动力学方法。这一方法在早期通过与金属电子论、周期性边界条件及能带论的结合，在金属、半导体等固体材料的模拟中取得了较大的成功，后来被推广到其它若干领域。3.计算机分子模拟的应用3.1计算机分子模拟在化学工程中的应用在化工界普遍采用经典的电解质活度模型以及在电解质原始模型平均球近似基础上建立的状态方程【3】。3.1.1用于研究分子微观结构分子模拟是研究分子微观结构的强有力手段。如在采用TIP3P及TIP位能函数分别对水和甲醇进行MC分子模拟时,即可区分氢键缔合和非氢键缔合的分子数,确定分子周围氢键的配位数分布，从而得出水分子的氢键平均缔合点数和甲醇分子的氢键平均缔合点数。与此同时,从分子模拟还可得到体系的静电能、离子偶极能(即离子水化能)、偶极能以及LJ色散能等数值,这些数值对构筑以微扰理论和平均球近似理论为基础的电解质分子热力学模型是十分必要的。3.1.2用于研究相界面分子模拟不仅能测定流体主体内分子的近程有序,还能测定汽液界面、液液界面以及气固、液固界面的分子分布。对纯流体垂直于汽液界面的分子密度剖面分布及界面层厚度均可从分子模拟得出的双曲正切函数表示【4】,还可用分子模拟获得界面张力数据。也可以采用密度泛函理论与SAFT状态方程,采用状态方程中的微观参数预测纯流体(含链状分子和氢键缔合分子)的表面张力和液液不互溶体系的界面张力。但上述计算仅能获得链节数沿垂直界面的分布,不能得出链状分子在界面附近的几何构型,后者必须借助于分子模拟。3.1.3用于研究分子扩散性质分子扩散系数是化工传质过程中最重要的物性参数之一,目前扩散系数数据的取得主要来自实验测定或经验公式估算。统计力学理论计算还很不完善,仅能用于稀薄气体,而MD分子模拟已成为取得传递性质数据的重要手段及建立理论模型的主要依据。模型流体(硬球、方阱以及LJ流体)的自扩散系数方程首先是从搜集大量分子动力学数据拟合得到的。后来又在Enskog硬球流体方程基础上,用MD模拟数据分别拟合硬球及硬球链流体的校正函数,从而得到可用于实际的球形和链状LJ分子(C原子可达154个)的自扩散系数的理论方程。将Enskog的稠密硬球方程与电解质原始MSA相结合,即可得到电解质离子在水中的自扩散系数方程。【5】3.2计算机分子模拟在石油工业领域的应用3.2.1在分子筛催化剂研究开发领域的应用沸石在分离方面有着重要的地位，而吸附是研究沸石结构的一种方法，虽然关于沸石吸附的文献相当多，而费事的扩散性质对确定沸石催化剂能达到的优异选择性是十分重要的，缺乏理论根据的时候则必须通过实验测定。而分子模拟技术的发展和应用，为研究沸石催化及的吸附、扩散性质、温度对扩散系数的影响、选择合适的沸石结构以及进行精细调节提供了优良的工具。对寻找可以用于形态选择性反应的可能的催化剂这方面的工作来说,一种高效的方法是建立沸石和被吸附分子的计算模型。采用分子图形法可以很快在计算机屏幕上显示出各种反应物或产品的分子与候选的沸石孔的形状与尺径的匹配程度,用量子力学或分子动力学研究沸石内的分子扩散可以提供对所显示的分子图像的证明。3.2.2在高分子材料研究开发领域中的应用计算机模拟目前在弹性材料的结构和性质、性能的解析以及预测方面扮演者越来越重要的角色。比如，对表现出可逆转弹性性质的材料的开发而进行的对凝胶过程的模拟，以充分表征溶胶相的量和构成以及凝胶相的结构以预测它们的模量；对多环分子的立体构象的模拟，尤其是对其“孔径”的表征，可用以预测在端连接过程中的捕获效率；研究共聚物的结构和性能等。3.2.3在添加剂研究开发领域的应用分子模拟技术在一定程度上可以应用于油品添加剂的设计开发工作中。油品添加剂的种类和产品很多，随着工程技术的进步而提出的要求，油品添加剂的新产品还在不断涌现，利用分子模拟技术，可以辅助新产品的开服，也可以预测其物理性质和化学性质。尤其是在研究添加剂的结构对性能的影响中，分子模拟技术显得尤为重要。3.3计算机分子模拟技术在生命科学中的应用3.3.1蛋白质折叠和动力学模拟多n链折叠成规则的三维结构是蛋白质发挥其生物学功能的基础。在某些情况下蛋白质又需要去折咎以到达作用部位，比如穿过细胞膜，然后再折登为三维结构。理解蛋内质折叠与去折叠过程及机理直是生物学领域的个賴，而实验方法很难实现这一目标。随着计算能力的提高和物理模勒的发展，分子模拟技术为解决这一题提供了可能。蛋白质的空间结构和动力学行为决定了蛋白质的生物功能。而试验中只能给出蛋白质的静态或者瞬间构象，而不能反应蛋白子的动态特征。分子动力学模拟技术则可以弥补试验方法的不足，探寻更大的构象空间，捕捉到试验方法无法触及的构象，从而为研究蛋白质的生物学功能提供更多有用的信息。3.3.2酶催化反应模拟人体内的化学反应条件都很温和，使得人体几乎感觉不到，其原因就在于酶的催化作用。酶是生物催化剂，能有效降低反应的活化能。酶具有高效性和专一性，对催化的反应具有一定的选择性。弄清楚酶催化反应过程，不但有利于深入了解生命的奥秘，更有利于人工改造并和平利用酶到日常生活中。利用计算机分子模拟技术，模拟酶催化反应的作用机理和过程，可以获得许多影响酶催化反应的因素以及提高酶活性手段的信息。3.3.3药物分子设计酶在生命活动中有着重要作用，但许多酶同时也是药物作用的靶标，药物作用于这些靶标时，一般是进攻酶的催化活性位点，作为底物竞争性抑制剂，而这类抑制剂的设计可以模仿底物的结构特征。利用分子模拟技术结合自由能计算的方法，可以分析出抑制剂失活或者活性降低的原因。配体和受体之间的相互识别对于李杰配体的作用机理和受体的生理功能具有重要意义。基于配体和受体之间的分子识别机制，利用分子动力学模拟方法，可以对配体和受体之间的结合和解离过程进行详细的动态表征，从而得到很多有用的信息。4展望得益于计算机能力的提升和各种算法的改进和完善，计算机分子模拟技术在过去几十年里取得了显著进展。在生物学、药学、材料学、高分子和催化剂等众多领域得到了广泛应用。尽管如此，分子模拟技术在多个方面还存在改进的空间。例如，分子力场对大分子体系的参数准确度还有待进一步提高，尤其是含有金属离子的体系以及多糖体系的分子力场还不够完善【6】。而且，目前对于生物体内更大的体系，要深入研究其分子机制和功能，还需要进一步提升计算机的计算能力并开发更快的算法。当前的分子模拟技术都是基于电子和原子的物理模型进行纳秒、微妙级的模拟，而生物大分子发挥胜利功能的时间尺度通常在毫秒和秒级，因而发展超原子水平的物理模型，进行更长时间尺度的模拟研究也将是未来分子模拟技术的一个发展方向。中国在计算机分子模拟方面的研究起步比较晚，但是近年的发展很快，相信在未来，中国在此领域的研究将会掀起热浪，更上一层楼。参考文献1胡英,刘洪来.分子工程与化学工程[J].化学进展,1995,7(3):235～2502吕家桢,陆小华,周健等.化学工程中的分子动力学模拟[J].化工学报,1998,49(增刊):64～703李以圭,李春喜.电解质溶液的分子热力学模型研究进展[J].化学进展,1996,8(2):155～1614AlejandreJ,TildesleyDJ,ChapelaGA.FluidPhaseEquilibriaUsingMolecularDynamics:TheSurfaceTensionofChlorineandHexane[J].MolecularPhysics,1995,85(3):651～6635李以圭,刘金晨.分子模拟与化学工程.现代工业,2001,21(7):10～156唐赟,李卫华,盛亚运.计算机分子模拟-2013年诺贝尔化学奖简介.ChineseJournalofNature,35(6):408～415