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作者:团子良 发表于 2022-8-24 09:54:36
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分子模拟
分子模拟概念:


泛指用于模拟分子或分子体系性质的方法,定位于表述和处理基于三维结构的分子结构和性质。


往往涉及量子力学、分子力学、理论化学、计算化学、计算机化学和分子模拟等多方面的知识。



分子模拟计算(计算化学)


分子模拟计算涉及多个方面:


1. 化学反应过程(稳态及过渡态结构确定、反应热、反应能垒、反应机理及反应动力学等)
2. 化合物稳态结构(如中性分子、自由基、阴、阳离子等)
3. 谱图验证及预测(IR,Raman,NMR, UV/Vis,VCD,ROA,ECD,ORD, XPS, EPR, Franck-Condon及超精细光谱等)
4. 分子各种性质(静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、键级、电荷、极化率、电子亲和能、电离势、自旋密度、电子转移、手性)
5. 热力学分析(AS、AH、AG
(键能、原子化能)
6. 分子间相互作用(如氢键及范德华作用)

7. 激发态(激发态结构确定、激发能、跃迁偶极矩、荧光光谱、磷光光谱、势能面交叉研究)


此外,一般分子模拟软件所具有的的功能有


1. 建立和显示分子结构
2. 优化分子构型
3. 研究分子的反应性(如从轨道能量、组合系数、节点性质等根据前线轨道理论研究分子不同取代基的相对反应性、反应选择性以及亲核、亲电试剂的反应位置等)
4. 计算显示分子轨道、电荷分布、静电势图等


估计化学反应途径和机理

5. 研究分子的动态性质
6. 研究分子的结构-性质(活性)关系



常见分子模拟软件

· Gaussian 03 GaussView 3.x, 4.x
. Gaussian 09 Gauss View 5.x
. Gaussian 16 Gauss View 6.x
. HyperChem Professional 8.0.10
. ChemBioOffice Ultra 14.0 Suit
. GAMESS ver. Sept 30, 2017
.PC GAMESS/Firefly version 8.2.0
. NW CHem
· Materials Studio 图形计算平台,密度泛函
.Insight ii 图形计算平台,生物分子
. Schroidinger Suite 图形计算平台
. SYBYL图形计算平台

分子的构建

原子和分子在体系中的位置——能量不同——可用笛卡尔坐标,内坐标描述;
长度单位一般默认为A(10^(-10)m).
常见的数据结构:ENT,PDB; GJF-Gaussian

分子结构数据的获得:

1. 简单分子
·通过标准键长、键角、二面角等数据直接写出·通过分子图形软件构建;
2. 复杂分子
·有单晶结构数据的,直接转化为分子结构数据;
·软件构建,必须通过适当的构象搜索方法方可得到合理的结构;
3. 大分子(如蛋白质分子)
·结构构建本身就是专门的计算化学研究的课题,只有通过特定的方法(如同源模建等)方可得到可能的合理结构。

构型优化与能量优化

构型优化   是找寻极小点来预测分子体系的平衡构型。寻找极小点的方法有很多,大多数极小化算法只能在势能面上下降,它们只能找到启始点附近的的极小点,要得到更多的极小点需要从多个起点开始。一些特殊的极小化方法可以进行上山移动找到比最近的极小点能量更低的极小点,但是没有任何一种方法能从任意一点开始找到整个势能面上的最小点。
能量优化 可选用能量极小化、算法(即V关于q的偏导数为0;V关于q的二阶偏导数大于0);
非微分算法包括单形法(simplex)、连续单变量法(the sequential univariate method)等。
微分极小化法是最常用能量一阶微分的指向(梯度)表示了极小点的位置,二阶微分表示函数的曲率,可以用来预测函数变化的方向。
微分极小化法包括最速下降法、共辄梯度法、Newton-Raphson法和拟Newton法等。
通常,在Gaussian中,使用四个判据来确定优化的终止。





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