分子力场ppt演示课件

HeΨ （R, r）＝EΨ （R,r）
HnΨ （R）＝EΨ （R）
<E>=<ΨHeΨ>
由于量子化学求解电子波函数和势能 面耗时巨大，常常把势能面进行经验性的 拟合，成为力场，由此构成了分子力学方 法的基础。
分子的能量一般表示为一系列能量的 加和： V总=V键合+V非键合 V键合=V键伸缩+V键角弯曲+V中心排斥+V扭转
实际上，许多希望用分子模拟方法解 决的问题，对于量子力学方法来讲，体系 过大而无法处理。 因为量子力学面对体系中的电子，即 便是忽略一些电子的半经验方法仍然要处 理大量的粒子，因而对大的体系难以实现。
分子力学方法，忽略电子的运动,只 计算与原子核位置相关的体系能量。因而 分子力学可以计算含有大量原子的体系， 如高分子材料，生物大分子等。
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分子力学的特点
计算速度快
量子化学从头算的计算量随原子轨道数 目的增加，按4次方的速度上升，而分 子力学的计算量仅与原子数目的平方成 正比。
计算时间 - MM正比于原子数m的平方m2 QM正比于轨道数n的n4或n3
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分子力学的特点
与量子化学计算相辅相成
分子力学是一种经验方法，其力场是在大量的 实验数据的基础上产生的。分子力学宜用于对大分子 进行构象分析、研究与空间效应密切相关的有机反应 机理、反应活性、有机物的稳定性及生物活性分子的 构象与活性的关系；但是，当研究对象与所用的分子 力学力场参数化基于的分子集合相差甚远时不宜使用， 当然也不能用于人们感兴趣但没有足够多的实验数据 的新类型的分子。
分子力学的原理 首先是Born-Oppenheimer近似下对势 能面的经验性拟合。由量子力学知道，对 于完整的，具有时间依赖性的Schrodinger 方程进行简化，在非相对论及无时间依赖 性的情况下，得到简化形式的Schrodinger 方程：
HΨ （R,r）＝EΨ 子运 动方程和核运动方程：
一方面它可以用来模拟、研究现代物理、 化学和生物实验方法尚难以为计的物理化 学现象和过程。
另一方面，它可以用来缩短新材料 （在生物化学中缩短新药物）的研制周期， 降低开发成本。
在屏幕上设计出化学上或拓扑上不同的 分子，通过分子模拟预报出新分子各种稳 定的构象和聚集结构， 进而预报它们应具有的物理化学性质， 筛选新材料的设计方案。
Fi(t)＝miai(t) Fi(t)=-▽iE miai(t)=miδ 2xi(t)/ δ t2
分子动力学的基本假设是:对无限空 间的平均等于系统整体平均或对构形空间 的积分,常用的积分算法有Verlet积 分,Beeman等。 分子动力学最初用于模拟简单液体行 为,计算热力学性质,后来扩展到模拟多肽， 晶态和溶液中的蛋白质,以及计算非肽生物 聚合物(低聚糖,寡糖等)。
其次，分子力学使用简单的作用模 型，对体系相互作用的贡献来自诸如键 伸缩，键角开合、单键的旋转等等。即 使使用类似Hooke定律：
f=kΔ X
这样的简单函数，也能令力场运转良好。
另外，分子力场的可移植性也是分子力 学模拟的一个关键属性。
2. 分子动力学方法（Molecular Dynamics）
在构象分析方面，分子动力学方法比 能量最小化方法更能克服不同构象之间的 能垒,达到更广的构象空间。如果升高温 度，采用退火方法，则可以越过更高的动 力学壁垒。


分子力学的特点
概念清楚，便于理解及应用
概念简明易于接受。分子力学中的总 “能量”被分解成键的伸缩、键角弯曲、
键的扭曲和非键作用等，比起量子化学 计算中的Fock矩阵等概念来要直观易懂。
分子模拟概论
计算机模拟在高分子和生物大分子领域 的应用从20世纪60年代至今已经发展到一个 崭新的阶段。它是基于3个方面的发展：
1.分子力场的发展 2.模拟分子体系算法的发展
3.计算机硬件软件的发展
1. 分 子 模 拟 法 是 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 与化学性质。
分子模拟不但可以模拟分子的静态结构， 也可以模拟分子的动态行为（分子链的构 象、分子的吸附、分子的扩散以及相互作 用）。
分子模拟包括四种方法：
量子力学法 蒙特卡洛法 分子力学法 分子动力学方法
2. 由于没有近似（除力场的函数与参数是 从实验中得到的之外）而遵从严格的物 理定律，分子模拟法也称作——“计算机 实验”方法。
3. 人类认识客观世界是通过实验方法与理 论方法来实现的。而计算机模拟被称为 是人类认识客观世界的第三种方法。
1. 分子力学方法（Molecular Mechanics） 分子力学方法可以看作是一种使用经典力学方法 描述分子的结构与几何变化的方法。它使用各种弹簧 来连接分子体系中的原子。这种方法依赖于所有弹簧 的性质，也就是说分子力学方法依赖于分子力场。分 子力场对此是起决定性作用的。
A 键伸缩内坐标;
B 键角弯曲内坐标;
C 面外弯曲内坐标；
D 二面角内坐标;
2).在DREIDING力场中，势能函数表达为：
V键合=V键伸缩+V键角弯曲+V中心排斥+V扭转
V非键合=V范德华+V静电+V氢键
其他的分子力场如UFF, COMPASS 等就是针对 不同体系使用不同的经验函数而形成的。
分子动力学方法，也称为分子动态法。
由于分子力场所描述的是静态性质的势能， 而真实分子的构象除受势能的影响外，还受到 外部因素如温度、压力等条件的影响。
在这种情况下，分子动力学的计算应当是 更切合实际、符合真实状态的计算方法。
分子动力学以分子力学为基础，在给 定的势能函数和力场下对经典牛顿力学运 动方程积分，研究分子系统的运动和构形 空间
然后，将表达式中的能量使用不同的经验 公式代替，这些经验公式就是力场。
针对材料分子的力场主要有DREIDING, MM2，UFF，COMPASS力场等， 针对蛋白质和生物大分子的力场主要有 AMBER，VFF,CHARMM，GROMOSD力场等。
以DREIDING力场为例:
1). 内坐标:描述分子结构的内坐标有4种: