分子力场
分子模拟基础知识点总结
分子模拟基础知识点总结1. 分子力场分子力场是分子模拟的基础，它描述了分子内部原子之间的相互作用力。
分子力场通常包括键的形成和断裂、原子间的相互作用力（如范德瓦尔斯力和静电相互作用力）等。
分子力场模型是根据实验数据和理论计算结果来拟合的，常见的分子力场模型包括AMBER、CHARMM、OPLS等。
分子力场模型的好坏直接影响了分子模拟的结果，因此选择合适的分子力场模型是非常重要的。
2. 分子动力学分子动力学是一种模拟分子在封闭系统中随时间演化的方法。
分子动力学通过求解牛顿运动方程，推导出分子在力场作用下的位移、速度和加速度，从而获得分子的运动轨迹和动力学性质。
分子动力学模拟的关键是要确定分子的初态，即分子的初始位置和速度分布，通过数值积分的方法，可以计算出分子在任意时刻的位置和速度。
分子动力学在研究分子或材料的结构、动力学行为和热力学性质方面有广泛的应用。
3. 蒙特卡洛模拟蒙特卡洛模拟是一种以随机抽样的方法对系统进行模拟的方法。
在蒙特卡洛模拟中，系统中的每一个粒子都有一定的概率发生随机运动，从而使得系统的状态随时间发生变化。
蒙特卡洛模拟通常用于模拟体系的平衡态性质，如热力学性质和相平衡等。
蒙特卡洛模拟的关键是要设计合适的随机抽样方法，并通过大量的模拟样本来获得系统的统计性质。
4. 分子模拟在材料科学中的应用在材料科学中，分子模拟被广泛应用于研究材料的结构、力学性质、热电性质、传输性质等。
通过分子模拟，可以预测材料的力学性质（如弹性模量、屈服强度等）、热电性质（如热导率、热膨胀系数等）、传输性质（如扩散系数、电导率等）等。
分子模拟还可以帮助设计新型的材料，并优化材料的性能。
5. 分子模拟在生物科学中的应用在生物科学中，分子模拟被广泛应用于研究生物分子的结构、功能和相互作用。
通过分子模拟，可以预测蛋白质的结构、预测蛋白质-配体和蛋白质-蛋白质的相互作用方式，从而为药物设计和药物筛选提供理论依据。
分子模拟还可以研究细胞膜的结构和功能，预测药物分子的跨膜转运方式等。
基于分子动力学的常用力场算法及结果分析
基于分子动力学的常用力场算法及结果分析分子动力学（Molecular Dynamics，MD）是一种用于模拟分子体系的计算方法。
它通过数值积分牛顿运动方程，在不同的时间步长上模拟分子系统中的粒子的运动轨迹，从而可以研究分子体系的结构、动态性质等。
在这个过程中，力场、算法和结果分析是MD模拟的三个重要方面。
常用力场：力场是描述粒子间相互作用的形式化数学模型。
传统的力场分为两类：力场拟合和量子力场。
力场拟合是通过拟合实验数据得到的经验势能函数。
常见的力场拟合方法有AMBER力场、CHARMM力场和GROMOS力场等。
而量子力场则是以量子力学理论为基础的理论方法，它通过求解电子结构问题进一步得到粒子的势能函数。
常见的量子力场有DFT力场（密度泛函理论力场）和Hartree-Fock力场等。
不同的力场适用于不同的体系和研究目的。
常用算法：MD模拟中常用的算法有Verlet算法、Leap-Frog算法和Velocity Verlet算法。
这些算法的核心思想都是利用牛顿力学中的数值积分方法对分子的运动方程进行求解。
Verlet算法通过使用离散时间点上的速度和位置信息来计算下一个时间点上的位置；Leap-Frog算法在计算速度和位置之间采用了半步的时间差；Velocity Verlet算法则在时间差计算上进一步改进了Leap-Frog算法，提高了计算精度。
此外，还有更高级的算法，如多时间步算法和并行计算等，以提高计算效率。
结果分析：MD模拟得到的结果可以通过多种方式进行分析。
最基本的分析方法是计算体系的物理性质，如能量、压力、温度等物理量的变化。
此外，还可以通过结构分析来研究分子体系的结构演变和特性。
结构分析常用的方法有径向分布函数分析、键长分析、键角分析等。
动力学性质的分析可以通过计算自相关函数、速度自由时间分布等来得到。
此外，模拟结果还可以通过与实验数据的对比来验证模拟的合理性，并根据实际问题选择合适的结果表达方式，如动画、图表等。
化学反应中的分子间力场分析
化学反应中的分子间力场分析在化学反应中，分子间的力场起着重要的作用。
理解和分析分子间力场对于理解反应机理和优化反应条件至关重要。
本文将探讨化学反应中的分子间力场，并分析其对反应的影响。
一、分子间力场的概述分子间力场是指分子之间相互作用的力场。
它包括静电相互作用、范德华力、氢键等。
这些力场可以影响分子的构型、相互作用和反应速率。
二、静电相互作用静电相互作用是由于分子之间的电荷分布不均引起的。
分子中的正、负电荷相互吸引，从而形成静电相互作用。
静电相互作用在离子之间和极性分子之间尤为显著。
它可以影响分子的构型和稳定性，同时也可以影响反应的速率和方向。
三、范德华力范德华力是分子之间由于电子云的相互作用而产生的吸引力。
它主要存在于非极性分子之间，并且随着分子间距的增加而递减。
范德华力的强弱取决于分子的极化能力和电子云的分布。
它可以在化学反应中促进或者抑制反应的进行。
四、氢键氢键是一种特殊的化学键，它由氢原子和电负性较高的原子（如氧、氮等）的非共价相互作用形成。
氢键的强度较大，可以影响分子的构型和相互作用。
它在生物分子的结构和功能中发挥着重要的作用。
五、分子间力场对反应的影响1. 影响构型：分子间的力场可以影响分子的构型，从而影响反应的进行。
静电相互作用和氢键等可以稳定分子的特定构型，促进反应的发生。
2. 影响反应速率：分子间的力场可以影响反应的速率。
范德华力的存在可以降低分子的反应活化能，从而加快反应速率。
而氢键可以通过稳定过渡态或诱导拆分产物等方式影响反应速率。
3. 影响反应方向：分子间力场也可以影响反应的方向。
静电相互作用和氢键等的引入可以改变反应的平衡常数，使得反应向有利方向偏移。
六、优化反应条件通过分子间力场的分析，可以优化反应条件，使反应更加高效和选择性。
可以通过改变温度、溶剂、催化剂等条件来调节分子间力场，从而调控反应速率和方向。
七、结论分子间力场在化学反应中起着重要的作用。
它可以影响分子的构型、相互作用和反应速率。
第三章分子力场介绍
2010年3月26日Itbonded) (R Eir•OPLS(O ptimized P arameters for L iquid S imulation)developed by Jorgensen group at Yale University(1988)They differ from each other in the energy terms included, potential functions employed, and parameterization procedure.The OPLS Force FieldOPLS-ua (united atom) and OPLS-aa (all-atom)Intra-molecular non-bonded interactions (E ab ) are only counted for atoms three or more bonds apart; 1-4 interactions are scaled down by f ij = 0.5; otherwise, f ij = 1.0. All the interaction sites are centered on the atoms; there are no "lone pairs".+ +Energy DecompositionE total = E stretch + E bend + E torsion+ E vdW + E electrostatic + E cross + E otherBonded energies Non-bonded energies High-order terms such as E stretch-bend Specially included such as E H-bondingTypical Energy Functions]r B r A [r q q )(2k)]n cos(1[2V)(k 21)l l (k 21)r (V 6ijijLJ12ij ij elec ijji 20improper torsions n angles 20bonds 20r N −++ω−ω+δ−φ++θ−θ+−=∑∑∑∑∑∑θBond stretching Angle bending Torsional rotation Improper torsion Electrostatic interaction Van der WaalsE•RRBonded Terms: Torsions•Torsion energy: rotation about a bond (dihedral angles))]n cos(1[2V E torsions ntorsion δ−φ+=∑iljkφCCC H•When ABCD in a plane,Coulomb Potentialpair distanceV e l e c~1/rVan der Waals Energy•Interactions between atoms that RRepulsion is due to overlap of electron clouds of two•Lennard-Jones interactions∑<⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−=ji ijijijijijLJ rrV6612124σσε•Combinationrules for LJijεijσijσAtom types (AMBER)CCC H⎤⎡612σσWhere do these parameters comefrom?Force Field Parameterization (力场参数化)•Equilibrium bond distances and angles: X-ray crystallography •Bond and angle force constants: vibrational spectra, normal mode calculations with QM•Dihedral angle parameters: difficult to measure directly experimentally; fit to QM calculations for rotations around a bond with other motions fixed•Atom charges: fit to experimental liquid properties, electrostatic potential charge fitting to reproduce electrostatic potentials of high level QM, X-ray crystallographic electron density •Lennard-Jones parameters: often most difficult to determine, fit to experimental liquid properties, intermolecular energy fittingForce Field Comparison•Ca RMSD, radius of gyration, SASA,are all comparable for three FF•Radius gyration and SASA slightlylarger than experimental values(structures opened up a bit)•Average structures from three FF arevery similar (small RMSDs). Thedifferences are comparable to twoindependent trajectories with thesame CHARMM force field.Force Field ComparisonForce Field Comparison•Backbone order parameters (S 2)•NMR order parameters for theseresidues are 0.85, 0.90, 0.81 for Calbindin, IL4 and GPILA respectively•Fluctuations are small in these regionsS 2is plateau value of the autocorrelation function of the 2nd -order Legendre polynomial of N-H vectorM. Shirt, J. Pitera, W. Swope, V. Pande, J. Phys. Chem. 2003 Relative Solvation Free Energy: Ala-> X mutationR. Zhou, et al, PNAS 98, 2001R. Zhou, and B. Berne, PNAS 99, 2002 Lowest free energy structures•Erroneous salt-bridges exist in all continuum solvent models •Overly strongly salt-bridge effects expelled F50 out of the hydrophobic core in SGB•AMBER94/GBSA and AMBER99/GBSA turned beta-hairpin into an alpha-helixWhich Force Field to Use?•Most popular force fields:CHARMM, AMBER and OPLSAA, GROMOS •OPLSAA(2000):Probably the best available force field for condensed-phase simulation of peptides. GB/SA solvation energies are good.•AMBER*/OPLS*:Good force fields for biopolymers and carbohydrates;GB/SA solvation energies range from moderate (AMBER*) to good (OPLS*).•AMBER94:An excellent force field for proteins and nucleic acids.However, there are no extensions for non-standard residues or organic molecules, also there is a alpha-helix tendency for proteins. AMBER99 fixes this helix problem to some degree, but not completely.•CHARMM22(27):Good general purpose force field for proteins and nucleic acids. A bit weak for drug-like organic molecules.•GROMOS96:Good general purpose force field for proteins, particularly good for free energy perturbations. Weak for reproducing solvation free energies of organic molecules and small peptides./docs/mm7.1/html/faqs/which_ffield.htmlSummary•Energy Decomposition•Bonded Energies:Stretch, Bend, Torsion, Improper Torsion•Non-bonded Energies:Van der Waals, Electrostatics•Special Terms:Cross Terms, H-bonding•Popular Force Fields and Programs•Force field comparison•Application Considerations。
gaff力场分子模型
gaff力场分子模型
摘要：
1.GAFF 力场分子模型的概述
2.GAFF 力场的原理
3.GAFF 力场模型的应用
4.GAFF 力场模型的优缺点
正文：
GAFF 力场分子模型是一种在计算机模拟中用于描述分子间相互作用的力场模型。
GAFF 是Gromos Atlas of Functional Force-fields 的缩写，意为“Gromos 功能力场图谱”。
这个模型主要用于计算分子体系的能量、力和矩，以模拟分子的动态行为。
GAFF 力场的原理主要基于分子力学和量子化学的理论框架。
首先，它使用分子的几何形状和原子类型来确定分子间的相互作用，包括范德华力、静电力和氢键等。
然后，通过计算分子体系的能量，可以得到分子在各个位置的势能分布。
根据这个势能分布，可以进一步计算分子间的作用力，从而模拟分子在空间中的运动轨迹。
GAFF 力场模型在生物分子模拟、药物设计、材料科学等领域有着广泛的应用。
例如，研究人员可以利用GAFF 模型模拟蛋白质的结构和功能，从而辅助药物设计和筛选过程。
此外，GAFF 模型还可以用于研究分子晶体的性质，如熔点、沸点等。
尽管GAFF 力场模型具有较高的计算效率和准确性，但仍存在一些优缺点。
优点包括：模型参数化程度高，适用于多种分子体系；计算速度快，适用
于大规模分子模拟；模型具有较好的通用性，可以用于研究不同类型的分子体系。
缺点则包括：模型对某些非共价相互作用的描述不够准确；计算过程中可能存在一定的误差；模型的参数需要定期更新以适应新的研究需求。
总之，GAFF 力场分子模型是一种在计算机模拟中描述分子间相互作用的有力工具。
化学结构理论计算公式
化学结构理论计算公式化学结构理论计算是一种重要的理论方法，它可以用来预测分子的结构、性质和反应。
在化学研究中，理论计算可以帮助化学家理解分子的行为，并为实验设计提供指导。
本文将介绍一些常用的化学结构理论计算公式，并探讨它们在化学研究中的应用。
1. 分子轨道理论。
分子轨道理论是一种描述分子电子结构的理论方法。
它通过求解分子的薛定谔方程来得到分子的轨道能级和轨道波函数。
分子轨道理论的基本公式可以用哈密顿算符表示：HΨ = EΨ。
其中，H是分子的哈密顿算符，Ψ是分子的波函数，E是分子的能量。
通过求解这个方程，可以得到分子的轨道能级和轨道波函数，从而揭示分子的电子结构和性质。
分子轨道理论在化学研究中有着广泛的应用。
它可以用来解释分子的光谱性质、化学键的形成和断裂过程，以及分子的反应机理。
此外，分子轨道理论还可以用来设计新的分子材料，预测分子的性质和反应活性。
2. 密度泛函理论。
密度泛函理论是一种用来描述分子电子结构的理论方法。
它通过求解分子的电子密度来得到分子的能量和性质。
密度泛函理论的基本公式可以用密度泛函表示：E[ρ] = T[ρ] + V[ρ] + Eee[ρ] + Exc[ρ]其中，E[ρ]是分子的总能量，T[ρ]是分子的动能，V[ρ]是分子的外势能，Eee[ρ]是分子的电子-电子相互作用能，Exc[ρ]是分子的交换-相关能。
通过求解这个方程，可以得到分子的能量和电子密度，从而揭示分子的结构和性质。
密度泛函理论在化学研究中有着广泛的应用。
它可以用来预测分子的结构、光谱性质和反应活性，解释分子的化学键和反应机理，设计新的分子材料。
此外，密度泛函理论还可以用来模拟分子的动力学过程，预测分子的稳定性和反应速率。
3. 分子力场理论。
分子力场理论是一种用来描述分子结构和振动的理论方法。
它通过求解分子的势能函数来得到分子的力场和振动频率。
分子力场理论的基本公式可以用势能函数表示：V(r) = Σi<j Vi,j(r)。
分子模拟PPT—第二章 力场
2. 蒙特卡罗随机采样法
分子内能
分子的能量
Etot Eele Evib Erot Etrans
分子的振动自由度 = 3N-6 = 3N-6 分子的振动能 非线性 线性
Evib Ebonds Eangles Etorsions Ecross
分子间相互作用能
1. 范德华能
AMBER
• / • "Amber" refers to two things: a set of molecular mechanical force fields for the simulation of biomolecules ;and a package of molecular simulation programs which includes source code and demos. The current version of the code is Amber version 10, which is distributed by UCSF subject to a licensing agreement described below. • Amber is now distributed in two parts: AmberTools and Amber10. AmberTools 1.2 & Amber 10 is now available! • Amber was originally developed under the leadership of Peter Kollman, and Version 9 is dedicated to his memory.
第二代力场
• 第二代力场的形式远较上述的经典力场复杂，需 要大量的力常数。其设计的目的为能精确地计算 分子的各种性质、结构、光谱、热力学特性、晶 体特性等资料。其力常数的推导除引用大量的实 验数据外，还参照精确的量子计算的结果。尤其 适用于有机分子或不含过渡金属元素的分子系统。 • 第二代力场因其参数的不同，包括CFF91、 CFF95、PCFF与MMFF93等。
力场计算方法的研究现状
力场计算方法的研究现状力场计算方法是材料科学、化学、生物学等领域所必需的手段之一，它可以大大提升分子机理计算的精度与效率。
自20世纪50年代，第一个分子力场——荷兰人J.C. Slater提出的Diamond lattice model问世以来，力场计算方法也发生了很大的变化。
本文将简单介绍目前最主流的力场计算方法，并探究其优化方向。
I. 力场计算方法的发展历程1. Diamond lattice modelDiamond lattice model是第一个分子力场，也是J.C. Slater于1951年提出的。
该力场采用形变的金刚石晶体（diamond lattice）为基本结构，并给予每一个原子不同的键长和键角，从而计算分子结构的全能。
由于力场的提出在当时属于前沿领域，其所给出的计算结果在当时也具有一定的优越性。
但随着分子计算的不断发展，其在更复杂的体系下的应用范围逐渐受到限制。
2. 分子力场（MM）分子力场是一种已经普及而广泛使用的力场模型。
它采用刚体分子模型来描述分子内原子之间的相互作用，即将分子看作是由多个点电荷、玻尔半径等简单物理量组成的刚体结构。
通过对分子的电子密度、键长、键角等有关量的分析，可以计算出分子内原子的相互作用。
该方法基于分子力学，可以计算出分子的构象、振动和热力学性质等。
3. 拉格朗日量约束（Lagrange-constrained）Lagrange-constrained模型是一种针对高分子材料的力场模型。
该方法通过控制分子内原子的位置和速度，来计算出高分子材料的性能。
该方法不仅可以计算出分子的构象、振动和热力学性质等，还可以通过控制分子内原子的约束条件来控制分子的形态、附着力和流动性。
II. 目前力场计算方法的优化方向1. 优化计算效率随着计算机性能的不断提高，力场计算的效率也不断提高。
但在目前分子计算领域，由于分子体系变得越来越大，计算效率也变得越来越低。
因此，要进一步优化并改进力场计算的效率是目前的研究方向之一。
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分子模拟的基础，是准确计算原子之间的相互作用，包括组成同一分子的原子之
间的成键相互作用，和不同分子间的范德华相互作用，有的分子间还有氢键相互
作用。描述原子间的这些相互作用，有两种方式，一个是通过量子化学计算，另
外一种方式就是采用分子力场计算。
分子力场的来源
我们知道，量子化学计算分子结构和原子、分子间相互作用比较准确，
但是很慢；而采用分子力场计算就会很快，因为分子力场并不计算电子相
互作用，它是对分子结构的一种简化模型，所以计算很快。在这个模型中，
它把组成分子的原子看成是由弹簧连接起来的球，然后用简单的数学函数
来描述球与球之间的相互作用。比如，氢分子，看做有弹簧链接的两个球
的话，可以用胡克定律描述两个氢原子间的能量：E=k*(b-b0)^2。其中，b
表示两氢原子间距离，b0表示平衡时原子间距，k为键能系数，b0和K称
为力场参数。更复杂一点可以用四次方表达：
E=K1*(b-b0)^2+K2*(b-b0)^3+K3*(b-b0)^4，更多的参数可以获得对成键分
子的更精确的描述。这是描述成键作用，不成键的原子间的相互作用则采
用Legendre-Jones函数，或者Bukingham函数描述。
从上面可以看出来，力场用简单的数学函数描述原子间作用，称为分
子力场，又叫分子力学力场。采用分子力场的分子模拟称为经典分子模拟。
这是相对于采用量子力学计算的分子模拟来说的。那么，分子力学对分子
结构和原子间相互作用描述的是否准确呢？这依赖于你所用的参数。而这
些参数通常拟合自实验数据，或者量子化学结果。它属于经验描述，显然
品质要低一些，但是由于计算速度快，适合于描述上千个乃至百万个原子
的模拟，在这些情况下，我们无法采用量子力学计算，因此，只能采用经
典模拟。
不同分子力场间的区别
分子力场有很多，比如生物模拟常用的AMBER, CHARMM, OPLS, GROMOS，
材料领域常用的CFF, MMFF, COMPASS等等。他们的区别在哪里呢？一个力
场通常包括三个部分：原子类型，势函数，和力场参数。也就是说不同的
力场，他们的函数形式可能不一样，或者函数形式一样而力场参数不一样。
其中，最关键的差别取决于分子力学模型，比如有的力场考虑氢键，有氢
键函数；有的考虑极化，有极化函数。其次，分子力场参数都是拟合特定
分子的数据而生成的，比如，面向生物模拟的力场选择生物领域的分子模
拟得到参数，而材料的，则侧重选择材料方面的分子。这些被拟合的分子
成为训练基（training set）。
分子力场的局限
由于力场参数是拟合训练基分子得到的，那么这些参数用于计算其它
分子准确吗？这叫分子力场的迁移性问题。迁移性问题还包括状态迁移性
问题，就是说所拟合的实验数据是常温常压下测量的，然后你模拟的可能
是高温高压下的，那么分子力学的准确性也会降低。这些都属于分子力场
的局限性。
常用势函数的组成
分子力场有时被称为势函数。以下是一般分子力场势函数包括的几个
部分：
描述分子内成键作用的项
键伸缩能：构成分子的各个化学键在键轴方向上的伸缩运动所引起的
能量变化
键角弯曲能：键角变化引起的分子能量变化
二面角扭曲能：单键旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量变化
交叉能量项：上述作用之间耦合引起的能量变化
描述分子间作用的项
非键相互作用：包括范德华力、静电相互作用等与能量有关的非键相
互作用
常用力场函数和分类
不同的分子力场会选取不同的函数形式来描述上述能量与体系构型之间的关系。
到目前，不同的科研团队设计了很多适用于不同体系的力场函数，根据他们选择
的函数和力场参数，可以分为以下几类
传统力场
o
AMBER力场：由Kollman课题组开发的力场，是目前使用比较广泛的一种
力场，适合处理生物大分子。
o
CHARMM力场：由Karplus课题组开发，对小分子体系到溶剂化的大分子
体系都有很好的拟合。
o
CVFF力场：CVFF力场是一个可以用于无机体系计算的力场
o
MMX力场：MMX力场包括MM2和MM3，是目前应用最为广泛的一种力
场，主要针对有机小分子
第二代力场
第二代的势能函数形式比传统力场要更加复杂，涉及的力场参数更多，计算量也更
大，当然也相应地更加准确。
o
CFF力场CFF力场是一个力场家族，包括了CFF91、PCFF、CFF95等很多
力场，可以进行从有机小分子、生物大分子到分子筛等诸多体系的计算
o
COMPASS力场由MSI公司开发的力场，擅长进行高分子体系的计算
o
MMF94力场Hagler开发的力场，是目前最准确的力场之一
通用力场
通用力场也叫基于规则的力场，它所应用的力场参数是基于原子性质计算所得，用
户可以通过自主设定一系列分子作为训练集来生成合用的力场参数
o
ESFF力场MSI公司开发的力场，可以进行有机、无机分子的计算
o
UFF力场可以计算周期表上所有元素的参数
o
Dreiding力场适用于有机小分子、大分子、主族元素的计算