分子力场简介..docVIP

1.2.2 分子力学(MM)方法 在分子以及凝聚体内部，化学键都有“自然”的键长值和键角值，当满足这些条件时，体系的能量、以及内部原子间的相互作用均应满足某种极值条件分子要调整它的几何形状构象，以使其键长值和键角值尽可能接近自然值，同时也使非键作用处于最小的状态。随着计算机计算能力分子模拟方法及分子力场理论的发展，分子力场可以研究的体系越来越大，也越来越复杂。1.2.2.1 分子力场的各种能量项 (1-17) 公式等号右边分别为分子体系中原子之间的键长、键角、二面角、非正常二面角、范德华和电荷相互作用，下面分别加以叙述。 1. 键伸缩项(Bond Stretching Potentials) 分子中相互成键的原子形成的化学键，如乙烷分子的C－H键，C－C键等，其键长并非是固定的，而是在其平衡位置附近小的振荡。描述这种作用的势能项称为键伸缩项。如图所示。 图1-1 键伸缩项函数形式一般有以下几种： (1) 二次函数 (1-18) 其中，k为键伸缩力常数，rij为原子i、j间键长，r为平衡键长。力常数越大，键振动越快，振动频率也大。(2) 四次函数 (1-19) 该函数形式在TEAM等力场[14]中被采用。 (3) 莫斯(Morse)函数 (1-20) 其中E0是平衡时键能，α是参数，其余与上同。模型仅能以对称的形式描述平衡位置附近的键伸缩势能，不适用于当键长偏离平衡位置较远时的，Morse函数缺点是计算速度较慢。 键角弯曲项(Angle Bending Potentials) 分子中连续的三个原子如烷烃分子的C－C－C，C－C－H，H－C－H形成键角，键伸缩项一样，固定，而是在其平衡值附近小的，描述作用的为键角弯曲顶，如图所示。 1-2 水分子键角弯曲示意图 键角弯曲函数形式有几种： (1) 二次函数 () 其中k为力常数，θ0表示平衡键角。(2) 连续的四次函数 (1-22) 其中k2、k3、k4为键角弯曲力常数 二面角扭转项(Dihedral Angle(Torsion) Potentials) 分子中连续成键的原子形成二面角(dihedral angle)，如图所示。描述二面角扭转的势能项称为二面角扭转项。 图二面角扭转示意图余弦函数 (1-23) 其中m为“多重度”，指的是二面角从0~2π旋转的过程中能量极小点的个数。振动项(Out of Plane Angle (OOPA) Potentials) 分子中某些部分的原子有共平面的倾向，如上的碳氢原子，中的碳氢原子等。这种情况可以使用振动项。其定义为一个化学键和其它三个原子的平面夹角。图示意图振动项二次函数 (1-24) 式中k为力常数，φ为离平面的角度。 5. 非正常二面角扭曲项(Improper Dihedral Angle Potentials) 事实上，非正常二面角项和振动本质上没有区别，都是为了更好的描述二面角。如图所示非正常二面角： 图1-5 非正常二面角函数形式二次函数 (1-25) 式中k为力常数，为二面角的角度。余弦函数 (1-26) 该函数形式在AMBER力场中被广泛采用。 6. 范德华相互作用 (Van Der Waals Interaction) 通常在分子力场中，如果i，j原子属于同一分子但之间被三个或以上化学键所分隔开，属于两个不同的分子，那么就需要考虑范德华(Van der Waals)力。范德华相互作用函数形式： Lennard－Jones(LJ 126)?: (1-27) 其中，rij为i、j两为为此时的曲线势能面的深度，也就是通常所说的势阱。 7. 库仑作用项Columbic Interaction terms) 如果两个原子是带电荷的，那么它们之间将存在静电吸引或排斥作用，这种相互作用称之为库伦相互作用，最常见的描述库伦作用的函数为点电荷库伦定律所使用的形式： (1-34) 其中的qi、qj为两原子的电荷，D称为介电常数。1.2.2.2 常见的分子力场 是第一个注重于凝聚相性质模拟的分子力场能同时预测气态和凝聚态性质的力场。AMBER力场最初是由Kollman教授课题组开发，研究蛋白质核酸多糖等生物大分子，生命科学领域中一个被广泛应用的力场其一般函数形式为： (1-35) 上式键伸缩振动项项二面角扭转项非正常二面角扭转项范德华作用和作用项。 其混合