分子模拟第一章课件

, , , , , ,*,分子模拟基础,任彦亮,Tel: 15071407727,E-mail: renyl,分子模拟基础 任彦亮,1,Molecular Modelling,分子模拟,根据物理与化学的基本原理，建立一种以计算数据（由计算机执行）代替实验测量的研究方法，获取,分子信息,（,化学、生命、材料,）,。,-江元生院士,Molecular Modelling 分子模拟,2,框 架,模型,软件,信息,方案,工具,目的,原 理,基 础,框 架模型软件信息方案工具目的 原 理,3,材料科学,药物研发,分子模拟,分子科学,生命科学,分子模拟的发展趋势,Case Study,合成技术、分析表征技术、分子模拟技术,材料科学分子模拟分子科学分子模拟的发展趋势Case Stud,4,各种化学问题研究,化学合成,路线设计,化学信息系统,(数据分析处理),化学生物学,数据库,分子模拟,分子结构模建,3D图象显示,量子化学,计算化学,分子力学,分子动力学,分子模拟,应,用,网,格,系,统,药物、农药材料设计,计算硬件资源（PC-Cluster、各种Server、OS）,网络计算应用中间件平台和安全支撑环境,（CGSP,）,分子模拟软件资源,分子体系的信息、性质、结构、功能、反应,分子模拟应用用户,化学信息学研究,各种化学问题研究化学合成化学信息系统化学生物学分子模拟分子结,5,化学-生物学数据库,化合物库 晶体库 热力学数据库 反应数据库,分子光谱 波谱图谱库 化学文献库,生物数据库（蛋白质、核酸、多糖库）,代谢数据库 生物活性、毒性数据库,化学-生物学信息（人工智能）系统,计算机辅助分子结构解释 化学模式识别,结构活性关系分析 (QSAR),结构性质关系分析 (QSPR),数理统计方法：ANN、GA、SA、Boosting,化学-生物学数据库化合物库 晶体库 热力学数据库 反,6,10,Portal for users,Bioinformatics,Molecular Modeling,Structure-based Drug Design Computational Chemical Biology,10Portal for usersBioinformati,7,Nodes and Machines,12,Work Flow,Virtual Screening,Process,Nodes and Machines12Work FlowV,8,Gaussian03/GaussView,Outline,1. The Theoretical Background,理论背景,2. Single Point Energy Calculations,单点能计算,3. Geometry Optimizations,几何构型优化,4. Frequency Calculations,频率计算,5. Reaction Pathways,反应途径,Gaussian03/GaussViewOutline1.,9,References,Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods, J. R. Foresman, A. Frisch, Second Edition Gaussian, Inc.,Molecular Modelling, A. R. Leach, Addison Wesley Long-man Limited, 1996.,量子化学, 徐光宪等, 科学出版社.,计算机辅助药物设计，陈凯先等，上海科学技术出版社。,蛋白质的结构预测与药物设计，来路华， 北京大学。,结构化学，东北师范大学等，高等教育出版社。,References Exploring Chemistry,10,The Theoretical Background,理论背景,Chapter One,The Theoretical Background Cha,11,Molecular Modelling,的,主要理论方法有：,1. Molecular Mechanics (MM,分子力学,),2. Molecular Dynamics (MD,分子动力学,),3. Electronic Structure Theory,(,电子结构理论,),Quantum Mechanics,QC & Semiempirical QC,(,Ab initio,Methods),4.,Quantum Statistics,(,量子统计理论,),1.1 Molecular Modelling,(Computational Chemistry),Molecular Modelling的主要理论方法有：1,12,a),计算分子体系的能量、,与能量有关的物理、化学性质,。,b),进行几何构型优化。在初始几何构型的附近寻找具有最低能量,(,local minimum,),的平衡几何构型。依据是能量梯度（即能量对原子位置坐标的一阶导数）最小化得到的。,c),计算分子振动频率。依据是能量对原子位置坐标的二阶导数矩阵。,MM、MD、,ab initio,方法的共同点,a) 计算分子体系的能量、与能量有关的物理、化学性质。MM、,13,Advantages,优点,方法很便宜。可用于大分子体系，如蛋白质，酶等生物体系的模拟计算。,1.1.1 Molecular Mechanics & Dynamics,分子力学与分子动力学,Disadvantages,缺点,每一系列参数都是针对特定原子得出的,没有针对原子各个状态的统一参数。,计算中忽略了电子，只考虑键和原子，自然就不能处理有很强电子效应的体系,比如,不能描述键的断裂,。,1. Molecular Mechanics (,MM,分子力学,),2. Molecular Dynamics (,MD,分子动力学,),Advantages 优点1.1.1 Molecular,14,a) Semi-empirical,半经验方法,HMO,、AM1、MNDO、PM3、INDO/S,等方法,b),Ab initio,Methods 从头算方法,Hartree-Fock/HF,方法,c),Density Functional Theory,密度泛函理论,DFT/(,B3LYP，X3LYP，PW91）,等方法,1.1.2 Electronic Structure Theory,电子结构理论,主要有三类,常见的软件包,：,Gaussian,、ADF、 MOPAC、HyperChem,Amber 、Gromos,a) Semi-empirical,15,Functions,in Gaussian03,Molecular energy and structures,分子的能量和结构,Energies and structures of transition states,过渡态的能量和结构,Bond and reaction energies,化学键以及反应能垒,Molecular obitals 分子轨道,Dipole/Multipole moments 偶极矩和多极矩,Atomic charges and electrostatic potentials,原子电荷和静电势,Vibrational frequency,振动频率,IR and Raman spectra 红外和拉曼光谱,NMR properties 核磁共振屏蔽常数,Polarizabilities and hyperpolarizabilities 极化率和超极化率,Thermochemical properties,热力学性质,Reaction pathways,反应途径,Functions in Gaussian03Molecul,16,1.2 Computational Models & Model Chemistries,All chemists use models.,Plastic models,- the structures of molecules,S,N,2,mechanism is a simple model,for a particular class,of reactions,Molecular modeling,simulates chemical structures and,reactions numerically,based,in full or in part,on the,fundamental laws of physics,. It allows chemists,to study,chemical phenomena by running calculations on computers,rather than by examining reactions and compounds,experimentally.,1.2 Computational Models &,17,包括:,理论方法、电子的自旋状态、基组,（,分子自旋多重度,）,Gaussian03关键词 理论方法：,PM3,半经验分子轨道方法,HF,Hartree-Fock自恰场模型,B3LYP,Becke型3参数密度泛函方法,MP2,二级Moller-Plesset微扰理论,1.2.1 Defining Model Chemistries,模型化学的定义,Model chemistries,are characterized by the combination,of,the theoretical procedure,and,basis set,in addition to,specifying the molecular system,to consider and,which,results,to computer for it.,包括: 理论方法、电子的自旋状态、基组Gaussian03,18,1.2.2,Open shell vs.,Closed shell,开壳层 vs. 闭壳层,电子的自旋状态:,对于闭壳层体系,采用限制性的Restricted Hartree-Fock方法计算。在方法关键词前面加R：RHF。,对于开壳层,采用非限制性的Unrestricted Hartree-Fock方法计算。在方法关键词前面加U：UHF。,对于不加的，程序默认为是闭壳层。,开壳层的可能情况：,1. 存在奇数个电子的体系,如自由基，某些离子体系,2. 激发态,3. 有多个单电子的体系（含过渡金属原子体系）,4. 描述键的断裂过程,1.2.2 Open shell vs. Closed sh,19,1.3,Basis set,基组,LCAO-MO,基函数:,分子轨道线性展开时用到的独立基矢,基组：,某个原子所用基函数的集合,H原子的1s轨道：,H原子的2s轨道：,1.3 Basis set 基组LCAO-MOH,20,分子模拟第一章课件,21,Types of Basis Sets,Slater type orbitals (STO), Gaussian type orbitals (GTO),- functional form,- zeroth-order Gaussian function,n,=0,Laguerre polynomial,The orbital exponent,Types of Basis Sets Slater t,22,Gauss型轨道计算起来快速、方便, 但它与电子运动的真实图象相差太远。,Slater型轨道会增加分子积分计算的难度，但它更接近电子运动的真实图象。,为了弥补这些缺陷，可用GTO的线性组合近似拟合逼近STO的办法。即以STO作为基函数，而每个STO用若干个GTO来逼近(一般是3到6个, 一般表示为STO-NG)。,Gauss型轨道计算起来快速、方便, 但它与,23,Property of Gaussian functions is that,the product of,two Gaussians can be expressed as a single Gaussian,located along the line joining the centers of the two,Gaussians,Property of Gaussian functions,24,1.3.1 Minimal Basis Sets,最小基组,最小基组包含了描述一个原子的,最少的基函数,例如,第一周期原子 H、He：1s,第二周期原子 Li、Be、CNe： 1s, 2s, 2px, 2py, 2pz,STO-NG,是最小基组(N=3),1.3.1 Minimal Basis Sets 最小基组最,25,1.3.2 Split Valence Basis Sets,分裂价层基组,双分裂价基组,：,对于价键轨道都用两个函数来进行描述,如：,3-21G,，,6-31G,H、He：1s, 1s,Li、Be、C：1s, 2s, 2s, 2Px, 2Py, 2Pz, 2Px, 2Py, 2Pz,3-21G表示,非价轨道用一个基函数描述，这个,基函数由3个,Gauss函数拟合而成；,价轨道用两个基函数描述，这两个基函数中一个由2个Gauss函数拟合，另一个由1个Gauss函数,拟合.,1.3.2 Split Valence Basis Sets,26,问题1：H原子与C原子若使用基组6-31G，它们的基函数各有多少个？,H: 2,C: 1 + 4 * 2 = 9,问题1：H原子与C原子若使用基组6-31G，它们的基函数各有,27,1.3.3 Polarized Basis Sets,极化基组,分裂基组允许轨道改变其大小(size)，但不能改变形状(shape)。极化基组则取消了这样的限制，增加了,一个,描述,高阶角动量,的基函数,。,如：,6-31G(d)，,又称为,6-31G*,6-31G(d,p),，也称为,6-31G*,6-31G(d) 基组来源于6-31G基组，并在其基础上，对于非氢原子增加了一个d轨道；,6-31G(d,p) 在6-31G(d) 的基础上，在氢原子轨道中加入了一个p轨道。,1.3.3 Polarized Basis Sets 极化基,28,笛卡儿:,d,(x2), d,(y2), d,(z2), d,(xy), d,(xz), d,(yz),6,纯粹轨道:,d,(z2-r2), d,(x2-y2), d,(xy), d,(xz), d,(yz),5,注意：d轨道包括两种形式,笛卡儿: d(x2), d(y2), d(z2),29,问题2：H原子与C原子若使用基组6-31G*或6-31G*，它们的基函数各有多少个？,6-31G* H: 2,C: 1 + 4 * 2 + 6 = 15 (6d),6-31G* H: 2 + 3 = 5,C: 1 + 4 * 2 + 6 = 15 (6d),问题2：H原子与C原子若使用基组6-31G*或6-31G*,30,1.3.4 Diffuse Functions,弥散函数,弥散函数是s和p轨道函数的“大号”的版本，它们允许轨道占据更大的空间,6-31+G(d)基组表示的是6-31G(d)基组在重原子上加上弥散基组, 6-31+G(d)基组表示对于氢原子也加上弥散函数。,如：,6-31+G(d)，6-31G+(d),1.3.4 Diffuse Functions 弥散函数,31,1.3.5 High Angular Momentum Basis Sets,高角动量基组,高角动量基组,是在分裂价层基组基础上增加多个极化基函数,6-311+G(3df,2df,p),基组在第二周期以及以上都采用三个d函数和一个f函数的极化,而对于第一周期采用两个d函数和一个f函数的极化,。,6-31G(2d),是在6-31G基础上增加两个d轨道的函数。,6-311+G(3df,3pd),则增加了更多的极化函数，包括三个分裂的价键基组，在重原子和氢原子上加的弥散函数，在重原子上加的三个d函数和一个f函数，在氢原子上加的三个p函数和一个d函数。,1.3.5 High Angular Momentum Ba,32,问题3：H原子与C原子若使用基组6-31+G*或6-31+G*，它们的基函数各有多少个？,6-31+G* H: 2,C: 1 + 4 * 2 + 6 + 4 = 19,6-31+G* H: 2+3+1=6,C: 19,问题3：H原子与C原子若使用基组6-31+G*或6-31+,33,1.3.6 Effective Core Potential Basis Sets,有效核势能基组,第三周期以上的原子的基组很难处理。由于存在非常大的核，原子核附近的电子通过有效核电势方法(,Effective Core Potential, ECP,)进行了近似，这一处理同时也包含了相对论效应。其中，,LanL2DZ,是最有常用的基组。,1.3.6 Effective Core Potential,34,STO-3G: H-Xe,3-21G:H-Xe,6-31G(d):H-Cl,6-31G(d,p):H-Cl,6-31+G(d):H-Cl,6-31+G(d,p):H-Cl,6-311+G(d,p):H-Br,6-311+G(2d,p):H-Br,6-311+G(2df,2p):H-Br,6-311+G(3df,2pd):H-Br,常用基组总结,(in Gaussian),STO-3G: H-Xe常用基组总结(in Gaussi,35,1.4,理论方法的局限性,*,半经验方法,(semi-empirical),*,从头算方法,:,Hartree-Fock,理论,SCF方法(电子相关): Moller-Plesset,微扰,Quadratic Configuration Interaction,耦合簇方法和QCI方法,*,密度泛函方法,(DFT),1.4 理论方法的局限性*半经验方法(semi-empiri,36,1.4.1 半经验方法,最有名的半经验方法：,AM1，PM3，MNDO,Gaussian、MOPAC、HyperChem、Spartan中含有这些方法,*,非常大的系统,*,处理大系统的第一步，如：可以先采用半经验方法优化大的体系，然后再进行HF或DFT方法的优化。,*,对于半经验参数发展很完善的体系，如：一些简单有机分子。,*,分子的定性研究，如：分子轨道，原子电荷，正则振动模式等。,1.4.1 半经验方法最有名的半经验方法：AM1，PM3，M,37,1.4.2 半经验方法的局限性,只能处理已经有良好参数的体系,，,此外,，,不能处理氢键,，,过渡态,，,以及不能处理没有良好参数的原子,等。,AM1,PM3,HF,MP2,R(H-F),0.83,0.94,0.92,0.92,R(H4-F2),2.09,1.74,1.88,1.84,R(F-F),2.87,2.65,2.79,2.76,A(F-H4-F),159.3,159.8,168.3,170.6,A(H3-F-F),143.8,143.1,117.7,111.8,例,：HF二聚体在AM1,PM3,HF/6-31+G(d)和MP2/,6-311+G(2d,2p)优化的构型,1.4.2 半经验方法的局限性 只能处理已经有良好参,38,1.4.3 Hartree-Fock理论的局限性,Hartree-Fock,方法对于稳定的分子和一些过渡金属的处理能够得到很好的结果，是一个很好的基本的理论方法，但是由于其忽略了,电子相关,，在一些特殊体系的应用上就显得不足。,Electron Correlation,(电子相关),：,Fermi,(费米)相关,-自旋相同的电子由于,Pauli,不相容原理有相互回避的趋势，使能量降低。,Couloub,(库仑)相关,-所有电子由于库仑排斥作用有相互回避的趋势，使能量降低。,1.4.3 Hartree-Fock理论的局限性,39,Electron Correlation,The most significant drawback to HF theory,is that it fails to adequately represent,electron correlation.,E,corr,=,E,NR,E,HF, Configuration Interactions,- excited states are included in the description of,an electronic state, Many Body Perteubation Theroy,- based upon Rayleigh-Schrdinger perturbation,theroy.,Electron Correlation,40,1.4.4 Electron Correlation and Post-SCF Methods,电子相关和后SCF方法,在Gaussian中，这些方法有：,Moller-Plesset微扰,： 由二级到五级的关键词是MP2, MP3, MP4, MP5。提供优化方法的有MP2和MP3, MP4(不包括MP4SDQ)，频率分析提供MP2。,Quadratic CI,：一般包括三重和四重QCISD, QCISD(T), QCISD(TQ),QCISD提供优化。,Coupled Cluster methods电子相关簇方法,：包括二重激发算符(能量和优化)，单重和二重激发算符(能量)以及可选的三重激发算符CCD, CCSD, CCSD(T)。,1.4.4 Electron Correlation and,41,HF/STO-3G,73.9,HF,97.9,MP2,144.9,MP3,137.9,MP4(SDTQ),141.8,QCISD,138.8,QCISD(T),140.6,实验值,141.2,例：HF键能,HF/STO-3G73.9HF97.9MP2144.9MP3,42,1.4.5 Density Functional Theory Methods,密度泛函理论方法,DFT方法通过泛函来计算电子相关，其将电子能量分为几个部分：动能，电子-核相互作用，库仑排斥，以及其余部分的交换相关项，最后一部分又根据密度泛函方法分解为交换和相关项,。,所有项只是电子密度的函数。,Gaussian提供的最有名的泛函是：,B3LYP和B3PW91,1.4.5 Density Functional Theor,43,1.5 资源的使用,不同方法理论上的资源消耗,1.5 资源的使用不同方法理论上的资源消耗,44,CPU 内存 磁盘 实际消耗CPU 磁盘,传统SCF N,4,N,2,N,4,N,3.5,N,3.5,直接SCF N,4,N,2,- N,2.7,N,2,MP2 能量,传统 ON,4,N,2,N,4,ON,4,N,4,直接 ON,4,OVN - O,2,N,3,N,2,半直接 ON,4,N,2,VN,2,O,2,N,3,VN,2,MP3 梯度,传统 ON,4,N,2,N,4,ON,4,N,4,直接 ON,4,N,3,- O,2,N,3,N,2,半直接 ON,4,N,2,N,3,O,2,N,3,N,3,MP4,QCISD(T) O,3,V,4,N,2,N,4,O,3,V,4,N,4,Full-CI (O+V)!/O!V!),2,CPU,45,作业1：说明每个基组的含义,并写出得出每个数据的计算过程。,基 组,基函数个数,使用轨道类 型,第二周期原子,H，He,STO-3G,6d,3-21G,6-31G*,6-31G*,6-31+G(d),6-31+G(d,p),6-311+G(d,p),5d,作业1：说明每个基组的含义,并写出得出每个数据的计算过程。,46,基 组,基函数个数,使用轨道类型,第二周期原子,H, He,STO-3G,1s2s2p(5),1s(1),6d,3-21G,1s2s2s2p2p(9),1s1s(2),6-31G*,1s2s2s2p2p3d(15),1s1s(2),6-31G*,1s2s2s2p2p3d(15),1s1s2p(5),6-31+G(d),1s2s2s2p2p3s3p3d,(19),1s1s(2),6-31+G(d,p),1s2s2s2p2p3s3p3d,(19),1s1s2p(5),6-311+G(d,p),1s2s2s2s2p2p2p3s3p3d(22),1s1s1s2p(6),5d,基函数个数使用轨道类型第二周期原子H, H,47,CH,4,分子在6-31+G(d,p)基组下的基函数的个数是多少？,作业2：,CH4分子在6-31+G(d,p)基组下的基函数的个数是多,48,CH,4,分子在6-31+G(d,p)基组下的基函数的个数是多少？,作业2：,H: 1s1s2s2p(6),C: 1s2s2s2p2p3s3p3d(18) 5d,461842,CH4分子在6-31+G(d,p)基组下的基函数的个数是多,49,