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计算生物学实验室

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分子力场  

2011-12-04 22:31:15|  分类: Simulation |  标签: |举报 |字号 订阅

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分子力场根据量子力学波恩-奥本海默近似,一个分子的能量可以近似看作构成分子的各个原子的空间坐标的函数,简单地讲就是分子的能量随分子构型的变化而变化,而描述这种分子能量和分子结构之间关系的就是分子力场函数。分子力场函数为来自实验结果的经验公式,可以讲对分子能量的模拟比较粗糙,但是相比于精确的量子力学从头计算方法,分子力场方法的计算量要小数十倍,而且在适当的范围内,分子力场方法的计算精度与量子化学计算相差无几,因此对大分子复杂体系而言,分子力场方法是一套行之有效的方法。以分子力场为基础的分子力学计算方法在分子动力学蒙特卡罗方法分子对接等分子模拟方法中有着广泛的应用。

分子力场的构成:

一般而言,分子力场函数由以下几个部分构成:
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
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
交叉能量项:上述作用之间耦合引起的能量变化

构成一套力场函数体系需要有一套联系分子能量和构型的函数,还需要给出各种不同原子在不同成状况下的物理参数,比如正常的键长、键角、二面角等,这些力场参数多来自实验或者量子化学计算。

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
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。
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。
CVFF力场:CVFF力场是一个可以用于无机体系计算的力场
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。
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
COMPASS力场由MSI公司开发的力场,擅长进行高分子体系的计算
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
ESFF力场MSI公司开发的力场,可以进行有机、无机分子的计算
UFF力场可以计算周期表上所有元素的参数
Dreiding力场适用于有机小分子、大分子、主族元素的计算

 

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materials studio 软件中高分子材料模拟的力场选择
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materials studio软件中与高分子模拟有关的力场主要有COMPASS 力场、PCFF力场、CVFF力场及通用力场等,分述如下。

1 COMPASS 力场

COMPASS力场是第一个把以往分别处理的有机分子体系的力场与无机分子体系的力场统一的分子力场。COMPASS力场能够模拟小分子与高分子,一些金属离子、金属氧化物与金属。在处理有机与无机体系时,采用分类别处理的方式,不同的体系采用不同的模型,即使对于两类体系的混合,仍然能够采用合理的模型描述。COMPASS 力场覆盖的化学结构见表1。

表1 COMPASS 力场覆盖的化学结构

有机分子,高分子,气态分子

烷烃

CnH2n+2

烯烃

CnH2n

炔烃

CnHn

苯/芳香烃

C6H6, -C6H5, C12H10

环烷烃

CnH2n

-R-O-R-

乙缩醛

-C(OR)2-

-R-OH

苯酚

Ar-OH

-NR2

NH3

醛/酮

-CO-

羧酸

-COOH

-COO-

碳酸盐

-OCOO-

酰胺

-CONH-

氨基甲酸酯/氨基甲酸乙酯

-OCONH-

硅氧烷

-Si-O-Si-

硅烷

-Si-Si-

小分子

O2, N2, H2, H2O, CO, CO2, CS2, SO2, SO3, NO, NO2, NH3, He, Ne, Ar, Kr, Xe

卤烃

R-X (X=F, Cl)

膦腈

-N=PX2- (X=F, Cl, NR, OR, R)

硝基

-NO2

R-CN

异氰化物

RNCO

硫化物

RSR

硫醇

RSH

氨基氧化物

NR3O

芳香族卤化物

Ar-Cl, Ar-F

氨腈

-N=C=O

硝酸盐

R-O-NO2

无机分子

金属

Al, Na, Pt, Pd, Au, Ag, Sn, K, Li, Mo, Fe, W, Ni, Cr, Cu, Pb, Mg

金属 卤化物

Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Mg++, Ca++, Fe++, Cu++, Zn++, F-, Cl-, Br-, I-

氧化硅/硅酸铝

SiO2, AlO2

金属氧化物

Li2O, Na2O, K2O, MgO, CaO, SrO, BaO, TiO2, Fe2O3, Al203, SnO2, SiO2

2 CFF力场

Hagler 等人开发的CFF 力场包括CFF91、CFF93、PCFF、CFF95 等, 是第二代半经验力场算法,远比上述经典力场复杂,需要大量的力参数。其能量计算包含了交叉耦合作用校正。这类计算方法中的参数主要由以下物质实验或计算数据得到:含H,C,N,O,S以及P的化合物,主要是由这些元素相互之间形成的物质;卤素原子以及离子;碱金属阳离子以及某些在生物化学领域内重要的金属二价阳离子。

PCFF基于CFF91构建,主要增加了聚合物,金属以及分子筛体系方面的计算参数,是适用于高分子的力场, 它可用来预测有机高分子、沸石分子体系。

3 CVFF力场

CVFF力场全名为一致性价力场(consistant valence force field),最初以生化分子为主,适应于计算氨基酸、水及含各种官能团的分子体系。其后,经过不断的强化,CVFF力场可适用于计算多肽、蛋白质与大量的有机分子。此力场以计算系统的结构与结合能最为准确,亦可提供合理的构型能与振动频率。

4通用力场

前述的力场由于最初的设计都是针对有机分子或生化分子,故仅能涵盖周期表中的部分元素,其力场参数多由拟合计算与实验值或量子计算值而来。为使力场能广泛地适应于整个周期表所涵盖的元素,发展了通用力场。在高分子模拟领域应用最多最广泛的力场是近年发展起来的通用力场,包括Dreiding 力场、UFF 力场、ESFF 力场等, 这些力场的使用范围几乎覆盖了元素周期表中的所有元素。

(1)Dreiding 力场

Dreiding力场是Mayo、Olafson 等人于1990 年开发的一种较好的、具有各种用途的力场 , 它的最大优点在于有很强的预测能力, 相对于那些为十分有限的体系提供较高精确度的特殊力场,Dreiding力场允许合理地预测大量的体系, 包括那些含有新元素化合类型的体系, 以及没有或很少实验数据的体系, 也能较好地进行能量、结构的预测和动力学计算。Dreiding力场在预测依赖分子内相互作用的聚集态材料的性质比UFF 力场更好, 但它未对整个周期表进行参数化, 因而不及UFF 力场应用广泛。Dreiding力场没有像UFF 力场和ESFF 力场那样的“参数产生器”,但它的参数也是由一种基于规则的方法而产生。Dreiding2. 21 是目前最新的版本, 也是高分子材料模拟中最常用的力场。

(2)UFF 力场

UFF (UNIVERSAL Force Field) 力场是由Rappe 及其研究小组在1992 年开发的优秀通用力场它对整个元素周期表进行了参数化, 所有力场参数是由一系列基于元素、杂化及化合连接的规则产生的,它是适用范围最广泛的计算方法,对元素周期表内的所有元素适用,因此一般结构都可以采用这个算法。UFF力场被证明对许多体系有效, 因而被推荐用来预测那些未被特殊力场覆盖的体系。通常UFF力场对分子结构预测比Dreiding力场好, 但对依赖于分子内相互作用的性质预测则差一些。UFF力场另一特点是有一个“参数产生器”, 它能结合原子的参数产生力场参数, 因此力场所需的任何原子化合类型参数都能被产生出来。UFF 力场已发展到与电荷平衡法相结合,用UFF力场进行的计算极力主张使用电荷平衡计算, 并为许多体系所证实。

(3)ESFF力场

ESFF力场是1998年由M S I 公司开发的力场, 它对元素周期表中氡(Rn) 以前的元素进行了参数化, 它的参数导出结合了密度泛函理论, 能用于预测有机、无机和有机金属体系在气态及凝固态的结构, 但对振动常数和构象能则不能精确预测。

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