1.4.1分子力学和分子动力学方法
分子力学方法可以被看作是一种用经典力学方法描述分子的结构与几何变化的方法。它基于经验力场,忽略分子中电子的运动,把系统的能量仅作为各原子核的函数即经验势函数,利用分子力场模拟分子结构,计算分子的性质。与量子化学方法相比,分子力学方法能够计算较大体系,且其计算时间相对很短。但是,由于分子力学是对真实势能函数的近似拟合,在将严格的物理概念转化为公式的同时牺牲了物理概念本身,分子力学仅对体系平衡态有效,而对电子状态及过渡态无效。
分子力学是基于如下几个假设的:(1)Bonl—Oppcnhcimcr近似,将系统能量看成是原子核坐标的函数;(2)使用简化的相互作用模型,体系相互作用的贡献来自于如键伸缩、键角的开合、单键的旋转等;(3)力场具有可移植性,即经由一定数目的分子测试所得到的一套势能参数可以拓展使用到其他的分子体系中.或由小分子开发得到的参数可以应用到大分子体系中。
分子力场是分子力学的关键,必须同时具备三个要素,即力场的原子类型、能量表达式和力场参数。目前,人们已经发展了多种分子力场,如CFF、MM2、MMP2、MM3、AMBER、CHARMM、DREIDlNG、UFF、COMPASS等。这些力场都经过严格的验证,具有相当高的可靠性。
分子动力学是分子力学的延伸,是应用分子力学的力场及根据牛顿力学的原理和方法发展起来的计算方法。分子动力学方法的基本模拟过程是在一定系综及已知分子位能函数条件下,从计算分子间作用力着手,求解牛顿运动方程,得到体系中各分子微观状态随时间真正的变化情况,再将粒子的位置和动量组成的微观状态对时间平均,即可求出体系的压力、能量、黏度等宏观性质以及组成粒子间的空间分布等微观结构。该方法既可计算体系的平衡性质.也可以计算体系中的各种动力学性质。分子动力学方法的优点在于它能跨过较大的能垒,温度越高,可跨越的能垒越高,因此可以通过升温,搜索更大的构象空间,尽可能真正找到最低能量构象。分子动力学方法的缺点是不适用于分子过大的体系,否则即使很小的能垒,跨越的时间也要超过模拟时间,得不到真实的结果。
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