MaterialsStudio软件涉及力场中氢键的研究

第 23 卷 第 12 期 2以拓 年 12 月 2 8 日 计葬机 与应用化母 Com p u t e rs , d APPl ied 伪e而 .卿 VoL 23 , N‘ 12 众洲如加r , 2以场 M a te ri ai s S to 山。软件涉及力场中氢键的研究 ’ 殷开梁 , , 邹定辉 , , 杨波, , 张雪红 , , 夏庆 , , 徐端钧2 ( 1 . 江苏工业学院化工系 , 常州机场路 75 号 , 江苏 , 常州 , 2 13 0 16 ; 2 . 浙江大学化学系 , 浙江 , 杭州 , 31 田27 ) 摘要 : 利用 Mate ri al 。 st ud i 。 (MS) 材料科学软件 ,分别采用 pe 氏 c oM以ss 及 。甫 力场 , 计算两个乙醉分子间的氢键作用 , 考察 了氮原子和受体氧原子间距离 、成键角度等因素对各种非键作用能的影响。 研究结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 : ( I) 当将氮健作用看成是范德华 作用和静电作用的综合结果时 ,对氢键的反映 c讯最差 , COM PAS S 最好 ; ( 2 )只要采用合适的范德华作用势函数 、力常数以及 指定恰当的原子部分电荷 , 是可以用一般的非键作用来反映氢键的。 本文为 M S 用户初步解释了 MS 中的力场是如何处理氢 健的重要疑问。 关扭词 : Mate ri al 。 St u di 。 软件 ; 力场 ; 氢键 中圈分类号 : 0 64 1 . 13 文献标识码 : A 文章编号 : l的 l 4 l6() ( 2 (X 巧 ) 12 一13 35 一1340 In v e s Ug a ti o n of H . b o n 山ng fo r th e re l a te d fo rc e n e lds i n m a te ri als s to 山0 so ft · w a re * 丫in K a ilia n g ’ , z o u o in g h u i’ , 丫a n g B o ’ , z h a n g x u e h o n g ’ , x ia Q in g ’ a n d x u D u a nj u n , ( 1 . D e pe rt m e n t of Ch e m晚1 En g in ee ri n g , J ia n g s u PO 丫ec h n ic U n湘 rs 勺 , C h a ngZ ho u , 2 130 16 , J 18 n g su , C h ina ; 2 . D6 pe rt- m e n t of C h e m iat ry , Zh ej ia n g U n湘rs 勺 , H a n g z ho u , 3 1(X) 27 , Zh ej ian g , C h ina ) A加如Ct : A p目户ng M at eri alS St u di 。 朋n~ PaC k昭e an d 衍 th 即ff , c甫 , COMr 月犯 肠代e fi e 】ds , c 以c ul at ionB to th ei nte r 一耐忱日公 H - 场诫ng int e raC t i . 玩加倪n two e th an o】耐ec ul es ~ 伽de in thi 。 钾拌r . 仆e efl 袄切 of di stan ce 比twee n the hydn 矿 n at 侧口 . 记 the 即 - ce Pt or oxy ge n at oln as we U as the a n gl e 6 on d iffe re nt n on 一场n d en e心es we re i~ ti 脚ed . 仆e si m川at ion res 己te s ho w司 t知时 : ( l) COMP ASS can 肠 t d esc ri be th e H 一场n d i ng int ~ ti on wh e ~ c证 d姗 w o . t wh en the H- 场n di ng in t e raC tio n was 叱词司 as . 而e-孚掀云on 成 el ec 帅颐。 山记 van ds r w 曰日。 in te ra c tio ns ; ( 2) ge ne 阁 ~ 一场nd int e 比IC t i on c an 卜 w e ll u 肚泪 to desc ri 反 the H七. 记jng a. lo ng aa a 耐加山le ~ de r w 曰目。 卯t e n ti al fun cti on 衍th ~ p ro pe r 砰川幼能 te 口 ~ c h姗n , 山记 th e at 。而。 c h a 电es ~ p州阵 rl y d es 云g-朋t曰· Th is p 叮犯 r 初11 gi ve 俗眼。 。 州幽叮 e x p lanat ion for the d以山t h o w the MS 咧加are d创目。初 th H 一han di ng int e raC t i二 . K ey w o rl 如 : Mate ri al s St u di o so n w are , fo rc e 6 el d , H 一ha n d i n g Yi n K L , Zo u DH , Y an g B , Zh an g XH , X ia Q an d X u DJ . I n v e s t ig a t10 n Of H 一bo n d i n g fo r th e re lat e d fo 二e fi e ld s i n Mat e ri al s St u d i o so ftw a re . C om p u te rs an d A即l ie d Ch e m i s甸 , 2咤X巧 , 2 3 ( 12 ) : 1 335 一1340 . 引言 氢键为与电负性较大的原子 ( F 、Cl 、 O 、 S 、 N 等 )成键的 氮原子 ,与邻近 的电负性较大或带孤对电子的原子 ( F 、 cl 、 o 、S 、N 等 )之间所产生的一种强的非键作用 ,大小介于成键 作用与非键作用之间。 分子间氢键在水 、醉 、酸等溶液中广 泛存在 ,是产生高沸点 、溶剂化等作用的重要因素 ; 同时 , 生 命体中分子内的氢键起着举足轻重的作用 ,如蛋白质的螺旋 结构 、部分生化分子的活性等 , 都与氢键有密切的关系。 不 仅如此 ,最近 , 许多 X 射线衍射实验证据表明 , 晶体中碳原 子也参与氢键 ,形成所谓弱氮键作用 , 在许多金属有机分子 的结晶过程中,扮演着重要的角色川 。 到目前为止 , 氢健的 性质究竟如何反映 、如何界定以及其能t 如何计算等尚无定 论 , 对氮键本质的研究尚在进行 , 仍为化学和物理领域的研 究热点之一 。 迄今为止 ,取得的共识是 , 氮键是一种非键作 用 ,形成氢键的原子间既有范德华作用又有静电作用 , 没有 统一标准界定氢键形成的条件 ,也无法采用一致的函数形式 计算氮键的能量 。 在学术界 , 氢键的从头算早已为科学家所 关注 , 已有许多报道 ,对氢键的本质有了进一步的认识 12 一 刁〕, 但利用分子力学对氢键本质的研究却很少见报导。 本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 组正在将已掌握的晶体中各种氢键的几何数据汇总 , 希望利 用分子力学模拟技术对氢键的本质进行更深人的研究 。 收稿日期 : 2以拓仍折 ; . 回 日期 : 2 (X 拓折仓5 . ‘t 润助 : 国家自然科学基金 ( 2作刃6( X) 7 ) ; 江苏省高校 自然科学基金 (04 KJ B 15 (X) 2 8 ) 作. 蔺介 : 殷开粱 ( l% 5一 ) , 男 , 博士 , 副教授 , 主要从事化学化工和材料科学领域的分子模拟研究 . 13 36 计葬机与注用化母 2(X巧 , 23 ( 12 ) 随粉计算机科学的迅速发展 , 与研究体系的尺度的增 加 ,分子力学已成为当前化学家经常使用的研究手段 ,也是 分子模拟方法【, 一6] 的重要组成部分。 分子力学基本用途是 寻求分子的平衡构型及能 t , 它是分子中原子间存在化学 健 ,非健原子之间有范德华及静电相互作用这一经典理论的 自然扩展 。 分子力学方法基于经验力场 ,忽略分子中电子的 运动 ,仅把系统的能t 作为各原子核的函数即经验势函数 , 利用力场方法模拟分子结构 ,计算分子的性质 。 在分子力学 中, 最常用的方法是能t 最小化 ( Mi ni 而zati on )和分子动力 学 ( Mo l eC ul ar 功. Un i cs )模拟 , 这些在 Mate ri alS sto di o( 简称 M s) 软件中应用方便 。 MS 软件为世界最大的分子模拟制造商—美国的 Ac -c e liy 公司 ,将其工作站上使用多年的材料科学模拟软件 C e- ri us Z 移植到徽机上的版本 ,具有可操作性强 、使用方便等特 点 , 已为全世界科研机构、公司 、医院 、学校等广泛使用 。 目 前国内的正式用户也超过数百家 , 尚有快速增长的趋势 。 多 年来 ,本课题组已成功地以 Ms 软件[,1 为工具 , 开展了多领 城分子模拟 (主要在分子动力学模拟方面) 的研究工作 , 既 取得了一些成果〔卜 ’心] , 也积莱了不少经验 。 由于国内使用 MS 软件起步较晚, 用户对软件中许多问题的认识还不充分 , 比如遇到的一个很重要的问题就是 : 在 MS 的力场中如何处 理氢健 ? 鉴于氮健在某些系统中的重要性 , 因此 ,在使用 MS 软件时 ,对力场是如何界定氢健和计算氢键能t 的问题 ,必 须有较清醒的认识。 本文以乙醉分子为例 ,通过参与形成氢 健的给体和受体间作用能的计算和讨论 , 对 MS 软件中常用 力场如何处理氢健的问题作一初步说明 ,为利用 MS 从事分 子力学 ,特别是分子动力学模拟的科研工作者提供方便 。 、 二 (景一 ,)c OS · , ( 2 ) 式中, 二 通常设定为 4 。 考虑截断的势能 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为: 几 二 艺 几 ( r ^。 ) e o s , e ‘S (心 ,心,心 ) , 冉习 < , . . . S ( e o s Z 一般设定 r ‘ 二 2 . S A , 气 , c耐九 ,翎 2‘ ) 九 二 oo “ 。 ( 3 ) 目前 ,使用的多数力场并未包括精确的氮键势能项 , 而 是依靠静电和范德华作用来重现氢键 , 如 pe 了. , 〕和 C OM- P尤弥【”〕力场声称可以计算氢键作用 ,实际上是通过综合考 虑静电和范德华作用来实现的 。 2 氮键的一般处理方法 通常把与氢原子成健的原子称为给体 ( d佣or ) , 以 D 表 示 ;将与氮形成氮健的原子称为受体 ( ac c e p t o r ) , 以 A 表示 。 r . 和 r D^ 分别表示受体与氮或给体间的距离 ; e 和气为两种 不同的健角的表示法 , 互为补角。 嗽弋乏热人_ ~ ~、‘O 梅 1 Ill u . 如 . 成 H 一肠。d ing . 图 1 氮健给受体及变t 示愈图 一般认为氢键的形成条件是 : r ^ , < 2 . SA , 气 < oo 。或 e > 卯。 l6] 。 氮健势能的计算公式通常采用 IJ 12 一 10 的形 式 : 一 r _ , 几 、12 , I ‘ 、10 1 L 、 r l 、 r I J 式中, Do 代表氮健强度 , r0 为受体原子与氢间的平衡距离 。 这一形式在阮idi ng 力场〔”}中采用。 此外 , Y公n 力场 t”还考虑受体孤对电子与氮键间的夹 角 。 ,在日 12 ~ 10 公式中增加一项 。讨。 , 而 Gm D 程序〔’, 〕 中则应用一种依赖于孤对电子方向的 6 一4 函数 : 3 计算机模拟 3 . 1 红健作用研究对象 以两个乙醉分子间简单的氢键作用为例 ,主要考虑两乙 醉分子间 O 一 H. 二O 的范德华作用和静电作用 。 3 . 2 力场及参数 为考察不同力场是否能反映和计算氮健的问题 , 选用 MS 中的两个力场详任 (州”叮e r e o n s i o te n t fo 代efi e ld ) 和 e甫 (。o . iste n t 一 val e n e e fo rc 苗 e ld ) 以及独立 的力场模块 COM - PASS ( Co nd e n se d 一phase OP t i而2司 M ol ec u L甘 POt e nti als for At - 姻议ic si m山ti on stu di es )侧 。 力场文件中 , 不同力场对各 原子的电荷 、杂化类型及力场参数等的考虑列于表 1 中。 3 . 3 变, 选择及计算 以 H 和受体 O 间的距离 、A及氢键夹角 e 为变t ,范德 华能 E * 、库仑作用 E‘及总非键能 E ‘ 二 E‘ + 召州 为应变 t , 计算能t 随距离及角度的变化 。 计算非键能时固定经基 的。一H 键长 (3 种力场中分别为 0. 盯7 、0 . % 2 和 0 . % 32 A) , 考虑受体 O 原子与 H 及给体 0 原子间的非健作用之和。 4 结果与讨论 4 . 1 能 l 最小化后的构象 分别采用 砰 ff 、 c进 和 COMPASS 力场 , 再用 Di sc ov er 模 块中的Mi ni ~ r 工具 , 将两个乙醉分子形成的分子对进行 构象优化 ,结果见表 1 。 3 种力场优化后的 r 。 ,均介于 1. 7 - 1 . 9 A 之间 , 远小于 2 . 5 A , 说明 3 种力场均允许氮键的存 在 。 优化后的氮键夹角 e 均接近 180 。 , 十分合理 。 从总非键 能的大小分析 ,脚任和 COMPA SS 力场中的氢键 ,应较 c讯 中 的德定得多 ,在后面的结果和讨论中 ,将进一步论证 。 4. 2 碑 ff 力场 4 . 2 . 1 总非健能随距离和角度变化的三维图 采用 伴任力场 .计算不同的 r 。和 e 下的总非键能 E : ,得 到的结果以三维形式见图 2 。 从图中可看出 , 三维能量图出 现一明显的波谷 , 当氮和受体氧间的距离及形成的角度处于 波谷内时 , 则形成的氮健较稳定。 为了能观察到范德华作用能和静电作用能 (库仑力 ) , 对总非健能的贡献及对氢键形成稳定性的影响 ,下面将非键 能进行分解。 2(X巧 , 23 ( 12 ) 殷开梁等 : M at e ri al 。 承u di。软件涉及力场中氢键的研究 1337 表 l 不同力场中的参数设定 1’ab le 1 Paxam e t e r 瞅ti n p in d任[e re nt fo 代 e fi d ds · 力力场类型 件任任 e v 任任 COMP尤弱弱 特特征简述 第二代力场 , 基于 。四l , 增加了许多聚聚 第一代经典力场 , 适用于各种多肤 、蛋蛋 基于 c 心 l ,触合了不少 t 子力学从头算算合合物力场今数 , 适用于有机分子或不含含 白质与大量有机分子的计算算 的结果 ,且增加 了许多金属和金属暇化化 过过渡金属元素的分子系统统 0 . 10 0 . 1000 物的参数 , 是第一个将有机分子和无机机 力力场计算的 0 . 0 53 0 ·05 333 H HHH 分子参数统一于同一力场中的高质t 分分 由由薪式冬六 H HHH _。.3。} }。 : 7 。.3 555 子力场场 lll一15 9 . 0 .0 2 777 H — C 一 C— 0 — HHH 0力5 3 0乃5333HHH— C ‘‘‘℃二‘二 0 — H 0 .4 24 111 01 0 } 【飞 一3888 H HHHooo刀, 3 1 } 一0 45 57 ,, H H 、、 I_。. !5 , 10 . 。, 4 。. ; ,, HHH HHH 0 . 】0 0 . 】000 H ee C — C ee o 一 HHH000 .0 53 0 . 05 333 经基中 O 为 四面体杂化 , 力场类 型 ::: 0 ·0 , , ! } 一 j ,, 原原子力场类型 经基中 O 为四面体杂化 , 力场类型 ::: oh ;H 的力场类型 : hooo H HHH。。h ; H 的力场类型 : booooo 0 .0 53 0 .0 5333 经经经经基中O 为四面体杂化 , 力场类组 :心 h ‘‘ HHHHHHH 的力场类型 : h looo 非非经悲哭塑的 ‘ 二 又 , 。12 (自 , 一 3 f至犷111 E一 : (令一韧韧 同 脚任任计计算公式 一山 一 ‘ 。“L‘、万) 一 ‘、万) 」」 A , 二 月丫不可, B , 二 声河 ;;; r孟二 1 . 佣 , , e 。 二 0 . 以招O ,, ,, 。 二 (邺)’‘ , , , = 2 石面共共 E 。、 二 33 2. 054 艺臀臀 r‘二 3 . 550 , e 。 二 OJ 为叹】】、、 2 , 一” ” 心 + 弓弓 单位均为 kc 心m ddd 000EEE‘ 二 33 2. 054 艺臀;;; AH 二 1 . 0 x 10 一 8 , a , 二 o ,, I 丫 , H 人人 单单位均为 kc 心口司司 A o 二 2 7 2 894 . 8 , B o 二49 8 . 999 0 . . . . ‘. hhh 力力场对 r寿二 1 . 的so . e , 二 0 . 0 13 0 ,, OOO r r r H ^“ ( , 一袱150 ) 12 1 ,八八应应力常数 心 二 3 . 5 350 , 8 。 二 0 . 2 40000 OJ 。 :. 一、、 r oo 二 《L + U · , O J ‘ J ))) 氢氢 ~ 。介::: r r r H ^ c OS ( 竹 一 节侧 150 ) 12 1 ,月月 【 + Lr 以即. L , 一 , 份 l即 ) 一 J JJJ rrr r r u ‘哪( , 一 , 侧18 0》1 一l月月 r oo 二 《L + U . , 。‘ J 》》 r。为 1 . 703 A , e 为 179 . 哪。 ,范德华能 、、、、与 日 ’竺二二 ” ’一’ 一 ‘ 1 111 t + L r “^ c o . 气. 一 , 邵 l洲 ) 一 J JJJ 库仑力及总非性能t 分别为 : 0 . 7 , 93 、 ---,, 间雨吴系 『oo 二 }L :0. 977 , _ , ~三, , }}} r o A 为 1 . 7“ A , e 为 17 0. 铭 5 0 , 范德德 14 . 2引刀 、 一 13 . 47 14 k ca J/ . l ooo一一 ’ 一“一’ L + [r 。。( 下 一 , 侧 150 ) 〕‘ JJJ 华能 、库仑力及总非键能 t 分别为::::: 最最小化后的 r o A为 1 . 8 8 7 A , e 为 17 5 . 5肚。 , 范德德 一 1 . 16 12 、 一 2 . 肠9 8 、 一 3 . 2 11 0 k e a 】///// 构构象和能t 华能 、库仑力及总非键能量分别为 ::: m olllll 000 . 肠9 1 、 一 12 . 2 4 86 、 一 1 1 . 97 9 5 kc a】/////// 咖咖10000000 F落 2 口伟戏 . d i~ ion ~ es of the t o t目 ~ 一场n d . 旧魂口 眠 r H ^ 助d 6 . 图 2 总非性能随 r拟和 e 变化关系的三维图示 ( pe 田 4 . 2 . 2 范德华作用能 从不同的角度 , 以范德华作用能对 、A作图 , 呈典型的 U 曲线(图 3) ,但由于范德华作用势 .采用了 IJ g 一 6 的形 式 (表 l ) ,故短距离排斥力随距离变化而平级 。 将 r HA从 2 . 2 至 3 . 6 A 的区域放大 , 可看出 , 当角度变小时 , 势能阱处的 “平衡距离 ” (能量最低点对应的 r llA )逐渐增大 , 从 2 . 62 增 至 2 . 84 A ,但势能阱深度 (能 t 最小值 )则几乎不变 (从 - 0 . 23 3 到 一 0 . 24 2 kc 心m ol ) 。 说明范德华作用势可体现出角 度因素对氢键稳定性的影响 : 角度越大 , 当 H 原子和受体暇 原子接近 ,且两原子间距离越短时 , 范德华作用能越不起作 用 ,形成的氢键越稳定 。 4 . 2 . 3 静电作用 从不同的角度 , 以库仑力对 r。作图 ,基本呈双曲线形状 133 8 计葬机 与应用化母 2(X巧 , 23 ( 12 ) 梅 3 仆e e . e 几口 c urv es 试 . d er w 曰山 in 妞raC d二 at 山玉介n t . 叻e 口. 图 3 e 不同时的范娜华作用能曲线 (脚任) ( 图 4 ) 。 结果显示 , 在任何角度 ,库仑作用能均随 r。的增加 而增大 ,但由于库仑力为组原子和受体氧原子间的静电引 力 ,及给体权和受体氧原子间的静电斥力之和 , 所以 , 当角度 很小时 (l 10 一 118 “ ) 、发现当 ;。介于 3 . 3 一 4 A之间 ,其能t 最大(图 4 中放大部分 ) 。 对较弱的范德华作用 , r HA 较小时 具较强的库仑作用 ,应该是氮健德定的主要原因 。 角” e 。 ,则 e 。为 、A函数 (图 6 ) 。 图中阴形部分的区城表示 当 r 。和 e 处于该区域时 , 按假定可以形成较稳定的氢健 。 可以看出 ,这一距离和角度范围还是相当宽 , 说明讲任力场 确能较好地反映氢键作用。 (4) 若在不同 r “A下以总非健能对角度 e 作图 , 也能得 到类似的结论( 图略 ) 。 ( 5) 以上结果表明 ,通过将氮键作用视为氮及给受体氧 原子间的范德华作用和库仑力的综合体现 , pe ff 力场确实反 映好的氢键作用。 此作用已经在本课题组的前期工作中得 到证实 :应用 详任力场和分子动力学模拟 , 研究环糊精和对 甲基苯酚所形成的主客体包结物在纳米水滴中的性质 , 确实 观察到较强的水分子间 、水分子或客体与环糊精的端口经基 间等的分子间氢键以及环糊精的端 口经基间的分子内氮健 作用 [川 。 (6) 虽然在势能曲线中 , 并未在 2 . S A 观察到突变 ,事 实上也不可能出现突变 ,但若希望力场能更为精确地反映氢 键作用 , 尚需进一步调节力场中相关的参数 (详见 COMPASS 力场部分) 。 F语 4 仆e e . 价叮 c urv e. 试加司姻山 in te二. io n at d诩阮门。t . 回e e. 图 4 e 不同时的库仑作用能曲线 (脚任) 4 . 2 . 4 总非健能 在不同角度下以总非健能对 r。作图 ,呈类似 U 曲线形 状( 图 5 ) , 说明总非健能的变化基本上决定于范德华作用 。 从图中可得出以下几点结论 : ( l) 各个势能阱的深度 , 与角度成正比 , 角度越大 , 势能 阱越深 ,非健“平衡距离”越小 ,氢键越稳定 。 ( 2) 当角度小于约 130 。时 ,总非键能均为正。 假定氢键 形成的条件为 :总非健能小于零 , 则只有当 e > 130 。 时 ,才有 可能“形成”氮健 。 从图中可以看出 , 角度越大 , 可能形成氮 健的 r M^ 的范围越宽 。 当角度为 150 “时 ,按假定 , 原则上在 1 . 5 一 3 . 2 A( 最大值与由 伴任力场中力常数计算出的非键 “平衡距离 ”喻 二 3 . 巧 人大体相当 )之间均能形成氮键 ;但 当 r。超过氮氧原子的范德华接触 2 . S A(伴任力场中鱼 、氧 原子的范德华半径分别为 1 . 2 和 1 . 52 A)时 ,此时的氮键无 意义。 因此 , 图示的红健能稚定存在的距离 r 。和角度 e 范 围 ,分别为 1. 7 一 2 . S A 和 130 一 1800 , 比较合理 。 角度和距 离间具体的对应关系 ,可通过定义一 “临界角”加以说明。 (3) 若将氮原子和受体权原子间距离处于某一 r 。时 , 形成氮健 (按 ( 2) 中的假定 ) 所需的最小角度定义为 “临界 F i‘ 5 仆e e 二卿 cu rv es of t o 回咖 .场n d 谊忱戏比石on at d 谈re 代nt 朋衫e a 图 s e 不同时的总非健能曲线 (脚ff) F i冬 6 仆e d l川ri bu 幼叩 of ec at 山氏re n t rH .^ 图 6 r。不同时的临界角 ec 分布 4 . 3 e 喇斤和 COM[P. 配弥 力场 4 . 3 . l e甫 力场 ( l) 采取 IJ 12 石 的经典形式计算 c甫 力场中的范德华 作用能 , 力常数与声任有所不同 (表 1 ) 。 计算结果表明 , 能 t 曲线形状与脚任墓本相同 , 但相同角度下的势能阱 “平衡 距离”较 pe ff 明显偏小 , 为 2 . 25 一 2 . sl A , 而势能阱深度几乎 2以拓 , 23 ( 12 ) 殷开梁等 : Mate ri d . Stu di 。软件涉及力场中氮键的研究 13 39 相同且完全不变化 (均为 一 0 . 22 8 kc 司以. d ) 。 (2) 由于 c谊 中对各原子特别是氢键相关的氢和氧原 子的部分电荷分配不同 , 导致库仑力在 1 . 4 一 4 . O A 范围内 始终为负值 , 即静电吸引作用始终占据主导地位 , 这与礴 中库仑力随着 r。的增大逐渐由静电吸引转化为排斥的趋势 明显不同。 这一不同使总非键能曲线的形状明显改变 。 (3) 总非健能曲线的变化趋势和 脚任类似 ( 图 7 ) ,非键 “平衡距离” 同样随角度减小而变大 。 不同的是 , r H‘经非键 “平衡距离”变化至 4 . O A 时 , 总非键能始终为负数 , 且能量 变化较平缓 , 因此总非键能曲线未能显出氢键的特征 , 所成 的氢键很不稳定或说不能很好地反映氢健 , 这在我们的前期 工作中已得到证实 [s] 。 ( 4) 以上结果表明 ,若将氮健作用视为氮及给受体氧原 子间的范德华作用和库仑力的综合体现 , c谊 力场并不能很 好地反映氮键的作用 , 这与软件销售商在其力场介绍中所声 称的相同。 4 . 3 , 2 C OMP ASS 力场 ( 1) c o Mp ASs 力场与沐任力场均是基于 c加 l 力场 , 非 键能函数形式相同 , 只是力场参数和原子电荷分布有所不 同。 为了更准确地描述氮健作用 , C OMP ASS 力场对涉及形 成组健的氮原子和氧原子的力场参数和原子部分电荷作了 一些调整 ,使计算结果更为合理 。 ( 2) 由于采用和 pe ff 相同的非键势函数形式 , COMp ASS 范德华作用能的曲线和 脚任非常相似 ,不过为了突出静电对 氢健的作用 , COMPASS 力场选用较小的力常数 e( 表 1) 使范 德华作用变弱 , 势能阱明显变浅 : 能t 最小值由声仃时的约 一 0 . 24 kca 夕口日增加至 COMPASS 时的 一 0 . 的5 ke 司少mo l 。 ( 3) 库仑作用能曲线呈现和 脚任相似的趋势 : 随粉 r 。 增大 , 静电作用由吸引转化为排斥 , 临界 r 。在 130 “ 时为 1 . 8 90 A , 180 。 时为 2 . 505 A ;角度较小(l 10 一 130 。 )时 ,能t 曲线也出现极大值 。 但由于 COMPASS 力场中计算得到的 原子部分电荷分布 ,与 详任中有所不同 (表 1 ) : 经基中里原 子的部分电荷数值稍小 , 而氧原子的部分电荷数值稍大 ,所 以在同一角度时的临界 r。 , 比脚任(图4 )小 。 下面的讨论显 示 , 这一调整显得非常重要 。 ( 4 ) 从图 8a 中的总非键能曲线和图 s b 的临界角分布 图中可见 , 由于 COMP ASS 力场适当调整了某些非健参数 , 使曲线在大角度时 , 氮健形成区城呈现得更为合理 :¹只有 当角度大于 13 8 . 5 。 时才能形成氮键 ;º角度越大 , 能形成氢 键的 r。的范围越宽 . 可以形成氮健的区城较宽也较合理 ;» 150 。时原则上在 1 . 38 一 2 . sl A间 , 均能形成氢健 ,此最大值 正好为范德华接触距离 , 也与公认的形成氮健的临界距离 r o 2 . S A 完全一致 ,显示出 : 以本文 4 . 2 . 4 (2) 中氮健形成的 假定为基础 , C OMPASS 力场较 pe 任和 C喇任力场能更好地反 映氢健作用 。 Fi ‘ 8 仆e e n e叹口~ of t o回 n 二一肠nd int e御t ion at d谈re 花n t . 砂e e ( 。 ) 朋d the di 面bu 如n j ec at d西如nt r队 . 图 s e 不同时的总非键能曲线 ( a) 和不同、‘时的临界角 ec 分布 ( b) ( CO Mp祀弥 ) 5 结论 以简单的乙醉分子间氢键的作用为例 , 针对材料科学模 拟软件 Mate ri 山 S tU d io 中的 脚任、 c讯和 COMP A SS 力场 , 初步 探讨处理氮键的重要问题 。 模拟结果表明 , 若将氢键作用视 为氮原子及给受体氧原子间的范德华作用和静电作用的综 合体现 , COMPA SS 最好 , pe ff 也较合理 , 而 c vff 不能准确地反 映氮键。 同时 ,通过采用不同的范德华作用势函数形式 , 以 及调节非键作用参数 ,使力场能更为合理地反映氮健作用 。 相信本文的研究结果 ,将增进广大 M S 软件用户对氢健性质 的理解 ,并为他们今后在从事氮健的模拟工作时提供有益的 信息。 Re re re n C e s ‘ H , Y in KL an d x u DJ . e at e ” . 一几ly [ [ b i。 ( ’H ·肠而而山助le 1340 计葬机 与盛用化母 2以巧 , 23 ( 12 ) KN 3 ) (诫叮垃o- 陇。) 加p伴r ( 11 )〕·卜心山叮肠扔 ·o , o ‘: o , ‘〕, ^ e 恤 幼吐 C , 2以乃 , C6 1 :m l g ~ 21 . Hu . 堪 D M , W叫 YB , V i峨” 以 即d TaO FM . 3 川c姗 助d 曲山11. ity 成 而叩卜. . 七y山柳。 h 目ide co m p lex . : 如 砧 云“自初幽lec ul ar . 击i回 咖dy . Che 口 玲” L改t , 2以万 , 叨, : 222 一 2 2 6 . W u 口 , 2知幻 K . d s u n H . 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C枯. sin , 溉刃5 , 21 ( 4 ) 月乃 一礴灼 · 丫肠 KL , X认 Q , xu DJ 即d Che n CL . O犯曲‘。 . lec . lat dy ua 面 c . 曲. 山山. 成 1 : 1 让比lu . io n 叮 p 一 cy e k d e xl 时n . d 卜心. 即l in ~洲p a . d ~ 叮咖血 . C址 . . J Chem 伟” , 2以洲 , 17 ( 6 ) : 71 1 一 7 16 . Y in KL , 为. Q , xu DJ , 儿 Irr , 加 . xQ a l . d Ch即 CL Q明四姗 S油公‘. ‘ a , ld ~ 钾‘cle o 侧目目 by th i公1. 沈n ‘山山记 h y山卜 , 远. yl o纯阳山” . 从翻~ 1 1、阅ry s油日 , 2 (X) 3 , 12 : 59 3 - 598 . Y in 杜 , 为. Q , 儿价 , X u DJ , 加 . XQ an d C h e . CL . M o lec 己ar 滋. 公画翻 成 i~ 吐川 d 理门 成 a . lf . 曰, 山】曰 即】d e l业目er 脚圈 Iva- 园 衍山 面目. 协恤山时曰 呵 . . 州听。 卜y面甲泌叻y l o纯拼油e . . J M o 1 S如d (肠翎 he m ) , 2 (X抖 , 6 7 4 : 157 一 163 . 14 Zh“堪 GL , Pei Y , M a J , Y in KL 胡d C h . CL 卜. k吨 目”月亡加川. 耐 Pac ki ng 团玩. on e xc i画on . 时. ‘ . 凹印腼幽 p h幽响卜 囚叩b e n es . J 外ys Ch吧m B , 2 (X月 , 108 :的88 一倪均5 . 1 5 M ay o S L , 0 恤臼犯 BD , G以记. 记 WA m . DRE ll) 创G : A 手口州。 肠m币eld . J 伟y 。 Cheln , l夕筑】, 94 :朋9 7 一吕以为 · 16 Ven dan i A . 丫E T卜An in t e ra d iv e m ol ee 川ar ~ 加切石c. P加卿, m for . 口山一lec 记ar p门忱 in co 呷lo e. . J Q叫四t C抽口 , 19 88 , 9 二2的 一 280 . 17 C泊记fo 川 PJ . A CO m po 画叨目 p , 记眠 for d血扭咖吨姗 , ‘。山y 血钧. 山坛 b ind 吨 sil es , bi ol 哈c山y im po 均叨t ~ . . 月eC 日e. . J M记 Che 口 , 19 8 5 , 2 8 :别9 一 8 57 . 1 8 Su n H , Mu汕 y SJ , M喇e J R an d Hagl e r AT . A n ab 如自如 CF种3 all 一以。m fo 瓦efi e ld for po ly。创比n 川翻 . J A. Chem S 犯 , l望抖 , 1 16 : 四, 8 一29 8 7 . 19 Su n H . COMp纪弱 : An ab 如心白 肠代币刚 邢滋‘词 for 二de . 记- p ha 助 即p li e丽ons 一v eI’v ie w 初 th d e恤山 on 司压an e an d be ~ e ~ p 晚口d . . J 件y s Ch e m B , l卯8 . 102 : 7 3 38 . 功 M~ 山 stU di o 2 . 2 ; COMPA SS 1 . 0/ c^ 比场s : 5 . . 庆卿 , CA , US . 2阅2 . 附中文今考文献 4 张愚 , 王一波 , 孙泽民 , 田安民. 高级t 子化学从头计算法研究 N : 和 H 2 0 分子间相互作用 . 高等学校化学学报 , 2 (X扣 , 21 ( l ) : 99 一 1以 . 5 周翻 ,任强 . 分子模拟技术在石油化工领城的应用进展 . 计算机 与应用化学 , 2(X场 , 23 ( l ) : 15 一 19 . 8 殷开梁 , 徐端钧 , 陈正隆. 真空条件下 p一环栩精和对 ·甲荃笨肠 包结物动态结构的分子动力学模拟 . 无机化学学报 , 2加3 , 19 ( 5 ) :叨O 一 4 84 . 9 殷开梁 , 徐端钧 , X 庆 , 叶雅静 , 邹国英 ,陈正隆. 正十六烷体 系凝固过程的分子动力学模拟 . 物理化学学报 , 2以抖 . 20 ( 3 ) : 302 一加5 . 10 黄玉成 , 胡应杰 , 肖继军 , 殷开梁 , 肖鹤鸣. T AT习墓 PB X 结合 能的分子动力学模拟 . 物理化学学报 , 2加5 , 2 1 ( 4 ) 月乃 叫湘 . 11 殷开梁 , 夏庆 , 徐端钧 , 陈正隆 . 纳米水滴及真空中 p 一环栩精 和对·甲基苯酚 1 : 1包结物的约束动力学棋拟研究 . 化学物理学 报 , 2(X抖 , 17 (6 ) : 7 1 1 一 7 16 .