溶剂化模型分析ppt课件.pptx
1.溶剂效应2.溶剂化模型3.计算方法4.结果与讨论,溶剂化和溶剂效应,溶剂化是指在溶液中溶质分子被溶液分子包围的现象，即溶剂分子通过它们和溶质分子之间的相互作用，累积在溶质分子周围的过程，从而使溶质分子在溶液中稳定存在。,影响分子几何构型和电荷分布离子化能、振动频率影响酶的结构及其生物学功能影响药物代谢动力学影响反应的自由能势能面，改变反应速率和热力学平衡,溶剂化自由能,静电势：溶质与溶剂分子的静电极化效应范德华力：溶质、溶剂分子间的排斥力（repulsion）和吸引力（dispersion）孔洞能：溶剂分子形成孔洞需要的能量,分子运动也对溶剂化自由能有贡献，包括零点能（ZEP）、热震动、平动、转动等,总的溶剂化自由能必须考虑各种效应：长程效应、短程效应和熵效应=+=+不同的溶质、溶剂分子的相互作用方式不同，上式中各项对溶剂化自由能的贡献也不同。,溶剂化模型,1.真实溶剂模型(Explicit Solvation Model)主要方法有超分子方法（Super molecular）、分子动力学（Molecular Dynamic，MD）模拟、Monte Carlo模拟等2.隐式溶剂模型(Implicit Solvation Model)主要模型方法有Onsager模型、自洽反应场方法（SCRF）、PoissonBoltzmann方法、广义Born模型、溶剂可及表面方法,Onsager模型,=1 2+1 2 3 1 1 2+1 2 3 1,Onsager模型只考虑了孔洞中的偶极分子被周围的连续性溶剂所极化的静电极化效应，其他效应，如短程效应的范德华作用和熵效应的孔洞能则没有考虑。计算不精确，但快速，稳定。原则上孔洞可以是任意形状，但当溶质分子为非球形分子时，计算复杂且结果不好对极性分子体系有用，当用偶极矩不能很好地描述分子的电子分布时，Onsager模型来计算溶剂化自由能的结果也很差。如:烷烃体系、苯分子等,极化连续介质（PCM）模型,PCM模型将Onsager模型中的单个球形或椭圆形孔洞改为由多个重叠的原子球形成的孔洞，溶剂被认为是具有均一介电常数的连续介质，根据孔洞表面的电荷分布来描述反应场溶质分子的哈密顿量可由下式表示：=0+(t)0 是真空中的哈密顿量；是溶质溶剂分子的相互作用；(t)是对溶质分子的含时微扰项,=()+;ds表面电荷密度分为两部分：原子核 和电子;，()是溶质分子的静电势 t=1 2+1 2()x()+d含时微扰项描述了腔场效应和空腔形成后溶剂对外场的响应，可以直接计算溶质分子的有效极化率优点：比Onsager模型准确，能很好的计算出静电部分的能量缺点：计算耗时，没有计算由孔洞能和范德华作用能,溶剂可及表面方法（SASA）,=0=0 该方法不区分各种能量的贡献，权重因子 由已知分子的溶剂化自由能拟合得到，必须精确有效的计算原子或集团与溶剂接触的表面积仅考虑了溶质表面一层原子的溶剂效应，忽略了长程效应和静电效应,Poisson-Boltzmann 方法,Poisson方程描述了介电常数，电荷密度分布和静电势的关系，给出了一个由一大片电子云或几个空间分布的带电原子球(r)计算静电势 的关系：=()是三维空间向量，代表体系处的静电势，是介电常数，是电荷密度，静电势、介电常数、电荷密度都与空间位置有关Poisson方程是一个非线性偏微分方程，用有限差分的方法解该方程,把电荷及介电常数分配到空间格点上得到它们的空间分布解的精度取决于网格间距，网格越小计算结果越精确，但格点越多，计算所需的时间也越多,从而对于一个给定的电荷密度和介电常数，用有限差分方法解Poisson方程就可以得到在各点处静电势的二阶偏导：2=4()/()最后对整个盒子所有格点进行二重数值积分记得到最终静电势，再乘以各点上的电荷得到静电势能,Poisson方程只考虑了由大分子的电荷分布所产生的静电势，没有考虑溶剂中其它游离的离子，这些离子的密度用Boltzmann分布来描述：()=0()/0 是离子种类的平均数密度,是该类离子的电荷，是该空间区域的静电势，离子的数密度与电荷相乘得到电荷密度 将分子的电荷密度和离子的电荷密度结合在一起就得到PoissonBoltzmann 方程：=+0()/,将指数项进行tylor展开为多项式，当制取多项式的第一项时，则 与为一个线性关系，这样的方程称为线性Poisson-Boltzmann 方程（LPBE）.LPBE对于不带净电荷的小分子（具有较小的静电势）来说是足够准确的；但是，对于带电荷的，特别是电荷浓度较大的体系，通常要取到第二项，此时的方程称为非线性Poisson-Boltzmann 方程（NPBE）,广义Born模型,为了计算一个半径为r，带净电荷为q的球的溶剂化自由能，Born提出了一个及其简单的计算公式：=2 2(1 1)该模型称为Born离子模型，只有一个可调参数半径r，Born半径是Born离子模型的关键。,Generalized Born模型，即广义Born模型，是一般化了的Born模型，用它来估算分子的溶剂化自由能，是把分子中的每个组成原子用上面的模型估算一下，然后加和得到总的溶剂化自由能：=2 1 1 1 1 前面一项就是Born离子模型中的自由能，后面一项是原子间两两作用。=2+2=2/(2)2 上式通常也写作=1 2 1 1,GB模型和PB模型都只计算了静电作用对溶剂化自由能的贡献，将其和前面所说的计算非极性贡献的SASA方法结合起来可以较为准确地计算溶剂化自由能：=+=+这就是所谓的GB/SA、PB/SA模型,相间矩阵：M 3=ij,ij=1，0，others 相跳矩阵:M 4=ij,ij=1，0，others 空间距离矩阵：M 5=ij,ij=2+()2+()2、为原子、的空间坐标,分子性质矩阵：=范德华半径 电负性 相对原子质量 原子电荷,=(:,)(=1,2,3,4=1,2,3,3,5,),=:,:,+=1,2,3,4;=1,2,3,4,5 1-范数：(,1)=1,2,（列和范数，是每一列元素绝对值之和的最大值），其中 1 是第一列元素绝对值的和，1=11+21+1，其余类似。2-范数：(,2)=的最大奇异值。Fro-范数（Frobenius范数）：=2 1/2(全部元素平方和的平方根)。,本工作,流程计算方法步长矩阵：M 1=ij,相邻矩阵：M 2=ij,ij=1，0，others,结果与讨论,谢谢,
