计算化学的应用.ppt

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1、计算机的发展经典力学量子力学分子和物质结构问题分子力学分子动力学量子化学计算化学1687NewtonHeisenberg1926SchrÖdingerBorn1946WestheimerMayer1927HeitlerLondon统计力学Before1900Boltzmann1957AlderWainwright计算化学的应用化学生物材料在化学中的应用1.验证实验结果2.计算结构和性质3.理论预测分子设计4.研究反应机理计算化学在化学中的应用通过计算可得到1.几何结构,分子轨道,电荷密度,偶极矩,生成热,质子亲和势,电离能,

2、电子亲和能,热力学数据,垂直激发能,溶剂化自由能,物质的酸性pKa,芳香性,磁性质等等......2.可计算红外光谱,拉曼光谱,紫外可见光谱,NMR谱……化合物性质的预测苯甲酸它的键长、键角分别是多少?它有异构体吗?哪个异构体更稳定?光照射后发射荧光还是磷光?需要多少nm的光才能发生光分解?势能面图苯甲酸单体不发射荧光，只有磷光苯甲酸的光物理性质内转换系间串跃C6H5COOHC6H6+CO2(1)C6H5CO+OH(2)C6H5+COOH(3)苯甲酸的光化学性质≥270nmT2紫外光波长:400nm以下,可见光波长:4

3、00-760nm,红外光:大于760nm反应机理研究目前的研究主要是这类反应的区域选择性内部炔烃-区域选择性Boththedissociativeandassociativemechanismsforthecouplingreactionwerecalculated.内端末端分步机理23.4kcal/mol21.2kcal/molFigureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimenta

4、lly.内端末端21.5kcal/mol18.7kcal/mol协同机理Figureshowsthat5Aiskineticallypreferredover5A',consistentwiththeregioselectivityobservedexperimentally.轨道分析-CO2和炔烃耦合反应的本质HOMOHOMOLUMOLUMO在生物中的应用应用理论化学研究生物体系已具备的条件：（1）分子力学和经典分子动力学模拟已被用于模拟蛋白质、核酸等生物大分子的三维结构和构象以及分子的动力学行为。（2）线性标度的半经验和

5、从头算量子化学方法已能处理生物大分子的片段（上千个原子）。（3）量子力学与分子力学相结合的组合方法使描述酶的活性中心或药物的结合部位成为可能。（4）从头算分子动力学方法已开始被应用于模拟生物体系中的快速反应。经过几十年的发展，理论化学方法的精度逐渐提高、计算方法日趋成熟，可处理的体系也越来越大，为研究生物体系中的重要科学问题提供了重要工具。同时，分子生物学的发展也迫切需要理论化学研究的介入和帮助。生命科学中的重要研究方向蛋白质和核酸三维结构预测、动力学及功能重要酶催化反应机理配体-受体相互作用生物体系中的电荷传递过程生物体系

6、中光化学反应1.1.蛋白质和核酸三维结构预测蛋白质基本单元：氨基酸及肽链肽链一级结构二级结构三级结构四级结构蛋白质的三维结构肽链折叠过程蛋白质折叠过程的反演：折叠的蛋白质展开逆过程的分子动力学模拟W.Daggett,Acc.Chem.Res.2002,35,422溶剂化效应的分子动力学模拟：时间尺度长时间模拟(>80ps)短时间模拟(<10ps)VMarkov,etal.Acc.Chem.Res.2002,35,376.酶催化反应机理：酶分子的结构特点结合部位：酶分子中与底物结合的部位区域。催化部位：酶分子中促使底物发生化学

7、变化的部位活性中心蛋白质与小分子相互作用--创新药物的研究与发现从过去相对盲目地大量合成，大量筛选发展为首先确定药物作用的靶分子，在此基础上来设计、筛选药物物分子的计算机辅助设计定量构效关系分析(QSAR)成功的实例之一：抗癌药物9-苯胺呀啶脑红蛋白和CO结合机理的QM/MM研究J.Phys.Chem.B2008,112,8715-8723.1.主要功能：储存和输送氧气含有血红素的球蛋白2.主要成员：肌红蛋白(Mb)血红蛋白(Hb)脑红蛋白(Ngb)胞红蛋白(Cgb)1.课题背景最为大家所熟悉的就是肌红蛋白和血红蛋白人体

8、内的血红蛋白人体内的肌红蛋白红细胞肌肉组织把新鲜氧气运送到各组织储存氧气，当机体需要时再释放1.课题背景新近发现的两个蛋白，脑红蛋白(Ngb)和胞红蛋白(Cgb)脑红蛋白(Nature,2000,407,520-524)1.课题背景胞红蛋白(JBC,2001,276,25318-25323