基于粗粒化模型对有机溶剂的分子动力学模拟

论文摘要

这篇论文介绍了一个一般的基于电多极展开势和Gay-Berne （GB）势的粗粒化分子力学模型.在这个粗粒化模型中,把有机溶液分子处理成为单轴的椭球体,用各向异性的GB函数表示单轴椭球体之间的相互作用,从而实现了范德瓦尔斯势的粗粒化.分子体系的电荷分布用电多极展开来表示,包括位于质心处的点电荷、偶极矩和四极矩.在基于Boltzmann分布对四种基本的分子构象进行了Monte Carlo取样之后,通过与全原子模型的范德瓦尔斯势比较得到了GB参数.又在对用量子化学方法计算得到的分子体系的静电势进行了电荷、偶极矩和四极矩的拟合之后,得到了电多极展开势参数.利用得到的粗粒化参数,基于此粗粒化模型,本文对CHCl3、CH2Cl2、C5H5N、DMF、DMSO、THF六种有机溶剂分子进行了分子动力学模拟,并将其结果同全原子模型的模拟结果进行了比较.计算得到的结果表明了用此粗粒化模型从整体上能够重复全原子模型的模拟结果,但是在某些细节的计算上与全原子模型的计算结果有些偏差,其原因可能是在我们目前的工作中仅仅考虑了单个位点的情况.为此,今后在对具有复杂结构的分子体系进行粗粒化模拟时还应该考虑合理地放置相互作用的位点,以及考虑合理地增加相应的相互作用位点的数目.通过粗粒化模型进行分子动力学模拟的主要优点是可以在保证能获得一定精度的条件下较大幅度地提高计算的效率,这主要是由于用粗粒化的GB-EMP相互作用代替了多对原子之间的相互作用,从而使自由度的数目得到了较大地减少.此外另外一个重要的因素就是由于忽略了键长、键角和二面角的高频运动,而使模拟的时间尺度增大了.还需要指出的是,由于在处理GB效应中引入的d w参数较好地控制了GB势的柔性,所以用在本文中介绍的粗粒化模型还可以被用来模拟更大的更复杂得分子体系.此外在考虑了能够更精确地描述静电相互作用势的电多极势效应之后,使基于此粗粒化模型模拟那些带高电量的生物大分子体系成为可能.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 分子模拟与粗粒化模型
• 1.1.1 分子模拟的概况
• 1.1.2 粗粒化模型
• 1.2 分子力学与分子力场
• 1.2.1 分子力学
• 1.2.2 分子力场简述
• 1.2.3 分子力场参数化
• 1.3 分子动力学模拟
• 1.3.1 分子动力学模拟的基本原理
• 1.3.2 周期性边界条件
• 1.3.3 截断半径与最近镜像
• 1.3.4 积分步长的选取
• 1.3.5 分子动力学模拟的计算流程
• 1.3.6 分子动力学模拟的初始设定和平衡态
• 1.3.7 系综
• 2 基于Gay-Berne 势和电多极展开势的粗粒化模型
• 2.1 描述非球形分子的Gay-Berne 势
• 2.1.1 分子相互作用的高斯模型势
• 2.1.2 修正重叠势模拟位点-位点势
• 2.1.3 Gay-Berne 势
• 2.2 电多极展开势
• 2.2.1 中心多极展开法
• 2.2.2 电多极展开势
• 3 粗粒化模型力场参数的确定
• 3.1 Gay-Berne 参数的拟合
• 3.1.1 力场的选取
• 3.1.2 基于蒙特卡罗计算方法对构象的选取
• 3.1.3 遗传算法
• 3.2 EMP 的参数拟合
• 4 应用粗粒化模型于有机小分子的分子动力学模拟
• 4.1 模拟体系与分子动力学模拟方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 对范德华相互作用的分析
• 4.2.2 对径向分布函数的比较分析
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢