铝离子水分子团簇Al^(3+)(H_2O)_n(n=1～6)性质的理论研究

采用高水平的从头计算方法对铝离子水分子团簇Al3+(H2O)n(n=1～6)进行了几何构型的优化、能量和振动频率的计算.计算结果表明Al3+(H2O)n(n=1～6)的最稳定构型都是水分子直接结合于离子.随着团簇中水分子数的增加,R(Al3+—O)逐渐增长,总的结合能逐渐增大,连续结合能逐渐减小.团簇中,铝离子和水分子之间有明显的电荷转移,铝离子的极化作用导致O—H键伸缩振动向低波数方向移动,而对∠HOH的弯曲振动影响较小.

水合碱金属离子Na^+(H_2O)_n和K^+(H_2O)_n(n=1～6)体系电荷分布的理论研究

应用量子化学方法和原子-键电负性均衡方法(ABEEM)对Na+(H2O)n和K+(H2O)n(n=1～6)体系进行研究.采用MP2/6-31++G(d,p)方法进行几何构型的优化及频率的计算,在MP2/6-311++G(2d,2p)方法下计算了能量.以HF/STO-3G所计算的体系电荷为基准,拟合确定了Na+和K+的ABEEM参数,应用其计算所得的Na+(H2O)n和K+(H2O)n(n=1～6)的电荷分布,与从头计算的结果一致.

水合锌(Ⅱ)离子团簇的量子化学研究

应用高水平的量子化学方法MP2/6-311++G(2d,2p)//B3LYP/6-31++G(d,p),对气相中的[Zn(H2O)n]2+(n=1～9)团簇进行研究,优化几何构型,计算了其最稳定构象的结合能及振动频率.结果表明,当n=1～6时,离子与第一水合层中氧原子的平均距离RZn-O逐渐变长;而当n=6～9时,RZn-O却逐渐变小.同时,随着配位水分子数的增加,连续结合能逐渐减小,Zn2+及第一水合层中氢原子上的正电荷逐渐减小,而第一水合层氧原子上的负电荷变化不大,表明水合分子的电荷极化主要表现为从Zn2+到H原子的电荷转移.

尿素与丙氨酸二肽相互作用的量子化学研究

应用量子化学方法研究尿素与丙氨酸二肽形成复合物[urea-(Ala)_2]的稳定结构、氢键、电荷分布以及相对稳定性.采用B3LYP/6-311++G(d,p)方法进行结构优化和频率计算,对获得的28种稳定结构进一步采用MP2/6-311++G(d,p)方法计算结合能,并进行基组重叠误差校正.结果表明:在urea-(Ala)2中主要存在着3种类型的氢键:其中,N_U—H_U…O_A型是最主要的氢键类型,N_U—H_U…O_A型和N_A—H_A…O_U型氢键较强,对应的复合物结合能也较大,而C_A—H_A…O_U型氢键较弱.通过Mulliken布局分析,发现复合物中参与形成氢键的原子所带电荷变化明显,而没有参与形成氢键的原子电荷几乎不变;而且复合物结合能的大小与形成氢键的原子之间的电荷转移量密切相关,电荷转移量越大,复合物的结合能越大.

尿素与甘氨酸二肽相互作用的量子化学研究

应用高水平量子化学计算方法 MP2/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-311++G(d,p)对尿素与甘氨酸二肽形成的复合物Urea(Gly)2进行了结构优化和频率计算.结果表明:尿素与甘氨酸二肽之间通过3种类型的氢键形成稳定复合物:第1种是甘氨酸二肽的氧与尿素的氢形成的OG…HU,第2种是尿素中的氧与甘氨酸二肽中亚氨基的氢形成的OU…HNG,第3种是由尿素中的氧与甘氨酸二肽中的甲基氢形成的OU…HCG.氢键强度为OU…HNG>OG…HU>OU…HCG.在Urea(Gly)2复合物中形成氢键位置上的原子的电荷变化明显.复合物所含氢键强度越大,结合能越大.

水合锌(Ⅱ)团簇Zn^(2+)(H_2O)_n(n=10～12)的理论化学研究

应用高水平量子化学方法 MP2/6-311++G(2d,2p)//M062X/6-311+G(d,p)对气相中的Zn2+(H2O)n(n=10~12)团簇进行优化,获得其多种稳定结构,计算并比较不同Zn2+的配位数下的结合能及电荷分布.结果表明:当n=10~12时,Zn2+的配位数可以为4、5或6,其中最稳定结构的Zn2+配位数为5或6.随着水分子数的增加,体系最稳定结构的氢键数和离子与内层水分子中氧的距离RZn-O都在不断增加.

磷脂分子DPPC的浮动电荷分子力场

基于量子化学(QM)计算和原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场(ABEEMσπ/MM),构建了1,2-二棕榈酰磷脂酰胆碱(1,2-dipalmitoyl-sn-phosphatidylcholine,DPPC)分子的可极化势能函数.首先将DPPC分子分成乙基三甲基铵(ETMA)、乙酸甲酯(MAS)、磷酸二甲酯(DMP)和烷烃等官能团模型小分子片段,依据这些模型分子的QM结果,优选并确定相关电荷参数及力场参数.应用ABEEMσπ/MM对模型小分子的计算结果与QM计算结果符合很好,其中,稳定结构的键长、键角、二面角的绝对平均偏差(AAD)分别为0.000 5nm、1.59°和1.33°,两者的电荷分布的线性相关系数为0.968 8.进一步将上述函数应用到研究DPPC分子的结构和电荷分布,并与QM结果相比,结果表明:键长、键角、二面角的AAD和均方根偏差(RMSD)分别仅为0.000 01和0.000 02nm、0.006°和0.009°、0.007°和0.011°;两者计算得到的电荷分布的线性相关系数为0.965 9.

应用ABEEM σπ模型研究含氮杂环化合物的电荷分布

应用在密度泛函理论和电负性均衡原理基础上发展的原子-键电负性均衡方法的σπ模型(即ABEEM σπ模型),并结合自编程序,对5种典型的含氮杂环化合物的电荷分布进行了计算.计算结果表明,所得的电荷分布可以和从头计算结果有非常好的一致性,进一步验证了ABEEM

Li^+/Be^(2+)与DNA碱基和水相互作用的量子化学研究

采用量子化学方法 B3LYP/6-311+G(d,p)对气相中的Li+/Be2+与4种DNA碱基和水的相互作用进行研究,优化Li+/Be2+与碱基及水形成的复合物的几何结构,计算其结合能和电荷分布等.结果表明,Be2+与配体碱基及水的距离要比与Li+的距离小0.3左右;Be2+与其配体的结合能要远比与Li+的配合能大.随着水数目的增加,Li+/Be2+到配位原子的平均距离越来越大,但变化幅度较小.在复合物中,金属离子的正电荷主要转移到水中.

水合碱金属离子团簇Rb^+(H_2O)_n和Cs^+(H_2O)_n的量子化学研究

应用高水平的从头计算方法QCISD/aug-cc-pVDZ,对气相中的Rb+(H2O)n和Cs+(H2O)n(n=1～6)体系进行研究,优化几何构型,对能量最低的结构,计算结合能和振动频率.结果表明,随着水分子数目的增加,对于Rb+和Cs+,RMO和总结合能有相同的变化趋势;电荷分布显示位于离子上的正电荷逐渐减小,位于氧原子上的负电荷逐渐增大,位于氢原子上的正电荷变化不明显.

Mg^(2+)/Ca^(2+)与DNA碱基和水相互作用的量子化学研究

采用高水平量子化学方法,MP2/6-311G(d,p),对气相中的Mg2+/Ca2+与DNA碱基和水的相互作用进行了研究,优化base-M-(H2O)n(M=Mg2+/Ca2+,n=1~2)的几何结构,计算其结合能和电荷分布等性质.结果表明,Mg2+与配体碱基及水的距离要比Ca2+与其配体距离更近,Mg2+与其配体的平均距离要比Ca2+小0.03nm左右.Mg2+与其配体的结合能要比Ca2+的大60~70kcal/mol左右,随着水数目的增加,离子与配体的结合能力逐渐减弱,Mg2+/Ca2+到水和碱基的平均距离越来越大,但变化幅度较小.金属离子的电荷主要转移到水中.

M(CH_3OH)_(1～4)(M=Be^(2+)/Mg^(2+)/Ca^(2+))团簇的量子化学研究

应用量子化学方法 B3LYP/6-311+G(d,p),对气相团簇M(CH3OH)1~4(M=Be2+/Mg2+/Ca2+)的结构、能量进行计算,采用HF/STO-3G方法对电荷分布进行研究.结果表明,甲醇分子通过O原子配位于金属离子形成最稳定结构,金属与CH3OH中的O的距离由大到小为RCa-O>RMg-O>RBe-O,而结合能由大到小依次为Be2+>Mg2+>Ca2+.随着甲醇分子数n的增加,金属离子与O的距离RM-O逐渐增大,总结合能逐渐增大,连续结合能逐渐减小,金属离子所带的正电荷在逐渐减小,对于相同配位数n,Be2+的电荷转移量最大,Ca2+的电荷转移量最小;甲醇分子中各原子所得正电荷的大小顺序为H(-HO)>H(-H3C)>C>O.

Li^+/Be^(2+)与NMA相互作用的理论研究

采用量子化学B3PW91/6-31+G(d,p)方法,对Li+/Be2+与氮甲基乙酰胺(NMA)形成的M(NMA)n(M=Li+/Be2+;n=1~6)团簇进行理论研究.优化得到多种稳定结构,计算并比较不同金属离子配位数下的结合能及电荷分布.结果表明:Be2+与羰基氧的距离RBe-O比Li+与羰基氧的距离RLi-O小;随着金属离子配位数的增加,金属与NMA团簇中羰基氧的距离RM-O变大,内层NMA上的羰基键长RC=O逐渐变小;金属离子上所带的电荷随NMA分子数增加而减小.

(Urea)_n(n=2～5)内分子间相互作用的理论化学研究

用MP2/6-311++^G**//B3LYP/6-311++G^**方法对(Urea)n(n=2~5)复合物进行结构优化、频率和结合能的计算,并考虑基组重叠误差.研究发现,(Urea)n(n=2~5)中存在N-H…O和N-H…N两种类型的氢键,其中,N-H…O型氢键键长较短,氢键角较大,作用强度较大.通过Mulliken电荷布居分析,发现复合物中参与形成氢键的原子所带电荷变化明显,而没有参与形成氢键的原子电荷几乎不变.基于原子-键电负性均衡方法,确定尿素团簇的相关ABEEM电荷参数,计算得到的电荷分布与量子化学结果有很好的一致性.

稠杂环化合物ABEEM参数的拟合及简单应用

应用以密度泛函理论和电负性均衡原理为基础的原子-键电负性均衡方法中的σ-π模型(ABEEMσ-π),通过大量的量子化学计算,利用最小二乘法,并结合我们自编的程序,拟合确定了稠杂环化合物的ABEEMσ-π各参数.进而,将这些参数应用到研究叶酸及维生素B2等稠杂环药物分子体系的电荷分布,结果显示由ABEEMσ-π模型获得的电荷分布与量子化学方法的计算结果有很好的一致性,线性相关系数均达到0.98以上.这说明我们拟合的参数是正确的,也进一步验证了ABEEMσ-π模型的合理性和可靠性.

磷脂分子POPE的浮动电荷分子力场

应用量子化学(QM)计算和原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场(ABEEMσπ/MM)方法,建立1-棕榈酰-2-油酰基-磷脂酰乙醇胺(POPE)分子的浮动电荷力场.将POPE分子的极性头部分为乙基三甲基铵(ETMA)、乙酸甲酯(MAS)和磷酸二甲酯(DMP)等小分子片段,根据QM计算结果,调节优选ABEEMσπ/MM参数.利用建立的ABEEMσπ/MM势能函数对模型分子进行计算,与QM结果相比,键长、键角、二面角的最大绝对平均偏差(AAD)分别为0.0219 nm、2.39°和2.61°,电荷分布的线性相关系数均在0.97以上.进一步对磷脂分子POPE的结构和电荷分布进行计算,与QM结果对比,得到的键长、键角、二面角参数的AAD分别为0.0001 nm、0.31°和0.34°,RMSD分别为0.83%、0.46%、0.45%,电荷分布的线性相关系数为0.9813.

Sr^(2+)和Ba^(2+)水分子体系结构和结合能的从头算和ABEEM/MM研究

应用从头算方法和ABEEM/MM浮动电荷分子力场,研究了水合碱土离子团簇Sr2+/Ba2+(H2O)n(n=1-6),构建了离子-水相互作用的ABEEM/MM势能函数,获得了水合离子团簇的稳定结构,计算了结合能.计算结果表明,ABEEM/MM方法的结果和从头算方法的结果有很好的一致性.进一步应用ABEEM/MM对Sr2+和Ba2+水溶液进行了分子动力学模拟.对Sr2+水溶液,得到的Sr2+-水中氧原子的径向分布函数的第一和第二最高峰分别位于0.257和0.464nm处,第一和第二水合层的配位水分子数分别为9.2和11.4;对Ba2+水溶液,得到的Ba2+与水中氧原子的径向分布函数的第一和第二最高峰分别位于0.269和0.467nm处,第一和第二水合层的配位水分子数分别为9.9和12.4.这与实验值或其它理论模拟结果有较好的一致性.对比外层的水分子,金属离子的极化作用使得溶液中第一水合层中水分子的O―H键长增长,HOH键角减小.

多核并行技术在分子动力学模拟中的应用

为了充分利用多核处理器资源,研究了一种用于分子动力学模拟中的多核并行技术。在多核处理器上利用OpenMP技术实现多线程创建与同步、动态设置子线程的调度运行方式以及负载均衡以减少子线程执行等待时间。通过对不同分子体系结构下的动力学模型测试,得出在不同子线程下并行计算的时间,并且得到了良好的性能加速比。实验结果表明,采用OpenMP并行技术可有效地提高电荷求解过程在分子动力学模拟运算中的时间效率,以及多核计算机资源的利用率。

ABEEM／MM浮动电荷力场应用于血红素结构的研究

运用拟合的参数,应用ABEEM/MM浮动电荷力场对血红素分子结构进行了模拟.结果表明,该力场与CHARMM力场相比,能更好地模拟晶体结构.计算的ruffing构象能与B3LYP/6-31G*计算结果的线性相关系数在0.98以上,同时表明血红素分子中twist-angle对ruffing构象具有明显影响.ABEEM/MM力场计算的细胞色素c552中血红素分子的电荷分布与CHARMM固定电荷力场的比较,更准确地反映了血红素分子的电荷分布以及极化现象.

并行程序实现ABEEM σπ模型电荷分布计算

对以密度泛函理论和电负性均衡原理为基础发展的原子-键电负性均衡方法中的σπ模型(ABEEM σπ模型)进行分析得出,利用该模型计算分子体系的电荷分布时,最耗费时间的部分是求解线性方程组.根据解线性方程组的串行程序,我们提出在并行环境下不带平方根的Cholesky分解方法.结果表明,利用改编后的并行程序能快速而准确地计算分子的电荷分布,算法随着矩阵规模的增大,并行效率也随之增高,即分子体系越大结果越理想.因此本算法适用于大规模问题的计算.