应用ab initio方法和ABEEMσπ模型研究含铝金属酶

应用原子-键电负性均衡方法中的σπ模型(ABEEMσπ模型),通过大量量子化学计算,拟合确定了含铝金属酶体系的ABEEMσπ参数.将这些参数应用到含铝金属酶大分子体系的电荷分布及Fukui函数的计算,结果显示,ABEEMσπ模型计算得到的电荷分布及Fukui函数与从头算和实验结论均有很好的一致性.还进一步计算分析了1L3R酶与丝氨酸结合前后的分子各区域的电荷分布,结果表明,Al 3+是1L3R酶的活性中心,根据结合后分子的Fukui函数可以得出丝氨酸会使1L3R酶的活性降低.另外,通过比较两者结合前后Al 3+的广义Fukui函数,证明了广义Fukui函数可用于该体系分子间反应活性的比较,同时也说明利用ABEEMσπ模型来预测含铝金属酶的抑制剂是可行的.

ABEEMσπ模型中计算分子电荷分布加速方法的比较

基于ABEEMσπ模型计算分子的电荷分布时,求解线性方程组是最为耗时的环节.本文针对不同硬件环境下,系数矩阵是稠密、对称非正定矩阵的线性方程组的求解方法进行了比较.详细介绍了串行求解库LAPACK以及基于GPU的CULA库的使用,并给出了基于Bunch-Kaufman方法的串行改进算法以及MPI多机并行求解方法,并分别给出了几种方法的运行时间.用户可以根据不同的硬件条件选择不同的加速算法,以求解系数矩阵是对称非正定矩阵的线性方程组,进而加快分子体系中电荷分布的计算速度.

应用ABEEMσπ模型确定大分子体系的电荷分布

以密度泛函理论 (DFT)和电负性均衡原理为基础 ,明确处理了双键的结构 ,发展建立原子一键电负性均衡方法中的σπ模型 (ABEFMσπ) .本模型将双键划分为一个σ键区域和四个π键区域 (每个双键原子各有 2个π键区域 ) ,其中 ,σ电荷中心位于两成键原子之间共价半径之比处 ;π电荷中心垂直于双键所在平面 ,置于双键原子上下两侧 .本文给出分子中各部分有效电负性的精密公式 ,以及参数确定方法 .并应用该方法简捷快速地计算了C18N3O3H2 7C15NO2 H2 1,及促甲状腺激素放激素TRH等有机和生物大分子体系的电荷分布 。

应用ABEEM σπ模型研究鸟嘌呤异构体的电荷分布和偶极矩

以密度泛函和电负性均衡原理为基础发展的原子-键电负性均衡方法的σπ模型(ABEECσπ).并结合自编程序,计算了鸟嘌呤五种异构体的电荷分布和偶极矩,计算结果表明,所计算出的电荷分布可以和从头算结果很好地关联.所计算的偶极矩与其它从头计算方法和力场方法相比总体趋势相同,进一步说明了ABEEMσπ模型的合理性.

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

应用ABEEM_(σπ)模型研究非金属硼化物的电荷分布

通过大量量子化学计算,拟合确定了非金属硼化物体系模型分子的ABEEMσπ参数.将这些参数应用到ABEEMσπ模型中计算非金属硼化物模型分子的电荷分布,计算结果显示,ABEEMσπ模型计算得到的电荷分布与从头算计算的电荷分布都有很好的一致性.还计算了测试分子的电荷分布从而验证了ABEEMσπ参数的可转移性,电荷分布变化的规律是在BF3,BCl3,BBr3,BI3分子中B原子电荷逐渐减小,F,Cl,Br,I原子电荷逐渐增大.ABEEMσπ模型可以很好地应用于非金属硼化物的结构和性质的分析.

利用ABEEMσπ模型研究哺乳类催产素及其衍生物

哺乳类催产素及其衍生物是一系列包含S—S键的多肽分子.应用原子-键电负性均衡σπ(ABEEMσπ)模型,我们研究了该系列多肽分子的分子内氢键和整体软度与生物活性关系.首先利用点电荷模型计算了该系列多肽分子的分子内氢键能,并与实验值对比,得到了基本一致的结果.再根据整体软度与生物活性的关系:即整体软度越大,分子生物活性越大,我们成功解释了催产素及其衍生物的分子生物活性的变化关系.将ABEEMσπ模型初步应用于研究含S—S键多肽的相关性质方面,并取得了和实验以及其它理论计算较为一致的结果.因此,以上研究为该模型进一步探讨其它多肽的相关性质提供了一定的理论基础.

应用ABEEM-σπ模型探讨Diels-Alder反应的立体选择性

Diels-Alder反应由于其良好的区位和立体选择性而成为合成化学的重要工具及理论研究的重要对象.本文利用ABEEMσ-π模型对一些亲双烯与环戊二烯的Diels-Alder反应的立体选择性进行了理论研究,通过计算双烯和亲双烯原子区域及π键区域的电荷分布和局域软度,应用局域硬软酸碱原理对其立体选择性做出了合理解释.这种方法计算简单,有一定的预见性.

ABEEM-σπ模型在典型Diels-Alder反应立体选择性上的应用

利用ABEEM-σπ模型对D iels-A lder反应进行了理论研究,通过计算原子和π键区域的局域软度值,应用局域软度理论对典型的D iels-A lder反应的较高立体选择性给出了合理解释.

应用Fukui函数探讨双苯基-取代的自由基闭环反应的区位选择性

应用概念密度泛函理论下的反应性指标Fukui函数,结合局域硬软酸碱(HSAB)原理,解释和预测双苯基-取代的自由基闭环反应的区位选择性,其中活性指标是通过ABEEMσπ模型获得的.通过研究得出,发生反应的反应中心的Fukui函数差的绝对值(Δf)能够预测出,5号碳原子更容易被自由基进攻,这与实验上的区位选择性是一致的.此外,主要产物的Δf值预测出的反应活性序列与实验上的速率常数有很好的关联一致性.

Fukui函数和局域软度应用于亲电加成反应的区位选择性的研究（英文）

Fukui函数、局域软度、广义Fukui函数以及广义软度通常被称为反应描述符。使用它们研究和探讨了HCl与不对称烯烃以及溴苯硒与不对称苯乙烯的亲电加成反应的区位选择性。在MP2/6-311++G(d,p)理论水平下,采用有限差分方法计算这些反应描述符,同时也使用ABEEMσπ方法进行了计算。ABEEMσπ模型下的局域软度和广义局域软度,分别结合局域硬-软酸碱(HSAB)原理,得出亲电试剂氯化氢与溴苯硒,更容易进攻不对称乙烯和苯乙烯中的马氏碳原子,符合马氏规则。而有限差分方法不能完全地解释该系列反应的区位选择性。此外,主要产物所对应的马氏碳原子的广义局域软度值,就能够预测出此类反应的活性序列,所得结果与速率常数有很好的关联。

GPU加速分子动力学模拟中的电荷分布计算

在集群与GPU组成的异构并行计算平台上,使用MPI+CUDA混合编程模型,实现基于ABEEMσπ模型的分子动力学模拟中电荷分布的计算。通过对电荷分布分布求解中的计算部分移植到GPU上进行,并针对算法中通信开销大和资源未充分利用的问题,通过异构平台的异步并发方法进行优化,提高了求解效率。性能测试结果表明,相比于单纯MPI并行算法,优化后GPU加速的异构并行算法,在化学大分子模型电荷分布计算上,有着明显的性能优势。

烷基-取代自由基闭环反应的区位选择性

5-己烯自由基进攻双键碳原子,形成五元或六元环分子,在有机合成中被广泛地研究。利用ABEEMσπ模型所获得的Fukui函数和广义Fukui函数,分别结合局域硬软酸碱(HSAB)原理,预测烷基取代的5-己烯自由基闭环反应的区位选择性,取得了与实验相一致的结果;并且广义Fukui函数可以作为分子间活性指标,预测反应之间的活性序列,与实验上的速率常数有很好的一致性。

碱金属与碱土金属卤化物电荷分布和偶极矩的ABEEMσπ模拟

应用原子键电负性均衡方法模型(ABEEMσπ模型),通过大量量子化学计算,拟合确定了含碱金属和碱土金属的卤化物体系的ABEEMσπ参数.ABEEMσπ模型计算得到的电荷分布与从头算计算的电荷分布有很好的一致性.同时计算了模型分子的偶极矩,与实验值具有很好的一致性.研究表明ABEEMσπ模型可以很好地应用于含碱金属和碱土金属的卤化物的结构和性质的分析.

基于ABEEMσπ解决大型程序内存溢出的设计

在内存不足的实际情况下实现了基于文件拆分的高斯消去并行算法,文件拆分思想的提出是通过将大规模系数矩阵文件连续拆分成多个小规模子文件进行存储和计算,使得空闲内存规模虽小却可以有较好的计算能力。将其应用在ABEEMσπ模型中计算蛋白质分子的电荷分布部分进行仿真实验,使得在Altix3700服务器任务提交量大、CPU占有率高时也可以对该问题进行求解并取得满意的仿真结果。

应用广义活性指标预测酶催化反应的分子间活性

为了进一步验证广义活性指标的合理性与准确性,本文将其应用到了大分子生物体系中,结合局域硬软酸碱(HSAB)原理,研究酶催化反应的活性序列,即砷酸盐还原酶ArsC(1LJU10～17)和低分子量的磷酸盐还原酶LWMPTPase(1PNT12～18)分别亲核进攻砷酸盐和磷酸盐的所有形式(H3YO4/H2YO4-/HYO42-/YO43-,Y=As/P)的反应活性序列,其中,广义局域软度由有限差分近似下的从头计算B3LYP/6-311+G(d,p)方法和直接的ABEEMσπ方法获得.随着底物的负电荷不断增大,体系的整体软度和中心原子的局域软度均变得更软,砷酸盐及其还原酶也比磷酸盐及其还原酶要软.利用广义局域软度结合软度的匹配规则,可知随着底物负电荷的逐渐增加,原子个数较大的酶与底物之间的反应活性不断升高,并且-2价的阴离子(HAsO42-和HPO42-)能够在溶液中稳定存在.所预测的活性序列与实验所测得的结果是相一致的,可见,广义局域软度在预测分子间活性方面能够给出合理的预测.然而,原局域软度结合软度的匹配原则在预测接近真实体系的分子间活性的时候,却得到与实验相反的结果.

Diels-Alder反应中的次级轨道效应

利用概念密度泛函理论下的局域软度和广义局域软度,结合局域硬软酸碱(HSAB)原理,研究环戊二烯与CH2=CHCOCnH2n+1之间的Diels-Alder反应的立体选择性,其中活性因子均是由ABEEMσπ模型获得.与以往不同的是,除了将主要参与反应的4个原子作为反应中心之外,还将产生次级轨道效应(SOI)的2个原子也作为参与反应的一部分.得到的结果表明,所有反应的立体选择性均与实验结果取得了很好的一致性,由此提出了一种定量快速处理包含次级轨道效应的Diels-Alder反应的立体选择性的方法.