分子立场及其在分子动力学模拟中的应用 分子力场及其在分子动力学模拟中的应用 一 分子模拟的概述 自从20 世纪量子力学的快速发展后，几乎有关分子的一切性质，如结构、构想、偶极矩、电离能、电子亲和力、电子密度等，皆可由量子力学计算获得。计算与实验结果往往想当吻合，并且可由分析计算的结果得到一些实验无法获得的资料，有助于对实际问题的了解。 与实验相比较，利用计算机计算研究化学有下列几项优点：（1）成本降低；（2）增加安全性；（3）可研究极快速的反应或变化；（4）得到较佳的准确度；（5）增进对问题的了解。基于这些原因，分子的量子力学计算子1970 年后逐渐受到重视。利用计算先行了解分子的特性，一成为合成化学家和药物设计学家所依赖的重要方法。化学家们借此可设计出最佳的反应途径，预测合成的可能性，并评估所欲合成的分子的适用性，节省许多时间和避免材料的浪费。以欧美的许多大型药厂为例，在采用计算以前，合成新药的成功率约为 17%-20%，但自从1980 年后，由于在合成前先利用计算预测，其成功率已提高到 50%-60%。图一为 1955 年美国化学会数据库（ACS database）所作的统计图。图中的纵坐标为引用计算机计算程序报告所占的比例，横坐标为年份。 由图中可清楚看出计算受重视的程度逐年增加。 图一 美国化学会所发表的计算机计算在化学报告中的比例 分子动力模拟（MD），是时下最广泛为人采用的计算庞大复杂系统的方法。自1970 年起，由于分子力学的发展迅速，人们又系统地建立了许多适用于生化分子体系、聚合物、金属与非金属材料的力场，使得计算复杂体系的结构与一些分子立场及其在分子动力学模拟中的应用 热力学与光谱性质的能力及准确性大为提升。分子动力模拟是应用这些力场及根据牛顿运动力学原理所发展的计算方法。此方法的优点为准确性高，可同时获得系统的动态与热力学统计资料，并可广泛地使用与各种系统及各类特性的探讨。 二 力场 力场可以看作是势能面的经验表达式，是分子动力学模拟的基础。 2.1 力场简述 分子的总能量为动能与势能的和，分子的势能通常可表示为简单的几何坐标的函数。例如，可将双原子分子 AB 的振动势能表示为 A 与 B 间键长的函数，即： （2-1） 式中，k 为弹性常数；r为键长；为 AB 的平衡键长。这样以简单数学形式表示的势能函数称为力场。复杂分子的总势能一般可以为各类型势能的和，这些类型包括： 总势能=非键结势能+键伸缩势能+键角...
