MD/QM/CSM方法和HGM模型发展及应用

作     者：叶仁龙 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周宝晶

授予年度：2018年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：主客体体系 复合机理 复合自由能 MD/QM/CSM方法 HGM模型 

摘      要：主客体体系是一类以非共价键作用为驱动力的典型超分子体系,在环境修复、食品工业、化学分析、化学催化和生物医药等领域具有重要应用。主客体复合机理的理论计算方法具有重要的工业和学术价值,但其发展面临着不少挑战。我们发展了分子动力学/量子力学/连续介质溶剂模型方法(MD/QM/CSM方法),以MD模拟为构象采样算法搜索主客体复合物的优势构象,再以QM/CSM方法为自由能计算模型,计算出溶液环境中的主客体复合自由能。以复合自由能的计算值和实验值的线性相关性为依据,我们进一步验证主客体复合物的代表性构象的可靠性。基于获得的代表性构象,我们在分子水平上分析主客体的非共价键相互作用和复合模式;同时,基于主客体复合过程中的焓变、熵变和溶剂效应对复合自由能的贡献,我们获得主客体的复合热力学。我们使用MD/QM/CSM方法研究了水溶液中环糊精与多种客体分子的复合机理。在测试的几种QM和CSM方法中,使用PM3和PCM/SASA的计算组合时取得的计算精度最高,主客体复合自由能的计算值与实验值具有很高的线性相关度(R0.98)。对于刚性较强的天然β-CD体系,决定复合物稳定性的主要因素是主客体分子的形状和尺寸的匹配度;而对于柔性较强的DMCD体系,溶剂效应的优劣则决定了复合物的相对稳定性。作为MD/QM/CSM方法的一个重要组成部分,溶剂化自由能的计算精度对MD/QM/CSM方法的准确性具有重要影响。我们发展了半经验的杂化高斯电荷分布模型(Hybrid Gaussian Charge Distribution Model,HGM),用于产生高质量的可变原子半径,构建CSM计算中的分子空穴,最终提高溶剂化自由能的计算精度。HGM模型由以原子为中心的球形高斯函数和离散点电荷构成,它将分子的电子密度划分成重叠的球形原子区域,并利用等电子密度面产生原子的可变半径。HGM模型对成键区域电子密度的拟合更为准确,产生的H原子以及N和O重原子的半径随其化学环境的变化表现出了很好的可变性。H原子的可变半径和其Mulliken电荷之间的存在较高的线性相关性,这使得我们可以直接从H原子的Mulliken电荷产生H原子的可变半径,而对其他重原子使用固定的Bondi半径,从而构建出HGM-线性H原子模型(HGM-lH模型)。用于PCM计算时,HGM模型和HGM-lH模型产生的可变原子半径改进了溶剂化自由能的计算精度。