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利用分子静电势计算分子间静电相互作用能

利用分子静电势计算分子间静电相互作用能

作者：巩梦雪大连理工大学

学位级别：硕士

分子间相互作用能的计算是催化、材料、药物设计、生物过程等研究中的一个重要环节。静电相互作用能是其中的主要部分。当前生物大分子静电相互作用能的计算多是在经典的分子力学框架下进行,也就是利用库仑定律,依赖于参与作用的两个原... 详细信息

分子间相互作用能的计算是催化、材料、药物设计、生物过程等研究中的一个重要环节。静电相互作用能是其中的主要部分。当前生物大分子静电相互作用能的计算多是在经典的分子力学框架下进行,也就是利用库仑定律,依赖于参与作用的两个原子的点电荷。而原子电荷是电子云空间分布的近似表达,其中包含有很大的近似,因而会引入误差。为此,将原子电荷回归于空间分布的方法,在理论上被认为可以改进静电相互作用能的计算,诸如极化电荷方法等。本文以蛋白质的分子静电势代替原子电荷,比较两者的计算结果差别。本文主要研究内容如下:（1）在HF方法与B3LYP方法下比较分子静电势及静电相互作用能。将静电主导的水二聚体、色散主导的苯二聚体以及混合型的乙炔二聚体作为研究对象,在两种方法下计算得到的结果差距很小。计算基组相同的前提下,两种方法计算得到的分子静电势局部和整体差异很小。因此,使用HF方法来计算蛋白质-配体复合物的静电势及静电能。（2）合理基组的选择。为了从6-311++G**系列、cc-pVnZ系列中选出合理基组来计算蛋白质静电势,选出一段肽链作为测试蛋白质,分别在HF/6-311G**、HF/6-311++G**、HF/6-311++G（2df,2pd）、HF/cc-pVDZ、HF/cc-pVTZ、HF/cc-pVQZ水平下计算测试蛋白质的静电势值并将结果进行比较分析。结果表明,在HF/cc-pVTZ水平下,计算分子静电势及静电能较合理精确。（3）在HF/cc-pVTZ水平和库仑定律下比较分子静电势以及静电能。将水二聚体、苯二聚体以及乙炔二聚体作为研究对象,将两种方法下得到的二聚体分子的静电能进行比较分析。结果表明,对于小分子而言,两种方法下得到的结果差异并不显著。（4）在HF/cc-pVTZ水平和库仑定律下比较蛋白质-配体复合物静电势以及静电能。选出10个合理的蛋白质-配体复合物作为研究对象,将两种方法下得到的二聚体分子静电能进行比较分析。结果表明,两种方法下得到的结果差别显著。由此建议生物大分子静电能的计算需要从点电荷方法改进到静电势方法。（5）在HF/cc-pVTZ水平与库仑定律下,计算得到7?到10?范围内氨基酸与配体分子间的静电势及静电能。结果表明,计算方法相同的前提下,不同距离范围的氨基酸与配体间的静电能差别不大。本文所做工作为分子间静电相互作用能计算精度提高奠定了坚实的基础。

关键词：静电相互作用静电势量子化学方法库仑定律 Hartree-Fock方法

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运用静电势图像分割方法预测超分子结合能

中国科学：化学 2016年第1期46卷 69-79页

作者：柳平英陈秋凤马晶南京大学化学化工学院南京210093 景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院景德镇333403 中南大学信息科学与工程学院长沙410083

[2]-轮烷是由大环与分子链组成的两组分超分子体系,计算评估大环和链之间的结合强度,对于理解超分子识别和超分子体系可控设计尤为重要.本文借鉴计算机图像处理技术,通过全局阈值分割方法将大环和链的静电势图像分成两个片段,两者的静... 详细信息

[2]-轮烷是由大环与分子链组成的两组分超分子体系,计算评估大环和链之间的结合强度,对于理解超分子识别和超分子体系可控设计尤为重要.本文借鉴计算机图像处理技术,通过全局阈值分割方法将大环和链的静电势图像分成两个片段,两者的静电势差值近似为[2]-轮烷体系的结合能.该计算方法可以直观简便地预测超分子体系的结合能.基于静电势的图像阈值分割方法计算的结合能定性符合实验测定的结合常数和密度泛函理论(DFT)计算的结合能.对于不同分子链和大环分子组成的多种[2]-轮烷体系的对比研究表明,大环与链的结合强度与结合位点的给质子能力、形成氢键的数目、大环的尺寸以及大环与链之间?-?堆积作用相关.

关键词： -轮烷结合能图像分割静电势 DFT

TWO-SCALE FINITE ELEMENT GREEN'S FUNCTION APPROXIMATIONS WITH APPLICATIONS TO ELECTROSTATIC POTENTIAL COMPUTATION

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Journal of Systems Science & Complexity 2010年第1期23卷 177-193页

作者： Ying YANG Aihui ZHOU Department of Computational Science and Mathematics Guilin University of Electronic Technology Guilin 541004 China. The State Key Laboratory of Scientific and Engineering Computing Institute of Computational Mathematics and Scientific/Engineering Computing Academy of Mathematics and Systems Science Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China.

In this paper,a two-scale finite element approach is proposed and analyzed for approximationsof Green's function in three-dimensions.This approach is based on a two-scale finite elementspace defined,respectively,on the whole domain with size H and on some subdomain containing singularpoints with size h (h << H).It is shown that this two-scale discretization approach is very efficient.In particular,the two-scale discretization approach is applied to solve Poisson-Boltzmann equationssuccessfully.

关键词：有限元方法格林函数双尺度应用静电势离散化方法计算波尔兹曼方程

基于分子表面静电势参数的定量结构—性质/活性关系研究

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基于分子表面静电势参数的定量结构—性质/活性关系研究

作者：黄建湘浙江大学

学位级别：硕士

定量结构-活性关系(Quantitative Structure-Activity Relationships, QSAR)在药物设计中起着重要作用,在受体三维结构信息未知的情况下,尤为如此。早期提出的QSAR模型中的参数需要实验测定,而组合化学和高通量筛选的出现使得在较短时... 详细信息

定量结构-活性关系(Quantitative Structure-Activity Relationships, QSAR)在药物设计中起着重要作用,在受体三维结构信息未知的情况下,尤为如此。早期提出的QSAR模型中的参数需要实验测定,而组合化学和高通量筛选的出现使得在较短时间内得到大量化合物成为可能。用实验方法测定大量化合物费时费力,因此对QSAR研究中的参数进行理论预测具有很强的现实意义。定量结构-性质关系(Quantitative Structure-Property Relationships, QSPR)则是应用QSAR原理研究分子结构与其理化性质之间的关系,在药学、材料科学、环境科学等诸多领域有广泛应用。第一章首先对QSAR/QSPR的概况进行介绍,包括发展历史、工作流程、建模方法、结构参数等。其后对本论文使用到的表面静电势描述符及其应用进行了介绍并提出了本论文的研究思路。第二章是尝试在氢键碱度参数pKBHX与氢键受体静电势描述符之间建立QSPR模型。首先,应用多元线性回归(multiple linear regression, MLR)方法建立pKBHX与静电势参数之间的QSPR模型。分组建模的结果表明,对碳原子中心组、氧原子中心组、硫原子中心组和卤素原子中心组,pKBHX与静电势描述符Vmin(Vmin的定义为空间最负的静电势)具有良好的相关性,而对于氮原子中心组,在进行了一定的删除相关性不高的氢键受体类别后的分组与Vmin也表现了良好的相关性。之后对本章研究的所有氢键受体建立了通用QSPR模型。模型的稳定性和预测能力经蒙特卡洛交叉验证得到了确认。第三章采用分子表面静电势描述符对取代基/片段疏水性参数进行了研究,在国际上首次从分子局部结构角度来阐释化合物疏水性与其结构的关系。首先,在疏水性取代基常数πX与取代基原子提取的静电势参数之间建立了QSPR模型。模型中的静电势描述符Vmin,Vs,max,ΣVMnd,+,Nindtot,Πind和σind2,-都具有明确的物理意义,而且还与线性溶剂化能关系(linear solvation energy relationship, LSER)中的氢键碱度、氢键酸度、空穴项、偶极／极化项具有良好的相关性,这使得模型具有良好的解释性。经过严格的蒙特卡洛交叉验证,模型的稳定性和预测能力得到了确认。之后对八组间位或对位的二取代苯及一组3-取代和4-取代吡啶进行了研究,使用上述六个描述符建立了各组的QSPR模型,得到模型总体上不如之前建立的单取代苯的模型。最后,对于Rekker片段参数和静电势描述符建立了两个QSPR模型。结果表明,片段提取的静电势参数可以很好的定量表达片段结构和疏水性质,而母体结构和连接母体和片段的键的状态对此没有什么影响。在第四章尝试建立线性溶剂化能关系参数S(偶极／可极化项)、A(氢键酸度)、B(氢键酸度)和E(过量摩尔反射率)与静电势参数描述符之间的QSPR模型。经检’验,S和A的MLR模型具有优秀的稳定性和预测能力,而B和E的MLR模型表现出了良好的稳定性和预测能力。四个参数的MLR模型与相应的高斯模型(gaussian process, GP)和最小二乘支持向量机(least square support vector machine, LSSVM)模型进行对比,结果表明,对于参数S和A,MLR模型在三者中最优,表现出良好的稳定性和预测能力,而对于参数B和E来说,GP模型是表现最优的模型,而且均明显优于MLR模型。第五章主要采用基于分子片段静电势参数的方法来建立5-羟色胺(5-hydrotryptamine,5-HT),多巴胺(dopamine, DA)和去甲肾上腺素(noradrenergic,NE)这三类神经递质转运体抑制剂的QSAR模型。通过对建立的MLR、GP和SVM模型的检验及对比可以发现,5-HT抑制剂活性与静电势描述符可以建立预测能力和稳定性良好的QSAR模型,包括MLR模型和GP模型,相对而言,GP模型在稳定性和预测能力方面要强于MLR模型。而对于DA和NE抑制剂活性和静电势参数之间建立的线性模型和非线性模型的预测能力一般,其模型质量都比5-羟色胺转运体抑制剂GP模型和MLR模型要差一点。

关键词：定量结构-活性关系定量结构-性质关系静电势描述符疏水性参数氢键碱度线性溶剂化能关系

Ionic Distribution, Electrostatic Potential and Zeta Potential at Electrochemical Interfaces

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Chinese Journal of Chemical Engineering 2004年第5期12卷 688-695页

作者：于养信吴建中高光华 State Key Laboratory of Chemical Engineering Department of Chemical Engineering Tsinghua University Beijing 10084 China Department of Chemical and Environmental Engineering University of California Riverside California 925210425 USA

Density functional theory is applied to predicting the structures and electrostatic potentials of planar electrochemical surfaces within the framework of the restricted primitive model where small ions are represented by charged hard spheres of equal diameter and the solvent is assumed to be a continuous dielectric medium. The hard-sphere contribution to the excess Helmholtz energy functional is evaluated using the modified fundamentalmeasure theory and the electrostatic contribution is obtained from the quadratic functional Taylor expansion using the second-order direct correlation function from the mean-spherical approximation. Numerical results for the ionic density profiles and the mean electrostatic potentials near a planar surface of various charge densities are in excellent agreement with molecular simulations. In contrast to the modified Gouy-Chapman theory, the present density functional theory correctly predicts the second layer formation and charge inversion of charged surfaces as observed in simulations and in experiments. The theory has also been tested with the zeta potentials of positively charged polystyrene particles in aqueous solutions of KBr. Good agreement is achieved between the calculated and experimental results.

关键词：静电势离子分布界面研究电化学

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傅里叶变换法求各向异性电介质中的静电势

广西物理 2019年第2期40卷 18-21页

作者：李文略岭南师范学院基础教育学院广东湛江524037 湛江幼儿师范专科学校广东湛江524037

由各向异性电介质静电势泊松方程的$函数表示形式出发,应用三重傅里叶变换推导出各向异性电介质在主轴坐标系下静电势的表达式。体现了由特殊到一般和一般到特殊的两种推导方法。丰富了静电势泊松方程的5函数形式的应用内容。

关键词：各向异性电介质静电势泊松方程三重傅里叶变换 8函数

利用ABEEM模型在分子形貌轮廓上计算分子静电势

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利用ABEEM模型在分子形貌轮廓上计算分子静电势

作者：常佳乐辽宁师范大学

学位级别：硕士

分子的许多物理和化学性质都与其静电势密切相关。分子静电势是指分子在空间某一位置产生的分子静电作用势能,分子之间的相互作用可以通过静电势这个物理量来表述。本文采用ABEEMσπ模型计算各分子位点上回归到原子后的电荷。选用MP2/... 详细信息

分子的许多物理和化学性质都与其静电势密切相关。分子静电势是指分子在空间某一位置产生的分子静电作用势能,分子之间的相互作用可以通过静电势这个物理量来表述。本文采用ABEEMσπ模型计算各分子位点上回归到原子后的电荷。选用MP2/aug-cc-PVDZ优化二聚体水分子的十种低能结构,用MP2/6-311++G(3df,3pd)优化咪唑、吡唑、噻吩、噻唑和异噻唑的结构。利用ABEEM模型方法自编Fortran程序计算分子静电势,与从头算方法计算的静电势结果比较,并对结果进行讨论。将计算所得静电势值投影到电子密度等值面和分子形貌轮廓上,用MATLAB软件绘制静电势分布图,并比较两种方法下的静电势分布图。通过对电子密度等值面和分子形貌轮廓上的静电势分布图进行比较得出,本文所采用的ABEEM模型方法不仅可以快速计算分子的静电势,而且与从头算方法计算的结果符合的比较好。可以形象、直观的说明ABEEM模型方法的准确性。从电子密度等值面和分子形貌轮廓上的静电势分布图可以明显地发现,应用电子密度为0.001a.u.或0.002a.u.的等值面来描述静电势的分布时,分子整体的形状偏大,且静电势的分布明显有变化;而采用分子形貌轮廓理论来描述静电势的分布与从头算符合的较好。我们可以获得静电势的分布特征,且基于此来讨论其相关性质。本文中的结论能够体现Yang等人提出的分子形貌轮廓具有内禀性和唯一性,为计算大分子体系的静电势打下基础。

关键词：静电势 ABEEM模型从头算电子密度等值面分子形貌轮廓

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应用ABEEMσπ模型快速计算分子静电势

应用ABEEMσπ模型快速计算分子静电势

作者：何庆平辽宁师范大学

学位级别：硕士

分子的许多物理、化学性质都与其静电势密切相关。分子静电势作为量子化学的理论指标,对于判断分子的某些性质,尤其是分子的反应活性都具有重要价值。分子的静电势已经广泛应用到与化学相关的研究领域。由于静电势由分子本身的性质决定... 详细信息

分子的许多物理、化学性质都与其静电势密切相关。分子静电势作为量子化学的理论指标,对于判断分子的某些性质,尤其是分子的反应活性都具有重要价值。分子的静电势已经广泛应用到与化学相关的研究领域。由于静电势由分子本身的性质决定,那么不同分子在其周围空间各点产生的静电势是不同的,因此可以采用静电势来描述分子本身的性质。借助于Fortran和Matlab计算机语言程序,本文建立了一种新的快速计算分子静电势的方法。应用此方法计算了HF、H2O、C2H2、NH3和CH4小分子的静电势,并对乙醇分子以及环戊二烯、呋喃、噁唑及异噁唑这几个五元环分子的静电势进行了计算,最后对水分子二聚体十种低能结构也进行了静电势值的计算。并且本文探讨了这十种低能结构的静电势分布特征。其中用到的电荷采用原子-键电负性均衡方法σπ模型(ABEEMσπ)计算的结果,结构由MP2／6-311++G(d,p)方法优化所得。杨等人首先定义了分子中一个电子所受到的作用势,并利用电子运动的经典转折点,定义和发展了一种新的表征分子界面的方法,即分子内禀特征轮廓。随着此模型的不断发展,杨等人又提出了分子形貌理论,此理论将电子密度标志在三维空间的分子内禀特征轮廓上,同时表征了分子的形状以及前沿电子密度。本文基于杨等人建立的内禀特征轮廓理论以及分子形貌理论,编制了分子静电势分布的程序,同时展示了分子的形状和其静电势的分布特征。分子的静电势分布图提供了分子静电性质的准确、客观和直观的图像。将我们的方法与从头算方法进行了比较,发现本文结果与从头算符合得很好,这就为大分子静电势的计算打下了基础。

关键词：快速计算静电势原子-键电负性均衡方法σπ模型

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蛋白质分子表面构建与静电势分析

蛋白质分子表面构建与静电势分析

作者：王智广浙江大学

学位级别：硕士

蛋白质是生命的物质基础,研究蛋白质分子具有重要的意义。这主要体现在：首先,蛋白质是细胞中的主要功能分子,大多数的生命功能都需要蛋白质来调控。其次,蛋白质也是细胞中含量最为丰富的分子之一。因此,蛋白质分子的功能和结构的研究... 详细信息

蛋白质是生命的物质基础,研究蛋白质分子具有重要的意义。这主要体现在：首先,蛋白质是细胞中的主要功能分子,大多数的生命功能都需要蛋白质来调控。其次,蛋白质也是细胞中含量最为丰富的分子之一。因此,蛋白质分子的功能和结构的研究一直是生命科学研究的热点。蛋白质分子结构决定其功能。特别的,分子表面原子之间的结构对功能影响极大。另外,在研究蛋白质分子时,分析静电势场是一个主要的手段。本文从上述两个方面对蛋白质进行分析。在前人构建的蛋白质分子表面原子拓扑结构SASG的基础上,本文提出了表面原子图SAG的数据结构和相关算法,通过构建SAG并且搜索SAG的表面原子连通子图,找到真正的表面原子,去掉了由于SASG计算所包含的一些多余的原子。在提取表面原子的基础上,构建了蛋白质分子的溶剂外部曲面（Solvent Excluded Surface, SES）,结果表明用新的方法构建的SES更符合其定义。另外,我们把提取的表面原子还应用到搜索蛋白质分子吸附取向等问题的研究中,结果表明本文的方法是高效而且是有意义的。本文还详细的叙述了在研究结合态配体小分子的芳香环静电势能的发现。通过分析大量的已知复合物结构,我们发现芳香环上的碳原子处的静电势比同一分子当中甲基和亚甲基上的碳原子处的静电势要高。运用这一发现,可以大大提高分子对接的效率和准确度。

关键词：蛋白质分子表面原子拓扑结构图分子表面分子吸附取向苯环结合位点静电势