分子间力一般包括（分子力场简述）

小君 2022-11-21 16:07:10 489

分子间力一般包括（分子力场简述）分子力场的局限分子力场有很多比如生物模拟常用的AMBER CHARMM OPLS GROMOS 材料领域常用的CFF MMFF COMPASS等等。他们的区别在哪里呢?一个力场通常包括三个部分:原子类型势函数和力场参数。也就是说不同的力场他们的函数形式可能不一样或者函数形式一样而力场参数不一样。其中最关键的差别取决于分子力学模型比如有的力场考虑氢键有氢键函数;有的考虑极化有极化函数。其次分子力场参数都是拟合特定分子的数据而生成的比如面向生物模拟的力场选择生物领域的分子模拟得到参数而材料的则侧重选择材料方面的分子。这些被拟合的分子成为训练集(training set)。更多的参数可以获得对成键分子的更精确的描述。这是描述成键作用不成键的原子间的相互作用则采用Legendre-Jones函数或者Bukingham函数描述。从上面可以看出来力场用简单的

分子模拟的基础是准确计算原子之间的相互作用包括组成同一分子的原子之间的成键相互作用和不同分子间的范德华相互作用有的分子间还有氢键相互作用。描述原子间的这些相互作用有两种方式一个是通过量子化学计算另外一种方式就是采用分子力场计算。

分子力场的来源

我们知道量子化学计算分子结构和原子、分子间相互作用比较准确但是很慢。而采用分子力场计算就会很快因为分子力场并不计算电子相互作用它是对分子结构的一种简化模型所以计算很快。在这个模型中它把组成分子的原子看成是由弹簧连接起来的球然后用简单的数学函数来描述球与球之间的相互作用。比如氢分子看做有弹簧链接的两个球的话可以用胡克定律描述两个氢原子间的能量：E=k*(b-b0)^2。其中 b 表示两氢原子间距离 b0表示平衡时原子间距 k为键能系数 b0和K称为力场参数。更复杂一点可以用四次方表达:

E=K1*(b-b0)^2 K2*(b-b0)^3 K3*(b-b0)^4

更多的参数可以获得对成键分子的更精确的描述。这是描述成键作用不成键的原子间的相互作用则采用Legendre-Jones函数或者Bukingham函数描述。

分子间力一般包括（分子力场简述）(1)

从上面可以看出来力场用简单的数学函数描述原子间作用称为分子力场又叫分子力学力场。采用分子力场的分子模拟称为经典分子模拟。这是相对于采用量子力学计算的分子模拟来说的。那么分子力学对分子结构和原子间相互作用描述的是否准确呢?这依赖于你所用的参数。而这些参数通常拟合自实验数据或者量子化学结果。它属于经验描述显然品质要低一些但是由于计算速度快适合于描述上千个乃至百万个原子的模拟在这些情况下我们无法采用量子力学计算因此只能采用经典模拟。

不同分子力场间的区别

分子力场有很多比如生物模拟常用的AMBER CHARMM OPLS GROMOS 材料领域常用的CFF MMFF COMPASS等等。他们的区别在哪里呢?一个力场通常包括三个部分:原子类型势函数和力场参数。也就是说不同的力场他们的函数形式可能不一样或者函数形式一样而力场参数不一样。其中最关键的差别取决于分子力学模型比如有的力场考虑氢键有氢键函数;有的考虑极化有极化函数。其次分子力场参数都是拟合特定分子的数据而生成的比如面向生物模拟的力场选择生物领域的分子模拟得到参数而材料的则侧重选择材料方面的分子。这些被拟合的分子成为训练集(training set)。

分子力场的局限

由于力场参数是拟合训练基分子得到的那么这些参数用于计算其它分子准确吗?这叫分子力场的迁移性问题。迁移性问题还包括状态迁移性问题就是说所拟合的实验数据是常温常压下测量的然后你模拟的可能是高温高压下的那么分子力学的准确性也会降低。这些都属于分子力场的局限性。

常用势函数的组成

分子力场有时被称为势函数。以下是一般分子力场势函数包括的几个部分:

描述分子内成键作用的项

A. 键伸缩能:构成分子的各个化学键在键轴方向上的伸缩运动所引起的能量变化

B. 键角弯曲能:键角变化引起的分子能量变化

C. 二面角扭曲能:单键旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量变化

D. 交叉能量项:上述作用之间耦合引起的能量变化

描述分子间作用的项

非键相互作用:包括范德华力、静电相互作用等与能量有关的非键相互作用。

常用力场函数和分类