化学进展

2012年6月第24卷第6期目次

2012, 24 (06): 0-0 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

量子化学专辑

序言

江元生, 马晶, 黎书华

2012, 24 (06): 871-872 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

化学成为一门学科,始自公元17世纪中叶对炼金术的否定。在漫长的创业兴国和学科建设中,人们总是从可认知的化学事件入手,追根寻源,驱动再创新。化学的基本活动是实验,实验仪器和化学变化中的新旧物种都是感觉认知的宏观客体(尺寸1-10^-3m), 而真实的化学转变发生在不可直觉认知的原子-分子的微观层次(尺寸~1nm=10^-9m)。宏观与微观互为因果,不可分离,激励智慧学人去开启通道,沟通两者的联系,展现规律。

Pd/ZnO催化甲醇水蒸气重整理论研究

陈兆旭^*, 黄玉成, 何翔

2012, 24 (06): 873-878 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

随着化石能源的日渐枯竭和人们对环境保护的日益重视,发展清洁高效的新能源成为世界各国高度关注的战略课题。甲醇水蒸气重整是生产氢能的有效方法之一,Pd/ZnO催化剂热稳定性好、选择性高,是可能替代Cu/ZnO的催化剂。本文综述了近十年来采用理论方法对Pd/ZnO催化甲醇水蒸气重整制氢机理的研究工作。文章首先论述了催化剂的研究进展,然后对水在单体和聚集状态下在单层及多层平整的和阶梯状的合金表面的吸附和解离进行了总结;接着对甲醇、甲氧基和甲醛在合金表面的吸附和化学反应的热力学和动力学作了介绍;随后基于计算结果,对甲醇反应机理给予了详细的描述。最后对全文进行了总结并对未来的研究作了展望。

[2+2]环加成反应机理的理论研究

方德彩^*

2012, 24 (06): 879-885 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

[2+2]环加成反应是有机化学中非常重要的一类反应,其机理的研究一直是实验和理论工作者关注的课题之一。本文从理论的角度综述了三类[2+2]环加成反应的反应机理,即简单烯烃或炔烃参与的环加成反应、累积双键体系参与的环加成反应以及稀土钍化合物参与的环加成反应, 得出对于简单的烯烃或炔烃之间的环加成反应一般是按双自由基机理进行,而其他两类反应主要按协同或两性离子方式进行,并且从前线分子轨道作用理论角度分析了产生不同反应机理的原因。

增长法在离域体系纳米线中的应用

青木百合子^*, 顾凤龙^*

2012, 24 (06): 886-909 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

本文综述了增长法这样一个原先起源于理论合成非周期性聚合物的方法。通过不同的体系验证了增长法高精度和高效率的特性。通过轨道漂移的处理手段,增长法能成功地应用到离域的p共轭体系。其处理手法是在增长过程中一些离域性特别强的分子轨道被重新指认到活性轨道中去,并与进攻的单元相互作用。增长法也可用来确定离域的卟啉线体系的非线性光学系数。

带隙问题:第一性原理电子能带理论研究现状

蒋鸿^*

2012, 24 (06): 910-927 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

电子能带结构是材料最基本的性质之一,对于材料的实际应用具有深刻影响。电子能带结构的理论描述一直以来都是第一性原理理论方法中最具挑战性的问题之一。作为材料理论计算“标准模型”的密度泛函理论,在局域密度近似或广义梯度近似下,存在着著名的“带隙问题”:半导体材料的理论带隙与实验值相比存在着显著的系统性误差。近年来,以改进对带隙的描述为主要目标之一,密度泛函理论领域有很多重要发展。同时,对于带隙问题,与密度泛函理论紧密相关但又有本质区别的另外一类理论方法是基于格林函数的第一性原理多体微扰理论,其中最为流行的GW方法是当前描述材料的电子能带结构最为准确的第一性原理方法,但一直以来都受限于计算量太大而无法应用于更复杂的体系。本文综述了密度泛函理论和格林函数多体理论在电子能带结构问题上的基本原理、最新进展以及存在的挑战性问题。希望通过比较两种理论框架的异同,为未来可能的发展思路提供启发。

无辐射跃迁理论进展

牛英利, 林至闓, 杨玲, 于建国, 何荣幸, 庞然, 朱超原^*, 林倫年, 林聖賢

2012, 24 (06): 928-949 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

在本文中,我们将介绍运用第一性原理计算包含非谐效应或势能面锥形交叉情况下内转换速率的最新工作。我们同时计算了包含非谐效应的分子吸收和发射光谱,以检验量子化学方法计算得到势能面的准确性。势能面的锥形交叉对内转换过程的影响是学界广泛关注的焦点。本文将介绍如何在内转换速率计算的过程中考虑势能面锥形交叉的影响,并将之运用于吡嗪分子。本文运用绝热近似理论处理了另外一个重要的无辐射过程,分子的振动驰豫过程,并将这个理论应用于水二聚体和苯胺的振动弛豫速率的计算。

计算光化学

刘亚军^*

2012, 24 (06): 950-956 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

本文从光化学的最基本概念入手,简要介绍了计算光化学理论方法的发展历程和典型应用,并对不同时期的工作做简要评述,以期读者对整个计算光化学有一个整体的了解。本文还介绍了计算机硬件的发展对计算光化学的影响。最后指出目前计算光化学研究的困难和存在问题以供同行讨论。

固液界面光催化裂解水的理论进展

李晔飞, 刘智攀^*

2012, 24 (06): 957-963 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

二氧化钛纳米颗粒作为一种光催化剂,目前已经得到了广泛的应用,但是对于光催化反应的理解,尤其是在原子水平上,还明显不足,如TiO₂纳米颗粒的几何结构与光催化反应活性的构效关系。本文主要介绍了我们课题组在TiO₂裂解水的一些理论研究进展。通过周期性密度泛函以及周期性连续介质模型的理论计算,我们研究了水析氧反应(OER)的机理,得出了反应的决速步骤是失去第一个质子的过程,同时研究了不同纳米颗粒对该决速步骤的影响。研究指出,TiO₂纳米颗粒的热力学平衡构型在1-30nm内会受到其颗粒尺寸的显著影响;尖的TiO₂纳米颗粒比扁的颗粒具有更高的OER反应活性。综合以上两个因素,最终导致了光催化反应的形态依赖性。

软X射线光谱的第一性原理模拟

花伟杰, 高斌, 罗毅^*

2012, 24 (06): 964-980 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

软X射线光谱是通过核激发或去激发以探测分子、表面及各种化合物的电子结构和化学结构的有效的测量技术。本文对基于密度泛函理论描述X射线吸收、发射的各种不同过程的计算方法进行了综述。重点讨论了各种方法的基本原理、实际操作和具体应用。提供了K边X射线光电子能谱、吸收和发射光谱详细的模拟细节以及一些代表性体系的算例(包括分子、富勒烯、碳纳米管、单层石墨和DNA链)。

研究激发态的多体格林函数理论

马玉臣^*, 刘成卜

2012, 24 (06): 981-1000 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

本文介绍的多体格林函数理论是一种建立在一套格林函数(包括单粒子格林函数和双粒子格林函数)方程基础上的,用以研究物质激发态性质的第一性原理方法。该理论包括计算准粒子性质的GW方法和描述电子-空穴对运动的Bethe-Salpeter方程。GW方法可以以很高的精度计算轨道能量、能带结构、准粒子寿命等物理量;Bethe-Salpeter方程则在研究激发能、光吸收谱、激发态动力学等光学性质上有广泛的应用前景。多体格林函数理论通过自能算符描述电子之间以及电子与空穴之间的交换关联作用。本文将详细阐述该理论的基本概念和原理,并对其在各种材料中的应用做简要介绍。

经典价键理论的从头算计算方法

苏培峰, 吴玮^*

2012, 24 (06): 1001-1007 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

价键理论是两大现代化学键理论之一,广泛应用于化学键本质和化学反应机理的研究。由于计算困难,价键理论应用局限于定性的讨论而无法有效地开展从头计算研究。现代经典价键理论在经典价键理论的理论基础上,引入合理有效的计算方法,提高了价键计算的效率。本文回顾近年来经典价键理论从头算方法在提高计算精度和拓展研究范围方面的发展,并简要展望价键理论方法的发展趋势。

Ⅲ-Ⅴ族多面体团簇的稳定性规律

贾建峰, 武海顺^*

2012, 24 (06): 1008-1022 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

本文对Ⅲ-Ⅴ族多面体团簇的几何结构与稳定性规律之间的关系进行了总结,内容包括富勒烯C_n团簇、C_nX_n(X=H,F)团簇、B_nN_n团簇、(HBNH)_n团簇、N_n团簇及羰基硼(BCO)_n团簇。对于富勒烯,最成熟的稳定性判据为独立五元环规则和五元环共边计数规则,它们都强调C_n团簇由五元环与六元环形成,且五元环应最大程度分离。但氢化或氟化后的C_nX_n(X=H,F)团簇有不同的稳定性规律,它们的稳定结构为五元环聚集的管状结构。B_nN_n团簇主要由四元环、六元环这样的偶数元环形成,避免了BB或NN键的出现。其最稳定结构中,四元环呈最大分离。最稳定的(HBNH)_n团簇为四元环聚集的针状结构。N原子与CH单元为等电子体,但最稳定的N_n团簇由三元环、五元环与六元环形成,呈管状结构。BCO单元与CH也具有等瓣相似性,但最稳定的(BCO)_n结构由三元环和六元环形成。对部分氢化或氟化富勒烯稳定性规律的探索,是Ⅲ-Ⅴ族团簇稳定性研究的下一个难点。

新一代密度泛函方法XYG3

张颖, 徐昕^*

2012, 24 (06): 1023-1037 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

大量的应用研究测试表明,以B3LYP为代表的传统密度泛函方法在反应能垒以及非键相互作用等重要性质的预测上存在困难,并且预测精度随研究体系的增大而不断变差。开发越来越精确的交换相关泛函是现代密度泛函理论发展的主线。近年来,引入未占轨道信息的新一代双杂化密度泛函方法的研究受到越来越多的关注。本篇综述回顾了这一领域已取得的一些进展;推导了双杂化泛函方法在Kohn-Sham密度泛函理论框架下的理论基础;依据各自特点,将现已提出的双杂化泛函划分为三种类别。本文着重测评了以XYG3为代表的一类双杂化泛函的表现。最后,就双杂化泛函的未来发展方向,提出了一些设想与建议。

电负性均衡

杨忠志^*

2012, 24 (06): 1038-1049 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

电负性是分子中一个原子把电子拉向它自身的能力,是化学理论的基本概念之一。继Pauling建立第一个电负性标度后,提出了众多的电负性标度。只是在密度泛函理论的基础上,电负性概念和电负性均衡原理,才被精密地论证。近二十多年来,电负性理论的重要发展是:应用电负性均衡模型或方法,可以快速地计算分子体系的电荷分布,从而确定分子的其他性质,甚至包括分子的结构和反应性指标。通常的电负性均衡方法只把分子划分到原子区域,虽然简单直观,但其精度和应用范围受到限制。原子与键电负性均衡方法,把分子划分到包括原子区域、化学键区域和孤对电子区域,能够较快速精密地计算分子的电荷分布和其他性质,并被应用到构建新一代可极化或浮动电荷力场的探索中,有广阔的应用前景。

基于从头计算法的三维碳同素异形体结构设计

吴梦昊, 戴军, 曾晓成^*

2012, 24 (06): 1050-1057 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

由于独特的成键特性,在不同温度和压强下,碳具有丰富的结构特性。除了实验上已发现各种同素异形体,理论计算也预言了丰富的新结构。在本文中,我们对第一性原理计算预言的三维碳同素异形体做了综述,特别地,我们着重关注了泡沫状的碳结构。碳泡沫主要由石墨片断以各种碳键连接而成,具体多孔结构及较大的表面积。另外,针对由低维碳结构,如碳富勒烯、纳米芽、纳米管及石墨烯等组成的三维碳超结构以及其他三维碳晶体我们也做了概述。这些新型碳结构有的由混杂的sp-sp²碳或者纯sp²碳组成(H-6, bct-4, C-20, K₄等),有的质量密度比金刚石还大(C₈, hP3, tl12, tp12等),有的可以由石墨在室温高压下转化而成(M碳, bct-4碳, W碳, Z碳等)。在这些预言的碳同素异形体中,有些在将来可能在实验室合成。

大分子体系的量子化学分块方法

梅晔, 何晓, 季长鸽, 张大为, 张增辉^*

2012, 24 (06): 1058-1064 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

碎片化方法为量子化学方法的发展以及在大分子体系的应用开辟了新的道路。在过去的十年里,我们见证了该领域的诸多成果,并且我们相信该方法的发展仍将持续下去。这篇文章简单回顾了近期碎片化方法在大分子电子结构计算领域的进展,重点突出中国学者在该领域的贡献。

蛋白质二维红外相干光谱的理论研究

宋建, 庄巍^*

2012, 24 (06): 1065-1081 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

多肽对红外激光脉冲的非线性响应中包含了丰富的结构动力学信息。本文以肽链的酰胺振动跃迁为例,提出了模拟二维红外相干光谱的理论方案。文中首先介绍了激子模型下非线性响应的微扰图像,并基于激子模型、经典分子动力学模拟和密度泛函静电势,构建酰胺振动模式有效波动哈密顿量。采用随机刘维尔方程(SLE)、数值演化(NP)、高斯波动的累积展开等方法计算非线性响应光谱。文章最后对多肽及多肽复合物等体系的二维红外信号进行模拟和讨论。

化学反应的高精度从头算势能面

张春芳, 马海涛, 边文生^*

2012, 24 (06): 1082-1093 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

势能面是化学反应动力学研究的基础。近年来随着理论方法的发展与计算技术的进步,不但含三、四个原子反应体系的电子基态势能面的构建精度进一步提高,一些反应体系的多电子态耦合势能面的构建和含六个原子以上反应体系的高维从头算势能面的构建也取得了重要进展。本文结合若干典型体系势能面的构建工作,主要介绍了高精度电子基态势能面,包括Renner-Teller、旋轨耦合等非绝热效应的耦合势能面以及高维势能面方面的研究进展。

离子液中溶剂化电子的结构及其演化动力学

步宇翔^*

2012, 24 (06): 1094-1104 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

本文综述了离子型液体介质中过剩电子的结构、存在状态及其时间演化动力学特征。基于从头算分子动力学模拟及计算结果,重点阐述了咪唑型、吡啶型、碱金属离子型熔盐氯化物离子液中与过剩电子溶剂化密切相关的溶剂化能量学、结构特征、可能的存在状态以及态-态转化稳态动力学机制,分析了此类离子型介质中电子高效传导的内在本质及离子液组成离子的重要作用。阳离子的最低未占轨道组成的导带结构是离子液中过剩电子的溶剂化态及其稳定性的决定因素,任何能影响或改变其导带结构的因素均能显著影响过剩电子溶剂化。但快速的态-态转化及电子迁移并不明显取决于其组成离子扩散动力学,而是敏感地受离子液涨落所控制。这种基于溶剂化电子的迁移模式构成了此类离子型介质甚至其它液态介质中电子转移的新途径。

多原子体系非绝热动力学的近似理论方法

兰峥岗^*, 邵久书^*

2012, 24 (06): 1105-1119 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

非绝热动力学普遍存在于在光物理和光化学过程中。描述非绝热跃迁需要处理电子-原子核间的相互耦合运动。由于计算量随体系尺度剧烈增长,准确的量子动力学计算目前只适用于描述小分子体系。为了研究多原子分子体系的非绝热过程,近年来发展了一些基于量子-经典动力学近似方法。本文将对典型的这类方法包括经典Ehrenfest方法、面跳跃方法、基于Wigner表示的混合量子-经典方法进行简要的介绍,并讨论如何将量子-经典动力学方法与电子结构从头算手段相结合,模拟非绝热过程。重点阐明各种方法的基本思想和优缺点,并对该领域的发展进行展望。

小分子光解动力学的理论研究

蒋彬, 谢代前^*

2012, 24 (06): 1120-1128 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

光解过程是化学中的核心问题之一。量子态分辨的光解动力学可以使人们在原子与分子的层次上深刻理解光解反应的机制。态-态水平的光解动力学在过去四十年中取得了长足的进步,实验和理论的相互结合极大地促进了我们对光解反应本质的认识。本文综述了小分子态-态光解动力学的理论研究进展,总结了H₂O和CH₃I这两个最具代表性体系的态-态光解动力学研究成果,并提出了该领域未来面临的挑战。

量子耗散与量子输运的级联方程组方法

郑晓, 徐瑞雪, 许健, 金锦双, 胡洁, 严以京^*

2012, 24 (06): 1129-1152 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

级联方程已成为研究量子开放系统的稳态性质和动力学过程的重要方法。本文旨在系统综述量子耗散和量子输运的级联方程组方法的建立、发展以及在理论、算法和应用方面的一些最新进展。级联方程形式理论的建立以影响泛函路径积分为基础,并具有数值上的高效性和应用上的灵活性,可用于研究分子体系的复杂动力学过程以及强关联电子体系中的量子输运。其级联耦合结构以非微扰的方式揭示了多体相互作用、体系-环境耦合、非马尔可夫记忆等的综合效应。作为应用示例,我们采用级联方程模拟了生物光富集体系的二维相干动力学光谱以及含时电子输运过程中的动态近藤效应。

基于量子波包方法的态-态分辨反应散射动力学计算

孙志刚^*, 张东辉^*

2012, 24 (06): 1153-1165 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

本文回顾了最近十几年利用量子波包方法研究气相分子反应散射动力学的工作进展,特别是在态-态分辨水平上的工作进展。比较详细地讨论了目前存在的利用量子波包方法计算态-态微分截面的几种方法。目前态-态分辨的波包动力学计算可以精确地预测三原子和四原子分子反应散射的各种信息,文章最后对几个典型的利用波包方法在态-态分辨水平上研究过的三原子和四原子反应散射体系做了讨论。

Non-Condon电子转移速率理论与含时波包方法

张伟伟, 钟欣欣, 司玉冰, 赵仪^*

2012, 24 (06): 1166-1174 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

随着电子转移理论在化学、材料科学、生物医学等领域的广泛应用,人们针对不同体系提出了多种电子转移理论模型。本文主要总结了近年来我们在non-Condon电子转移理论以及含时波包方法等方面的相关工作。首先阐述包含non-Condon效应的电子转移速率理论并用于二噻吩四硫富瓦烯有机半导体迁移率的计算。而后介绍了包含量子相干效应的含时波包方法,并初步用于研究二聚芴分子三三态能量转移过程。另外,本文还阐述了如何采用量子化学计算获得电子转移速率的结构参数。

锌酶的计算模拟:挑战与最新进展

巫瑞波, 曹泽星^*, 张颖凯^*

2012, 24 (06): 1175-1184 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

锌酶在人体中分布非常广泛,种类繁多,是当前最受关注的金属酶之一。由于在锌配位结构上的多样性以及Zn²⁺饱和的d轨道带来的“光谱寂静”性,导致许多实验研究手段受限。计算模拟在锌酶的研究中发挥着越来越重要的作用,已经成为不可或缺的研究工具。现代量子化学计算模拟方法,特别是被视为研究生物大分子体系非常有效的QM/MM组合方法,目前已经被广泛应用于探讨复杂多变的锌配位结构以及锌酶催化反应机理。通过在QM/MM水平下开展的分子动力学模拟,可以揭示锌酶体系中结构与功能间的相互关系。此外,分子力场方法在锌酶研究中同样发挥了不可替代的作用,由于传统力场普遍无法正确描述锌配位结构,因此,锌酶分子力场的开发具有迫切的现实意义。本文总结了近年来锌酶计算模拟领域的最新进展,提出了锌酶计算研究中还有待解决的一些问题。

物质材料的结构预测和光物理性能模拟

林晨升, 程文旦^*, 张炜龙, 张浩, 何长振

2012, 24 (06): 1185-1198 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

具有良好性能的非线性光学材料的成功设计, 关键问题在于材料晶体结构和分子结构的可信和有效的预测结果, 继而对获得结构信息的材料开展光物理性能计算模拟, 这种结构预测与性能模拟结合的方法, 为新材料的成功制备创出一条又省时又经济的路子。在此文章中,我们雇用Oganov等人发展的全局搜索进化算法的晶体结构预测工具(USPEX软件)、成功地预测具有中远红外区透过的二阶非线性光学材料Ba₂BiInS₅/Se₅的晶体结构;介绍应用DFT方法优化和预测内嵌富勒烯C₂@Sc₄@C₈₀-I_h和Sc₄C₂@C₈₀-I_h分子结构。在结构预测和优化基础上,应用基于态叠加原理(SOS)自行创建的BGP软件与计算激发态性质的软件结合,计算模拟分子晶体、纳米结构分子、生物蛋白分子等体系频率相关和态相关的非线性光学性质(包括不同光学过程的二阶、三阶极化率以及双光子、三光子吸收截面)。此外,还报道利用固体能带理论与反谐振子模型结合, 计算模拟部分离子晶体的二阶和三阶非线性光学性质。

分子模拟中的增强抽样方法

杨立江, 邵强, 高毅勤^*

2012, 24 (06): 1199-1213 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

分子模拟在化学、物理、生物、材料等多学科的发展中起着越来越重要的作用。然而,受到当前计算机处理速度的限制,分子模拟计算所能够达到的时间尺度同实验或实际应用中要求的时间尺度相比还存在着巨大的差距。增强抽样方法的发展和应用可以有效地拓宽分子模拟所能研究体系的时间尺度,极大地提高分子模拟的热力学和动力学计算能力。本文中先简单介绍增强抽样方法的发展以及几类增强抽样方法的优缺点,然后重点介绍了我们研究组所发展的温度积分抽样方法(Integrated Tempering Sampling, ITS)的基本思路及其在蛋白质折叠研究中的应用。文章最后总结了增强抽样方法发展的新需求,同时也对此研究方向的广阔发展前景进行了展望。

准确快速计算含多肽酰胺和核酸碱基的氢键复合物的氢键强度和氢键作用势能曲线

黄翠英, 李阳, 王长生^*

2012, 24 (06): 1214-1226 |

出版日期: 2012-06-24

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摘要

N-H···O=C、C-H···O=C、N-H···N和C-H···N等氢键作用是蛋白质a-螺旋结构、b-折叠结构和DNA双螺旋结构形成的主要因素,在生物分子识别、蛋白质复制以及遗传信息传递等过程中起重要作用。准确快速计算生物体系中存在的N-H···O=C、C-H···O=C、N-H···N和C-H···N等氢键作用强度以及氢键强度随分子几何结构(距离和角度)变化的势能曲线对正确模拟(从而正确认识和理解)蛋白质折叠机制和DNA双螺旋结构形成机制等生物过程意义重大,对设计合成具有特殊功能的生物分子材料有重要指导价值。本文主要介绍了近年来建立的偶极-偶极氢键作用模型及其在快速预测多肽-多肽分子间和核酸碱基-多肽分子间氢键作用强度和氢键作用势能曲线方面的应用。

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