复杂分子体系的理论新方法的发展及应用

发布时间：2020-09-01 09:30

　　随着计算机的发展,将理论计算方法应用到化学、生物、物理、材料等领域越来越普遍,应用的范围也从最初的验证试验结果到现在的预测、甚至指导实验进行。发展精度高,计算量小的理论计算方法也成为越来越迫切的需要。密度泛函理论(DFT)方法较其他高精度的量子化学方法计算量小,而比分子力学方法精确度更高,符合当今理论方法的发展趋势。在过去的30年中,Kohn-Sham密度泛函理论(KS-DFT)已成为化学和凝聚态物理中最有效、最流行的电子结构方法。KS-DFT应用方向涉及大或复杂的分子、金属、催化、动力和纳米技术。然而,KS-DFT的准确性取决于交换相关函数的质量,而确切的泛函形式是未知的。为了更好地逼近绝对的交换相关函数,研究者们付出了很大的努力。而高性价比,即准确度高同时计算量小是KS-DFT广泛使用的主要驱动因素。明尼苏达大学发展的M06系列泛函能广泛应用于多种物理化学性质的预测,其中M06-L为局域的密度泛函,M06和M06-2X为杂化的密度泛函。本文为了达到更高的全面精度和提高化学反应能垒、非共价相互作用和晶格常数的准确性,我们通过拟合一个更大的数据库(包括分子和固态晶体数据,422个原子分子能量数据、10个分子结构数据和17晶格常数体系)、改进泛函形式、优化拟合方法,通过非线性拟合方式得到了新的密度泛函方法,revM06-L。revM06-L泛函给出了比原有的M06-L泛函更加平滑的势能曲线和总体精度,特别是在反应能垒、弱相互作用和固体物理等方面有显著提高。最近Medvedev等人提出最新发展的改进后的密度泛函近似方法要以牺牲准确预测电子密度为代价而得到更精确的能量。我们研究了不同计算方法时不同基组对电子密度预测正确性的影响。本工作中用到了两个基组,分别为aug-cc-pωCV5Z和aug-cc-pV5Z。我们研究了17种不同的密度泛函方法及HF和MP2方法对Ne,Ne~(6+)和Ne~(8+)的电子密度的计算表现。我们发现基组的选择对某些方法的误差和排序有显著影响。用aug-cc-pV5Z基组计算的电子密度,其导数及二阶导数的误差值都有明显下降,特别是对于明尼苏达泛函。在选择的19种方法中,M06系列泛函是用aug-cc-pV5Z基组时提高最显著的,可以提供准确的电子密度等相关信息,也因此适用于化学和物理等广泛的应用。最后,我们结合量子力学方法电荷拟合与分子力学方法,如分子对接,分子动力学模拟及蛋白-配体相互作用能MM/PBSA计算。将多层次计算方法应用于蛋白质-配体复合物等复杂生物体系。具体来说,我们用了多种计算方法从两个小分子数据库中寻找急性冠状动脉综合征药物靶点蛋白PAR1的可能的强结合物,这两个数据库为包括超过20万个小分子的Specs分子库和传统中药数据库(TCM)的3000多个小分子。通过结合当今应用广泛的分子对接方法,分子动力学模拟和蛋白-配体结合自由能的计算,我们找到了14个可能的与PAR1结合力较强的小分子。另外,黄曲霉素B1是毒性极强的致癌物质,可从多种发霉的食品中产生,在食品安全检测中极为关键。我们同样通过多种计算方法寻找了可能的黄曲霉素B1的亲和蛋白。三个蛋白质,分别为三羟基萘还原酶、GSK-3b和Pim-1,最终被选为黄曲霉素结合蛋白。GSK-3b和Pim-1是癌症和神经系统疾病的药物靶点。其中GSK-3b是与黄曲霉素B1结合最强的结合物。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O641.1
【部分图文】：

原子分子,数据集,键能

作用（NC51）的 MUE 最低。另外，表 2.4 还显示 revM06-L 对 MGBE137 的表现是局域的密度泛函中排名第二的，而且它对 EE18 的表现也比 M06-L 更好。图 2.1 和表 2.5 显示了 M06-L 和 revM06-L 对原子分子能量的 25 个子集计算误差 MUE 的比较。在 25 个子集中，revM06-L 对其中 15 个子集的 MUE 更低，而且，在这 15 个子集中有 12 个子集的 MUE 降低了多于 10%。具体来说，对主族元素键能的三个子集（SR-MGM-BE9、SR-MGN-BE107 和 MR-MGN-BE17）和过渡金属键能的两个子集（SR-TM-BE17 and MR-TM-BE13）的表现有所提升。然而，对MR-TMD-BE3的表现却更差了。值得注意的是，revM06-L对 HTBH38/08、NHTBH38/08、NGDWI21、4dAEE5、IsoL6/11、AE17 和 DC9/12 的 MUE 都比M06-L 相应降低了 30%到 60%。

泛函,子集,子集和,数据库

图 2.2 给出了十个泛函对 S66 及其子集和 S66x8 的表现。如图2.2 所示，revM06-L 泛函比 M06-L、M06 和 MN15-L 的表现更好。RevM06-L 比其它四个局域的密度泛函的 DD23、Mix20、S66 和 S66x8 都要更好，只有 M06-L 对 HB23 的表现比 revM06-L 略好。

有机分子,激发态,泛函,子集

9个有机分子激发态能（EE69）的MUE（eV）

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