复杂体系过渡态搜寻和反应势垒计算方法研究和示范应用

发布时间：2017-09-06 14:49

  本文关键词：复杂体系过渡态搜寻和反应势垒计算方法研究和示范应用

  更多相关文章： 反应机理 过渡态 CPMD metadynamics 肽键异构 模拟酶

【摘要】：复杂体系（如生物体系）的化学反应分子机理一直是实验科学与理论研究的难点与重点。由于反应发生过程的瞬时性，在实验上难以捕捉反应过程中能量较高（观察几率较低）的反应中间体；在计算研究中，现有的计算机能力还难以对复杂体系进行全维度势能面进行电子结构水平上的全原子计算。目前对过渡态搜寻的分子动力学模拟手段研究仅限于计算采样，由于缺乏对稀有事件的有效计算，大量采样是无益的和不必须的。针对计算的有限资源和反应过程的复杂性，过渡态理论提出一种类似“有监督的机器学习”的计算方法，对反应过程中最关键的步骤进行在电子结构水平上的全原子分子模拟。因此，过渡态理论作为研究分子反应机理的重要原理得以在有机化学反应机理研究中得到广泛应用。 复杂生化反应体系具有更高的结构空间维度，了解这种生物体系的反应动力学原则上需要遍历搜索高维结构空间中所有可能反应途径的过渡态。目前，还很少有智能的计算方法做到对于含柔性结构的分子进行全局的过渡态扫描。本论文工作尝试提出了一套可以高效搜索反应过渡态的计算方法流程：1）通过对模式反应的CPMDmetadynamics分子动力学模拟获得目标反应过程的特征反应坐标和核心结构；2）利用接枝法进行快速量化计算方法与课题组开发的自动化快速多分子构象搜索引擎联用，获得反应物、中间体、产物及各个过渡态的多个构象，并最终基于Boltzman分布原理，阐明各反应通路的发生几率，并与实验动力学数据对比进行验证。所提出的计算方法已经应用于研究苯甲酰胺类、（异）烟酰胺类以及三甲基乙胺类分子所参与的酰胺键异构反应动力学。在高阶量化计算中密度泛函计算DFT、导体可极化连续介质模型（Conduct-like PolarizableContinuum Model，CPCM）等方法用于限速步骤的反应势垒，揭示反应势垒与分子结构及周围外部环境的构效关系。 在计算方法的示范应用中，我们计算了M4L6这种超分子化合物的催化机理。M4L6超分子是由4个金属阳离子以及6个等价配体组成一个四面体笼状结构。相对于外部亲水环境，它为被捕捉到笼中的底物提供了一个相对疏水的化学环境，因此M4L6被用于提供疏水反应环境。我们通过构建了M4L6模拟酶-底物复合物结构，，模拟了底物在反应基态与过渡态的不同状态下与M4L6的结合情况，并通过结构分析挖掘结构与功能的关系。
【关键词】：反应机理 过渡态 CPMD metadynamics 肽键异构 模拟酶
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.0
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 符号说明（Abbreviation）12-15
• 第一章 过渡态搜寻与反应通路研究15-23
• 1.1 论文简介15-16
• 1.2 过渡态理论与反应路径搜寻16-18
• 1.3 量子化学理论方法与 GAUSSIAN 软件18-21
• 1.3.1 量子化学理论方法18-19
• 1.3.2 密度泛函理论与 SCC-DFTB19-20
• 1.3.3 GAUSSIAN 软件20-21
• 1.4 论文的主要任务21
• 1.5 本章小结21-23
• 第二章 构建酰胺键异构反应势能面23-35
• 2.1 CPMD 简介23-24
• 2.2 METADYNAMICS 理论方法24
• 2.3 酰胺键异构反应模拟的步骤与实施24-30
• 2.3.1 波函数与几何结构优化26-27
• 2.3.2 CPMD-Metadynamics 测试模拟27-30
• 2.3.3 CPMD-Metadynamics 动力学模拟酰胺键异构反应30
• 2.4 还原构建反应自由能势能面30-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第三章 分子构象搜索与反应物结构搜寻35-66
• 3.1 分子构象搜索简介35-37
• 3.2 分子构象搜索软件的开发37-44
• 3.3 案例：构建多取代基苯甲酰胺、（异）烟酰胺类分子稳态空间构象44-65
• 3.3.1 反应物构象多重性46-51
• 3.3.2 反应势垒与不同的过渡态结构 TS1、TS251-53
• 3.3.3 分子结构差异性53-61
• 3.3.4 与实验值对照61-65
• 3.4 本章小结65-66
• 第四章 酶催化反应的计算模拟66-78
• 4.1 模拟酶与人工酶66-67
• 4.2 构建 M4L6-反应物的复合物结构67-69
• 4.3 计算结果69-77
• 4.4 本章小结77-78
• 第五章 全文总结78-80
• 5.1 主要结论78
• 5.2 研究展望78-80
• 参考文献80-87
• 附录一 METADYNAMCIS 分子模拟执行文件87-92
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文92-94
• 学术论文92
• 软件与专利92-93
• 会议论文摘要93-94
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目94-95
• 致谢95

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本文编号：803765