本文關(guān)鍵詞：復(fù)雜體系過渡態(tài)搜尋和反應(yīng)勢(shì)壘計(jì)算方法研究和示范應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： 反應(yīng)機(jī)理 過渡態(tài) CPMD metadynamics 肽鍵異構(gòu) 模擬酶

【摘要】：復(fù)雜體系（如生物體系）的化學(xué)反應(yīng)分子機(jī)理一直是實(shí)驗(yàn)科學(xué)與理論研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)。由于反應(yīng)發(fā)生過程的瞬時(shí)性，在實(shí)驗(yàn)上難以捕捉反應(yīng)過程中能量較高（觀察幾率較低）的反應(yīng)中間體；在計(jì)算研究中，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)能力還難以對(duì)復(fù)雜體系進(jìn)行全維度勢(shì)能面進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)水平上的全原子計(jì)算。目前對(duì)過渡態(tài)搜尋的分子動(dòng)力學(xué)模擬手段研究?jī)H限于計(jì)算采樣，由于缺乏對(duì)稀有事件的有效計(jì)算，大量采樣是無益的和不必須的。針對(duì)計(jì)算的有限資源和反應(yīng)過程的復(fù)雜性，過渡態(tài)理論提出一種類似“有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)”的計(jì)算方法，對(duì)反應(yīng)過程中最關(guān)鍵的步驟進(jìn)行在電子結(jié)構(gòu)水平上的全原子分子模擬。因此，過渡態(tài)理論作為研究分子反應(yīng)機(jī)理的重要原理得以在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究中得到廣泛應(yīng)用。 復(fù)雜生化反應(yīng)體系具有更高的結(jié)構(gòu)空間維度，了解這種生物體系的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原則上需要遍歷搜索高維結(jié)構(gòu)空間中所有可能反應(yīng)途徑的過渡態(tài)。目前，還很少有智能的計(jì)算方法做到對(duì)于含柔性結(jié)構(gòu)的分子進(jìn)行全局的過渡態(tài)掃描。本論文工作嘗試提出了一套可以高效搜索反應(yīng)過渡態(tài)的計(jì)算方法流程：1）通過對(duì)模式反應(yīng)的CPMDmetadynamics分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得目標(biāo)反應(yīng)過程的特征反應(yīng)坐標(biāo)和核心結(jié)構(gòu)；2）利用接枝法進(jìn)行快速量化計(jì)算方法與課題組開發(fā)的自動(dòng)化快速多分子構(gòu)象搜索引擎聯(lián)用，獲得反應(yīng)物、中間體、產(chǎn)物及各個(gè)過渡態(tài)的多個(gè)構(gòu)象，并最終基于Boltzman分布原理，闡明各反應(yīng)通路的發(fā)生幾率，并與實(shí)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證。所提出的計(jì)算方法已經(jīng)應(yīng)用于研究苯甲酰胺類、（異）煙酰胺類以及三甲基乙胺類分子所參與的酰胺鍵異構(gòu)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在高階量化計(jì)算中密度泛函計(jì)算DFT、導(dǎo)體可極化連續(xù)介質(zhì)模型（Conduct-like PolarizableContinuum Model，CPCM）等方法用于限速步驟的反應(yīng)勢(shì)壘，揭示反應(yīng)勢(shì)壘與分子結(jié)構(gòu)及周圍外部環(huán)境的構(gòu)效關(guān)系。 在計(jì)算方法的示范應(yīng)用中，我們計(jì)算了M4L6這種超分子化合物的催化機(jī)理。M4L6超分子是由4個(gè)金屬陽(yáng)離子以及6個(gè)等價(jià)配體組成一個(gè)四面體籠狀結(jié)構(gòu)。相對(duì)于外部親水環(huán)境，它為被捕捉到籠中的底物提供了一個(gè)相對(duì)疏水的化學(xué)環(huán)境，因此M4L6被用于提供疏水反應(yīng)環(huán)境。我們通過構(gòu)建了M4L6模擬酶-底物復(fù)合物結(jié)構(gòu)，，模擬了底物在反應(yīng)基態(tài)與過渡態(tài)的不同狀態(tài)下與M4L6的結(jié)合情況，并通過結(jié)構(gòu)分析挖掘結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。
【關(guān)鍵詞】：反應(yīng)機(jī)理 過渡態(tài) CPMD metadynamics 肽鍵異構(gòu) 模擬酶
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：R318.0
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 符號(hào)說明（Abbreviation）12-15
• 第一章 過渡態(tài)搜尋與反應(yīng)通路研究15-23
• 1.1 論文簡(jiǎn)介15-16
• 1.2 過渡態(tài)理論與反應(yīng)路徑搜尋16-18
• 1.3 量子化學(xué)理論方法與 GAUSSIAN 軟件18-21
• 1.3.1 量子化學(xué)理論方法18-19
• 1.3.2 密度泛函理論與 SCC-DFTB19-20
• 1.3.3 GAUSSIAN 軟件20-21
• 1.4 論文的主要任務(wù)21
• 1.5 本章小結(jié)21-23
• 第二章 構(gòu)建酰胺鍵異構(gòu)反應(yīng)勢(shì)能面23-35
• 2.1 CPMD 簡(jiǎn)介23-24
• 2.2 METADYNAMICS 理論方法24
• 2.3 酰胺鍵異構(gòu)反應(yīng)模擬的步驟與實(shí)施24-30
• 2.3.1 波函數(shù)與幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化26-27
• 2.3.2 CPMD-Metadynamics 測(cè)試模擬27-30
• 2.3.3 CPMD-Metadynamics 動(dòng)力學(xué)模擬酰胺鍵異構(gòu)反應(yīng)30
• 2.4 還原構(gòu)建反應(yīng)自由能勢(shì)能面30-34
• 2.5 本章小結(jié)34-35
• 第三章 分子構(gòu)象搜索與反應(yīng)物結(jié)構(gòu)搜尋35-66
• 3.1 分子構(gòu)象搜索簡(jiǎn)介35-37
• 3.2 分子構(gòu)象搜索軟件的開發(fā)37-44
• 3.3 案例：構(gòu)建多取代基苯甲酰胺、（異）煙酰胺類分子穩(wěn)態(tài)空間構(gòu)象44-65
• 3.3.1 反應(yīng)物構(gòu)象多重性46-51
• 3.3.2 反應(yīng)勢(shì)壘與不同的過渡態(tài)結(jié)構(gòu) TS1、TS251-53
• 3.3.3 分子結(jié)構(gòu)差異性53-61
• 3.3.4 與實(shí)驗(yàn)值對(duì)照61-65
• 3.4 本章小結(jié)65-66
• 第四章 酶催化反應(yīng)的計(jì)算模擬66-78
• 4.1 模擬酶與人工酶66-67
• 4.2 構(gòu)建 M4L6-反應(yīng)物的復(fù)合物結(jié)構(gòu)67-69
• 4.3 計(jì)算結(jié)果69-77
• 4.4 本章小結(jié)77-78
• 第五章 全文總結(jié)78-80
• 5.1 主要結(jié)論78
• 5.2 研究展望78-80
• 參考文獻(xiàn)80-87
• 附錄一 METADYNAMCIS 分子模擬執(zhí)行文件87-92
• 攻讀碩士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文92-94
• 學(xué)術(shù)論文92
• 軟件與專利92-93
• 會(huì)議論文摘要93-94
• 攻讀碩士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目94-95
• 致謝95

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本文編號(hào)：803765