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分子力場

分子力場根據量子力學的波恩-奧本海默近似，一個分子的能量可以近似看作構成分子的各個原子的空間坐標的函數，簡單地講就是分子的能量隨分子構型的變化而變化，而描述這種分子能量和分子結構之間關係的就是分子力場函數。分子力場函數為來自實驗結果的經驗公式，可以講對分子能量的模擬比較粗糙，但是相比於精確的量子力學從頭計算方法，分子力場方法的計算量要小數十倍，而且在適當的範圍內，分子力場方法的計算精度與量子化學計算相差無幾，因此對大分子複雜體系而言，分子力場方法是一套行之有效的方法。以分子力場為基礎的分子力學計算方法在分子動力學、蒙特卡羅方法、分子對接等分子模擬方法中有著廣泛的應用。

構成

一般而言，分子力場函數由以下幾個部分構成：

  • 鍵伸縮能：構成分子的各個化學鍵在鍵軸方向上的伸縮運動所引起的能量變化
  • 鍵角彎曲能：鍵角變化引起的分子能量變化
  • 二面角扭曲能：單鍵旋轉引起分子骨架扭曲所產生的能量變化
  • 非鍵相互作用：包括范德華力、靜電相互作用等與能量有關的非鍵相互作用
  • 交叉能量項：上述作用之間耦合引起的能量變化

構成一套力場函數體系需要有一套聯繫分子能量和構型的函數，還需要給出各種不同原子在不同成鍵狀況下的物理參數，比如正常的鍵長、鍵角、二面角等，這些力場參數多來自實驗或者量子化學計算。

常用力場函數和分類

不同的分子力場會選取不同的函數形式來描述上述能量與體系構型之間的關係。到目前，不同的科研團隊設計了很多適用於不同體系的力場函數，根據他們選擇的函數和力場參數，可以分為以下幾類

  • 傳統力場
    • AMBER力場：由Kollman課題組開發的力場，是目前使用比較廣泛的一種力場，適合處理生物大分子。
    • CHARMM力場：由Karplus課題組開發，對小分子體系到溶劑化的大分子體系都有很好的擬合。
    • CVFF力場：CVFF力場是一個可以用於無機體系計算的力場
    • MMX力場：MMX力場包括MM2和MM3，是目前應用最為廣泛的一種力場，主要針對有機小分子
  • 第二代力場
    第二代的勢能函數形式比傳統力場要更加複雜，涉及的力場參數更多，計算量也更大，當然也相應地更加準確。
    • CFF力場CFF力場是一個力場家族，包括了CFF91、PCFF、CFF95等很多力場，可以進行從有機小分子、生物大分子到分子篩等諸多體系的計算
    • COMPASS力場由MSI公司開發的力場，擅長進行高分子體系的計算
    • MMFF94力場Hagler開發的力場，是目前最準確的力場之一
  • 通用力場
    通用力場也叫基於規則的力場，它所應用的力場參數是基於原子性質計算所得，用戶可以通過自主設定一系列分子作為訓練集來生成合用的力場參數
  • 反應力場
    • 是一種基於鍵級的分子力場，常用於分子動力學模擬
    • 傳統力場因不能滿足斷裂和形成鍵的要求而不能模擬化學反應，因而ReaxFF避開了顯式的鍵並基於鍵級，從而允許連續的鍵的形成或斷裂

參見

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