自20世纪70年代以来,随着计算机科学与技术的蓬勃发展,使用计算机进行科学计算已经成为自然科学理论研究的主流范式.“理论化学”这一化学分支学科逐渐发展为“理论与计算化学”;化学理论的载体的主要形式也从旧时代的公式和图形转变为现代的算法和程序.发展化学理论模型并开发对应的计算机程序成了化学理论发展的最佳途径之一.振动光谱学是研究化学体系动力学性质的主要途径之一.高精度的分子振动光谱体现了振动能级之间的跃迁,进而反映了化学体系的Hamiltonian;复杂体系中的探针光谱体现了探针分子所处化学环境的动力学信息,反映了能量在体系中流动的方式.从第一性原理出发的振动光谱模拟需要获知体系的势能面和偶极矩面.非平衡统计力学中的输运性质(包括粘度、扩散率、热导率、热扩散率)是气体的重要属性,从理论解析、预测气体的这些性质需要求解体系的热力学方程.对于稀薄气体这一特殊情形,列出体系的Boltzmann方程,并由Chapman–Enskog方法求解,可获得气体的输运性质.然而,据我们所知,尚没有一种稳定、健壮的计算机软件可以完成从分子间势能到气体输运性质的整套运算.在攻读博士学位期间,作者针对上述科学问题和技术需求,以高精度势能面为核心,以发展新模型、开发新软件为基本任务,完成了系列创新工作.本文的架构简介如下:在第一章中,本文回顾了理论与计算化学发展的历程,总结了理论与计算化学现阶段的核心任务之一是发展新模型、开发新软件,并对目前科学计算软件的主要程序语言和编程范式做了介绍.在第二章中,根据后文的研究内容,本文对所涉及的基本理论知识作了简要介绍.其中内容主要包括:(1)分子光谱学的基本原理,导出在光谱学基本理论中能级差和跃迁偶极的中心地位;(2)分子振动光谱的基本原理,介绍了分子的振动动力学,引出势能面和偶极矩面的概念;(3)介绍了统计力学的基本原理,推导了Liouville方程等统计力学理论,并从稀薄气体的基本特性出发,导出了Boltzmann方程.第三章主要介绍多维Morse长程势能模型.光谱学精度的势能面在解释与预测van der Waals复合物的红外与微波光谱中具有基石作用.其中,势能模型的选择对于提供准确、健壮、可移植的分析势能面至关重要.Morse长程势能模型已经被证明是目前最为通用、灵活、精确的一维模型势能,且其物理含义清晰,处处可微,并且在长程、短程极限都有正确的渐进行为.本章将介绍多维Morse长程势能模型.该模型是基于Morse长程势能模型的一种扩展,能有效、准确地表达van der Waals复合物的分子间相互作用势能面.在本章中,我们介绍了多维Morse长程势能模型的发展及其在van der Waals复合物中的应用.本文亦对多维Morse长程势能模型的未来发展做了展望.第四章介绍了如何准确计算体系的偶极矩面.最近,人们越发关注起偶极矩面的理论构建.然而,构建偶极矩面的计算方法并不像构建势能面那样受到了广泛的验证.在本章中,以Ar···He为例,测试了如何使用从头算方法构建光谱精度的偶极矩面.我们尤其专注于该场景下基组的影响,即,偶极矩函数随基组大小的收敛情况、基组重叠误差、键函数的影响等.我们也测试了显相关方法,相比传统的方法,显相关方法能够在较小的基组上收敛.该项研究为构建偶极矩面提供了实例,使读者能够形象地理解不同计算技术的差异.第五章主要介绍了局域量子振动嵌入理论框架.复杂体系的探针振动光谱是探究体系动力学的常用方法.探针分子的振动必须要用量子力学描述,而体系整体的动力学对探针分子的光谱有着重要的影响,从而传递了很多动力学信息.我们发展了经典动力学和量子力学相结合的光谱学理论,在动力学模拟的每一步都将探针分子的量子力学描述嵌入轨迹,实时计算瞬时振动频率、跃迁偶极矩等瞬时物理量.采用自由度分离的方式,我们可以用较低的成本完成探针分子光谱的模拟.第六章介绍了计算二元稀薄气体输运性质的计算机软件PENG.分子的基本性质在实验和理论之间架起了桥梁.二元气体混合物的输运性质(扩散率、热扩散率、热导率及粘度)在实验上容易测量,在理论上也有明确的定义,但难以使用高精度方法计算.除高精度的分子间相互作用势以外,基于势能曲线进行可靠且能够进行高阶数值计算的程序也是不可或缺的.本章介绍PENG程序,这个程序可以进行分子碰撞的数值积分,并通过Chapman–Enskog方法解Boltzmann方程获得输运性质.程序能够在这两部分的运算中都达到任意阶,其中没有硬编码的限制,因此只要计算机内存和运算时间充足,即可在更高的精度上完成计算.PENG程序是在面向对象的编程范式下精心设计的,这使得程序本身逻辑清晰,容易修改.除了作为一个面向终端用户的程序外,PENG也可以被编译为一个动态链接库,有开发经验的用户可以扩展该程序,或将其嵌入用户自
基于最近发展的分子碎片共轭帽(molecular fractionation with conjugate caps,MFCC)方法,表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)与其抑制剂的相互作用能得以用完整的量子力学来计算,主要包括上市的Iressa[第一代美...
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基于最近发展的分子碎片共轭帽(molecular fractionation with conjugate caps,MFCC)方法,表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)与其抑制剂的相互作用能得以用完整的量子力学来计算,主要包括上市的Iressa[第一代美国食品及药物管理局(Food and Drug Administration,FDA)通过的药物]和4-苯胺基喹唑啉类抑制剂Tarceva(已上市)、CI-1033与EKI-785。对EGFR的完整体系(超过5 000个原子)与4-苯胺基喹唑啉类抑制剂之间的结合作用采用了量子力学计算方法。结合体系的量子能量计算,用Hartree-Fock与密度泛函理论(density functional theory,DFT)2种方法,EGFR与Tarceva之间的相互作用能基于它们两者复合物的晶体结构得到,而其他抑制剂与EGFR的相互作用能则通过分子对接软件预测的构型进行计算。利用MFCC方法,获得了量子相互作用能谱,清楚地给出了EGFR每个氨基酸片段与4-苯胺基喹唑啉类抑制剂之间的单个相互作用能。量子研究发现,4-苯胺基喹唑啉类抑制剂与EGFR的结合通过1个氢键和静电相互作用。Iressa、Tarceva、CI-1033、EKI-785与EGFR的结合能计算值分别为-40.23、-53.09、-33.92、-31.47kcal/mol(1cal=4.184J)。研究表明,Tarceva比第一代FDA通过的药物Iressa有更强的结合能力,而CI-1033、EKI-785则表现出一般的结合作用,另外,与MFCC计算的相互作用能谱相比,有一些相互作用在力场作用能谱中被明显高估。
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