中国科学技术大学：《高聚物的结构与性能》课程教学资源（实验讲义）用“分子摸拟”（MP）软件计算聚丙烯酸甲酯的构象能量.doc_大学文库

2 大多数柔性大分子可以在一系列不同的构象态之间变化。因此比较柔性分子的重要任务之一就是进行构象态的比较。尽管大部分的构象态是那些具有低能量的构象态。但是并不是说只有低能量的构象态才能参加分子间的相互作用。 “分子模拟”是用计算机以原子水平的分子模型来模拟分子的结构与行为，进而模拟分子体系的各种物理和化学性质。分子模拟法不但可以模拟分子的静态结构，也可以模拟分子的动态行为(如分子链的弯曲运动，分子间氢键的缔合作用与解缔行为，分子在表面的吸附行为以及分子的扩散等)。该法还能应用分子力学及分子动态学来进行分子动态的计算。把“分子模拟”用来计算构象能量是该软件的重要用途之一。原子组成分子。原子与原子之间的空间位置，由于键与键之间的伸缩、弯曲和扭转角的变化而不断变化。占主导地位的排列方式当然是低能量的。通过分子力学及分子动态学的计算，可将分子几何以及相应的能量计算出来，并由此得到逼近真实分子体系的知识。分子中原子之间的拓扑结构是由分子力场而不是重力场确定的。整个分子的势能被分子力场确定，或者说，分子力场在分子的势能函数中被表达。分子的势函数由原子间键合相互作用项与非键合相互作用项两部分组成。 V = Vbonded + Vnon-bonded 描述键合项的势函数叫“内坐标势函数”。即由分子的键长伸缩、键角弯曲、键扭转和面外弯曲组成的坐标系。由四项组成的键合项势函数为 Vbonded = Vb + V + V + V 这里Vb 是键伸缩、 V 键角弯曲、 V 键扭转、V 键角面外弯曲。非键合项的势函数也叫 “原子对儿势函数”：图 3 1,2-二氯乙烷的内旋转位能曲线表示氯原子 0 60 120 180 240 300 360 ф ( ) o U( ) ф

E2V/eXn X1 a2V/EXn oX2 E2V/2X02 在执行上述第五步时,要得到:X+1=X+Δ中的Δ。这是从分子势函数的梯度或一阶导数g算起的。一阶导数g也是原子的受力方向。把它按 Taylor展开有 g(X+△)=g+G△ 当逼近到能量优化的极小状态时,我们有代入得到牛顿法的基本方程-g=G△,从而得到所需的卡尔坐标的增量, △=G1g 本软件可计算200个原子,可计算孤立分子,也可计算多分子体系。由于范得华相互作用在原子相距9A以上贡献很小,在软件中增加cut-of(距离截断功能)。距离截断功能自动把超过限定距离(cut- off value)的能量计算停掉。限定距离可以从屏幕的对话框中加入。尽管本实验仅仅是计算聚丙烯酸甲酯的构象能量,但对上述分子力学计算的基本原理的了解还是很必要的。实验装备 1.CPU386以上计算机、5兆以上的硬盘; 2.VGA以上显示器 3.鼠标器; 4.DOS3.30以上、运行于386增强模式下的 Windows3.1 5MP( Molecular Properties)分子模拟软件(三张1.44兆软盘) 四.实验步骤打开MP的程序,整个屏幕就呈现出由主窗口、图形窗口、按钮窗口和菜单窗口组成的软件界面(图4)。屏幕的右上角是主窗口,由它可弹出对话框[ About]、从而可以选择显示或隐藏图形窗口和菜单窗口。也可通过关闭主窗口来退出了MP软件。最大的图形窗口是用来显示三维的分子图形的。通常原子是被忽略的,而用不同颜色表示白色为氢,绿色为碳,红色为氧。而化学键则用线段表示。如果必要,可以通过标签[ Label]菜单窗口中的 [ Element]、 Charge和 Atom Number]来标出每个原子的元素符号、电荷和编号(见下面的说明)。按钮窗口有三个按钮:将菜单窗口变为主菜单窗口可按“主菜单窗口按钮” 按“居中按钮”,计算机将根据所画的分子的大小和形状,自动选择合适的放大比例,把分子图形显示在图形窗口的中间。而按“全不选中按钮”将使所有的原子推出被选中状态

4 2V /Xn X1 2V /Xn X2 . . . 2V/Xn 2 在执行上述第五步时，要得到：Xi+1 = Xi +  中的  。这是从分子势函数的梯度或一阶导数 g 算起的。一阶导数g 也是原子的受力方向。把它按 Taylor 展开有 g（X +  ）= g (X) + G 当逼近到能量优化的极小状态时，我们有 g（X +  ）= 0 代入得到牛顿法的基本方程 – g = G  , 从而得到所需的卡尔坐标的增量，  =G-1 g 本软件可计算200个原子，可计算孤立分子，也可计算多分子体系。由于范得华相互作用在原子相距 9Å 以上贡献很小，在软件中增加cut-off（距离截断功能）。距离截断功能自动把超过限定距离（cut-off value）的能量计算停掉。限定距离可以从屏幕的对话框中加入。尽管本实验仅仅是计算聚丙烯酸甲酯的构象能量，但对上述分子力学计算的基本原理的了解还是很必要的。三. 实验装备 1. CPU 386 以上计算机、5 兆以上的硬盘; 2. VGA以上显示器 3. 鼠标器 ; 4. DOS 3.30以上、运行于386增强模式下的Windows 3.1 5 MP(Molecular Properties)分子模拟软件(三张1.44兆软盘) 四. 实验步骤打开MP的程序，整个屏幕就呈现出由主窗口、图形窗口、按钮窗口和菜单窗口组成的软件界面（图 4）。屏幕的右上角是主窗口，由它可弹出对话框[About]、从而可以选择显示或隐藏图形窗口和菜单窗口。也可通过关闭主窗口来退出了MP软件。最大的图形窗口是用来显示三维的分子图形的。通常原子是被忽略的，而用不同颜色表示白色为氢，绿色为碳，红色为氧。而化学键则用线段表示。如果必要，可以通过标签[Label] 菜单窗口中的 [Element]、[Charge]和[Atom Number]来标出每个原子的元素符号、电荷和编号（见下面的说明）。按钮窗口有三个按钮：将菜单窗口变为主菜单窗口可按“主菜单窗口按钮”；按“居中按钮”，计算机将根据所画的分子的大小和形状，自动选择合适的放大比例，把分子图形显示在图形窗口的中间。而按“全不选中按钮”将使所有的原子推出被选中状态

在[ Analyse]菜单窗口中对本实验有用的是 MEasure,用它可以来测量或改变键长平面角、二面角。只要按[ Measure]键,将会根据选中的原子数目弹出相应的对话框,测量键长、平面角或二面角。构象 Conformation]菜单窗口中,[ Torsion one为输入第一个要计算的二面角,具体方法是先选中二面角的四个原子(依次选定),然后再按这个按钮。[ Torsion two为输入第二个要计算的二面角(如果要计算两个二面角),这里要注意的是在输入第二个要计算的二面角时,选择的原子一定要依次而选,使所选择的原子能够构成二面角。而按[ orson RUN钮,则根据输入的二面角个数自动选择计算一个或两个扭转角。 3.构建聚丙烯酸甲酯分子片段为构建聚丙烯酸甲酯分子片段,从主菜单窗口中选择[ Build],出现构造[Buld菜单窗口,再选择[Ad]出现有各分子基团的窗口,从中选取乙基片段,用鼠标器标亮其中的个氢原子(当我们想利用某一分子作为母体往外连接基团时,连接点必须在氢原子上完成),从[Ad菜单窗口中选取羧酸片段,屏幕上立即呈现出已接上羧酸的丙烯酸。用鼠标器再标记丙烯酸上的氢原子,从从[Add]莱单窗口中选取甲基片段,屏幕上就出现丙烯酸甲酯的一个单体片段。重复以上操作,完成三个单体的丙烯酸甲酯片段即可。如果构建的丙烯酸甲酯片段太长,会因所包含的原子数太多而使计算机工作量过大,影响计算速度。 4.构象能量计算构建完聚丙烯酸甲酯分子片段结构模型之后、从主菜单窗口中选择[ Conformation]、弹出相应窗口。用鼠标器标亮你准备旋转的角(二面角)所涉及的四个原子、按[ Torsion one]后,再按[ Torsion run,即出现如图6所示的对话框。对话框中出现的是关于所建分子进行构象能计算时所需选择的参数。 Description是关于文件的提示性的描述,在其中填写“demo”是指这是一个演示实验。评价力函数 ( RMs force),选用0.01。分子间相互作用的选择:偶极相互作用( Dipole还是静电相互作用 ( Charge)。这里构建的是聚丙烯酸甲酯分子片段,不计静电相互作用,而选择偶极相互作用。距离截断功能的限定距离( Cut off value)、这里选用9.0。在 Torsion1中所显示的数字表示所选定旋转角原子的原子序号(这个序号是你在构建聚丙烯酸甲酯分子片段时,计

7 在[Analyse] 菜单窗口中对本实验有用的是[Measure]，用它可以来测量或改变键长、平面角、二面角。只要按[Measure]键，将会根据选中的原子数目弹出相应的对话框，测量键长、平面角或二面角。构象[Conformation] 菜单窗口中，[Torsion one]为输入第一个要计算的二面角，具体方法是先选中二面角的四个原子（依次选定），然后再按这个按钮。[Torsion two]为输入第二个要计算的二面角（如果要计算两个二面角），这里要注意的是在输入第二个要计算的二面角时，选择的原子一定要依次而选，使所选择的原子能够构成二面角。而按[Torsion RUN]钮，则根据输入的二面角个数自动选择计算一个或两个扭转角。 3．构建聚丙烯酸甲酯分子片段为构建聚丙烯酸甲酯分子片段，从主菜单窗口中选择[Build]，出现构造[Build]菜单窗口，再选择[Add]出现有各分子基团的窗口，从中选取乙基片段，用鼠标器标亮其中的一个氢原子（当我们想利用某一分子作为母体往外连接基团时，连接点必须在氢原子上完成），从[Add]菜单窗口中选取羧酸片段，屏幕上立即呈现出已接上羧酸的丙烯酸。用鼠标器再标记丙烯酸上的氢原子，从从[Add]菜单窗口中选取甲基片段，屏幕上就出现丙烯酸甲酯的一个单体片段。重复以上操作，完成三个单体的丙烯酸甲酯片段即可。如果构建的丙烯酸甲酯片段太长，会因所包含的原子数太多而使计算机工作量过大，影响计算速度。 4.构象能量计算构建完聚丙烯酸甲酯分子片段结构模型之后、从主菜单窗口中选择[Conformation]、弹出相应窗口。用鼠标器标亮你准备旋转的角（二面角）所涉及的四个原子、按[Torsion one] 后，再按[Torsion RUN]，即出现如图 6 所示的对话框。对话框中出现的是关于所建分子进行构象能计算时所需选择的参数。Description是关于文件的提示性的描述，在其中填写“demo”是指这是一个演示实验。评价力函数 (RMS force)，选用0.01。分子间相互作用的选择: 偶极相互作用(Dipole)还是静电相互作用 (Charge)。这里构建的是聚丙烯酸甲酯分子片段，不计静电相互作用，而选择偶极相互作用。距离截断功能的限定距离(Cut off value)、这里选用9.0。在Torsion 1 中所显示的数字表示所选定旋转角原子的原子序号（这个序号是你在构建聚丙烯酸甲酯分子片段时，计

× 图6[ Torsion one]的对话框图7[ Torsion two]的对话框算机自动编上的,)。从对话框中还可以设定进行构象能计算时旋转角的起始角度及角度间隔。这里from-180to+180是旋转的起始角度和终止角度,角度间隔( intervel)可以依实际计算的要求和计算机的运行速度来选择,这里可以选择5度或10度的间隔。对话框最下端的[ read initial structure and ntial search], [read initial structure and free search], [ use last structure and free search]分别表示读入初始结构并按顺序查找、读入初始结构并自由查找,读入最终结构并自由查找,在进行构象计算时选择其中一项即可。本实验选择[read nitial structure and sequential search]。一旦完成了对话框中所有空项的填写,按[OK]钮,计算机就进入构象能的计算,依所选择的角度间隔和计算机的速度,整个计算不到十分钟即可完成。程序完成构象能计算后,程序把计算结果以文本文件形式自动存在一个叫做 Conforme. out的文件中。如是,要想保存计算结果必须及时更换文件名存起来。现在再来计算两个旋转角。先依上面的方法选定四个原子,选按[ Torsion one]之后,再用鼠标器选中第二个扭转角的四个原子,再按[ Torsion two]和[ Torsion run],在屏幕上即出现如图7的对话框。对话框中各参数意义和应该填写的内容同上、输入相应的参数后、选择按[0K]钮,计算机即开始运行。由于是同时旋转两个二面角,计算的量很大若依10度间隔角度计,在-180°、-170..170°、180°每一个10度间隔里都要进行另一个每 10度的计算。同样,当程序完成计算构象能之后、若想查看计算的结果、仍然是调用计算机已自动存档的 Conforme.out文本文件。文件中有三列数据、分别对应扭转角1(φ1)、扭转角2(中2)和构象能(E 有了构象能和扭转角的数据,要求作扭转角中1或2对构象能E作图

8 图 6 [Torsion one ] 的对话框图 7 [Torsion two] 的对话框算机自动编上的，）。从对话框中还可以设定进行构象能计算时旋转角的起始角度及角度间隔。这里from –180 to +180 是旋转的起始角度和终止角度，角度间隔（intervel）可以依实际计算的要求和计算机的运行速度来选择，这里可以选择5度或10度的间隔。对话框最下端的[read initial structure and sequential search]、[read initial structure and free search]，[use last structure and free search] 分别表示读入初始结构并按顺序查找、读入初始结构并自由查找，读入最终结构并自由查找，在进行构象计算时选择其中一项即可。本实验选择[read initial structure and sequential search]。一旦完成了对话框中所有空项的填写，按[OK]钮，计算机就进入构象能的计算，依所选择的角度间隔和计算机的速度，整个计算不到十分钟即可完成。程序完成构象能计算后，程序把计算结果以文本文件形式自动存在一个叫做 Conforme.out 的文件中。如是，要想保存计算结果必须及时更换文件名存起来。现在再来计算两个旋转角。先依上面的方法选定四个原子，选按[Torsion one]之后，再用鼠标器选中第二个扭转角的四个原子，再按[Torsion two]和 [Torsion RUN]，在屏幕上即出现如图7的对话框。对话框中各参数意义和应该填写的内容同上、输入相应的参数后、选择按[OK]钮，计算机即开始运行。由于是同时旋转两个二面角，计算的量很大。若依10度间隔角度计，在-1800、-1700 ....170 0、1800 每一个10度间隔里都要进行另一个每 10度的计算。同样，当程序完成计算构象能之后、若想查看计算的结果、仍然是调用计算机已自动存档的Conforme.out 文本文件。文件中有三列数据、分别对应扭转角1(Φ１）、扭转角2(Φ2 )和构象能(E)。有了构象能和扭转角的数据，要求作扭转角Φ１或Φ2 对构象能 E 作图