分子模拟实验 溶剂化效应和红外光谱的模拟

tip3p溶剂化方法
TIP3P 溶剂化方法是一种常用的分子模拟方法，用于研究溶液中的分子行为和相互作用。

该方法基于分子动力学模拟，通过模拟溶剂分子与溶质分子之间的相互作用，来研究溶液的性质和行为。

TIP3P 溶剂化方法的基本思想是将溶剂分子视为一个连续的介质，并将溶质分子置于该介质中。

溶剂分子的行为由一个经验势函数描述，该势函数考虑了溶剂分子之间的相互作用以及溶剂分子与溶质分子之间的相互作用。

在TIP3P 溶剂化方法中，溶剂分子被视为由三个点（TIP3P）组成的球体，这些点代表了溶剂分子的原子核。

溶剂分子之间的相互作用通过一个简单的Lennard-Jones 势函数描述，而溶剂分子与溶质分子之间的相互作用则通过一个更复杂的势函数描述。

在分子模拟中，溶质分子被放置在溶剂分子的包围中，并在一定的温度和压力下进行模拟。

通过模拟溶质分子在溶剂中的运动和相互作用，可以研究溶液的性质和行为，例如溶解度、扩散系数、热力学性质等。

TIP3P 溶剂化方法是一种经验方法，其结果可能受到许多因素的影
响，例如溶剂分子的选择、势函数的参数化等。

因此，在使用TIP3P 溶剂化方法进行分子模拟时，需要仔细选择合适的溶剂分子和势函数参数，并进行充分的验证和比较。

溶剂化过程可被定义为在常温下,溶质分子从 真空的一个固定位置移至溶剂中的一个固定位置 的过程。更精微地说,溶剂效应是溶质和溶剂分子 相互吸引的结果,即溶剂分子通过它们和溶质的相 互作用,累积在溶质周围的过程。这个相互作用的 性质和溶质与溶剂的本质有关。描述溶剂效应的 一个关键参数就是溶剂化自由能ΔGsol(solvation free energy),它是将溶质分子从真空移至溶剂中自 由能的变化值。 一般来说,溶剂效应的计算由三部分组成：静 电势、范德华力和孔洞能。
静电势就是讨论溶质分子与溶剂分子静电极化效 应； 范德华力包括溶质分子与溶剂分子间的吸引力 (dispersion)和排斥力(repulsion); 孔洞能是溶质分子要在溶剂分子中形成孔洞所需 要的自由能。 在对溶液体系的研究中,还有一个重要的参数就是 径向分布函数RDF(r),它用来监视溶液中溶质周围 环境结构性质的变化,它的物理意义是对于任意的 分布,在与α原子的距离为r处找到一个β原子的几 率。
其中自洽反应场方法是目前使用较多的考虑溶剂效应的 方法,即将静态理论方法和连续介质溶剂模型结合起来研究 溶液体系。Poisson-Boltzmann方法就是利用求解PB方程来 计算溶质与溶剂分子间的静电极化作用。AMSOL方法采用 Bom模型,进行分子轨道方法计算,来研究溶液体系。超分子 方法认为溶剂分子可能通过氢键或电荷转移作用与溶质分 子紧密结合在一起,然后将这些额外原子包含在一个更大的 但仍是孤立的体系中进行处理。QM/MM方法是把研究体系 设为几个区域,在中心区域进行高精度的量子化学计算(QM), 在周边区域进行半经验或分子力学计算(MM),该方法也是处 理溶液体系的一个较好的方法，分子动力学或Monte Carlo 模拟溶液体系,最适用于研究溶质分子周围溶剂分子的结构 性质,而对溶剂化自由能的计算则没有自洽反应场方法计算 得到的结果精确。

分子动力学模拟（二）引言概述:分子动力学模拟是一种通过模拟分子之间相互作用力和相对位置的方法，来研究系统在不同条件下的动力学行为的技术。

本文将继续探讨分子动力学模拟的应用领域并深入介绍其在材料科学、生物医学和化学等领域的具体应用。

一、材料科学中的分子动力学模拟1. 分子结构与性质的研究1.1 分子间相互作用力的模拟与计算1.2 晶体缺陷与物理性质的关联1.3 材料相变的模拟及驱动机制的研究1.4 纳米材料的热力学性质模拟1.5 材料表面与界面的模拟研究2. 材料设计与优化2.1 基于分子动力学模拟的材料设计方法2.2 优化材料的结构与性能2.3 基于计算的高通量材料筛选2.4 分子动力学模拟在材料工程中的应用案例2.5 材料仿真与实验的结合二、生物医学中的分子动力学模拟1. 蛋白质结构与功能的研究1.1 蛋白质折叠和构象转变的模拟1.2 水溶液中蛋白质的动力学行为1.3 药物与蛋白质的相互作用模拟1.4 多肽和蛋白质的动态模拟1.5 分子动力学模拟在药物设计中的应用2. 病毒与细胞相互作用的模拟2.1 病毒与宿主细胞的相互识别与结合2.2 病毒感染过程的动态模拟2.3 细胞信号传导的分子动力学模拟2.4 细胞内各组分的动态行为模拟2.5 分子动力学模拟在生物药物研发中的应用三、化学中的分子动力学模拟1. 化学反应的机理研究1.1 反应路径与转变态的模拟1.2 温度和压力对反应速率的影响1.3 催化反应的模拟与优化1.4 化学反应中的动态效应模拟1.5 化学反应机理的解析与预测2. 溶液中的分子行为模拟2.1 溶剂效应的模拟与计算2.2 溶液中的分子运动与扩散2.3 溶液界面的分子动力学模拟2.4 溶液中的化学平衡与反应行为2.5 分子动力学模拟在化学合成与设计中的应用总结：分子动力学模拟在材料科学、生物医学和化学等领域具有广泛的应用前景。

通过模拟分子间交互作用力和相对位置的变化，可以深入研究分子系统的动力学行为，为材料设计、药物研发和化学反应机理的解析提供重要参考。

文献综述题目：溶剂化效应的理论研究计算模型作者:xxx班级:xxx学号:xxx日期:2014年5月21号溶剂化效应的理论研究计算模型摘要本文概述了研究溶剂效应计算模型,到目前的溶剂效应的研究进展和研究现状。

介绍了溶剂化效应和描述溶剂效应的一些参数，以及几种重要的溶剂化模型，并分别介绍了基于不同的模型而发展的不同的理论计算方法。

关键词溶剂化效应计算模型综述一、溶剂化现象在溶液中，溶质被溶剂分子包围的现象称为溶剂化，溶剂化作用是溶剂分子通过它们与离子的相互作用，而累积在离子周围的过程。

该过程形成离子与溶剂分子的络合物，并放出大量的热。

溶剂化作用改变了溶剂和离子的结构。

以水溶液为例，其中一个离子周围水的结构模型如图1所示。

图1图中A为化学水化层，该层中由于离子和水偶极子的强大电场作用，使得水分子与离子结合牢固，因而失去平动自由度，这一层水分子和离子一块移动，且水分子数不受温度影响;B为物理水化层，该层水分子也受到离子的吸引，但由于距离较远，吸引较弱，水分子数随温度改变;C为白由水分子层，该层水分子不受离子电场影响。

溶剂不能被单纯宏观地看成一种以密度、介电常数和折射率等物理常数表示特性的连续介质，而应把它看成是单个相互作用的溶剂分子所组成的不连续的介质。

在溶剂及溶液中各质点之间的相互作用，一方面用气体动力学理论的定律处理则太大，而另一方面，如用固体物理的定律来处理则又太小。

溶剂既不是一种使被溶解物在其中扩散以达到紊乱而又均匀分布的惰性介质;也不是象晶体那样具有某种规则结构的介质。

因此气体和晶体两种可能的模型都不能不加限制地应用于溶液。

由于相互作用的复杂性，有关液体的结构，人们所知甚少，甚至最重要的溶剂一水，其内部精细结构的研究也仍然是目前探索的课题frl。

人们提出过许多不同的模型用来描述水的结构，但是所有这些模型均未能圆满地描述水的物理一化学性质和解释水的异常特性。

因此，用实验和理论方法研究液体的结构和相互作用，是物理化学中最为艰巨的任务。

利用分子模拟技术研究化学反应机理随着科学技术的不断发展，分子模拟技术已经成为研究化学反应机理的重要手段之一。

它可以通过对分子进行模拟计算，推导出反应过程中的能量变化、反应物、产物的构型、转化速率等关键信息。

这种高效、合理、精确的方法，不仅能够帮助我们深入理解化学反应机理，还能为新材料、新药物的研发提供重要参考。

下面，本文将从分子模拟技术的原理和应用两个方面分析其在化学反应机理研究中的作用。

一、分子模拟技术原理分子模拟技术的核心原理是“计算机辅助设计”，其流程大致包括分子模型建立、模型优化和模拟计算三个步骤。

分子模型建立是指将反应物、催化剂、溶剂等分子结构输入电脑，并按要求确定它们的几何结构和电子状态。

采用量子化学计算方法可以得到准确的空间构型和分子间距离，这对于后续的计算和分析非常有帮助。

模型优化是指通过计算，不断调整分子内部的化学键长、键角、扭曲角等参数，使其符合化学规律，并使能量最小化。

这一步骤的目的是为了使得计算得到的状态参数尽量真实和可靠。

优化采用的方法有分子力学方法和基于密度泛函理论的方法，两者都可以很好的解决分子的构型优化问题。

模拟计算是指用某种计算方法，计算分子之间反应的力学和热学能量、产物生成的概率、反应速率等参数。

根据实验条件、环境因素和反应物分子的特性，可选用量子力学计算、分子力学模拟、动力学模拟等不同的模拟方法。

常见的分子模拟软件有Gaussian、GAMESS、VASP等。

这些软件内部集成了各种基本的计算函数和反应机理模型，可以方便地进行分子结构分析、能量计算和反应动力学计算。

二、分子模拟技术应用分子模拟技术在化学反应机理研究中，有着非常广泛的应用场景。

下面介绍几个典型例子。

（一）金属催化剂反应机理研究作为重要的化学催化剂，金属催化剂已广泛应用于有机合成、催化裂化、燃烧和清洁能源等众多领域。

分子模拟技术可以模拟金属催化剂表面的反应中心、活性位点、吸附能量、键长等关键参数，预测反应活性、产物生成率和副产物生成率。

高分子物理模拟练习题含答案一、单选题（共70题，每题1分，共70分）1、“由于单键的内旋转而产生的分子中原子的空间位置上的变化。

”是下列选项中哪一个名词的解释。

（）A、蠕变B、高聚物的取向C、构型D、构象正确答案：D2、测定聚苯乙烯的重均相对分子质量可用下列哪种方法。

( )A、膜渗透法B、端基分析法C、黏度法D、光散射法正确答案：D3、“将含有n个键长为l、键角θ固定、旋转不自由的键组成的链视为一个含有Z个长度为b的链段组成的可以自由旋转的链。

”是下列选项中哪一个名词的解释。

（）A、解聚反应B、时温等效原理C、等效自由结合链D、等效自由连接链正确答案：D4、以下哪个专业术语是“external force”的中文解释。

（）A、强度B、外力C、应力D、应变正确答案：B5、A聚乙烯、B聚丙烯、C聚丁烯-1、D聚甲醛的Tm顺序为（）。

A、D>A>B>CB、D>B>A>CC、C>B>A>D正确答案：B6、关于银纹，以下哪条不正确。

（）A、加速环境应力开裂B、透明性增加C、抗冲击强度增加正确答案：B7、4次方幂律适用于( )。

A、缩聚物B、高相对分子质量加聚物C、低相对分子质量加聚物正确答案：B8、下列通用塑料中，使用温度上限为Tm的是 ( )。

A、聚苯乙烯B、聚甲醛C、聚异戊二烯D、有机玻璃正确答案：B9、以下哪个专业术语是“polyaddition reaction”的中文解释。

（）A、解聚反应B、加聚反应C、键接异构D、双轴取向正确答案：B10、球晶的制备应从（）。

A、高温高压下B、稀溶液C、熔体正确答案：C11、根据时温等效原理，将曲线从高温移至低温，则曲线应在时间轴上( )。

A、上B、下C、右D、左正确答案：C12、WLF方程是根据自由体积理论推导出来的，它( )。

A、适用于晶态聚合物松弛过程B、用于非晶态聚合物松弛过程C、适用于所有聚合物松弛过程正确答案：B13、下列方法可以提高聚合物的拉伸强度的是( )。

ＤＯＩ：１ ０． ３ ９ ６ ９／ｉ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ ０． １ ０ ９３． ２ ０１ ５． ０ ２． ０１ ２
Ａ Ｍｏ ｌ ｅ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ Ｄｙ ｎａ ｍｉ ｃ ｓ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｎ ｔ Ｅｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｃｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ Ｍｏ ｒ ｐ ｈｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ ＦＯ Ｘ－ ７
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有一致 性 。
关键 词 ：兵器 科学 与技术 ； １ ， １ 一 二氨基一 ２ ， ２ 一 二硝基 乙烯 ；晶体形貌 ；附着 能；分子动力 学模 拟
中图分 类号 ： Ｔ Ｊ ５ ５ ；０ ７ ９ ３ 文 献标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ０ ． １ ０ ９ ３ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ２ ． ０ ２ ７ ２ ０ ７
（ 湖 北 航 天 化 学 技 术 研究 所 ，湖 北 襄 阳 ４ ４ １ ０ ０ ｉ ａ ｌ ｓ Ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｏ软件 中 Ｇ ｒ ｏ ｗ ｔ ｈ Ｍｏ ｒ ｐ ｈ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ方法模 拟计 算 了 １ ，１ ． 二 氨基－ ２ ， ２ － 二硝
第３ ６卷 第 ２期
２ ０ １ ５年 ２月
兵
工
学
报
Ｖ０ １ ． ３ ６ ＮＯ． ２
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低共熔溶剂的分子模拟研究进展徐环斐; 彭建军; 宋晓明; 孔毅; 车欣鹏; 李滨; 田文德【期刊名称】《《山东轻工业学院学报（自然科学版）》》【年(卷),期】2019(033)005【总页数】9页(P1-9)【关键词】低共熔溶剂; 分子模拟; 综述【作者】徐环斐; 彭建军; 宋晓明; 孔毅; 车欣鹏; 李滨; 田文德【作者单位】青岛科技大学化工学院青岛 266042; 中国科学院青岛生物能源与过程研究所青岛 266101; 青岛科技大学海洋科学与生物工程学院青岛 266042【正文语种】中文【中图分类】O631.2低共熔溶剂(DES)是一类新兴绿色的类离子液体体系。

DES的典型代表是2003年报道的氯化胆碱和尿素体系,至此,DES研究成为了全世界各领域的研究热点。

通常情况下,DES由两部分组成,分别是氢键供体(HBD)和氢键受体(HBA)。

DES中氢键的存在导致了其具有低于组成成分自身的熔点,形成在室温下是液态的共熔物质体系,如图1所示。

常见的HBA涵盖季铵盐类、金属卤化物类等；HBD涵盖多元醇、多元羧酸、酰胺类等,如图2所示。

分子模拟是常用的理论计算方法,采用分子模拟对DES进行研究可以给出大量的模型数据,优化分子结构和电子云密度；可给出DES的结构-效果之间的关系、作用机理、微观结构、能量分布、原子之间键能等。

分子模拟可以给出体系内相互作用对DES体系物化性质等影响。

DES已经应用于多个领域,采用分子模拟和量子化学等手段研究其应用具有重要意义。

目前,将DES 的分子模拟和应用相结合是DES研究热点之一,对设计合成定向DES奠定了坚实的理论基础。

(a)(b)图1 DES形成示意图注：(a)为DES模型,氯化胆碱:甘油摩尔比为1∶2,给出了原子间相互作用机理[1]；(b)为双组分相图上的DES低熔点形成示意图[2]。

图2 常用的DES的组成成分[3]1 分子模拟在DES应用方面的研究应用1.1 DES吸收气体Altamash等[4]采用密度泛函理论(DFT)确定甲烷(CH4)在天然低共熔溶剂(NADESs)中溶解度的分子动力学进行了模拟研究。

溶剂化作用溶剂效应（solvent effect）亦称“溶剂化作用”。

指液相反应中，溶剂的物理和化学性质影响反应平衡和反应速度的效应。

溶剂化本质主要是静电作用。

对中性溶质分子而言，共价键的异裂将引起电荷的分离，故增加溶剂的极性，对溶质影响较大，能降低过渡态的能量，结果使反应的活化能减低，反应速度大幅度加快。

了解溶剂效应，有助于研究有机物的溶解状况和反应历程。

基本简介对于等极性过滤态和自由基过滤态反应，溶剂效应较小；对于偶极过渡态反应，溶剂效应较大，例如非质子偶极溶剂的特点是正端藏于分子内部，负端露于分子外部，负端可以与正离子起作用，而正端却不能与负离子起作用，因此，在非质子溶剂中，用负离子作为试剂时，由于它不被溶剂分子包围，可以很容易地进行反应，成为加快反应速度的重要手段。

溶剂效应对反应的影响的关注历史悠久。

不同的溶剂可以影响反应速率，甚至改变反应进程和机理，得到不同的产物。

溶剂对反应速率的影响十分复杂，包括反应介质中的离解作用、传能和传质、介电效应等物理作用和化学作用，溶剂参与催化、或者直接参与反应（有人不赞成将溶剂参与反应称作溶剂效应）。

溶剂效应溶剂效应的模拟通常我们对溶剂效应的静态模拟，关心的是溶剂效应的两个方面：一是溶剂分子反应中心有键的作用，包括配位键和氢键等，这种作用属于短程作用，另一个是极性溶剂的偶极距和溶质分子偶极距之间的静电相互作用，这个属于远程作用，当然溶剂和溶质之间的色散力作用也是重要的远程作用，特别是对于非极性溶剂而言，但是色散力的描述是量子化学模拟的一个难题。

高斯计算时，考虑溶剂效应，可以采用三种策略：对于短程作用十分重要的体系，我们采用microsolvation model，或者称为explicit Solvation model。

直接考虑溶剂分子和反应中心的作用。

对于没有短程作用的体系，我们直接用虚拟溶剂模型（Implicit Solvation Model）来模拟远程作用。

高温淬火 ，发现两种情况 中在一个低 的温度形成 了
重叠 取 向有 序结 构 ，同时研究 发现 溶液 中形成 的重
混合 自由能 ）动力学性质（ 、 高分子溶液的粘度 、 高分 叠取 向有序结构的主干要 比在真空 中长。这是由于 子在溶液中的扩散和沉降）以及聚合物的分子量和 聚合物分子链的余辉长度在溶液中比在真空中长的 分子量分布 、 高分子在溶液中的形态和尺寸 、 高分子
收稿 日期 ：０ ７ ０ — ７ ２ ０ —４ ０ 。 ・
缘故 。Ｂ ｓｌ ｂ —ｈｒｈ 等通过分子动力学模拟研 ａｅＡ ｕｓ ａ 【 ｋ
作者简介 ： 飞（９ １ ）江苏南通人 ， 陈鹏 １８ 一 ， 硕士研究生 ， 主要从事高分子溶液的溶解机理研 究。
维普资讯
聚合物以分子状态分散在溶剂 中所形成的均相
体系称为高分子溶液。其 中油漆 、 涂料 、 胶粘剂及凝 胶为浓溶液的范畴， 对这方面的研究工作， 具有很大 的实际意义 （ 如浓溶液的流变性能与成型工艺的关
分子模拟技术已经成为研究者研究高分子稀溶 系等） 。但是 由于体系性质的复杂性 ， 至今还没有很 液的主要手段之一。 聚合物的溶解过程很复杂 ， 对于 成熟的理论 ， 仅有一些定性的规律 ， 浓度在 １ ％以下 无定性聚合物来说 ， 一般要经过溶剂化 、 溶胀 ， 最后 的溶液为稀溶液。由于传统 的实验方法难以实现在 才是溶解 ； 而交联聚合物不会发生溶解 ， 只能溶胀 ； 微观条件下研究高分子溶液 ，尤其是溶解过程 中聚
分子模拟技术对高分子溶液进行的一些新的研究方向。 关键词 ： 分子模拟 ； 高分子溶液 ； 分子动力学 中图分 类号 ：Ｑ １． 文献标识码 ： 文章编号 ：０４ ２４（０７０—０２ ０ Ｔ ３４ ２ Ａ １０— ８９２０ ）７０５—５

Discovery Studio Molecular Dynamics教程Molecular Dynamics –分子动力学方法介绍分子动力学(Molecular Dynamics, MD)是分子模拟中最常用的方法之一。

该方法基于分子力场，能够动态的描述分子的运动状况，继而描述生命的动态过程。

分子动力学在生命科学领域中的应用非常广泛，如蛋白质折叠的机理研究、酶催化反应的机理研究、与功能相关蛋白质的运动研究、生物大分子大范围构象变化的研究等等。

近几十年来，分子动力学方法已经成功的运用于大分子体系低能量构象的模建、X射线晶体衍射以及NMR实验结果的处理。

[1,2]现在分子动力学方法已经成了理论生物学研究中必不可少的方法之一。

[3,4]分子动力学模拟主要包括如下几个步骤：1.模拟体系升温过程（Heating Stage）2.模拟体系平衡过程（Equilibrium Stage）3.模拟体系采样过程（Production Stage）4.分析体系的目标性质（Analysis）然而，由于一般的待模拟体系的初始结构或多或少的存在缺陷（比如，初始结构不完整或存在不合理的结构区域），所以我们往往需要对初始结构进行预处理才能进行分子动力学模拟。

一个完整的分子动力学模拟过程应包括如下几个步骤：1.初始结构检查及预处理2.给模拟体系赋力场参数3.考虑溶剂效应4.初始结构能量最小化5.动力学模拟（包括升温、平衡、采样）6.结果分析目前，常用的分子动力学模拟软件都基于Unix（Linux）操作系统。

实施每一个模拟的步骤都需要特定的命令来调用相关的程序对模拟体系进行处理。

同时，模拟者还需要熟知每个参数的意义并定义相关的参数值。

最终分析过程也需要配合其他软件才能完成。

这对初级分子动力学模拟者而言是非常困难的（模拟者不仅需要掌握分子动力学软件的使用命令，还需要掌握操作系统相关的命令）。

为了解决这样的问题，Discovery Studio为用户提供了基于窗口的分子动力学模拟工具。

s in 2 s in n
2

0 2

cos(n )

ESFF力场
静电作用能
E
i
(Ei0

i qi

1 2
i
qi2
)

i j
B
qiq j Rij
拟合计算的物理量以决定力场参数 ◎不同的力场, 针对特殊的体系与物理特性
第一代力场
MM 形态力场: Allinger, MM2, MM3, 有機分子, 聚合物 AMBER 力场: Peter Kollman
(Assisted Model Building with Energy Minimization) 蛋白质, 核酸, 多醣等生化分子。 CHARMM 力场: Martin Karplus ( Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics) 蛋白质, 核酸, 多醣等生化分子 CVFF 力场: Dauber Osguthope (Consistent Valence Force Field) 以生化分子为主,适用于胺基酸, 水, 及各种官能基。各种
力场参数全来自计算结果与实验值的比对
第二代力场
CFF91力场:
碳氢化合物, 蛋白质, 蛋白质-配位基。含 H, Na, Ca, C, Si, N, P, O, S, F, Cl, Br, I, Ar 等原子参数。
PCFF 力场: 由 CFF91 力场衍生而出,
聚合物及有机物, 多糖类 (polysaccharides), 碳水 化合物, 脂肪类, 核酸, 有机物, 20 种无机物。除 CFF91 力场参数外, PCFF 含有 He, Ne, Kr, Xe 等钝气原子及 Li, K, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Al, Sn, Pb 等金属原子的力场参数。

Born模型
玻恩（波兰）
Onsager模型
这种模型在概念上是很简单的,但是并不非常可靠。它 也有一些缺点:
1. 这种模型为了在分子模拟中真正地有用,必需精确和有效的 计算SASA和它相对于原子坐标的梯度。 2. 表面矢量参数σ是用实验测定的自由能来拟和的，这些σ值 总结后放在一些分子数据集中。显然地,这个模型的准确性 很大程度上依赖于所用的数据集的准确性,因此这个模型有 一定的局限性。 3. 因为这个模型完全以紧密接触的表面为基础的,仅仅在溶质 表面上的原子才会受溶剂效应的影响，所以不能够计算长 程效应,例如在极性溶剂中支配溶剂化过程的电介质屏蔽效 应。 人们已试图通过轻微地修改方程(2-6)的形式或者通过在计算中 合并溶质占据的体积来修正上面的不足。Eisenberg也发展了 该模型,参数σ考虑了五类原子:碳、中性氧和氮、带电氧、带电 氮和硫，可用于研究蛋白质和配位键。但是处理静电作用的问 题仍遗留下来。

孔洞能是溶质分子要在溶剂分子中形成孔洞 所需要的能量。本质上,这一项属于熵效应。它说 明了由于在非极性溶质分子周围水分子的重新分 布而使得熵减少了。尤其对于水,熵减少是因为一 个非氢键溶质的出现而使有利于形成氢键的方法 减少了，孔洞能还包括溶剂分子与溶剂分子间吸 引-排斥相互作用的改变,而这个变化是由于孔洞 内溶剂分子的遗漏以及局部的溶剂结构的改变。 因为熵减少,孔洞能对于溶剂化是不利的。 分子的运动对溶剂化自由能也有贡献,它包括 零点能(ZEP),热振动、转动、平动。这些贡献一 般不被明确地考虑,如果计算程序(例如,G98)提供 振动频率、标准统计力学计算,那么这些项的计算 就被增加到其他自由能的项中一起计算。

正确地对待溶剂化自由能对于理解溶液化学 是至关重要的。对于化学反应,反应物和生成物的 自由能可以确定化学平衡,过渡态和生成物的自由 能的差额能够控制反应速率因子，溶液结构,例如 径向分布函数RDF(r),也能够从溶剂化自由能中得 到。但溶剂化自由能是很复杂的,为了使得计算易 处理,需做许多假设和近似,一个关键的假设就是我 们能够把溶剂化自由能分成不同的部分,短程范德 华作用能,熵效应和长程静电作用能。

分⼦模拟实验综合实验分⼦模拟实验作业——综合实验⼀、实验部分1.反应物和产物分⼦的电⼦结构（1）画出反应物和产物分⼦的⽴体结构图，分别⽤“wireframe（线条型）”，“ball & stick（球棍型）”，“cylindrical bonds（键线型）”，“space filing（实⼼球型）”（3）计算分⼦轨道，并图⽰各个分⼦的HOMO和LUMO轨道的形状和能量。

将所有的分⼦轨道按能级排列次序，并以此分析两反应物的轨道匹配情况。

C4H6LUMO HOMOC2H4LUMO HOMOC6H10LUMO HOMO反应是由1,3-丁⼆烯的HOMO与⼄烯的LUMO反应，故图为分⼦轨道很匹配，有利于加成反应。

DA反应的反应物分为两部分，双烯体提供共轭双烯，亲双烯体提供不饱和键。

DA反应是由双烯体的HOMO与亲双烯体的LUMO发⽣作⽤，反应过程中，电⼦从双烯体的HOMO流⼊亲双烯体的LUMO。

C2H4的LUMO轨道与C4H6的HOMO轨道电⼦云相匹配，正好符合双烯合成的条件，利于反应的进⾏。

(4)绘制反应物和产物分⼦的总电⼦密度图和静电势图,分析两个反应物分⼦的电性匹配情况。

总电⼦密度图静电势图总电⼦密度图静电势图由轨道匹配来说，要使得反应能够顺利进⾏，必须是同为正或负。

C2H4的静电势图与C4H6的静电势，很匹配，所以有利于加成反应。

2.构象搜索与分⼦间长程相互作⽤（1）计算丁⼆烯分⼦绕CCCC⼆⾯⾓转动的构象，确定稳定构型，并计算内转动的能垒⾼度。

（可能不⽌⼀个）此时的构型有两种，顺式构型和反式构型。

稳定构型为反式构型，内转动能垒⾼度：40.58kcal/mol（反式构型）和38.67kcal/mol（顺式构型）。

图1 扫描势能⾯时的构型能量单位：kcal/mol①势能⾯图：图2丁⼆烯分⼦绕CCCC ⼆⾯⾓转动的构象②相互作⽤势能线及拟合图选取每个距离下的最低能量，减去MM2优化得到的C2H4和C4H6的能量 C2H4：Total: 0.4267 C4H6：Total: -0.1615 数据表格如下：CCCC ⼆⾯⾓/（°）质⼼距离/?质⼼距离/?相互作⽤能量（kc al/图3 C 4H 6与C 2H 4相互作⽤势能曲线3 反应途径计算（1）在HF/6-31G(d)理论⽔平上计算两个反应物分⼦和产物分⼦的298.15K时标准⽣成焓。

计算机模拟在化学实验中的应用计算机模拟技术是指利用计算机和相关软件进行实验环境的模拟和仿真，以解决实验过程中的问题。

在化学领域中，计算机模拟已逐渐成为一种重要的工具和方法，可以帮助研究人员优化实验设计、预测物质性质和反应过程，提高实验效率和成果的可靠性。

本文将介绍计算机模拟在化学实验中的应用，并且探讨其在不同领域中的具体运用。

1. 分子结构模拟计算机模拟可以精确地预测和模拟分子的结构，包括分子构型、键角、键长等。

通过建立分子结构模型，可以帮助研究人员揭示分子间的相互作用和反应机理。

例如，对于一种新合成的有机化合物，可以利用计算机模拟的方法确定其立体构型、键能和化学反应路径，从而指导实验设计和优化。

此外，计算机模拟还可以预测分子的光谱性质，如红外光谱和紫外光谱，为实验提供更加准确的参考。

2. 反应动力学模拟计算机模拟可以模拟和预测化学反应的速率和反应机理。

通过构建适当的势能能面，可以对反应的各个步骤进行模拟，获得反应速率常数和反应过程中的能量峰值。

这些数据对于理解化学反应机理、优化催化剂和提高反应效率至关重要。

例如，在工业催化反应中，通过计算机模拟可以优化反应条件和催化剂的选择，降低成本和提高产率。

3. 材料设计和性能预测计算机模拟可以帮助研究人员设计新型材料并预测其性能。

通过计算材料的结构、晶格参数和能带结构，可以预测材料的力学性质、光学性质和热学性质等。

这对于开发新型材料、改善材料性能和优化材料制备过程具有重要意义。

例如，在太阳能电池领域，通过计算机模拟可以筛选出具有高吸收能力和光电转换效率的材料，并指导实验人员进行材料合成和器件制备。

4. 液相模拟计算机模拟可以模拟液体的性质和行为，如溶解度、扩散动力学和相互作用力。

通过对溶液的分子结构和运动进行模拟，可以更好地理解溶质和溶剂之间的相互作用以及相变过程。

这对于化学反应的溶液相行为和溶剂的选择具有重要意义。

例如，在新药研发领域，可以通过计算机模拟筛选出具有较好溶解度和生物利用度的候选药物，为后续的实验和临床试验提供指导。

溶剂效应对FOX-7晶体形貌影响的分子动力学模拟研究任晓婷;叶丹阳;丁宁;何金选;卢艳华;雷晴;郭滢媛【摘要】利用Materials Studio软件中Growth Morphology方法模拟计算了1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)的晶体形态和结晶习性,得到特定晶面的面心距离、面积、附着能等参数,确定了其形态学上重要的生长晶面及其表面结构.建立了双层结构模型,采用分子动力学模拟计算了溶剂分子和FOX-7主要生长面之间的相互作用,研究了溶剂效应对FOX-7溶液结晶过程中晶体形貌的影响,为FOX-7溶液结晶过程中溶剂的选择提供理论依据.采用实验的方法,在N,N-二甲基酰胺/丙酮结晶体系条件下重结晶制备了FOX-7,其外形规则、棱角圆润、长径比变小,与模拟结果具有一致性.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2015(036)002【总页数】7页(P272-278)【关键词】兵器科学与技术;1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯;晶体形貌;附着能;分子动力学模拟【作者】任晓婷;叶丹阳;丁宁;何金选;卢艳华;雷晴;郭滢媛【作者单位】湖北航天化学技术研究所,湖北襄阳441003;湖北航天化学技术研究所,湖北襄阳441003;湖北航天化学技术研究所,湖北襄阳441003;湖北航天化学技术研究所,湖北襄阳441003;湖北航天化学技术研究所,湖北襄阳441003;湖北航天化学技术研究所,湖北襄阳441003;湖北航天化学技术研究所,湖北襄阳441003【正文语种】中文【中图分类】TJ55;O793近年来，世界各国都在积极研制理论上具有高功效性和潜在满足低易损性要求的以新型含能材料为基础的固体推进剂，因此促使了高能、低感度含能材料的研究与开发。

1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯（FOX-7）的耐热及安全性能较好，其性能接近黑索今（RDX），而摩擦感度与撞击感度均很低，因此以其优异的性能成为研制满足钝感材料要求的高能量、高安全性含能材料之一［1-5］。

实验一红外光谱分析实验一、学时：2学时二、实验类型：演示性实验三、实验目的：1.了解傅立叶变换红外光谱仪的基本构造及工作原理2.学习高分子聚合物红外光谱测定的制样方法3.学会用傅立叶变换红外光谱仪进行样品测试4.掌握几种常用的红外光谱解析方法四、实验原理红外光是一种波长介于可见光区和微波区之间的电磁波谱。

波长在0.78～300μm。

通常又把这个波段分成三个区域，即近红外区：波长在0.78～2.5μm （波数在12820～4000cm-1），又称泛频区；中红外区：波长在2.5～25μm（波数在4000～400cm-1），又称基频区；远红外区：波长在25～300μm（波数在400～33cm-1），又称转动区。

其中中红外区是研究、应用最多的区域。

红外及拉曼光谱都是分子振动光谱。

通过谱图解析可以获取分子结构的信息。

作为红外光谱的特点，首先是应用面广，提供信息多且具有特征性，故把红外光谱通称为"分子指纹"。

它最广泛的应用还在于对物质的化学组成进行分析。

用红外光谱法可以根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物的结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量。

其次，它不受样品相态的限制，无论是固态、液态以及气态都能直接测定，甚至对一些表面涂层和不溶、不熔融的弹性体（如橡胶）也可直接获得其光谱。

它也不受熔点、沸点和蒸气压的限制，样品用量少且可回收，是属于非破坏分析。

而作为红外光谱的测定工具-红外光谱仪，与其他近代分析仪器（如核磁共振波谱仪、质谱仪等）比较，构造简单，操作方便，价格便宜。

因此，它已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具。

红外光谱仪主要有两种类型：色散型和干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）。

色散型红外光谱仪是以棱镜或光栅作为色散元件，这类仪器的能量受到严格限制，扫描时间慢，且灵敏度、分辨率和准确度都较低。

随着计算方法和计算技术的发展，20世纪70年代出现新一代的红外光谱测量技术及仪器——傅立叶变换红外光谱仪。