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1、第30卷第2期摇摇大学化学Vol.30No.2摇摇2015年4月UNIVERSITYCHEMISTRYApr.2015doi:10.3866/pku.DXHX20150244量子力学和分子力学组合方法1*22谢湖均摇雷群芳摇方文军12(浙江工商大学应用化学系摇浙江杭州310035;浙江大学化学系摇浙江杭州310027)摇摇摘要摇量子力学和分子力学(QM/MM)组合方法结合了量子力学的精确性和分子力学的高效性,在研究凝聚态中的化学反应及生物大分子的结构和活性等方面发挥着重要作用。本文主要介绍了QM/MM组合方
2、法的基本原理及国内外有关QM/MM组合方法的研究进展。摇摇关键词摇QM/MM组合方法摇多尺度模型摇酶催化摇诺贝尔化学奖摇摇中图分类号摇O64;G64CombinedQuantumMechanicsandMolecularMechanics1*22XieHujun摇LeiQunfang摇FangWenjun1(DepartmentofAppliedChemistry,ZhejiangGongshangUniversity,Hangzhou310035,Zhejiang,China;2DepartmentofC
3、hemistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,Zhejiang,China)摇摇Abstract摇Combinedquantummechanicsandmolecularmechanics(QM/MM),whichcombinesthehigheffi鄄ciencyofquantummechanicsandtheaccuracyofmolecularmechanics,playsanimportantroleinthestudyofchemi鄄calreactions
4、ofcondensedmatter,biologicalmacromolecularstructureandactivity.Thispaperintroducestheprinci鄄pleandresearchprogressesofcombinedQM/MM.摇摇KeyWords摇Combinedquantummechanicsandmolecularmechanics;Multi鄄scalemodel;Enzymaticcatalysis;TheNobelprizeinchemistry摇摇2013年
5、诺贝尔化学奖10月9日在瑞典揭晓,法国斯特拉斯堡大学和美国哈佛大学教授MartinKarplus、美国斯坦福大学医学院教授MichaelLevitt和美国南加州大学教授AriehWarshel因发展复杂化[1鄄2]学系统的多尺度模型而共享奖项。以前化学家是用塑料的球和棍来搭建和创造分子模型,而现在则是用计算机来辅助建模和计算。分子和化学反应的精确建模对于化学的进步至关重要,化学反应的速度非常快,在几分之一毫秒间,电子就会从一个原子核跳到另一个原子核,经典化学在这里已无用武之地。Karplus、Levitt和
6、Warshel工作的突破意义在于他们设法让量子力学(quantummechanics,QM)和分子力学(molecularmechanics,MM)结合在化学过程的建模之中。量子力学计算方法可以用来预测电子结构和化学反应机理,精确度很高,但只能用来计算较小的体系。而分子力学的优势在于计算简便,虽然可以用来计算较大的复杂体系,但精确度不够高,而且无法描述化学键生成或断裂的化学反应过程。他们3人的工作结合了两者的长处,发展出量子力学和分子力学组合方法(combinedquantummechan鄄ics/mole
7、cularmechanicsmethod,QM/MM)。QM/MM组合方法在大分子体系的计算研究中已展现出越[3鄄8]来越强大的功能,已经逐步应用到化学、材料、生物学等各个相关学科领域。本文就其基本原理和目*通讯联系人,E鄄mail:hujunxie@gmail.com摇第2期谢湖均等:量子力学和分子力学组合方法45前的研究进展做简单的介绍。1摇QM/MM组合方法基本原理1.1摇QM/MM组合方法的能量表达式摇摇如图1所示,QM/MM组合方法的主要思想是把整个体系分为QM和MM两部分,其中QM部分用量子力学
8、方法处理,MM部分用分子力学方法处理,QM和MM的边界则用连接原子或冻轨道等方法处[9鄄10]理。目前流行的QM/MM能量表达式有两种,加和方法(additiveschemes)和减去方法(subtractive[11鄄13]schemes)。在一般的计算中采用的是加和方法,其能量表达式为:摇摇摇摇E=E+E+EQMMMQM鄄MM这里的E和E分别为单独QM和MM部分的能量。E为两个区域的耦合项。原理上任何的量QM
