基本介紹
- 中文名：分子力場
- 外文名：field of force of molecule
- 來源：分子結構的一種簡化模型
- 組成：常用勢函式的組成
分子力場,分子力場的來源,構成,不同分子力場間的區別,分子力場的局限,常用勢函式的組成,常用力場函式和分類,
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式，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式。分子力場函式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套用。
分子力場的來源
我們知道，量子化學計算分子結構和原子、分子間相互作用比較準確，但是很慢；而採用分子力場計算就會很快，因為分子力場並不計算電子相互作用，它是對分子結構的一種簡化模型，所以計算很快。在這個模型中，它把組成分子的原子看成是由彈簧連線起來的球，然後用簡單的數學函式來描述球與球之間的相互作用。比如，氫分子，看做有彈簧連結的兩個球的話，可以用胡克定律描述兩個氫原子間的能量：E=k*(b-b0)^2。其中，b表示兩氫原子間距離，b0表示平衡時原子間距，k為鍵能係數，b0和K稱為力場參數。更複雜一點可以用四次方表達：E=K1*(b-b0)^2+K2*(b-b0)^3+K3*(b-b0)^4，更多的參數可以獲得對成鍵分子的更精確的描述。這是描述成鍵作用，不成鍵的原子間的相互作用則採用Legendre-Jones函式，或者Bukingham函式描述。
從上面可以看出來，力場用簡單的數學函式描述原子間作用，稱為分子力場，又叫分子力學力場。採用分子力場的分子模擬稱為經典分子模擬。這是相對於採用量子力學計算的分子模擬來說的。那么，分子力學對分子結構和原子間相互作用描述的是否準確呢？這依賴於你所用的參數。而這些參數通常擬合自實驗數據，或者量子化學結果。它屬於經驗描述，顯然品質要低一些，但是由於計算速度快，適合於描述上千個乃至百萬個原子的模擬，在這些情況下，我們無法採用量子力學計算，因此，只能採用經典模擬。
構成
一般而言，分子力場函式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
構成一套力場函式體系需要有一套聯繫分子能量和構型的函式，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。
不同分子力場間的區別
分子力場的局限
由於力場參數是擬合訓練基分子得到的，那么這些參數用於計算其它分子準確嗎？這叫分子力場的遷移性問題。遷移性問題還包括狀態遷移性問題，就是說所擬合的實驗數據是常溫常壓下測量的，然後你模擬的可能是高溫高壓下的，那么分子力學的準確性也會降低。這些都屬於分子力場的局限性。
常用勢函式的組成
分子力場有時被稱為勢函式。以下是一般分子力場勢函式包括的幾個部分：
描述分子內成鍵作用的項
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
交叉能量項：上述作用之間耦合引起的能量變化
描述分子間作用的項
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 。
常用力場函式和分類
不同的分子力場會選取不同的函式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式，根據他們選擇的函式和力場參數，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，是目前套用最為廣泛的一種力場，主要針對有機小分子
第二代力場
第二代的勢能函式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。
- 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，它所套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
- ESFF力場MSI公司開發的力場，可以進行有機、無機分子的計算
- Dreiding力場適用於有機小分子、大分子、主族元素的計算
