动力学模拟实验详解2013

分子平衡与动态行为的动力学模拟实验详解

实验目的：

（1）掌握运用Hyperchem 正确设置力场参数及几何优化参数，进行分子力学几何优化；

（2）掌握分子动力学、Langevin 动力学及Monte Carlo模拟方法;

（3）通过动力学或Monte Carlo模拟，获取低能量的结构和热力学参数。

实验注意：

（1）穿实验服；实验记录用黑色，蓝色或蓝黑色钢笔或签字笔记录；实验数据记录不需要画表格；

（2）实验前请先仔细阅读前面的软件使用介绍，然后逐步按照实验步骤所写内容进行操作；

（3）截图方法：调整视角至分子大小适中，按下键盘上的PrintScreen 按键截图，从“Windows 开始菜单”打开“画图”工具，按Ctrl+v或“编辑­粘贴”，去掉四周多余部分只留下分子图形，保存图片；

（4）所有保存的文件全部存在E 盘或D 盘根目录用自己学号命名的文件夹下，不要带中文命名，实验完毕全部删除，不得在计算用机上使用自己携带的U 盘或其他便携存储设备！

实验步骤：

一、建立丙氨酸两性离子模型

（1）点击Display – Labels...选中Symbol 并确定，根据不同建模方法用下面其中一种方法搭建分子模型：

1、画出丙氨酸两性离子基本构型（氢原子可先不画）2、从Databases – Amino Acids – Ala建立大致模型

分别双击两个C­O键，更改其键型为共轭键；

从菜单选择Build – Add Hydrogens加上H 原子。添加缺少的一个羧基氧和两个氨基氢原子，分别双击两个C­O键，更改其键型为共轭键。

（2）单击工具栏建立分子模型工具（或Build – Model Build / Add H & Model Build），建立模型后还少一个氢原子的，确认Build – Allow Arbitrary Vsalence为选中状态，手动增加氢原子上去后再点击一次建立分子模型工具或Build –Model Build / Add H & Model Build。

（3）点击Select – Atoms使其为选中状态，选择C­O两个原子记录键长数据；取消选择全部原子，选择C α­C'­O三个原子记录键角数据；取消选择全部原子，选择N­Cα­C'­O四个原子记录二面角数据（由于有两个氧原子，两组键长，键角和二面角都记录）。

（4）取消选择全部原子，Display – Labels选中Charge 并确定，请根据建模方法的不同设定不同电荷：

1、手工建立模型

取消选择全部原子，选中两个氧原子，通过Build

– Set Charge设置原子电荷为­0.5，然后取消选择全部原

子，选中氮原子，设置原子电荷为1.0。2、直接从菜单建立丙氨酸模型取消选择全部原子，选中电荷显示为0.000的新增氧原子，在Build – Set Charge中设置原子电荷为­0.568，然后取消选择全部原子，选中氮原子所连接电荷

显示为0.000的两个新增氢原子，设置原子电荷为

0.272。

（5）点击Setup – Molecular Mechanics... 选择AMBER 力场；点击Options ，作如下图的设值：

（6）点击Display – Labels – 选中Type 并确定，检查是否有原子类型标记为“**”符号；若有，再次单击工具栏建立分子模型工具或菜单Build – Add H & Model Build。

（7）再次检查分子结构；分别点击Display – Labels 选择Charge 及Type 检查电荷和原子类型是否都已正确无误设置。

（8）同时选中N­Cα­C'­O四个原子，点击Select – Name Selection...将其命名为ncco （只需选择其中一个氧原子）。

（9）点击File – Save As...，在保存类型下拉菜单中选择HyperChem (*.HIN)格式，将其保存为ala.HIN 。

二、丙氨酸两性离子在气相和液相中的几何优化及分子叠合

（1）点击Compute – Single Point计算单点能，记录Energy, Gradient两个数值：

点击Compute – Geometry Optimization为分子作真空几何优化，“RMS gradient of: ... kcal/mol”设为0.1，“or: …

maximum cycles”设为1950（后面所有几何优化按默认设置直接确定即可，不需再作改动），点击OK 待至

中山大学化学与化学工程学院现代化学实验与技术（物理化学实验）

Converged=Yes，记录能量数值以及cycles 和points 值（后面做几何优化時同样记录cycles 和points 值）。2013

如上测量并记录C­O键长，C α­C'­O键角，N­Cα­C'­O二面角数值；点击File – Save As...，将分子存为ala­

gas.HIN 文件。

（2）点击Setup – Periodic Box... 作如下设值：

点击OK ，把丙氨酸离子溶于12Å×10Å×12Å的溶剂盒子当中：

（3）点击Setup – Molecular Mechanics...  ­ Options作如下设值：

同上点击Single Point 和 Geometry Optimization分别进行单点能量及几何优化的计算，分别记录上述能量数值。

如出现以下提示，请选择“否”并确认Setup – Molecular Mechanics...  ­ Options已如上述完成设定：

测量并记录C­O键长，C α­C'­O键角，N­Cα­C'­O二面角数值。

（4）液相优化丙氨酸离子后，点击File – Save As...，把分子保存为ala­liq.HIN文件。

点击Select – Molecules使其为选中状态，单击丙氨酸两性离子使其呈选中状态：

然后点击Select – Complement Selection反选周围水分子：

按键盘上的Delete 键并确定删除水分子，点击Display – Show Periodic Box取消显示盒子边界。

（5）再次选中液相中优化的丙氨酸离子，点击Display – Color Atoms...在以下选项中选择其中一个给分子上色（尽量选择对比度高易分辨的颜色）：

点击File – Merge...选择先前保存的ala­gas.HIN文件合并进工作区，按上述步骤把气相下优化的丙氨酸分子上另

一种颜色。

（6）点击Select – Atoms使其为选中状态，用选择工具分别依次选择两个分子的N, Cα和C’原子（先选择分子一的N 原子然后选择分子二的N 原子，再选择分子一的C α原子... 如此类推）：

点击Display – Overlay叠合两丙氨酸分子：

观察叠合结果并写入报告，注意分别标明气相和液相优化的分子为何种颜色；截图，保存图片为Overlay.png ；

如果叠合失败（原子对位错误的），则不保存文件，打开已保存的ala­liq.HIN从上述第（4）步继续。

三、丙氨酸两性离子的分子动力学模拟及蒙特卡罗模拟

（1）分子动力学：点击File – Open...点击“否”不保存叠合后的分子文件，然后打开先前保存的ala­liq.HIN文件，点击Compute ­ Molecular Dynamics...设置如下：

点击Averages... 把EKIN, EPOT, ETOT, ncco移至最右并点OK ；若没有ncco 请参照上面第一大点第（8）小点进

行设置，下同：

点击Proceed ，观察分子的运动情况；分子动力学完毕后点击Rescale ，用实验注意中的截图方法截图保存中间结

果窗口部分（包括变量名称及标值，不要只截取中间曲线部分！下同）为MD.png ，点击Done 结束；分别做一次Single Point 和 Geometry Optimization计算记录能量及梯度值，不需保存分子文件。

（2）Langevin 动力学：点击File – Open...打开ala­gas.HIN文件，点击Compute ­ Langevin Dynamics...作如下设置：

同上点击Averages... 把EKIN, EPOT, ETOT, ncco移至最右并点OK ；点击Proceed ，动力学完毕后点击Rescale ，

截图保存中间结果窗口部分为LD.png ；分别做一次Single Point 和 Geometry Optimization计算记录能量及梯度能量值，不需保存分子文件。

（3）Monte Carlo模拟：点击File – Open...打开ala­liq.HIN文件，点击Compute – Monte Carlo...作如下设置（注意Run steps值为1000）：

点击Averages... 把ACCR, EPOT, D ACCR, ncco移至最右并点OK ：

点击Proceed ，待动力学完毕后点击Rescale ，截图保存中间结果窗口部分为MC.png ；分别再做一次Single Point

和 Geometry Optimization计算记录能量及梯度能量值，不需保存分子文件。

四、记录不同建模方法的实验数据

记录邻组建立初始模型后的气相单点计算，气相优化后和液相优化后三个能量值（只需要Energy 值）。

五、实验数据记录

检查下面数据是否已被正确记录：

1、丙氨酸离子的初始模型，气相优化和液相优化后的C­O键长，C α­C'­O键角，N­Cα­C'­O二面角；

2、丙氨酸离子气相和液相的初始模型及优化后的能量记录（Energy, Gradient, cycles和points ）3、分子动力学， Langevin 动力学和 Monte Carlo模拟后的Single Point 和 Geometry Optimization的能量及梯度值；

4、丙氨酸离子气相和液相优化结果的分子叠合图；分子动力学， Langevin 动力学和 Monte Carlo模拟能量曲线图；

5、使用不同建模方法法的另一组的能量数据（三组能量）。

打开”网上邻居­综合 在 Zh00 上­物化计算机实验”，找到以当天日期命名的文件夹，在下面新建以自己学号命名的文件夹，把Overlay.png, MD.png, LD.png, MC.png复制到里面，把原始数据记录取至前台检查签名（原始数据记录请务必写上姓名！），签名后在前台用U 盘把自己的实验图片复制下来或发送到自己邮箱里面（教师用计算机学生不得操作！）。

实验完毕删除自己在用机上所有留下的有关文件，关闭计算机，收拾桌椅并带好个人携带物品离开实验室。

实验报告：

一、实验原始数据记录应附在实验报告的最后，不能直接作为实验报告的内容部分。

二、实验图片应打印好作为实验报告的内容部分并标上图片标题和注释，不能附在实验报告的最后。

三、实验报告所有数据必须用表格形式列出，并应对所有已记录的数据进行分析，此外还应包括以下内容：

1、分别比较气相和液相下优化的丙氨酸两性离子的结构的异同（观察叠合后的分子），请结合记录的键长键角二面角数据分析异同具体是如何产生的。

2、试比较分析分子动力学和Monte Carlo模拟后的单点能计算和几何优化结果跟初始模型结果，包括 Energy, Gradient, cycles和points 数值的比较。

3、分析在分子动力学模拟和Langevin 动力学的模拟的过程中N­Cα­C'­O的变动情况。

四、思考题：

1、两种不同建模方法区别在哪里，计算结果又有什么不同？请作具体的分析。

2、丙氨酸分子在气相和水溶液模型下计算的能量不能作比较，为什么？

3、简述应用分子动力学原理进行几何优化获取最低能量构象的原理。

4、力场设置里面的Dielectric(Epsilon)是什么意思，其下两个选项在气相跟液相优化分别是用的不同设置又是什么意思，设置不同会引起什么差别？（可查阅Hyperchem 的使用手册）

5、力场设置里面的Cutoffs 是什么意思，其下选项在气相跟液相优化分别是用的不同设置又是什么意思，设置不同会引起什么差别？（可查阅Hyperchem 的使用手册）

6、分子动力学跟Langevin 动力学的模拟结果图有什么异同？他们的原理和计算公式具体区别在哪里？

7、Monte Carlo模拟是动力学模拟吗？其与一般的动力学方法有什么不同。

8、Monte Carlo模拟中为什么没有加入EKIN 和ETOT 作图，如果对其作图会得到怎样的结果？

附：

Hyperchem 使用介绍：

本次实验用到的工具：Draw ：描绘分子工具，所画原子H 为白色，C 为青色，N 为蓝色，O 为红色；在工作区单击画出原子，拖拽画出成键原子，在分子键上点击更改成键类型；双击工具按钮会出现如下元素周期

表用于选择不同原子建立分子；

Select ：选择原子工具，选中的原子或键会呈现绿色，在原子上单击左键选择对应原子/分子（选择模式对应在Select 菜单下Atoms/Moleculars更改），在原子上右击取消选择该原子，在工作区单击选择全部分子，在工作区右击取消选择全部原子；同时选中两个原子时在状态栏显示键长（单位为Å，由于字符关系显示为”？”），选中三个原子显示键角，选中四个原子显示二面角（不能同时选择多个原子时请确保Select – Multiple Selections为选中状态）；

Rotate out­of­plane：平面外旋转工具，转换视角用；

Rotate in­plane：平面内旋转工具，转换视角用；

Translate ：平移工具，转换视角用；

Mgnify/Shrink：放大镜工具，转换视角用；

Model Builder：左三分别用于建立C, N, O原子，最右为建立分子模型，效果同菜单Build – Model Build。