【基金標書】2011CB808500-溶液、界面及蛋白微環(huán)境中分子結構與化學反應的理論方法和計算模擬

《【基金標書】2011CB808500-溶液、界面及蛋白微環(huán)境中分子結構與化學反應的理論方法和計算模擬》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《【基金標書】2011CB808500-溶液、界面及蛋白微環(huán)境中分子結構與化學反應的理論方法和計算模擬（15頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

項目名稱： 溶液、界面及蛋白微環(huán)境中分子結構與化學反應的理論方法和計算模擬首席科學家： 方維海 北京師范大學起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部門： 教育部二、預期目標我國的理論化學發(fā)展水平，與國際最高水平比較，還有較大的差距。我國自己提出和發(fā)展的理論方法和程序只有很有限的幾個，并且還沒有得到廣泛的應用。要在國際理論化學界占有一席之地，我們必須大力發(fā)展自己的理論和計算方法，建立擁有獨立知識產權的計算軟件系統(tǒng)。但另一方面，我 們也看到，利用已有的量子化學方法和軟件包，已經能 夠對大量的化學、材料、生物及 環(huán) 境等領域的問題進行研究，促進相關學科的發(fā)展。因此， 對這些領域的重大問題進行系統(tǒng)的計算和模擬也是理論與計算化學領域的重要組成部分。鑒于上面的考慮，本項目的 總體目標是：發(fā)展新的理論化學方法和相應的計算手段，準確預測復雜環(huán)境中分子的結構和反應動力學，獲得原創(chuàng)性強、能產生重要國際影響的成果；同時建立并完善電子結構理論和化學動力學方法體系，搭建理論化學計算模擬平臺，使我們在國際理論化學界占有一席之地。五年預期目標: （1）發(fā)展單參考耦合簇理論框架下的電子相關方法，準確的描述系列小分子結構和反應機理；發(fā)展基于能量的分子片方法，實現(xiàn)溶液中分子結構、光譜和反應性的從頭算模擬；（2）發(fā)展多尺度的化學動力學理論和數值計算方法，實時探索凝聚相分子構象和化學反應等動態(tài)過程，分析超快多維光譜背后的物理化學本質；（3）完善 QM/MM 近似方法，拓展基于 QM/MM 近似的基態(tài)自由能計算方法到激發(fā)態(tài)，建立非絕熱自由能途徑和自由能面交叉結構的優(yōu)化方法以及自由能面上躍遷幾率的計算方法；（4）編制具有自主知識產權的計算模擬程序包，搭建溶液中分子結構、光譜和反應過程的理論計算模擬平臺;（5）在理論計算模擬的基礎上，弄清系列羰基化合物水溶液光解離機理和核酸堿基激發(fā)態(tài)動力學過程；（6）探明溶液中固氮酶、氫酶、核苷水解酶和蛋白激酶的催化機制，揭示生物酶對底物的選擇性和底物對酶活性調控作用的微觀本質；（7）建立溶液中固體表面溶劑化的理論模型、表面反應過渡態(tài)搜索方法和多尺度動力學模擬手段，應用于預測溶液中表面重構、腐蝕和催化反應的動力學過程，獲得一些有普遍規(guī)律性的溶液催化動力學理論。三、研究方案要從理論上可靠預示溶液/界面及蛋白環(huán)境中分子的結構特性和化學反應的機理，透徹理解氣相分子的結構和反應性是關鍵的第一步。因此，必須發(fā) 展高精度的電子相關方法，這就是課題 1 的主要研究內容。電子結 構計算可以得到分子的靜態(tài)結構和反應能壘，但要實時描述復雜環(huán)境中反應的動態(tài)過程，多尺度的動力學方法是必不可少的，這正是課題 2 所要解決的關鍵問題。一旦建立了處理氣相分子性質的電子結構理論和動力學方法，隨后的問題就是如何處理環(huán)境效應。課題 1 采用基于能量的分子片方法實現(xiàn)溶劑效應的從頭算模擬，課題 2通過引入隨機場處理分子體系與環(huán)境的耦合動力學，課題 3，4 和 5主要是應用分子動力學模擬和統(tǒng)計力學方法處理溶劑、界面和蛋白環(huán)境對分子結構和反應性的影響。發(fā)展理論方法的目的是為了解決分子結構和化學反應的實際問題。在這一思想的指導下，本項目的五個課題都開展實際體系的計算模擬工作，但 課題 1 和 2 以測試理論方法的有效性為主，而課題 3，4和 5 則主要是解決溶液光化學、生物酶催化和多相催化的機理和動力學問題。概而言之，本 項目采用從氣相到溶液、從靜態(tài)到動態(tài)、從理論到應用的技術路線，開展溶液、界面以及蛋白環(huán)境中分子結構和化學反應的理論計算模擬工作。發(fā)展高精度的電子結構理論、動力學方法和線性標度的理論計算手段等方面，人們做了大量深入的研究工作，取得了令人矚目的成功。但是其計算精度和計算效率還遠遠不能滿足人們解決實際問題的需求。本項目將發(fā)展耦合簇理論框架下塊定域化和多參考態(tài)的電子相關方法，著力提高電子結構計算的精度和效率；將建立處理復雜體系的量子、量子－半經典、直接從頭算和粗粒化的動力學方法體系，定量精確地描述不同環(huán)境中分子結構和性能隨時間的變化規(guī)律；將得到溶液/界面溶劑化理論模型、表面反應過渡態(tài)搜索手段和非絕熱自由能途徑優(yōu)化方法，預測溶液/界面反應過程的機理。建立新的理論和方法體系并搭建計算模擬平臺，是本項目的主要特色和創(chuàng)新點。通過項目的實施，將在電子結構和化學動力學基礎理論方法研究中取得突破性進展，獲得原創(chuàng)性強的成果，在國際上占有一席之地。先前的理論計算模擬工作主要集中氣相、孤立分子的結構和化學反應。然而，絕大多數真 實分子體系的化學反應是發(fā)生在溶液中或表面上，分子間的相互作用與分子內的物理和化學過程相互耦合，產生了一系列相互關聯(lián)的過程。即使采用時間和空間高分辨能力的光譜和衍射實驗技術，要在原子水平上描述分子內和分子間每一個自由度隨時間的變化也是不可能的。而電子結構計算和動力學模擬在這方面有其獨特的優(yōu)勢。本項目旨在發(fā)展不同精度的電子結構理論和多尺度的動力學方法，重點解決溶液、界面和蛋白環(huán)境中分子的電子結構、光化學反應機理、催化反應動力學和介質中能量弛豫等實際問題。這是本項目的另一特色和創(chuàng)新點。通過本項目研究，解決系列分子結構和反應性以及環(huán)境效應的微觀本質問題，發(fā)現(xiàn)其中的新現(xiàn)象和新規(guī)律。本項目的課題負責人和骨干成員長期從事發(fā)展理論方法和解決實際問題應用研究，但各有自己的主攻方向和側重領域。他們在研究工作中已經取得了國際同行認可的成績，為本項目的研究奠定了扎實的前期基礎，是本項目研究取得突破性進展的關鍵因素。我們將在現(xiàn)有工作的基礎上，充分發(fā)揮研究功底深厚、思想活躍研究隊伍的潛力，明確研究重點和突破的方向，有國家重點基礎研究計劃的支持，定能實現(xiàn)本項目的目標。四、年度計劃2011 年度：（1）發(fā)展和改進 QM/MM 計算方法，探索從頭算方法和密度泛函作為 QM 計 算的可用性，確定適宜的量子化學方法和相關的活化空間；（2）應用 QM/MM 組合方法，研究噻吩、呋喃、吡啶和DNA 的堿基的激發(fā)態(tài) 性質和光反應機理， 獲 得勢能面錐形交叉結構和激發(fā)態(tài)動力學基本信息。 （3）在單參考 CC 理論框架下，發(fā)展并完善基于 UHF 波函數的 CCSD(T)-h 方法，實現(xiàn)程序化。開發(fā)基于能量的分子片方法的高效計算程序，研究較大“分子簇 ”的結構和性質。在DFT/TDDFT 理論框架下發(fā)展有效計算方法，研究分子聚集體或構筑基元的激發(fā)態(tài)、分子在激發(fā)態(tài)上的馳豫等過程。 （4）建立模擬水解酶、脫羧酶、 P450 酶、固氮 酶、蛋白激 酶等酶催化過程的 QM/MM 計算模型。 （5）將致力于非微擾量子級聯(lián)主方程方法和隨機化方法的完善和進一步發(fā)展，特別是針對重要化學體系如光合作用等系統(tǒng)、量子輸運、量子測量等過程的特點，發(fā)展高效計算方法并編寫計算程序。 （6）依靠第一性原理 DFT 計算， 發(fā)展并采用適合的參數化的連續(xù)介質模型, 并結合分子動力學模擬，研究水和簡單電解質在固體表面的吸附，排列和極化。探索和尋找更快速的表面反應過渡態(tài)的方法，研究溶液對表面簡單化學反應的影響。項目的第一年有望在電子結構理論、動力學方法和 QM/MM 組合方法以及相關的計算軟件開發(fā)方面取得進展。相關的研究工作將發(fā)表高水平論文 20-25 篇。2012 年度：（1）進一步完善 QM/MM 計算方法，重點發(fā)展基于QM/MM 近似的自由能途徑優(yōu)化方法。完成激發(fā)態(tài)半經驗的 QM/MM直接分子動力學（MD） 計算模擬，用統(tǒng)計平均的方法，計算激發(fā)態(tài)自由能途徑的壘高和絕熱反應的速率。 （2）用 QM/MM 自由能方法，優(yōu)化激發(fā)態(tài)上自由能途徑和自由能面的交叉點，定性的分析非絕熱光反應過程，借鑒勢 能面經典軌跡和躍遷幾率的概念，發(fā)展自由能面交叉點附近的躍遷幾率計算方法，定量描述溶液光反應非絕熱過程的速率。（3）應用于研究苯甲酸、苯甲醛和苯乙酮等羰基化合物水溶液的光解離反應，探索 勢能面錐形交叉結構和相應的內轉換過程的溶劑效應，闡明系列羰基化合物水溶液光反應的機理和動力學。(4) 發(fā)展組合VB/MM 計算方法，開展含硫鐵簇金屬酶和含鋅金屬酶的計算模擬研究。 （5）發(fā)展并完善基于 UHF 波函數的 CCSD(TQ)-h 方法，實現(xiàn)程序化；利用基于能量的分子片方法，研究溶液相中分子的電子光譜，獲得溶液相中分子的微觀結構信息。 （6）將非微擾量子級聯(lián)主方程方法和隨機化方法應用于分子聚集體中相干能量轉移過程及其光譜特征、量子輸運、量子 測量等研究，探討量子系統(tǒng)與環(huán)境相互作用對相干能量轉移的影響。建立多自由度體系的粗?；碚摽蚣?。在此基礎上，探索有效的近似粗?；瘎恿W方法的可能性，分析其適用范圍。同時，利用分子動力學模擬和量子化學從頭計算方法，為粗?；Ｐ吞峁┪锢韰挡Ⅱ炞C模擬的有效性。 （7）發(fā)展第一性原理的電化學理論研究方法，利用修改的 Poisson-Boltzmann 理論對帶電固體表面總能量進行計算，以燃料電池有關的電催化反應為研究重點，比如以在金屬表面上的氧氣還原反應為例，研究 Pt 合金催化劑 的性能，考察表面電壓對表面形貌、化學反應的影響，同時研究一些相關譜學（如 Raman）性質和實驗對照。項目第二年主要完善電子結構理論和動力學方法，測試方法的可靠性和可用性，同時解決溶液、金屬表面和蛋白中一些結構和反應性問題。相關的研究工作將發(fā)表高水平論文 30-35 篇。2013 年度：（1）完善基于 QM/MM 近似的非絕熱自由能途徑優(yōu)化方法，重點開展尿嘧啶、尿苷、 鳥嘌呤、 鳥苷等化合物溶液光化學反應機理和堿基激發(fā)態(tài)動力學的核酸環(huán)境效應的計算模擬；（2）發(fā)展 NPT 系綜的耗散粒子動力學方法，完成模擬程序的編寫工作，在該 系綜下重復 NVT 系綜下的動力學過程，并做比較和分析；改變溶液中鹽的濃度，模擬抗菌肽和細胞膜相互作用過程。近一步優(yōu)化耗散粒子動力學中的力學參數，將分子動力學和 DPD等溫系綜結合，完善 NPT 系綜的耗散粒子動力學方法。 （3）開展蛋白質環(huán)境下化學反應過程的計算研究，闡明幾類酶體系蛋白質環(huán)境對催化活性調控的分子機制，完成 VB/MM/PCM 方法程序的編寫。 （4）用 QM/MM 組合方法，研究染料分子與蛋白質分子和溶劑環(huán)境的相互作用等?？紤]蛋白質分子和溶劑環(huán)境對染料分子的位能和染料分子間相互作用的影響。同時研究存在于弱相互作用體系中的長程電子相關效應等。 （5）利用修正算符微擾理論，探索新的非絕熱半經典初值表示動力學方法并應用于物理模型和簡單化學體系。借助半經典近似，發(fā)展一般環(huán)境對體系誘導的隨機場的有效計算方法。探索經典和量子耗散體系非高斯環(huán)境的處理手段，研究非高斯性對體系動力學的影響以及在量子演化中所起的特殊作用，闡明環(huán)境造成的不同量子單元漲落的相關性對復雜分子體系中退相干及能量轉移過程的影響。 （6）采用結合均勻介質模型和真實原子動力學模擬研究晶體表面有水層和緊密吸附層的結構，以及在反應條件下的競爭吸附等；在周期性計算方法中的實現(xiàn)體系的電壓可變，即系統(tǒng)電子數可調，研究溶液條件下金屬團簇，納米粒子或復雜氧化物上的一些重要催化反應。著重考慮更好地處理快反應步驟，有效轉換表面模型到兩維的格子模型，并能夠有效考慮大量物種間相互作用。項目第三年繼續(xù)完善電子結構理論和動力學方法，但重點是解決溶液、金屬表面和蛋白中一些結構和反應性問題。在大量激發(fā)態(tài)動力學模擬、溶液中化合物光化學反應機理以及溶劑效應研究基礎上，在基于 CCSDT、QM/MM 和不同尺度的動力學方法上取得突破性進展，在解決復雜環(huán)境中激發(fā)態(tài)動力學和化學反應機理的環(huán)境效應方面，發(fā)現(xiàn)新的 現(xiàn)象和規(guī)律，深刻理解環(huán)境調控作用的本質，發(fā)表相關的高水平研究論文 35-40 篇，并多次在國際 學術會議上交流研究成果。2014 年度：（1）完善多尺度的電子結構理論和動力學方法，使其成為研究溶液光化學反應和復雜環(huán)境中結構及態(tài)動力學的有效工具，結合計算機技術的發(fā)展，尤其是基于 GPU 的計算機軟件系統(tǒng)的發(fā)展， 建立結構 優(yōu) 化和動力學模擬平臺，精確的 優(yōu)化不同環(huán)境中的反應途徑，開展 DNA 光損傷和光修復 過程的理論計算模擬，在光生物過程的微觀本質認識方面取得突破。 （2）開展納米粒子和蛋白作用過程的計算模擬研究，探索納米微結構環(huán)境對生物化學過程的調控作用。 （3）研究能量傳遞、電荷轉移以及激子間的相干效應，為制備長距離能量、電荷傳輸的分子器件提供理論指導。 （4）在前期工作的基礎上完善非絕熱半經典初值表示即時生成動力學方法和程序，闡明重要溶液以及生物相關的光化學反應的微觀機理，揭示溶劑效應。建立不同層次的有效粗?；瘎恿W算法并實現(xiàn)程序化，研究分子體系的自組裝等過程。 （5）采用大規(guī)模的并行理論計算模擬，解釋電化學、光激發(fā)條件下的反應機理，取得一些有普遍規(guī)律性的催化動力學理論，對一些相關的催化劑設計產生指導意義。利用在電化學催化中的研究基礎和理論計算方法，對光降解水等光催化過程進行基礎動力學研究，尋找反應的決速步，反應的表面形貌控制關系，提出表面光催化過程普遍機理。項目第四年與第三年的總體目標基本相同，繼續(xù)完善電子結構理論和動力學方法，但重點是解決復雜環(huán)境中分子結構和反應性問題。在認識結構和反應性的微觀本質上取得突破性進展，在 DNA 堿基激發(fā)態(tài)動力學、溶液中羰基化合物的光化學反應機理、表面光催化反應和光生物過程的計算模擬方面，取得創(chuàng)新性的研究成果，發(fā)表高水平的研究論文 35-40 篇，在國際學術會議上做大會 報告 3-5 人次，主辦1 次溶液光化學和復雜環(huán)境激發(fā)態(tài)動力學方面的專題國際研討會。2015 年度：（1）建立并完善不同精度、不同層次的量子力學、分子力學、量子動力學、量子-半經典動力學、分子 動力學、粗?；暮纳⒘Ｗ觿恿W以及它們的組合方法，完善復雜介質環(huán)境中的理論化學方法，創(chuàng)制具有自主知識產權的、基于不同近似的絕熱和非絕熱過程計算軟件，搭建復雜環(huán)境中分子結構和化學反應性計算模擬平臺；（2）利用自己發(fā)展的方法和計算模擬平臺，系統(tǒng)研究羰基化合物光化學反應、DNA 光損傷以及光修復 過程、酶催化反應、晶體表面催化的溶劑效應；探索不同環(huán)境中化學反應性特點和規(guī)律， （3）總結和整理理論方法和應用研究的成果，同時發(fā)現(xiàn)新的挑戰(zhàn)性的科學問題。相關的研究成果將發(fā)表高水平論文 30-40 篇，撰寫相關的 綜述性論文 5-8 篇，主辦 2 次溶液光化學和復雜環(huán)境激發(fā)態(tài)動力學方面的專題國際研討會，使我們的研究工作在國際上產生重要影響，并占有一席之地。一、研究內容本項目將圍繞三個科學問題，發(fā)展新的理論思想、方法和相應的計算手段，并用以闡明復雜環(huán)境中分子的電子結構和動力學過程的本質， 主要研究內容包括：（1）發(fā)展耦合簇理論框架下高精度的電子相關方法。通過將正則非限制性的 Hartree-Fock 軌 道變換為“ 對應”軌道，使分子軌道分成“活化”和“ 非活化” 兩個部分。在此基 礎上，高重激 發(fā)組態(tài)的貢獻也可分為“ 活化” 和“ 非活化” 兩部分，而被分 別處 理。采用這種分而治之的辦法，可確保耦合簇計算的精度不變，但可顯著提高其計算效率。在塊定域化耦合簇理論中，采用推廣的價鍵組態(tài)波函數，發(fā)展出多參考態(tài)耦合簇新方法。與目前流行的電子結構方法相比，這兩類方法將在保證高精度的同時，大大提高計算效率。（2）基于能量的分子片方法和溶劑效應的從頭算模擬。首先，采用量子/ 經典力學近似和基于能量的分子片方法，對由溶質分子和其緊鄰的溶劑分子組成的“ 分子簇 ”進行從頭算 處理，而更外層的溶劑分子則用分子力場處理；然后，將蒙特卡羅模擬和自由能微擾方法相結合，計算化學反應的溶劑化自由能變化，并與氣相反應比較，獲得溶劑效應的定量信息；最后，將應用基于能量的分子片方法，計算溶液相中分子的振動光譜和電子光譜，通過與實驗光譜數據的比較，獲得溶液相中分子的微觀結構信息。（3）發(fā)展針對不同尺度的凝聚相化學動力學理論。我們將探索一般環(huán)境的非高斯場特征，特別是用半經典近似研究環(huán)境的量子效應，從基本量子和經典力學入手，建立準確描述熱庫影響但只包括感興趣的模式的動力學主方程。同時拓展和改進已有的非絕熱過程量子－半經典方法，發(fā)展直接從頭算動力學方法和程序。（4）針對處理溶液光化學反應的需要，發(fā)展基于量子/經典力學（QM/MM）近似的反應自由能途徑優(yōu)化方法，重點解決羰基化合物溶液光化學反應和核酸堿基激發(fā)態(tài)動力學的微觀本質問題。首先將半經驗組態(tài)相互作用方法與 Amber 分子力場相結合，完成半經驗的QM/MM 直接分子動力學（MD）計算模擬，并用 統(tǒng)計平均的方法，計算自由能途徑壘高和絕熱反應速率。其次，拓展基態(tài)從頭算 QM/MM自由能方法到激發(fā)態(tài)，優(yōu)化激發(fā)態(tài)上自由能途徑和自由能面的交叉點，定性的分析非絕熱光反應過程。最后，借鑒勢能面經典軌跡和躍遷幾率的概念，發(fā)展自由能面交叉點附近的躍遷幾率計算方法，定量描述非絕熱光反應過程。（5）應用不同尺度的量子/經典力學和動力學方法，模擬溶液中生物酶的結構特征和酶催化反應機理，闡明生物酶對底物選擇性識別以及底物對生物酶功能調控的分子基礎；對底物和生物酶活性部位的氫鍵網絡形成過程進行研究，探索生物酶突變體引起的活性部位結構變化以及與底物之間氫鍵網絡的變化，揭示生物酶的結構活性關系。（6）溶液中晶體表面催化反應的理論和計算模擬。依靠基于第一性原理計算的熱力學和動力學數據，采用參數化的連續(xù)介質模型、分子動力學模擬和動力學蒙特卡洛方法，建立合適的熱力學性質和動力學過程的多尺度計算方法。以 Pt 催化的氧氣還原（ ORR）為反應體系，探索溶劑對反應各基元步驟的影響，理清反應機理，尋找更穩(wěn)定、活性更高的新催化材料。