理论与计算化学研究所在Accounts of Chemical Research上发表大分子量子化学计算方法的综述文章

我校化学化工学院、介观化学教育部重点实验室、理论与计算化学研究所黎书华教授、李伟副教授、马晶教授在美国化学会综述期刊Accounts of Chemical Research上发表题为“Generalized Energy-Based Fragmentation Approach and Its Applications to Macromolecules and Molecular Aggregates”(推广的基于能量的分块方法及其在大分子和分子聚集体中的应用)的特邀综述(Shuhua Li, Wei Li, and Jing Ma, Acc. Chem. Res. 2014, Articles ASAP. DOI: 10.1021/ar500038z)。

2013年,美国三位科学家Karplus, Levitt和Warshel由于“为复杂化学系统创立了多尺度模型”而获得了诺贝尔化学奖。在各种多尺度模型中,组合量子力学/分子力学(QM/MM)方法目前已经广泛应用于大体系(如生物分子和纳米粒子)的研究。然而,有些重要的化学问题,如分子聚集体的自组装、生物大分子的结构和动力学,需要对整个体系进行量子力学处理才能获得定量准确的描述。但传统的量子化学计算方法由于计算标度较高,难以应用于大体系的计算。2005年黎书华教授课题组提出了计算大分子基态能量的基于能量的分块方法,其基本思想是通过计算一系列子体系的能量从而组装得到大体系的能量(J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 7215)。2006年,马晶教授课题组在子体系的计算中采用点电荷描述带电基团间的长程静电相互作用,提高了分块方法对带电体系的计算精度(J. Chem. Phys. 2006, 124, 114112)。2007年,李伟和黎书华教授等进一步提出了Generalized Energy-Based Fragmentation (GEBF)方法,在子体系外其余所有原子位置都引入背景点电荷,准确地考虑了极化和长程静电作用,从而实现了对含带电或极化基团的大体系的基态能量和偶极矩等性质的精确计算(J. Phys. Chem. A 2007, 111, 2193)。随后,黎书华教授课题组在GEBF方法框架下发展了几何构型优化和振动光谱的算法、实现了体系分块和子体系构建的自动化、改进了构建子体系的算法从而进一步提高了精度(J. Phys. Chem. A 2008, 112, 10864; 2010, 114, 8126; ChemPhysChem 2013, 14, 108)。马晶教授课题组发展了GEBF-QM/MM动力学模拟方法、基于分块的振动圆二色(VCD)光谱计算与可极化的粗粒化模型方法(J. Phys. Chem. B 2008, 112, 7061; 2011, 115, 2801; J. Chem. Phys. 2012, 136, 134105)。李伟副教授等将GEBF与明确相关F12方法相结合,实现了一些复杂体系在基组极限下的高精度计算,同时构建了多层次GEBF计算模型 (J. Chem. Phys. 2013, 138, 014106; J. Chem. Theory Comput. 2014, 10, 1546)。

本综述文章系统地总结了近十年来黎书华教授、李伟副教授、马晶教授及其合作者在基于能量的分块方法的发展及应用研究方面的一系列进展。GEBF方法已经被成功应用于研究多种大体系的结构和稳定性,理解多肽二级结构中的合作效应的根源、计算超分子自组装的驱动力等。基于GEBF的从头算动力学方法已经能用于研究生物大分子的超快动力学行为。对于凝聚相体系中的分子聚集体,则可用基于GEBF的多尺度方法来进行研究。例如,利用该方法已研究了溶液中溶质分子与溶剂的相互作用和蛋白质构象的变化过程。这些工作表明,GEBF方法及其相关的动力学模拟、多尺度方法有望被广泛地用于研究分子簇、生物大分子和超分子体系的结构和动力学行为。

该系列研究得到了国家自然科学基金、国家科技部973项目、教育部博士点基金等的资助。(理论与计算化学研究所)