20xx年秋季学期《计算化学》综述
分子模拟在化学领域的应用进展
班号：10907401
学号：1090740112
姓名：贺绍飞
20xx年哈尔滨工业大学
分子模拟在化学领域的应用进展
摘要:分子模拟作为一种全新的研究手段已经在化学、化工、材料、生物等领域受到了广泛的关注。本文首先对分子模拟进行了简单的介绍，然后举例详细阐述了分子模拟在石油化工领域、超临界流体领域、分子筛吸附、高分子领域以及气体膜分离领域的应用发展，最后展望了分子模拟技术的发展方向。
关键词：分子模拟、问题及发展趋势、应用发展
1. 引言
分子模拟技术是随着计算机在科研中的应用而发展起来的一门新的科学， 是计算机科学和基础科学相结合的产物。
20世纪80年代以来，随着计算机性能的提高以及各种计算化学方法的改进，分子模拟技术日渐成熟，并逐步发展成为人们进行科学研究的一项新的有效的工具，在化学、制药、材料等相关的工业上发挥着越来越重要的作用。
分子模拟之所以受到这样的重视，与它自身的特点和相关学科的发展是密不可分的。以前，采取的都是实验室人工合成一种新型化合物，但是有一些化合物的合成繁琐而复杂，例如具有多种旋光性的药物，每一种新的药物合成都是一个工作量巨大的实验过程，以往只能采用实验手段研究时，新药的实验过程经常持续数十年，其间经历了许多失败的实验，耗费大量的人力物力。但是，在采用分子模拟的方法后，可以通过计算机模拟的手段对实验进行大量的预先筛选，大大加快了这一研究的进程。又如在对超临界流体的研究中，分子模拟和传统的实验相比有着巨大的经济优势。
2. 分子模拟简介
2.1 分子模拟的定义
分子模拟是一个广泛的概念，其包括基于量子力学的模拟和基于统计力学的模拟。前者为计算量子化学(computational quantum chemistry，简称CQC)，后者主要分为两个方法，分别是分子动力学模拟(molecular dynamics，MD)和蒙特卡洛模拟(Monte Carlo，MC)[1]。三者中以计算量子化学的结果最为可靠，但是其计算量也是最大的，通常处理的体系也是比较小的.MC和MD都是基于位能函数的模拟，不同之处在于MD模拟过程与时间相关，除了和MC一样可以处理平衡性质以外，在处理传递性质等与时间相关的问题时有天然的优势，当然MD和MC相比程序的复杂程度要高，计算的难度要大一些。
2.2 分子模拟的方法[2-7]
分子模拟的方法主要有四种：分子力学方法，分子动力学方法、蒙特卡洛方法、量子力学方法。
2.2.1 分子力学方法
分子力学法又称Force Field方法，是在分子水平上解决问题的非量子力学技术。其原理是，分子内部应力在一定程度上反映被计算分子结构的相对位能大小。分子力学法是依据经典力学的计算方法，即依据Born-Oppenheimer原理，计算中将电子的运动忽略，而将系统的能量视为原子核种类和位置的函数，这些势能函数被称为力场。分子的力场含有许多参数，这些参数可由量子力学计算或实验方法得到。该法可用来确定分子结构的相对稳定性，广泛地用于计算各类化合物的分子构象、热力学参数和谱学参数。
2.2.2 分子动力学方法
分子动力学模拟是一种用来计算一个经典多体系的平衡和传递性质的方法。
它对于许多材料来说是一个很好的近似，在许多方面，分子动力学模拟与真实实验相似。它以特定粒子(如原子、分子或者离子等)为基本研究对象，将系统看作具有一定特征的粒子集合，运用经典力学方法研究微观分子的运动规律，得到体系的宏观特性和基本规律。由于分子力学所描述的是静态分子的势能，而真实分子的构象除了受势能影响外，还受到外部因素如温度、压力等条件的影响，在这种情况下，分子动力学方法应当是更合实际、更符合真实状态的计算方法。分子动力学模拟已应用于模拟原子的扩散、相变、薄膜生长、表面缺陷等过程，可得到原子结构因子、状态方程、弹性模量、热膨胀系数、热容和焓等物理量。
2.2.3 蒙特卡洛方法
蒙特卡洛法与一般计算方法的主要区别在于它能比较简单地解决多维或因素复杂的问题，它利用统计学中的许多方法，又称统计实验方法。该方法不像常规数理统计方法那样通过真实的实验来解决问题，而是抓住问题的某些特征，利用数学方法建立概率模型，然后按照这个模型所描述的过程通过计算机进行数值模拟实验以所得的结果作为问题的近似解。因此，蒙特卡洛法是数理统计与计算机相结合的产物。由于高分子链由大量的重复单元构成，聚合反应存在着随机性。分子量的大小分布、共聚物中的序列分布、高分子的构象、降解，都存在着随机性问题，蒙特卡洛法无疑成为研究的最佳对象，几乎从其建立之日起，就在高分子领域得到了应用。
2.2.4 量子力学方法
量子力学方法借助计算分子结构中各微观参数，如电荷密度、键序、轨道、能级等与性质的关系，设计出具有特定动能的新分子。该法所描述的是简单的非真实体系，计算的是绝对温度零度下真空中的单个小分子。其中从头算量子力学计算广泛用于计算平衡几何形状、扭转势以及小分子的电子激发能。随着计算机硬件和算法的发展，已将此技术用到大分子，包括聚合物的低聚物在内的模型，并有较好的效果。
3. 分子模拟在化学领域的应用
3.1 分子模拟在石油化工领域的应用
分子模拟技术与传统的实验手段相结合，正在开拓分子模拟技术在石油化工领域如高分子材料设计、反应过程研究、催化剂和油品添加剂作用机理及分子设计开发等方面的应用新局面，帮助研究人员更深入地理解所研究体系的反应机理，选择更合理的研发途径，更快地进行新分子筛催化剂的改性和开发、高分子复合材料的设计以及油品添加剂复合配方的研制，减少实验工作量，进一步推动在石油化工领域的技术创新[8]。
3.2 分子模拟在超临界流体领域的应用
3.2.1 超临界萃取模拟
超临界萃取由于其在分离和纯化方面的巨大优势已经在工业上得到广泛应用，但在其微观结构和萃取机理方面的研究则相对滞后。特别是从分子间力的层面对许多现象还无法解释，因此各国的研究者们针对超临界混合流体进行了大量的模拟和理论研究。
超临界萃取模拟的核心问题是如何通过计算机模拟重现和预测真实的萃取结果。表征萃取能力的物理量为待萃物在超临界流体中的溶解度，以固体在超临界流体中的溶解度计算为例，传统模拟溶解度的方法是将少量的溶质分子和超临界流体分子放置在同一个模拟盒子内部，然后采用MC或MD方法使分子运动。这种方法在体系达到平衡后仍不能给出一个明显的固
液界面，而只是在体系内出现聚集的分子团。同时，根据团聚程度判断是否达到固-液平衡显然不够准确。另一种方法是将超临界纯流体和纯固体分别放在两个模拟盒子中，通过将两个盒子合并的方法使粒子在浓度差推动下发生运动，最终达到固液平衡，此时模拟盒子中会出现一个明显的固液界面。这种方法的缺点是平衡速度慢，模拟所需粒子数多，因此非常消耗机时。
另外一种方法—Widom方法，最为节约机时，因此受到广大科研工作者的喜爱。其核心思想是向已经达到平衡的纯超临界流体中随机插入虚拟的溶质分子，插入粒子所引起的体系能量变化与这一过程的化学势紧密相关。在最近的研究中，Aibo等[6]采用Widom方法模拟了经典的萘-二氧化碳体系，并将溶解度的模拟结果与Peng-robinson状态方程计算值和相关实验数据进行比较，取得了非常好的结果。
3.2.2 超临界反应模拟
与传统的气、液相反应相比，超临界反应有着转化率高、环境友好、易于后期分离等显著优势。但有关化学反应的分子模拟发展时间较短，目前流行的模拟方法是包括反应的MC 模拟和反应过程受扩散影响下的MD 模拟。
包含反应的MC方法不但可以模拟多个反应同时进行的情况，也可用于反应在多相进行的模拟计算。Turner和Gubbins[9]采用包含反应的MC方法模拟研究了超临界二氧化碳中乙醇和乙酸进行的酯化反应。
与MC方法相比，MD方法主要用于模拟受扩散影响的化学反应的动力学过程，并可进一步求得反应速率常数等过程量。模拟的大致过程如下：与经典MD 相同，模拟开始后所有分子按照经典力学的描述运动，而当其中两个反应物分子（设为双分子反应）间距离小于设定值时，反应物消失，产物生成且带有反应物的动量和能量继续运动，通过统计碰撞的数量即可求得反应速率常数由于MD 模拟程序调试复杂，且判断反应是否发生的分子间距离难以确定，因此现阶段的模拟仍停留在对模型流体、小分子的二聚反应等简单计算上，在超临界反应方面的应用仍未见报道。
分子模拟在超临界领域的应用将大大提高传统实验效率，降低研发成本，缩短工业化周期。
3.2.3 超临界流体在流体相及受限空间中的模拟
在超临界条件下，所有流体都会表现出与常温常压下截然不同的热力学和动力学特性。例如，二氧化碳分子在超临界下结构不再是严格的直线型，体系内出现密度涨落现象等。分子模拟方法不但能重现以上许多实验现象，且能从分子水平对深层机理进行揭示，验证理论研究的正确性。
对于二氧化碳分子，从头计算结果和中子衍射实验均显示其结构在超临界条件下不再是严格的直线型分子。对于体系内的两个二氧化碳分子的相对构型，现有的实验研究手段无法精确确定，而分子模拟则不受高温高压的影响。通过求取包含空间角度的径向分布函数图，MC 和MD 模拟结果均表明，超临界二氧化碳体系中50 的分子都排列在中心分子的赤道平面附近。
3.3 分子模拟在分子筛领域的应用
3.3.1 分子力学法在分子筛的吸附扩散研究中的应用实例
分子力学的计算中不考虑电子运动状态，系统的势能仅与体系中原子核的空间坐标相关，把原子看作是球，化学键看作是弹簧，则分子可以看作是通过具有不同弹性(力常数)的弹簧将各个球(原子)连接起来的体系。其优点是概念简单、
计算速度快，可以处理较大的体系，对处理分子构象、分子热力学性质等的计算已取得了成功。不足之处是分子力学不能提供和电子分布相关的性质，意味着它不能处理电子效应起主导作用的化学体系。
王巍采用基于 Monte Carlo取样方法的分子力学模拟方法，研究了丙烯和4 种 C4单烯烃异构体在丝光沸石内的物理吸附，得到了单组分烯烃在丝光沸石上的等压吸附性能曲线，以及等比例多组分体系和不等比例多组分体系的等压吸附曲线。[10]
3.3.2 分子动力学模拟在分子筛的吸附扩散研究中的应用实例
采用 MD可研究气相小分子在微孔中的扩散性质。June 等采用分子动力学模拟的方法研究了甲烷、丁烷、己烷、氙气在 ZSM- 5 分子筛上的动力学性质，预测得到了自扩散系数，发现 300K 和 400K 下组分自扩散系数均随着吸附量的增大缓慢减小。Gergidis 等采用分子动力学模拟的方法对正丁烷 -甲烷混合物体系在 ZSM- 5 分子筛上的传质性质进行了研究，发现混合物中一个组分的自扩散系数均随着另一个组分吸附量的增加而减小。Sanborn 等运用分子动力学模拟的方法研究了 CF4和任意一种 C1- 10直链烷烃（括甲烷，乙烷，丁烷，己烷辛烷和葵烷）的二元混合物体系在八面沸石中的传质性质和分子筛的结构。表明吸附量不同，不同种类扩散系数的大小不同。侯廷军等采用分子动力学模拟的方法研究了纯硅 MCM- 22 型分子筛 (ITQ- 1)中苯分子的吸附行为。表明在较低吸附值的情况下，分子筛骨架的柔性对苯分子吸附和扩散并没有产生大的影响。苯分子的扩散和吸附主要发生在 12 元环超笼内。
3.3.3蒙特卡罗法在分子筛的吸附扩散研究中的应用实例
利用蒙特卡罗法可得到气体小分子在催化剂中的吸附性质，包括吸附位信息、吸附量和吸附能。GCMC方法最早被用于主体流体的模拟，后来推广到限定空间。巨正则系综 Monte Carlo方法广泛用于研究吸附质的吸附相平衡的研究，它不仅可以模拟分子的静态结构和动态行为 (如氢键的缔合与解缔、吸附、扩散等)，也可以模拟微孔中吸附质的化学势、温度保持恒定时的平衡及预测分子在微孔固体(如分子筛) 中的吸附性质，并且可以计算吸附等温线、结合位、吸附热、扩散途径及分子选择性等。
Monte Carlo 模拟[11]已广泛应用于研究分子筛的吸附性能及分子筛内吸附质的动态分布。Sebastian 等采用实验和 GCMC 相结合的方法研究了 N2，O2，Ar 在 Mn 交换的 A 型和 X 型分子筛中的吸附。实验得到的吸附等温线和模拟得到的吸附等温线基本吻合。在 A型分子筛中 N2，O2，Ar 的吸附量随着 Mn 交换量的增加而增加；在粒状的 X型分子筛中 N2在低压下的吸附量随着 Mn 交换量的增加而增加，在高压下稍微低于未经 Mn 交换的X 型分子筛；在粉末状的 X 型分子筛中，N2的吸附量随着 Mn 交换量的增加而增加。侯廷军等用巨正则蒙特卡罗模拟方法研究了 NaY 分子筛中苯的扩散性质和纯硅 MCM- 22 型分子筛 (ITQ- 1)中苯分子的吸附行为。结果表明，在苯分子的扩散过程中，钠 Y 分子筛中存在两个不同的吸附位点，而苯分子在 ITQ- 1 型分子筛中主要存在 4 个吸附位点。刘洁翔等采用巨正则蒙特卡罗法研究了环戊烷、正戊烷、2- 甲基丁烷和二甲苯异构体在 AlPO4-5 中的吸附，得了有关吸附平衡常数、吸附热、吸附等温线及吸附位等信息。曾勇平等采用 GCMC方法模拟了噻吩 - 苯二元组分和噻吩 - 苯 - 正己烷三元组分在 MFI 和 MOR 沸石中的吸附分离性能。
3.3.4多种分子模拟方法结合研究分子筛的扩散系数
在分子筛的吸附扩散研究中，分子模拟技术已成为必不可少的研究手段。其
中，Monte Carlo方法和分子动力学模拟的组合方法更是得到了广泛的应用，并取得良好的效果。比如，巨正则 Monte Carlo模拟用于研究吸附质的吸附相平衡问题，分子动力学模拟可以广泛地用来研究吸附质在分子筛中的扩散性质。结合分子动力学和巨正则 Monte Carlo模拟可以得到吸附质在分子筛中的静态和动态性质。
Song L J 等通过频率响应法、Monte Carlo和分子动力学相结合的方法对苯、对二甲苯等客体分子在 Silicalite- 1 中不同温度下平衡时的吸附能、吸附位及客体分子在扩散过程中的相互作用能进行了研究，并合理地解析了苯在 Silicalite- 1 中的扩散系数小于甲苯，而饱和环烷烃的扩散系数小于其相应的芳烃的原因。
单一的分子模拟方法已经不能满足现代工业对催化剂的研究和开发（包括分子筛的吸附扩散研究中的应用）所提出的更高的要求，这就要求人们把组合方法更好地应用到这个领域，即对某些关键部位使用精确的量子力学能量函数，而其他部位使用分子力学的位能函数，实现优势互补，使得新方法既能模拟原子数目很大的体系，又能考虑电子的结构及运动，充分发挥分子模拟方法的优势。
3.4 分子模拟高分子领域的应用
计算机模拟已经应用在高分子科学的各个方面，包括模拟高分子溶液、表面和薄膜、非晶态、晶态、液晶态、共混体、嵌段共聚体、界面、生物聚合物、高分子中的局部运动、液晶高分子的流变学、力学性质和电活性等[12 13]。
通过建立高分子的溶解和界面作用的模型，可以模拟固体内表面的几何优化，动力学、震动分析。从而准确地确定高分子混合物的热力学性质，如水合能、蒸汽压、分配系数等。分子模拟同时可以获得小分子气体在高分子材料中扩散的力学性能信息，对合成合适的高分子膜起到很大帮助。它还可以预测各种涂料的界面信息，可以有效指导实验，寻找到最佳涂料。另外，它还可以对高分子的共混相容性和力学性能进行模拟和研究[15 16]。
3.5 分子模拟在气体膜分离领域的应用
3.5.1 分子模拟在高分子膜气体分离中的应用
在溶解-扩散模型中，气体透过膜的渗透系数等于扩散系数和溶解度参数的乘积。因此分子模拟技术在高分子膜气体分离中的研究集中在 描述气体分子在膜孔内和高分子链间的运动轨迹 确定扩散机理。
计算气体小分子(He、Ne、Ar、O2、N2、CO2等)透过高分子膜的扩散系数和溶解度参数，并考察操作条件、分子构型、高分子膜的性质（无定形、玻璃态、橡胶态）与渗透性能间之间的关系。Yin等[14]对丙酮/氮气体系透过聚二甲基硅氧烷膜进行了NVT系综MD模拟 从分子的运动轨迹可以看出大量丙酮进入聚二甲基硅氧烷膜的链内，阻碍了氮气分子的渗透，达到了分离丙酮的目的。
3.5.2 分子模拟在无机膜气体分离中的应用
由于气体分子在无机膜中的传递一般不遵循溶解扩散模型，所以不能像高分子膜那样，通过扩散系数和溶解度的乘积计算渗透系数。气体通过无机膜的渗透系数的计算是通过统计单位时间内渗透到低压区或真空区的分子数获得的。
气体透过无机膜的模拟主要集中在陶瓷膜，对于金属膜和其他复合膜报道很少。研究认为无机小分子在膜孔内的传递主要遵循努森扩散机理，只有当膜孔径很小时(微孔膜)才遵循分子筛分机理。有机蒸气分子的渗透分离主要遵循表面扩散或毛细管冷凝，膜对气体的分离与膜表面效应、膜厚及膜孔结构有关，采用NEMD法可从设计角度研究膜规格(孔径、厚度、孔形状等)对扩散和渗透的影响，并计算渗透方向的分子分布，是分子模拟发展的一个趋势。
4. 分子模拟技术的发展方向
随着计算机硬件的不断发展，在今后一段时间里分子模拟在化学方面的研究可能更多的集中在以下几个方向：
建立新的分子模拟技术研究方法，我们现在所用的模拟方法相对于计算机硬件来讲，多是上个世纪六七十年代提出的；建立新的分子模拟理论，充分利用超级计算机等计算资源，从而达到更高的计算精度；现在随着分子模拟研究的深入，分子模拟逐步由小分子到大分子体系，甚至是多尺度的分子模拟计算，现有的计算方法很难达到这么高的计算要求，这就要求我们不仅要建立新适应大分子的计算方法，还需要开发新的算法，提高运算效率，所以发展新的方法和算法是未来发展的重要方向。
分子模拟会进一步继续被应用在化学中各个领域中，此外，还会与化学与生命科学等交叉学科中发挥重要作用，特别是药物设计，蛋白质-蛋白质作用，蛋白质-配体作用等领域有重要应用前景。
最后，发展新型的分子模拟软件，开发出新型的可用于计算机辅助分子裁剪、分子设计、分子合成以及物性分析等用途的软件，从而使分子模拟具有广阔的应用前景。
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