量子力学和分子力学组合方法

2015-02-13谢湖均雷群芳方文军

大学化学 2015年2期

谢湖均雷群芳方文军

(1浙江工商大学应用化学系浙江杭州310035;2浙江大学化学系浙江杭州310027)

2013年诺贝尔化学奖10月9日在瑞典揭晓，法国斯特拉斯堡大学和美国哈佛大学教授Martin Karplus、美国斯坦福大学医学院教授Michael Levitt和美国南加州大学教授Arieh Warshel因发展复杂化学系统的多尺度模型而共享奖项［1-2］。以前化学家是用塑料的球和棍来搭建和创造分子模型，而现在则是用计算机来辅助建模和计算。分子和化学反应的精确建模对于化学的进步至关重要，化学反应的速度非常快，在几分之一毫秒间，电子就会从一个原子核跳到另一个原子核，经典化学在这里已无用武之地。Karplus、Levitt和Warshel工作的突破意义在于他们设法让量子力学(quantum mechanics，QM)和分子力学(molecular mechanics，MM)结合在化学过程的建模之中。量子力学计算方法可以用来预测电子结构和化学反应机理，精确度很高，但只能用来计算较小的体系。而分子力学的优势在于计算简便，虽然可以用来计算较大的复杂体系，但精确度不够高，而且无法描述化学键生成或断裂的化学反应过程。他们3人的工作结合了两者的长处，发展出量子力学和分子力学组合方法(combined quantum mechanics/molecular mechanics method，QM/MM)。QM/MM组合方法在大分子体系的计算研究中已展现出越来越强大的功能，已经逐步应用到化学、材料、生物学等各个相关学科领域［3-8］。本文就其基本原理和目前的研究进展做简单的介绍。