基于电负性均衡原理方法准确计算分子中的原子电荷

摘要

分子中的原子电荷分布是量子化学的重要性质，在分子模拟、力场计算以及QSAR/QSPR的研究中都是非常重要的参数。采用量子化学从头算或密度泛函基组计算均需要耗费大量机时，对于有机大分子的电荷计算尤其如此。本文依据密度泛函理论下的电负性和电负性均衡模型，通过考察分子的化学环境和成键状态，将组成原子分为不同的类型，并采用全局优化方法，构建新的EEM模型，以对大分子或大量分子的原子电荷分布进行准确的计算。 为了验证我们提出的关于化学环境影响不同原子的电负性和硬度价态参数值，第二章中，我们构建了基于拆分一组合的电负性均衡方法，认为不同化学环境的同类元素原子具有不同的电负性和硬度价态参数，并以正丙醇分子为例，分别构建两个包含正丙醇子结构正丙基和羟基的训练集，采用粒子群优化算法进行优化得到各不同原子类型的参数值。同时对其他分子的原子电荷采用上述方法也进行了计算。 为了克服拆分—组合电负性均衡方法的一些缺陷，我们在此基础上提出新的改进EEM模型。不同于第二章中将所有化学环境不同的原子视作具有不同的电负性和硬度价态参数值，在第三章中，简化为认为具有不同成键状态的同类原子具有不同的参数值。通过选取141个分子，采取微分进化算法进行全局优化以得到各不同原子类型的参数值。采用这些参数对结构复杂的大分子进行了计算，与基本EEM模型相比，本文所提出的改进EEM模型对原子的电荷计算有明显的改善。 杂环药物分子和多肽分子是两类重要的有机化合物，对其电荷的计算具有现实的意义。第四章选取了一些结构较为复杂的杂环药物分子和较大的多肽分子原子电荷进行了计算，并以计算结果讨论了第三章的划分方法，以期进一步改善EEM模型。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1电负性的基本概念

1.2一些重要的基团电负性标度

1.2.1 Huheey的基团电负性模型

1.2.2 Sanderson电负性

1.2.3 Geerlings电负性

1.3电负性均衡原理

1.3.1引言

1.3.2 Motier的电负性均衡原理

1.3.3双原子分子的电负性均衡

1.4.其他的电负性均衡模型

1.4.1修正的电负性均衡模型(MEEM)

1.4.2原子-键电负性均衡模型(ABEEM)

1.5本论文研究内容

第二章基于拆分-组合的电负性均衡方法

2.1理论方法

2.2参数标定

2.3结果与讨论

2.4小结

第三章改进的电负性均衡方法

3.1理论方法

3.2全局优化方法的选择

3.2.1离子群优化算法

3.2.2加速随机搜索算法

3.2.3微分进化算法

3.3.结果与讨论

3.3.1数据分析与讨论

3.3.2对大分子原子电荷的预测

3.3.3与EEM和ABEEM模型的比较

3.3.4训练集元素的可扩展性

3.4小结

第四章改进的电负性均衡方法应用

4.1引言

4.2杂环类药物分子的电荷分布

4.3多肽分子的电荷分布

4.4小结

参考文献

致谢

攻读学位期间主要研究成果