分子力學(xué)(molecular mechanics)建立在經(jīng)典力學(xué)理論基礎(chǔ)上,借助經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算分子結(jié)構(gòu)和能量的方法,又稱力場方法(force field method)。目前廣泛地用于計(jì)算分子的構(gòu)象和能量。這一方法的產(chǎn)生可以追溯到M. Born和R. Oppenheimer (1927年),P.M. Morse (1929年),以及D.H.Andrews(1930年)的工作。
簡介
該方法的基本思想是將分子看作是一組靠彈性力維系在一起的原子的集合。這些原子若過于靠近,則會受到排斥力的影響;若遠(yuǎn)離,則會造成連接它們的化學(xué)鍵的拉伸或壓縮、鍵角的扭曲,引起分子內(nèi)部引力的增加。每個(gè)真實(shí)分子的結(jié)構(gòu),都是上述幾種作用達(dá)到平衡的結(jié)果。
在分子以及凝聚體內(nèi)部,化學(xué)鍵都有“自然”的鍵長值和鍵角值,當(dāng)滿足這些條件時(shí),體系的能量、以及內(nèi)部原子間的相互作用均應(yīng)滿足某種極值條件。
特征
在分子內(nèi)部,化學(xué)鍵都有“自然”的鍵長值和鍵角值。分子要調(diào)整它的幾何形狀(構(gòu)象),以使其鍵長值和鍵角值盡可能接近自然值,同時(shí)也使非鍵作用處于最小的狀態(tài)。在某些有張力的分子體系中,分子的張力可以計(jì)算出來。但直到1946年,T.L.Hill才提出用Van derWaals作用能和鍵長、鍵角的變形能來計(jì)算分子的能量,以優(yōu)化分子的空間構(gòu)型。Hill寫道:“分子內(nèi)部的空間作用是眾所周知的。
1、基團(tuán)或原子之間靠近時(shí)則相互排斥;
2、為了減少這種作用,基團(tuán)或原子就趨于相互離開,但是這將使鍵長伸長或鍵角發(fā)生彎曲,又引起了相應(yīng)的能量升高。最后的構(gòu)型將是這兩種力折衷的結(jié)果,并且是能量最低的構(gòu)型”。同時(shí),Dostro-vsky和Westeimer成功地用比較方便的方式處理各種鹵族元素原子參與的SN2反應(yīng)速率,得到了比較令人滿意的結(jié)果。至此,分子力學(xué)的思想和方法就建立起來了。
雖然,Westeimer的有關(guān)計(jì)算表明,分子力學(xué)可以說明分子的構(gòu)象、能量等一些性質(zhì),但在40年代分子力學(xué)并沒有得到發(fā)展。直到50年代以后,隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展,用分子力學(xué)來確定和理解分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究才越來越多。直到這時(shí),才可以說分子力學(xué)已成為結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的重要方法之一。近幾年來,隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,分子力學(xué)方法已不僅能處理一般的中小分子,也不僅主要應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域,而且能處理大分子體系。在其他的一些領(lǐng)域,如生物化學(xué)、藥物設(shè)計(jì)、配位化合物中,都有了廣泛的應(yīng)用。
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