氨的氢键数的分子动力学模拟研究

黎多来，周昌林，李东凯，孙振范，冯华杰

（海南师范大学 化学与化工学院，海南 海口 571158）

测量液体的氢键需要复杂昂贵的设备，一般条件下难以通过实验来研究.而分子动力学（Molecular Dynamics，MD）是研究流体结构的有力工具，据此可对流体的微观本质作深入、系统的研究[1-4].

大气中的氨是最重要的碱性气体之一，对大气化学和生态平衡产生重要影响[5-8].Ricci等[9]对低温213 K和273 K条件下的液体NH3、ND3、NH3/ND3做了一系列中子衍射实验，获得了液体NH3中存在氢键的实验证据.Boese[10]等采用从头计算量子化学和分子动力学模拟研究了氨的氢键.

本文采用分子动力学模拟方法，使用两种不同的控温方式计算了氨在较宽温度和压力范围的氢键数，并与文献值进行比较，验证了所采用的模拟方法的合理性.

1 模拟方法

MD模拟采用TINKER v5.0程序包，OPLS-AA（optimized potentials for liquid simulations，all-atom）全原子力场[11]，参数见表1至表3.表1，2，3中，kb为键伸缩的弹力常数，r0为平衡键长，kθ为键角弯曲的弹力常数，θ0为平衡角，σ与ε为势能参数，σ反映原子间的平衡距离，ε反映势能曲线的深度.

表1 OPLS-AA力场中键的伸缩项参数Tab.1 OPLS-AA Bond Stretching Parameters

表2 OPLS-AA力场中键角弯曲项参数Tab.2 OPLS-AA Angle-Bending Parameters

表3 OPLS-AA力场中非键结势能参数Tab.3 OPLS-AA Non-Bonded Parameters

模拟体系包含300个分子.分子间的作用势采用Lennard-Jones势，体系中的长程作用力采用Ewald[13]加和的形式.在模拟过程中，均采用周期性边界条件、Beeman算法求解运动方程.控温方式分别采用Andersen和Berendsen.体系的截断半径为1 nm，时间步长为1 fs.MD模拟在NVT系综进行，先进行200万时间步（2.0 ns）平衡体系，再进行100万时间步（1.0 ns）用来计算氢键数.

2 结果与讨论

在分子模拟中，氢键的定义有能量标准和几何标准两种[13-14].在本文中，所有体系的氢键判断都是采用几何标准.两个氨分子之间，如果同时满足以下三个条件则认为形成氢键：（1）H—N之间的距离小于2.6 Å；……