【基金標(biāo)書】2011CB808500-溶液、界面及蛋白微環(huán)境中分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)的理論方法和計(jì)算模擬

項(xiàng)目名稱： 溶液、界面及蛋白微環(huán)境中分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)的理論方法和計(jì)算模擬首席科學(xué)家： 方維海 北京師范大學(xué)起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部門： 教育部二、預(yù)期目標(biāo)我國的理論化學(xué)發(fā)展水平，與國際最高水平比較，還有較大的差距。我國自己提出和發(fā)展的理論方法和程序只有很有限的幾個(gè)，并且還沒有得到廣泛的應(yīng)用。要在國際理論化學(xué)界占有一席之地，我們必須大力發(fā)展自己的理論和計(jì)算方法，建立擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算軟件系統(tǒng)。但另一方面，我 們也看到，利用已有的量子化學(xué)方法和軟件包，已經(jīng)能 夠?qū)Υ罅康幕瘜W(xué)、材料、生物及 環(huán) 境等領(lǐng)域的問題進(jìn)行研究，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。因此， 對(duì)這些領(lǐng)域的重大問題進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算和模擬也是理論與計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的重要組成部分。鑒于上面的考慮，本項(xiàng)目的 總體目標(biāo)是：發(fā)展新的理論化學(xué)方法和相應(yīng)的計(jì)算手段，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)雜環(huán)境中分子的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，獲得原創(chuàng)性強(qiáng)、能產(chǎn)生重要國際影響的成果；同時(shí)建立并完善電子結(jié)構(gòu)理論和化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法體系，搭建理論化學(xué)計(jì)算模擬平臺(tái)，使我們?cè)趪H理論化學(xué)界占有一席之地。五年預(yù)期目標(biāo): （1）發(fā)展單參考耦合簇理論框架下的電子相關(guān)方法，準(zhǔn)確的描述系列小分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理；發(fā)展基于能量的分子片方法，實(shí)現(xiàn)溶液中分子結(jié)構(gòu)、光譜和反應(yīng)性的從頭算模擬；（2）發(fā)展多尺度的化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論和數(shù)值計(jì)算方法，實(shí)時(shí)探索凝聚相分子構(gòu)象和化學(xué)反應(yīng)等動(dòng)態(tài)過程，分析超快多維光譜背后的物理化學(xué)本質(zhì)；（3）完善 QM/MM 近似方法，拓展基于 QM/MM 近似的基態(tài)自由能計(jì)算方法到激發(fā)態(tài)，建立非絕熱自由能途徑和自由能面交叉結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法以及自由能面上躍遷幾率的計(jì)算方法；（4）編制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算模擬程序包，搭建溶液中分子結(jié)構(gòu)、光譜和反應(yīng)過程的理論計(jì)算模擬平臺(tái);（5）在理論計(jì)算模擬的基礎(chǔ)上，弄清系列羰基化合物水溶液光解離機(jī)理和核酸堿基激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)過程；（6）探明溶液中固氮酶、氫酶、核苷水解酶和蛋白激酶的催化機(jī)制，揭示生物酶對(duì)底物的選擇性和底物對(duì)酶活性調(diào)控作用的微觀本質(zhì)；（7）建立溶液中固體表面溶劑化的理論模型、表面反應(yīng)過渡態(tài)搜索方法和多尺度動(dòng)力學(xué)模擬手段，應(yīng)用于預(yù)測(cè)溶液中表面重構(gòu)、腐蝕和催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程，獲得一些有普遍規(guī)律性的溶液催化動(dòng)力學(xué)理論。三、研究方案要從理論上可靠預(yù)示溶液/界面及蛋白環(huán)境中分子的結(jié)構(gòu)特性和化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，透徹理解氣相分子的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性是關(guān)鍵的第一步。因此，必須發(fā) 展高精度的電子相關(guān)方法，這就是課題 1 的主要研究內(nèi)容。電子結(jié) 構(gòu)計(jì)算可以得到分子的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)能壘，但要實(shí)時(shí)描述復(fù)雜環(huán)境中反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程，多尺度的動(dòng)力學(xué)方法是必不可少的，這正是課題 2 所要解決的關(guān)鍵問題。一旦建立了處理氣相分子性質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)理論和動(dòng)力學(xué)方法，隨后的問題就是如何處理環(huán)境效應(yīng)。課題 1 采用基于能量的分子片方法實(shí)現(xiàn)溶劑效應(yīng)的從頭算模擬，課題 2通過引入隨機(jī)場(chǎng)處理分子體系與環(huán)境的耦合動(dòng)力學(xué)，課題 3，4 和 5主要是應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)模擬和統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法處理溶劑、界面和蛋白環(huán)境對(duì)分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性的影響。發(fā)展理論方法的目的是為了解決分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際問題。在這一思想的指導(dǎo)下，本項(xiàng)目的五個(gè)課題都開展實(shí)際體系的計(jì)算模擬工作，但 課題 1 和 2 以測(cè)試?yán)碚摲椒ǖ挠行詾橹?，而課題 3，4和 5 則主要是解決溶液光化學(xué)、生物酶催化和多相催化的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)問題。概而言之，本 項(xiàng)目采用從氣相到溶液、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從理論到應(yīng)用的技術(shù)路線，開展溶液、界面以及蛋白環(huán)境中分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)的理論計(jì)算模擬工作。發(fā)展高精度的電子結(jié)構(gòu)理論、動(dòng)力學(xué)方法和線性標(biāo)度的理論計(jì)算手段等方面，人們做了大量深入的研究工作，取得了令人矚目的成功。但是其計(jì)算精度和計(jì)算效率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們解決實(shí)際問題的需求。本項(xiàng)目將發(fā)展耦合簇理論框架下塊定域化和多參考態(tài)的電子相關(guān)方法，著力提高電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的精度和效率；將建立處理復(fù)雜體系的量子、量子半經(jīng)典、直接從頭算和粗?；膭?dòng)力學(xué)方法體系，定量精確地描述不同環(huán)境中分子結(jié)構(gòu)和性能隨時(shí)間的變化規(guī)律；將得到溶液/界面溶劑化理論模型、表面反應(yīng)過渡態(tài)搜索手段和非絕熱自由能途徑優(yōu)化方法，預(yù)測(cè)溶液/界面反應(yīng)過程的機(jī)理。建立新的理論和方法體系并搭建計(jì)算模擬平臺(tái)，是本項(xiàng)目的主要特色和創(chuàng)新點(diǎn)。通過項(xiàng)目的實(shí)施，將在電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論方法研究中取得突破性進(jìn)展，獲得原創(chuàng)性強(qiáng)的成果，在國際上占有一席之地。先前的理論計(jì)算模擬工作主要集中氣相、孤立分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)。然而，絕大多數(shù)真 實(shí)分子體系的化學(xué)反應(yīng)是發(fā)生在溶液中或表面上，分子間的相互作用與分子內(nèi)的物理和化學(xué)過程相互耦合，產(chǎn)生了一系列相互關(guān)聯(lián)的過程。即使采用時(shí)間和空間高分辨能力的光譜和衍射實(shí)驗(yàn)技術(shù)，要在原子水平上描述分子內(nèi)和分子間每一個(gè)自由度隨時(shí)間的變化也是不可能的。而電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和動(dòng)力學(xué)模擬在這方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目旨在發(fā)展不同精度的電子結(jié)構(gòu)理論和多尺度的動(dòng)力學(xué)方法，重點(diǎn)解決溶液、界面和蛋白環(huán)境中分子的電子結(jié)構(gòu)、光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和介質(zhì)中能量弛豫等實(shí)際問題。這是本項(xiàng)目的另一特色和創(chuàng)新點(diǎn)。通過本項(xiàng)目研究，解決系列分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性以及環(huán)境效應(yīng)的微觀本質(zhì)問題，發(fā)現(xiàn)其中的新現(xiàn)象和新規(guī)律。本項(xiàng)目的課題負(fù)責(zé)人和骨干成員長期從事發(fā)展理論方法和解決實(shí)際問題應(yīng)用研究，但各有自己的主攻方向和側(cè)重領(lǐng)域。他們?cè)谘芯抗ぷ髦幸呀?jīng)取得了國際同行認(rèn)可的成績，為本項(xiàng)目的研究奠定了扎實(shí)的前期基礎(chǔ)，是本項(xiàng)目研究取得突破性進(jìn)展的關(guān)鍵因素。我們將在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮研究功底深厚、思想活躍研究隊(duì)伍的潛力，明確研究重點(diǎn)和突破的方向，有國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃的支持，定能實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的目標(biāo)。四、年度計(jì)劃2011 年度：（1）發(fā)展和改進(jìn) QM/MM 計(jì)算方法，探索從頭算方法和密度泛函作為 QM 計(jì) 算的可用性，確定適宜的量子化學(xué)方法和相關(guān)的活化空間；（2）應(yīng)用 QM/MM 組合方法，研究噻吩、呋喃、吡啶和DNA 的堿基的激發(fā)態(tài) 性質(zhì)和光反應(yīng)機(jī)理， 獲 得勢(shì)能面錐形交叉結(jié)構(gòu)和激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)基本信息。 （3）在單參考 CC 理論框架下，發(fā)展并完善基于 UHF 波函數(shù)的 CCSD(T)-h 方法，實(shí)現(xiàn)程序化。開發(fā)基于能量的分子片方法的高效計(jì)算程序，研究較大“分子簇 ”的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在DFT/TDDFT 理論框架下發(fā)展有效計(jì)算方法，研究分子聚集體或構(gòu)筑基元的激發(fā)態(tài)、分子在激發(fā)態(tài)上的馳豫等過程。 （4）建立模擬水解酶、脫羧酶、 P450 酶、固氮 酶、蛋白激 酶等酶催化過程的 QM/MM 計(jì)算模型。 （5）將致力于非微擾量子級(jí)聯(lián)主方程方法和隨機(jī)化方法的完善和進(jìn)一步發(fā)展，特別是針對(duì)重要化學(xué)體系如光合作用等系統(tǒng)、量子輸運(yùn)、量子測(cè)量等過程的特點(diǎn)，發(fā)展高效計(jì)算方法并編寫計(jì)算程序。 （6）依靠第一性原理 DFT 計(jì)算， 發(fā)展并采用適合的參數(shù)化的連續(xù)介質(zhì)模型, 并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究水和簡單電解質(zhì)在固體表面的吸附，排列和極化。探索和尋找更快速的表面反應(yīng)過渡態(tài)的方法，研究溶液對(duì)表面簡單化學(xué)反應(yīng)的影響。項(xiàng)目的第一年有望在電子結(jié)構(gòu)理論、動(dòng)力學(xué)方法和 QM/MM 組合方法以及相關(guān)的計(jì)算軟件開發(fā)方面取得進(jìn)展。相關(guān)的研究工作將發(fā)表高水平論文 20-25 篇。2012 年度：（1）進(jìn)一步完善 QM/MM 計(jì)算方法，重點(diǎn)發(fā)展基于QM/MM 近似的自由能途徑優(yōu)化方法。完成激發(fā)態(tài)半經(jīng)驗(yàn)的 QM/MM直接分子動(dòng)力學(xué)（MD） 計(jì)算模擬，用統(tǒng)計(jì)平均的方法，計(jì)算激發(fā)態(tài)自由能途徑的壘高和絕熱反應(yīng)的速率。 （2）用 QM/MM 自由能方法，優(yōu)化激發(fā)態(tài)上自由能途徑和自由能面的交叉點(diǎn)，定性的分析非絕熱光反應(yīng)過程，借鑒勢(shì) 能面經(jīng)典軌跡和躍遷幾率的概念，發(fā)展自由能面交叉點(diǎn)附近的躍遷幾率計(jì)算方法，定量描述溶液光反應(yīng)非絕熱過程的速率。（3）應(yīng)用于研究苯甲酸、苯甲醛和苯乙酮等羰基化合物水溶液的光解離反應(yīng)，探索 勢(shì)能面錐形交叉結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的內(nèi)轉(zhuǎn)換過程的溶劑效應(yīng)，闡明系列羰基化合物水溶液光反應(yīng)的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)。(4) 發(fā)展組合VB/MM 計(jì)算方法，開展含硫鐵簇金屬酶和含鋅金屬酶的計(jì)算模擬研究。 （5）發(fā)展并完善基于 UHF 波函數(shù)的 CCSD(TQ)-h 方法，實(shí)現(xiàn)程序化；利用基于能量的分子片方法，研究溶液相中分子的電子光譜，獲得溶液相中分子的微觀結(jié)構(gòu)信息。 （6）將非微擾量子級(jí)聯(lián)主方程方法和隨機(jī)化方法應(yīng)用于分子聚集體中相干能量轉(zhuǎn)移過程及其光譜特征、量子輸運(yùn)、量子 測(cè)量等研究，探討量子系統(tǒng)與環(huán)境相互作用對(duì)相干能量轉(zhuǎn)移的影響。建立多自由度體系的粗?；碚摽蚣?。在此基礎(chǔ)上，探索有效的近似粗?；瘎?dòng)力學(xué)方法的可能性，分析其適用范圍。同時(shí)，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬和量子化學(xué)從頭計(jì)算方法，為粗?；Ｐ吞峁┪锢韰?shù)并驗(yàn)證模擬的有效性。 （7）發(fā)展第一性原理的電化學(xué)理論研究方法，利用修改的 Poisson-Boltzmann 理論對(duì)帶電固體表面總能量進(jìn)行計(jì)算，以燃料電池有關(guān)的電催化反應(yīng)為研究重點(diǎn)，比如以在金屬表面上的氧氣還原反應(yīng)為例，研究 Pt 合金催化劑 的性能，考察表面電壓對(duì)表面形貌、化學(xué)反應(yīng)的影響，同時(shí)研究一些相關(guān)譜學(xué)（如 Raman）性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)對(duì)照。項(xiàng)目第二年主要完善電子結(jié)構(gòu)理論和動(dòng)力學(xué)方法，測(cè)試方法的可靠性和可用性，同時(shí)解決溶液、金屬表面和蛋白中一些結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性問題。相關(guān)的研究工作將發(fā)表高水平論文 30-35 篇。2013 年度：（1）完善基于 QM/MM 近似的非絕熱自由能途徑優(yōu)化方法，重點(diǎn)開展尿嘧啶、尿苷、 鳥嘌呤、 鳥苷等化合物溶液光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和堿基激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)的核酸環(huán)境效應(yīng)的計(jì)算模擬；（2）發(fā)展 NPT 系綜的耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法，完成模擬程序的編寫工作，在該 系綜下重復(fù) NVT 系綜下的動(dòng)力學(xué)過程，并做比較和分析；改變?nèi)芤褐宣}的濃度，模擬抗菌肽和細(xì)胞膜相互作用過程。近一步優(yōu)化耗散粒子動(dòng)力學(xué)中的力學(xué)參數(shù)，將分子動(dòng)力學(xué)和 DPD等溫系綜結(jié)合，完善 NPT 系綜的耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法。 （3）開展蛋白質(zhì)環(huán)境下化學(xué)反應(yīng)過程的計(jì)算研究，闡明幾類酶體系蛋白質(zhì)環(huán)境對(duì)催化活性調(diào)控的分子機(jī)制，完成 VB/MM/PCM 方法程序的編寫。 （4）用 QM/MM 組合方法，研究染料分子與蛋白質(zhì)分子和溶劑環(huán)境的相互作用等?？紤]蛋白質(zhì)分子和溶劑環(huán)境對(duì)染料分子的位能和染料分子間相互作用的影響。同時(shí)研究存在于弱相互作用體系中的長程電子相關(guān)效應(yīng)等。 （5）利用修正算符微擾理論，探索新的非絕熱半經(jīng)典初值表示動(dòng)力學(xué)方法并應(yīng)用于物理模型和簡單化學(xué)體系。借助半經(jīng)典近似，發(fā)展一般環(huán)境對(duì)體系誘導(dǎo)的隨機(jī)場(chǎng)的有效計(jì)算方法。探索經(jīng)典和量子耗散體系非高斯環(huán)境的處理手段，研究非高斯性對(duì)體系動(dòng)力學(xué)的影響以及在量子演化中所起的特殊作用，闡明環(huán)境造成的不同量子單元漲落的相關(guān)性對(duì)復(fù)雜分子體系中退相干及能量轉(zhuǎn)移過程的影響。 （6）采用結(jié)合均勻介質(zhì)模型和真實(shí)原子動(dòng)力學(xué)模擬研究晶體表面有水層和緊密吸附層的結(jié)構(gòu)，以及在反應(yīng)條件下的競(jìng)爭(zhēng)吸附等；在周期性計(jì)算方法中的實(shí)現(xiàn)體系的電壓可變，即系統(tǒng)電子數(shù)可調(diào)，研究溶液條件下金屬團(tuán)簇，納米粒子或復(fù)雜氧化物上的一些重要催化反應(yīng)。著重考慮更好地處理快反應(yīng)步驟，有效轉(zhuǎn)換表面模型到兩維的格子模型，并能夠有效考慮大量物種間相互作用。項(xiàng)目第三年繼續(xù)完善電子結(jié)構(gòu)理論和動(dòng)力學(xué)方法，但重點(diǎn)是解決溶液、金屬表面和蛋白中一些結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性問題。在大量激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)模擬、溶液中化合物光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理以及溶劑效應(yīng)研究基礎(chǔ)上，在基于 CCSDT、QM/MM 和不同尺度的動(dòng)力學(xué)方法上取得突破性進(jìn)展，在解決復(fù)雜環(huán)境中激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的環(huán)境效應(yīng)方面，發(fā)現(xiàn)新的 現(xiàn)象和規(guī)律，深刻理解環(huán)境調(diào)控作用的本質(zhì)，發(fā)表相關(guān)的高水平研究論文 35-40 篇，并多次在國際 學(xué)術(shù)會(huì)議上交流研究成果。2014 年度：（1）完善多尺度的電子結(jié)構(gòu)理論和動(dòng)力學(xué)方法，使其成為研究溶液光化學(xué)反應(yīng)和復(fù)雜環(huán)境中結(jié)構(gòu)及態(tài)動(dòng)力學(xué)的有效工具，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是基于 GPU 的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的發(fā)展， 建立結(jié)構(gòu) 優(yōu) 化和動(dòng)力學(xué)模擬平臺(tái)，精確的 優(yōu)化不同環(huán)境中的反應(yīng)途徑，開展 DNA 光損傷和光修復(fù) 過程的理論計(jì)算模擬，在光生物過程的微觀本質(zhì)認(rèn)識(shí)方面取得突破。 （2）開展納米粒子和蛋白作用過程的計(jì)算模擬研究，探索納米微結(jié)構(gòu)環(huán)境對(duì)生物化學(xué)過程的調(diào)控作用。 （3）研究能量傳遞、電荷轉(zhuǎn)移以及激子間的相干效應(yīng)，為制備長距離能量、電荷傳輸?shù)姆肿悠骷峁├碚撝笇?dǎo)。 （4）在前期工作的基礎(chǔ)上完善非絕熱半經(jīng)典初值表示即時(shí)生成動(dòng)力學(xué)方法和程序，闡明重要溶液以及生物相關(guān)的光化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)理，揭示溶劑效應(yīng)。建立不同層次的有效粗?；瘎?dòng)力學(xué)算法并實(shí)現(xiàn)程序化，研究分子體系的自組裝等過程。 （5）采用大規(guī)模的并行理論計(jì)算模擬，解釋電化學(xué)、光激發(fā)條件下的反應(yīng)機(jī)理，取得一些有普遍規(guī)律性的催化動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)一些相關(guān)的催化劑設(shè)計(jì)產(chǎn)生指導(dǎo)意義。利用在電化學(xué)催化中的研究基礎(chǔ)和理論計(jì)算方法，對(duì)光降解水等光催化過程進(jìn)行基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)研究，尋找反應(yīng)的決速步，反應(yīng)的表面形貌控制關(guān)系，提出表面光催化過程普遍機(jī)理。項(xiàng)目第四年與第三年的總體目標(biāo)基本相同，繼續(xù)完善電子結(jié)構(gòu)理論和動(dòng)力學(xué)方法，但重點(diǎn)是解決復(fù)雜環(huán)境中分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性問題。在認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性的微觀本質(zhì)上取得突破性進(jìn)展，在 DNA 堿基激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)、溶液中羰基化合物的光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、表面光催化反應(yīng)和光生物過程的計(jì)算模擬方面，取得創(chuàng)新性的研究成果，發(fā)表高水平的研究論文 35-40 篇，在國際學(xué)術(shù)會(huì)議上做大會(huì) 報(bào)告 3-5 人次，主辦1 次溶液光化學(xué)和復(fù)雜環(huán)境激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)方面的專題國際研討會(huì)。2015 年度：（1）建立并完善不同精度、不同層次的量子力學(xué)、分子力學(xué)、量子動(dòng)力學(xué)、量子-半經(jīng)典動(dòng)力學(xué)、分子 動(dòng)力學(xué)、粗?；暮纳⒘Ｗ觿?dòng)力學(xué)以及它們的組合方法，完善復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境中的理論化學(xué)方法，創(chuàng)制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、基于不同近似的絕熱和非絕熱過程計(jì)算軟件，搭建復(fù)雜環(huán)境中分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)性計(jì)算模擬平臺(tái)；（2）利用自己發(fā)展的方法和計(jì)算模擬平臺(tái)，系統(tǒng)研究羰基化合物光化學(xué)反應(yīng)、DNA 光損傷以及光修復(fù) 過程、酶催化反應(yīng)、晶體表面催化的溶劑效應(yīng)；探索不同環(huán)境中化學(xué)反應(yīng)性特點(diǎn)和規(guī)律， （3）總結(jié)和整理理論方法和應(yīng)用研究的成果，同時(shí)發(fā)現(xiàn)新的挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。相關(guān)的研究成果將發(fā)表高水平論文 30-40 篇，撰寫相關(guān)的 綜述性論文 5-8 篇，主辦 2 次溶液光化學(xué)和復(fù)雜環(huán)境激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)方面的專題國際研討會(huì)，使我們的研究工作在國際上產(chǎn)生重要影響，并占有一席之地。一、研究內(nèi)容本項(xiàng)目將圍繞三個(gè)科學(xué)問題，發(fā)展新的理論思想、方法和相應(yīng)的計(jì)算手段，并用以闡明復(fù)雜環(huán)境中分子的電子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過程的本質(zhì)， 主要研究內(nèi)容包括：（1）發(fā)展耦合簇理論框架下高精度的電子相關(guān)方法。通過將正則非限制性的 Hartree-Fock 軌 道變換為“ 對(duì)應(yīng)”軌道，使分子軌道分成“活化”和“ 非活化” 兩個(gè)部分。在此基 礎(chǔ)上，高重激 發(fā)組態(tài)的貢獻(xiàn)也可分為“ 活化” 和“ 非活化” 兩部分，而被分 別處 理。采用這種分而治之的辦法，可確保耦合簇計(jì)算的精度不變，但可顯著提高其計(jì)算效率。在塊定域化耦合簇理論中，采用推廣的價(jià)鍵組態(tài)波函數(shù)，發(fā)展出多參考態(tài)耦合簇新方法。與目前流行的電子結(jié)構(gòu)方法相比，這兩類方法將在保證高精度的同時(shí)，大大提高計(jì)算效率。（2）基于能量的分子片方法和溶劑效應(yīng)的從頭算模擬。首先，采用量子/ 經(jīng)典力學(xué)近似和基于能量的分子片方法，對(duì)由溶質(zhì)分子和其緊鄰的溶劑分子組成的“ 分子簇 ”進(jìn)行從頭算 處理，而更外層的溶劑分子則用分子力場(chǎng)處理；然后，將蒙特卡羅模擬和自由能微擾方法相結(jié)合，計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的溶劑化自由能變化，并與氣相反應(yīng)比較，獲得溶劑效應(yīng)的定量信息；最后，將應(yīng)用基于能量的分子片方法，計(jì)算溶液相中分子的振動(dòng)光譜和電子光譜，通過與實(shí)驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)的比較，獲得溶液相中分子的微觀結(jié)構(gòu)信息。（3）發(fā)展針對(duì)不同尺度的凝聚相化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論。我們將探索一般環(huán)境的非高斯場(chǎng)特征，特別是用半經(jīng)典近似研究環(huán)境的量子效應(yīng)，從基本量子和經(jīng)典力學(xué)入手，建立準(zhǔn)確描述熱庫影響但只包括感興趣的模式的動(dòng)力學(xué)主方程。同時(shí)拓展和改進(jìn)已有的非絕熱過程量子半經(jīng)典方法，發(fā)展直接從頭算動(dòng)力學(xué)方法和程序。（4）針對(duì)處理溶液光化學(xué)反應(yīng)的需要，發(fā)展基于量子/經(jīng)典力學(xué)（QM/MM）近似的反應(yīng)自由能途徑優(yōu)化方法，重點(diǎn)解決羰基化合物溶液光化學(xué)反應(yīng)和核酸堿基激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)的微觀本質(zhì)問題。首先將半經(jīng)驗(yàn)組態(tài)相互作用方法與 Amber 分子力場(chǎng)相結(jié)合，完成半經(jīng)驗(yàn)的QM/MM 直接分子動(dòng)力學(xué)（MD）計(jì)算模擬，并用 統(tǒng)計(jì)平均的方法，計(jì)算自由能途徑壘高和絕熱反應(yīng)速率。其次，拓展基態(tài)從頭算 QM/MM自由能方法到激發(fā)態(tài)，優(yōu)化激發(fā)態(tài)上自由能途徑和自由能面的交叉點(diǎn)，定性的分析非絕熱光反應(yīng)過程。最后，借鑒勢(shì)能面經(jīng)典軌跡和躍遷幾率的概念，發(fā)展自由能面交叉點(diǎn)附近的躍遷幾率計(jì)算方法，定量描述非絕熱光反應(yīng)過程。（5）應(yīng)用不同尺度的量子/經(jīng)典力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法，模擬溶液中生物酶的結(jié)構(gòu)特征和酶催化反應(yīng)機(jī)理，闡明生物酶對(duì)底物選擇性識(shí)別以及底物對(duì)生物酶功能調(diào)控的分子基礎(chǔ)；對(duì)底物和生物酶活性部位的氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成過程進(jìn)行研究，探索生物酶突變體引起的活性部位結(jié)構(gòu)變化以及與底物之間氫鍵網(wǎng)絡(luò)的變化，揭示生物酶的結(jié)構(gòu)活性關(guān)系。（6）溶液中晶體表面催化反應(yīng)的理論和計(jì)算模擬。依靠基于第一性原理計(jì)算的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，采用參數(shù)化的連續(xù)介質(zhì)模型、分子動(dòng)力學(xué)模擬和動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛方法，建立合適的熱力學(xué)性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)過程的多尺度計(jì)算方法。以 Pt 催化的氧氣還原（ ORR）為反應(yīng)體系，探索溶劑對(duì)反應(yīng)各基元步驟的影響，理清反應(yīng)機(jī)理，尋找更穩(wěn)定、活性更高的新催化材料。