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计算机辅助分子设计

主办单位: 中国科学院老科协  中国科学院过程工程研究所
承办单位:中科院老科协过程工程所分会,中科院过程工程所离退休办公室
举办时间:2017-07-11       【字号: 访问量:

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简介
主持人致辞
主旨报告
专题报告
交流与讨论
主要专家简介:
  1. 马  兵(主持人):中科院老科协过程工程分会秘书长,过程工程所研究员
  2. 温  浩(主旨报告):中科院过程工程所研究员,长期从事科学数据库和计算机辅助分子设计研究
  3. 韩清珍(专题报告):中科院过程工程所研究员
  4. 安震涛:中科院过程工程所高级工程师
  5. 罗保林:中科院过程工程所研究员
  6. 王玉春:中科院过程工程所研究员
  7. 桂文庄:中科院老科协副理事长,中科院原高技术局局长、研究员
  8. 李佑楚:中科院过程工程所研究员
  9. 傅德贤:中科院过程工程所研究员
  10. 李致洁:中科院老科协副理事长,中科院原企业局局长、研究员
  11. 何远光:中科院老科协执行理事长兼秘书长
  12. 黄淑兰:中科院过程工程所研究员
  13. 戴学刚:中科院过程工程所研究员
  14. 卢立柱:中科院过程工程所研究员
  15. 陆克源:中科院过程工程所研究员
  16. 麻莉雯:中科院老科协办公室主任
  17. 张鸿翔:过程工程所党委副书记、副所长,研究员
展开

【简介】

 

计算机辅助分子设计是基于分子的特性基团、表观性能等,采用适当的计算方法和已有数据库数据,利用计算机模拟分子结构,建立与分子结构对应的性能关系,并结合分子的合成路线,形成其制备技术,以期获得具有新型结构与性能关系的分子物质。作为一新兴前沿学科,计算机辅助分子设计广泛应用于医药、生物、化工、材料、矿物、环境等领域。本次沙龙围绕计算机辅助分子设计如何发展的问题进行讨论。

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【主持人致辞】

 

马兵:欢迎各位专家参加此次学术沙龙活动。从分子水平设计新材料和新产品对过程工程新工艺和新产品的开发具有不可或缺的地位,也可广泛应用于其他行业。今天的学术沙龙主题是“计算机辅助分子设计”,我们荣幸地邀请到过程工程所研究员温浩和副研究员韩清珍作学术报告,他们的题目分别为:计算机辅助分子设计——先行者的困惑与希望;21世纪环境净化技术的新突破——光催化。请大家围绕主题对计算机辅助分子设计如何发展进行讨论。下面请我分会理事长、中科院过程工程所党委副书记、副所长张鸿翔研究员致辞。

张鸿翔:感谢各位老领导、各位专家参加本次学术活动。我们所领导班子对老科协工作一直很重视,所离退休办公室积极协调,并从人力和物力上予以具体支持。希望大家不仅在学术问题上,而且在如何更好地开展老科协工作,发挥科技专家余热上,促进过程工业发展方面予以指导,提出宝贵意见。

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【主旨报告】

 

温浩:计算机辅助分子设计——先行者的困惑与希望

CAMD: Computer-aided Molecules / Mixtures /Materials Design

各位领导,各位专家:很高兴能借老科协学术沙龙的机会,回顾计算机辅助分子设计领域的研究历史与现状并展望未来,与大家分享相我的一些思考。本报告的题目是“计算机辅助分子设计”,实际涉及的内容要广泛得多。如英文标题所示,除了单一分子设计,还包括混合物和材料的设计等。本人自研究生起,基本从事此领域的研究工作,至今有三十余年。我的导师许志宏先生曾语重心长地对我说,他们那一代人由于历史的原因,没有走向世界的机会,寄希望于我们这一代,走向世界,到达本领域科技前沿。我一直谨记许老师的期望,努力做好研究工作。虽然对取得的成果不甚满意,但可以说,我们走了出去,看到了外部世界,看到了我们与外部世界的差距,有了较为明确的发展方向。 

分子设计理念早在上世纪50年代即已形成,主要源于数学模拟方法论的变革,至80年代中期逐步形成共识。最早涉及药物分子设计。此后随着多学科的交叉,基础数据的积累,计算与检测技术的发展,在国际上发展成为一重要的新兴前沿学科。国内外许多大学已有相关的专门专业学科设置,研究机构众多。其研究成果广泛应用于多个行业(图1-1)。

 

图1-1 分子设计理念的形成与发展

计算机辅助分子设计(CAMD)的基本过程如图1-2所示。首先提出CAMD问题和所设计的化学品的预期目标,然后选择适当的模拟方法和约束条件,接着对CAMD问题进行计算求解;对所取得的结果进行可行性分析,然后筛选化合物。设计过程往往需要循环运作,以达到预期的结果。

 

图1-2 分子设计的基本过程

为什么分子设计从形成理念开始,30年后的今天才得到较大发展?其原因主要有两点:

一是市场需求的巨大变化。以汽车市场需求为例,30年来汽车数量大量增加,车用材料和燃料用量越来越大,对相关的化学品和材料进行分子设计就有了巨大的应用数量基础。新产品不断的涌现,又对分子设计提出了新的课题。分子设计研究涉及燃油,润滑油,催化剂等,以及环境保护评价等,它会产生巨大的经济效益和社会效益。例如汽车安全保护气囊的设计,气囊内实际装有一定量的爆炸性化学品,汽车发生碰撞时,气囊内的化学品瞬时爆炸,产生气体,使气囊鼓胀,从而保护乘车人员。这种化学品的种类和用量就可以通过进行计算机辅助分子设计来研究确定。

二是基础理论和计算技术的逐步积累与发展,包括计算方法和计算机与互联网的发展。(图1-3)

 

图1-3分子设计从理念到实践——市场需求与知识积累

早在在上世纪70年代后期,我们化冶所计算机室就开始建设工程化学数据库,开展了化工冶金流程模拟;80年代,我们开展了物体相平衡、物性的估算;80年代后期,开展了农药分子设计,开发了分子设计软件包,建立了中药化学数据库、海洋生物化学数据库,开展了磺酰脲类农药的结构优化、乙酰乳酸合成酶抑制剂和体外筛选靶标、以及药效团检索算法等研究。

鉴于分子设计的工业需求和学科发展前景,40年来,我们过程所(原化冶所)在分子设计领域基础和应用两方面一直努力开展研究工作,通过跟踪国外研究方向和开拓新的研究课题,取得了一些在国际上有影响的研究成果,在国内外均享有一定知名度。在基础数据方面,我们和上海有机所一同建成了中科院科学数据库的化学主题数据库(图1-4),包括分子结构和量化的计算结果,建立了中美欧化学品名录;在介观模拟方面,我们改进了耗散粒子动力学计算,可对刚性分子模拟计算(图1-5),实现了GPU并行计算;在分子模拟和设计方面,我们开展了天然气水合物(分解、稳定剂、气体置换)、重质油(稳定剂、胶体结构、乳化/破乳、减粘输送)、润滑油添加剂、过渡金属连二硫烯配合物(烯烃分离、电子和光谱学计算)、气体吸收(脒和胍类吸收剂)、光催化(过渡金属掺杂、量子点)、煤化工废水脱酚萃取剂等多项研究工作。

图1-4 化学主题数据库的结构

 

图1-5 刚性分子的耗散粒子动力学模拟

根据本人的理解,在科学数据领域,我们用了30年实现信息化变革,经历了数据载体变革,数据供给变革,数据组织变革,数据消费变革等四个大的阶段(图1-6)。现在我们能够通过对已有和未来产生的数据进行有机组织和规律发掘,例如化学主题数据库的关联使用,进行各种研究。这对分子设计是一个重要的基础性工作。

 

图1-6 科学数据的信息化变革历程

下面通过几个例子说明分子设计的研究思路。

1、重质石油

图1-7所示为荷兰壳牌石油公司采用分子设计方法所做的200余种原油的胶体稳定性模拟结果。显示了稳定与非稳定区域,与实验结果相对照,吻合较好。

 

图1-7 重质石油稳定性模拟

2、脱酚萃取剂设计

图1-8显示了我们在脱酚萃取剂分子设计上的研究思路。其设计基本原则有两点:一是由脱酚萃取剂的特征基团选定为设计基础,二是由现有化学品名录数据库中找到相近者。前者体现新发现,后者借鉴现有研究成果。

 

图1-8 脱酚萃取剂设计思路

在生成候选分子结构中,要考虑化学和数学两方面的问题,要做到两者均合理化,即符合化学规律,且数学有解,满足生成分子结构的可信性约束(图1-9),从而使分子设计结果具有科学基础,并与实际相符。

 

图1-9芳香环结构分子的模拟设计约束性思路

在实际酚类污染物水溶液的处理设计中,我们要对萃取的复杂体系进行简化模拟。基于特征基团的种类,简化成所设计的污染物虚拟组分,并可尝试画出虚拟组分的平均结构(图1-10)

 

图1-10酚类污染物虚拟组分模拟

3、重视已有化学品数据库的资源。国内外化学品名录数据库是应当予以特别重视数据信息资源,需要熟悉、利用其中的内容,这会有助于减少重复工作,如利用名录中已有的环评等,降低成本,发现老化学品的新用途等。

自2004年起,我国建立了新化学物质登记制度,要对新化学物质进行危害评估和风险评估,登记内容包括化学物质标识、理化性质、健康毒理、生态毒理、化工和综合环保、以及化学物质风险评估。《中国化学品名录》中已有约45000种化学品,对它们不需要进行新化学物质登记;在《中国-美国-欧盟化学品名录》中已收录的化学品,如发现新的用途,可以免去或降低申报新化学物质的成本。

4、分子结构数据资源有待大力开发。进行分子设计时,人们需要从已有的化学结构数据库中查询相应功能的分子结构,目前已生成候选集的分子结构库大约包含了80万种结构。但这只是冰山的一角,我们还有大约2600万种结构尚未收录。通过对分子结构的研究,可以了解其电荷分布、分子轨道能级、分子光谱、多种物理性质、热力学性质、输运性质、力学性质、分子间互相作用、反应动力学特性、反应机理等等,是十分宝贵的资源,有待进一步开发。

5、大力加强科学数据的合作共享。科研既需要钱,更需要智慧。以美国哈佛清洁能源研究项目为例,利用闲置资源,共享资源,开放合作,少花钱也可做大事(图1-11,1-12)。

 

图1-11 科研项目合作共享数据资源

 

图1-12  IBM世界共同体网络计划

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【专题报告】

 

韩清珍:21世纪环境净化技术的新突破--光催化

各位领导,各位老师:前面温浩老师系统地讲解了计算机辅助分子设计领域的内容,我从分子设计应用于光催化的角度作进一步讨论,内容涉及光催化的原理,国内外相关研究的历史与现状,存在的问题,我们的研究思路和取得的阶段性研究成果。

随着工业的快速发展,人类面临能源危机和环境污染两大挑战。光催化技术正在发展成为应对这两大挑战的一项关键新技术。在光催化剂和太阳能的共同作用下,可将水分解为氢气和氧气,也可将污染物催化降解,并杀灭细菌与消毒(图2-1)。氢气可进一步通过燃料电池等转化为电能,提供能源。

 

图2-1 光催化技术

一、光催化降解污染物的基本原理和应用

在一定强度和波长的光照射下,光催化材料(一般为n型半导体材料,如TiO2)的表面价带电子跃迁到导带,从而产生电子(e-)和空穴(h+)。吸附在材料表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在材料表面的氢氧根离子和水分子氧化成羟基自由基。超氧负离子和羟基自由基具有强氧化性,可将大多数有机物氧化成CO2和H2O,即起到降解作用。此外,对一些无机物也有分解作用。

 

图2-2 光催化对环境净化的应用

二、光催化的研究进展

自1972年Science期刊发表TiO2的表面在光照下发生水分解为H2和O2的光催化研究成结果以来,一直吸引着世界上众多科研人员从事光催化材料和过程机理的研究,不断有新的研究成果出现(图2-3)。光催化在中国是知名研究热点。2016年SCI期刊发表的论文中50%以上来自中国。

 

图2-3 光催化研究历程

三、光催化研究的难点和科学问题

传统的半导体光催化材料只在紫外光照射下才具有光催化活性,因而其应用(如降解污染物)受设备和规模的限制,相应的处理成本也高。研究开发可利用太阳光的可见光响应光催化材料是推进光催化材料应用的关键。主要做法是对光催化材料进行表面掺杂改性。相关的技术难点和科学问题如图2-4所列。

 

图2-4 光催化研究的技术难点与关键科学问题

四、我们的研究

根据对国内外光催化材料研究现状的分析和材料表面掺杂改性的理解,以及我们在分子设计方面的研究基础,提出了我们的研究内容。

 

图2-5 我们的研究内容

我们的研究思路是:建立材料分子结构与性能的关系,对于光催化剂表面掺杂所产生的结构变化进行多尺度分析,进而达到其性能调控的目标(图2-6)。

 

图2-6 研究思路

我们所取得的部分研究进展:

1、研究了同族过渡金属吸附掺杂对催化剂表面调控,获得了同族过渡金属对TiO2表面吸附掺杂的规律;

2、研究了同周期过渡金属吸附掺杂对催化剂表面调控,建立了电子结构与光吸收、催化活性的关系,调控光子利用率和能隙、电子-空穴对复合率的关系,解决可见光利用率低、催化选择性差等问题;

3、研究了污水净化中酚类污染物的光催化降解及其催化剂表面调控,确定了其本质是酚的芳香环失共轭问题,电子结构是决定降解反应机理及影响的因素,为酚类的低能耗有效光催化降解提供了理论指导。这一本理论分析结果与过程所曹宏斌研究员的实验研究结果一致;

4、研究了C3N4类光催化剂的表面调控,发现其表面能随原子层数的增加而逐渐降低;g-C3N4的晶体和表面结构均为间接带隙半导体;确定了导带顶是N的2p轨道和C的2p轨道,价带底是N的2p轨道和N的2s轨道,N原子是催化的活性中心;

5、研究了Au粒子对催化剂表面调控,发现了Au粒子对催化剂表面电子分布的影响,明确了其对催化剂表面调控的机理。

五、对今后的展望

1、随着基础研究的深入开展,特别是从分子水平上加深对光催化作用本质及其反应机理的认识,将设计并制备出性能更加优异(可见光诱导、更高量子效率、结构与性能更加稳定)的新型、实用化的光催化剂。

2、随着新型光催化剂和应用关键技术的不断突破,将导致利用太阳能光催化分解水制氢技术的产业化成为可能,将使光催化环保技术成为未来环境净化的主流技术之一。

3、能源光催化和环境光催化技术的大规模产业化实施,将造福人类,使世界变得更加美好!

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【交流与讨论】

 

安震涛:对原油稳定性的模拟(图1-7)想请温浩解释一下,涉及多少种原油,数据来源以及数据模拟的效果。

温  浩:图中数据来自多项国内外研究结果,涉及200余种原油,模拟效果较为吻合。

罗保林:众所周知,来自于工业及民用的废水、废渣、废气所形成的环境污染物组成十分复杂,计算机辅助分子设计虽然方法很多,计算机计算功能不断提高,但对于环境污染物还是应有针对性,并适当简化设计体系。此外,药物分子不仅较为复杂,而且具有特殊的敏感性和治疗功能,在进行分子设计时,需要多方面考虑。

温  浩:可以通过各种污染物的基团种类进行分子设计,既有代表性,又可简化模拟计算。

王玉春:脱酚萃取剂分子设计在数学计算上如何保证不出现大的偏差,也就是说分子设计的算法上如何控制偏差,从而取得预期的结果。

温  浩:脱酚萃取剂分子设计要通过贡献基团和计算方法的适当选择来避免出现较大的偏差。此外,还要考虑其合成路线。

桂文庄:中科院上海有机所在脱酚萃取剂分子设计方面具有技术优势,应当多与他们交流。中科院一直重视和支持计算机辅助分子设计领域的研究工作,包括对于过程所此方面也一直予以支持。希望我院在此领域做出显示度更突出的研究成果。

李佑楚:国内外都在进行数据库建设,我们过程工程所也一直在做此方面的工作,在与国外交流时,是否有内容保密的问题。

温  浩:从技术和经济因素考虑,国内外有些数据库的内容是保密的。这会对相关的分子设计研究结果水平产生影响。

傅德贤:药物分子设计很重要。新药研究周期长,研究经费投入大,药物分子设计研究工作不仅有可能节省经费,还可能缩短开发周期,并能弥补实际合成过程研究不足的问题。

桂文庄:国家十分重视药物筛选研究,计算机辅助分子设计大有可为。

温  浩:药物分子设计是计算机辅助分子设计的重要方面,但因研究所没有药物研究的基础,因此没有开展药物分子设计的研究。本所得周家驹研究员曾做过农药分子设计研究,主要原因是农药属于化工部而非卫生部管理。本所研究内容主要涉及化工和冶金行业。

李致洁:通过听报告和讨论我感觉很有收获。我想了解一下,可否由分子设计预测所设计的分子表观性质?

温  浩:可以部分预测所设计的分子性质。

何远光:通过两种分子的比较研究也可发现一些规律。

马  兵:计算机辅助分子设计可以对许多种类分子和材料进行的先行研究,对过程工业的新产品和新工艺的研究开发是不可或缺的,希望加强与相关实验工作的结合与验证。韩清珍副研究员的报告内容很说明问题,既加深了光催化降解污染物的理论研究水平,又与本所曹宏斌研究员的实验研究结果进行验证,使研究结果更有说服力。

李佑楚:储能材料的分子设计研究应予以重视。

桂文庄:目前国内外从事计算机辅助分子设计研究的人很多,涉及的内容也很广。过程所如何体现自己的研究专长和特色应认真考虑。要重视计算基础,如数据库,和计算方法课题的研究,解决共性问题,以形成研究优势。此外,对于所研究过的模拟结果应注意整理归档,以便于他人有案可查,避免后人重复研究,造成浪费。

黄淑兰:应该结合行业研究课题,在分子设计领域做出有特色的研究成果,形成知名度。

何远光:今天沙龙的两个学术报告均涉及学科前沿问题,各位的讨论与交流也很热烈,过程所领导重视老科协工作,所离退休办公室给予了人力物力支持,成绩应予以肯定。就今天的学术内容来说,希望温浩研究员、韩清珍副研究员不仅仅专注自己的研究工作,更应着眼于中科院在此领域的改革方向,提出独到见解,推动我院的分子设计研究工作。学术沙龙的报告在让与会者增加知识,开阔眼界的同时,能进一步为研究所,中科院起到学术建言献策作用。此外,过程所老科协分会要想方设法吸引更多老科技人员参加老科协的工作,提高凝聚力和影响力,充分发掘离退休科技人员的余热。

温  浩:感谢各位听报告和讨论及建议,特别是老科协领导的建议,我们会认真思考相关问题,努力做出更突出的成绩,形成研究特色。

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