中文摘要：

质子迁移化学反应是自然界中最常见同时也是最重要的化学反应之一，在生物大分子相互作用、蛋白分子折叠、燃料电池中的离子转移、膜化学等前沿的研究体系中常温下的质子迁移反应扮演了重要的角色，同时人们广泛借助于分子模拟手段进行相关研究，并以此为基础进行进一步的药物分子设计、新材料设计研究工作。在这些研究中, 分子力场的质量与准确性很大程度上决定了分子模拟研究工作的成败。经典力场虽然能够准确模拟体系的热力学状态函数，却不能用于化学反应实际过程研究；而目前的反应力场为了实现对相空间的完整描述，导致元素类型少、函数复杂、参数众多，并且难以准确模拟热力学状态函数。本研究充分利用经典力场在计算热力学状态函数方面的优势，设计能够描述常温下质子迁移反应的反应势函数，将其与经典力场有机结合起来，实现同时对体系热力学状态与微观反应状态的准确模拟。大大提高分子力场对不同体系的准确性并增加其应用范围。

结论摘要：

本课题针对自然界中最为常见也最为重要的化学反应质子迁移反应设计了能够反映质子迁移过程能量、受力及电荷分布变化的分子力学力场PTFF。由于质子迁移反应的特殊性质，反应过程中伴随着显著的局部电荷变化，同时也因为这种性质，质子迁移化学反应也容易受到周围电场分布的影响。与以往的反应力场不同，PTFF能够正确预测出质子迁移反应中电荷的变化情况，更准确地描述反应过程。同时，该力场还可以与经典的非反应分子力场配合使用，有助于提高分子模拟研究中计算机的计算效率，扩大了分子模拟手段的研究范围。反应力场作为可以研究化学反应的经验势函数形式非常复杂，参数拟合过程极其繁琐。为能够正确高效得到拟合参数，我们首先改进拟合方法，设计了以Monte Carlo算法为基础的全局参数拟合方法。将该方法应用于经典力场的研究中发现，新的参数拟合方法能够更为精确地搜索到全局最优解，拟合得到的参数在模拟应用过程中表现出了更具统计力学意义的预测能力。我们采用了量子化学计算结果作为力场参数拟合的目标值。为得到更为精确与全面的构象－能量训练集，我们对常见的有机分子及蛋白残基中的模型分子与水分子进行全空间构象的高精度量子化学计算，同时水分子中的质子迁移的构象、能量及电荷变化过程也由量子化学方法计算出来，总计计算次数达200,000次。质子迁移过程中的电荷分布变化是反应力场的难点之一，目前利用经验势函数的方法仍不能合理解决。为准确描述这一重要性质，我们设计了一种以EAM方法为基础的实时电荷分布计算方法EAQ。与以往的QEQ方法不同，EAQ方法并不是通过对体系全部原子进行线性方程组求解的方法来得到最终电荷分布的。利用密度泛函原理，EAQ方法中原子的电荷与所处环境的电子云密度相关，因此原子的电荷可以通过局部环境的原子坐标分布计算得到。应用中发现该方法在中等体系的计算中速度比QEQ快五倍以上，而在大型的模拟中加速更多。同时由于省略掉了求解线性方程组的过程，该方法基本不会出现数值计算上的问题。相比较而言，QEQ计算中的数值错误中断在模拟中相当普遍。包含EAQ方法与简化的ReaxFF函数的PTFF用于质子迁移反应的模拟中我们得到了较为满意的结果。水的离子积常数分子动力学模拟及电场条件下质子迁移的初步研究结果表明，该力场完全能够应用于常温条件下的质子迁移过程研究。