計算化學課程理論（課堂PPT）

1、1教學內(nèi)容緒論第一章 理論概述第二章 化學軟件與網(wǎng)絡資源 第三章 分子動力學第四章 分子力學第五章 量子化學計算方法2“計算計算”第三條科學發(fā)現(xiàn)的途徑第三條科學發(fā)現(xiàn)的途徑 20世紀80年代以來 ，計算機已經(jīng)成為所有分支領域化學家的必備工具。 “計算化學”不應停留在“計算機輔助”的角色。 “計算”已經(jīng)與實驗，形式理論一樣能夠發(fā)現(xiàn)新的科學現(xiàn)象、新的科學概念，從而“計算”已經(jīng)成為第三條科學發(fā)現(xiàn)的途徑。3憑什么相信計算 什么是計算所依據(jù)的“第一原理” 無生命物質(zhì)世界第一原理框架已經(jīng)建立-量子力學和統(tǒng)計力學（物理上） 客觀世界從物質(zhì)構成而言就是僅僅由電子和原子核組成的。正因為這種物質(zhì)的統(tǒng)一性，無生命物質(zhì)

2、的統(tǒng)一理論在物理上適用，在化學上也如此。 自我批判是科學的生命力所在，第一原理在不斷發(fā)展中。4計算化學的宗旨計算化學的宗旨 首先選用物理模型，不得已才選數(shù)學模型。 在運用第一原理的時候，選用適當?shù)哪Ｐ筒拍軋?zhí)行計算。必須強調(diào)：物理模型比數(shù)學模型重要得多，只有在暫時無法構筑物理模型的場合才不得已采用數(shù)學模型。 物理學是嚴密科學（exact science)，化學也正步入嚴密科學。“嚴”字指機理正確，“密”字指數(shù)值準確。5計算化學的研究內(nèi)容：計算化學的研究內(nèi)容：狹義：狹義： 量子結構計算量子結構計算量子化學和結構化學范疇；量子化學和結構化學范疇； 物理化學參數(shù)的計算物理化學參數(shù)的計算統(tǒng)計熱力學范疇統(tǒng)

3、計熱力學范疇 化學過程模擬和化工過程計算等化學過程模擬和化工過程計算等 廣義：廣義： 化學數(shù)據(jù)挖掘化學數(shù)據(jù)挖掘(Data mining)； 化學結構與化學反應的計算機處理技術；化學結構與化學反應的計算機處理技術； 計算機輔助分子設計；計算機輔助分子設計； 計算機輔助合成路線設計；計算機輔助合成路線設計； 計算機輔助化學過程綜合與開發(fā)；計算機輔助化學過程綜合與開發(fā)； 化學中的人工智能方法等?；瘜W中的人工智能方法等。6體系數(shù)據(jù)和性質(zhì)的綜合分析分子 (材料)CAD合成路線CAD化學 CAI數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析及其它應用化學數(shù)據(jù)庫量子化學計算計 算 機分 子 模 擬分子結構建模與圖象顯示化學人工智能分子

4、力學( MM )分子動力學(MD & MC)計算化學計算化學的主要研究內(nèi)容7如何進行計算化學計算方面化學中的問題 物理模型 數(shù)學模型 公式算法 編程 調(diào)試 試算分析輸出結果 8如何進行計算化學分子模擬化學中的問題 構建分子模型幾何優(yōu)化構象分析 能量優(yōu)化方法尋找過渡態(tài)方法 試算分析輸出結果 9能量優(yōu)化方法能量優(yōu)化方法 單純形法 最速下降法 共軛梯度法 Newton-Raphson10尋找過渡態(tài)的方法 極大-極小逼近法 線性內(nèi)坐標途徑法（LICP)11計算化學理論概述12 計算化學理論概述計算化學理論概述分子力學分子力學(Molecular mechanicsm)半經(jīng)驗方法半經(jīng)驗方法(Se

5、miempirical)完全從頭算完全從頭算(ab initio calculation)密度泛函密度泛函(Density functional)13分子模型的適用范圍分子模型的適用范圍 可以把分子結構, 性質(zhì)和反應性能模型化 可以進行簡單的定性解釋, 也可以得到精確的定量的結果 可以瞬間計算完成, 也可能花費超級計算機幾個月的時間 必須平衡計算成本和模型方法的精確度14簡單搭建的分子模型簡單搭建的分子模型 從一些標準的結構或部分來搭建 鍵長和配位都是固定的 從一些分子的結構來可以得到很好的定性模型 便于使用而且很容易實現(xiàn) 可以對分子的三維結構給出直觀的認識 對于分子性質(zhì), 能量或反應性能卻一

6、無所知15分子力學方法分子力學方法 把分子用硬球和彈簧的方式來表示 相對于初步搭建的分子模型, 可以更好地得到其穩(wěn)定結構 可以計算變形的相對能量 計算成本低 需要很多經(jīng)驗參數(shù), 這些經(jīng)驗參數(shù)需要仔細測試和校準 只能得到穩(wěn)定幾何結構 無法得到電子相互作用的信息 無法得到分子性質(zhì)和反應性能的信息 不能研究包含成鍵和斷鍵的反應16分子動力學 分子動力學分子動力學是一套分子模擬分子模擬方法，該方法主要是依靠牛頓力學牛頓力學來模擬分子體系的運動，以在由分子體系的不同狀態(tài)構成的系綜中抽取樣本，從而計算體系的構型積分構型積分，并以構型積分的結果為基礎進一步計算體系的熱力學量和其他宏觀性質(zhì)。 17半經(jīng)驗分子軌

7、道理論半經(jīng)驗分子軌道理論 對價電子進行近似的描寫 通過解簡化的 Schrdinger 方程而得到 其中的很多積分用含參數(shù)的經(jīng)驗式子來近似 可以半定量地描寫電子分布, 分子結構, 性質(zhì)和相對能量 比從頭算電子結構方法計算快, 但是沒有它準確18從頭算分子軌道方法從頭算分子軌道方法 使用完全的 Schrdinger 方程, 得到更精確的電子分布 可以系統(tǒng)地進行改進, 直至達到化學精度 化學精度: 鍵長0.02A, 鍵角2o, 鍵能2kcal/mol 不需要參數(shù), 也不用實驗來校準 可以描寫結構, 性質(zhì), 能量和反應性能 計算成本高19密度泛函理論密度泛函理論 使用完全的 Schrdinger 方程

8、, 原理上可以得到準確的電子分布 可以很容易達到很高的精度, 但是無法系統(tǒng)地改進到化學精度 需要一些猜測泛函和參數(shù), 體系的適用性必須用實驗來校準 可以描寫結構, 性質(zhì), 能量和反應性能 計算成本中等20總結總結分子力學(Molecular mechanicsm)大體系, 結構半經(jīng)驗方法(Semiempirical)中等體系, 粗略性質(zhì)完全從頭算(ab initio calculation)小體系, 準確性質(zhì)密度泛函(Density functional)中等體系, 準確性質(zhì)21計算化學的軟件計算化學的軟件 現(xiàn)在有適用于各種操作系統(tǒng)的很多軟件包 大部分都有圖形界面, 可以很容易地構建模型和查看

9、結果 我們將使用Gaussian03作為范本 軟件的使用經(jīng)驗可以很容易地用于其它類似軟件包22Gaussian03的功能 Gaussian 03 分子力學, 半經(jīng)驗、從頭算、 密度泛函的分子軌道計算 可用的操作系統(tǒng)版本有Windows和Linux GaussView Gaussian的圖形界面23化學中的常用軟件分子結構繪圖軟件描繪化合物的結構式、化學反應方程式、化工流程圖、簡單的實驗裝置圖等化學常用的平面圖形的繪制二維圖形軟件：二維圖形軟件：商業(yè)軟件http:/ http:/ 最新版本分別為12和6.5。：對教育界及家用為免費軟件http:/ http:/ 最新版本分別為2.2和4.0。24

10、三維結構顯示與描繪軟件：三維結構顯示與描繪軟件：化學中的常用軟件是ChemOffice的組成部分，同ChemDraw一起協(xié)同工作，ChemDraw上畫出的二維結構式可以正確地自動轉(zhuǎn)換為三維結構。ultra版本還包括了一個很好的半經(jīng)驗量子化學計算程序MOPAC 97,能夠以三維的方式顯示量子化學計算結果Lite版只能顯示而無法編輯三維分子模型，為免費軟件pro版本表現(xiàn)生物分子和晶體結構的能力比較強下載地址為http:/ frame), 球棍(ball and stick), CPK及絲帶(ribbon)等模式顯示化合物的三維結構。25化學中的常用軟件科學計算和數(shù)據(jù)處理軟件通用型通用型： 對實驗數(shù)

11、據(jù)進行數(shù)學處理、統(tǒng)計分析、付立葉變換、t-試驗、線性及非線性擬合； 繪制二維及三維圖形如：散點圖、條形圖、折線圖、餅圖、面積圖、曲面圖、等高線圖等。：最新版本為6.0 http:/ http:/ 26核磁數(shù)據(jù)處理軟件：核磁數(shù)據(jù)處理軟件：處理一維及二維核磁數(shù)據(jù)，其功能包括付立葉變換、相位校正、差譜、模擬譜、勻場練習等幾乎所有核磁儀器操作軟件的功能，http:/ http:/www.cbs.univmontp1.fr/GIFA/化學中的常用軟件色譜及紅外、色譜及紅外、RamanRaman等實驗數(shù)據(jù)的處理：等實驗數(shù)據(jù)的處理：http:/ 27文獻管理化學中的常用軟件對文獻進行整理，能在文字處理程序中

12、直接插入?yún)⒖嘉墨I并生成一定雜志規(guī)定格式的參考文獻列表 http:/ http:/ 化學中的常用軟件核磁圖譜：核磁圖譜：ChemDraw Ultra版本的一個插件，可以用來估算大多數(shù)有機物的1H、13C化學位移及用線圖表示的相應圖譜：ChemWindow的一個插件，可以用來估算大多數(shù)有機物的13C化學位移則可用來估算任何NMR活性核的化學位移，并能畫出非常逼真的圖譜http:/ NMR的解析29化學中的常用軟件紅外圖譜紅外圖譜能對給定的紅外圖譜數(shù)據(jù)自動分析與處理，或?qū)o定的振動譜帶給出可能存在的功能團。ftp:/ 30化學中的常用軟件計算機輔助教學有機合成路線設計Organic Chemistr

13、y in Action，可以使用“逆序法”自動尋找目標物的合成原料版，Beilstein公司的版：有機化合物命名工具命名軟件，給出IUPAC名稱，CAS名稱，對立體化學的支持。http:/ 虛擬化學實驗，交互式地仿真演示化學實驗,FOR WIN9X。能夠仿真大多數(shù)化學實驗。CHEMLAB包含的東西非常多,滴定、反應動力學，周期表.31化學中的常用軟件量子化學計算半經(jīng)驗分子軌道(AM1, PM3, MINDO, MNDO/3等)計算程序，計算出的分子軌道及電荷密度等可以用三維圖形表示出來。最新版本的2000。http:/ AM1, AM1 with Solvent, PM3, 從頭計算等，亦可將

14、分子軌道及電荷密度等用三維圖形表示。http:/ DOS界面。/GAMESS/GAMESS.html。Gamess用戶界面Visualize，http:/ Gaussian Client插件后簡化用戶的操作。http:/ HP, DEC)及LINUX操作系統(tǒng)的PC所設計的從頭計算及密度泛函計算程序，其速度特快，用戶界面一般。http:/ Origin的窗口組成的窗口組成 數(shù)據(jù)的輸入、編輯和保存數(shù)據(jù)的輸入、編輯和保存 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理 一元線性回歸；多元線性回歸；一元線性回歸；多元線性回歸； 多項式回歸多項式回歸 數(shù)據(jù)關系的圖形表示數(shù)

15、據(jù)關系的圖形表示 二維數(shù)據(jù)點；三維數(shù)據(jù)點二維數(shù)據(jù)點；三維數(shù)據(jù)點34化學中的常用軟件 Chemwindow的窗口組成的窗口組成 繪圖工具欄簡介繪圖工具欄簡介 附加庫附加庫 菜單命令菜單命令 SymApps35化學中的常用軟件2Chemoffice的組成的組成 ChemDraw ; Chem3D ; Chemfinder2ChemDraw 核磁位移的估算核磁位移的估算2Chem3D 提供三維分子結構顯示、計算功能，并提供三維分子結構顯示、計算功能，并附帶分子力學附帶分子力學MM2程序，量子力學半經(jīng)驗程序，量子力學半經(jīng)驗MOPAC2000程序，提供了程序，提供了Gaussian接口。接口。 36網(wǎng)絡

16、上的化學資源化學化工綜合網(wǎng)站中國化學化工信息資源：中科院化學所http:/, http:/ChemCenter；美國化學會ACSChemWeb:虛擬化學俱樂部http:/英國皇家化學會RSC及其ChemSoc; Chemdex：英國Sheffied大學化學站點 37網(wǎng)絡上的化學資源網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫Cambridgesoft：提供Internet上的化合物和化學反應在線數(shù)據(jù)庫。http:/; http:/ ChemFinder：提供Cam

17、bridgesoft公司的化學數(shù)據(jù)庫檢索服務。免費查詢。http:/MDL Information Systems：在工業(yè)和科學界是公認生命科學和化學信息學的先導者。http:/Chemistry WebBook(/chemistry)PubMed(/pubmed) 38化學化工信息源網(wǎng)絡上的化學資源文獻：CA： SCI：Web of Science (http:/ )化學化工組織與機構：國際純粹與應用化學聯(lián)合會IUPAC（ ）美國化學會（ ）英國皇家化學會（ ）39Internet上的免費專利資源網(wǎng)絡上的化學資源IBM知識產(chǎn)權網(wǎng)：知識產(chǎn)權網(wǎng)：