計算化學-緒論

1、計算化學是計算化學是理論化學理論化學的一個分支。是計算的一個分支。是計算機科學與化學的交叉學科。機科學與化學的交叉學科。1.1.利用計算機程序解利用計算機程序解量子化學量子化學方程來計算方程來計算物質的性質（如能量，偶極距，振動頻率物質的性質（如能量，偶極距，振動頻率等），用以解釋一些具體的等），用以解釋一些具體的化學問題化學問題。2.2.利用計算機程序做利用計算機程序做分子力學分子力學和和分子動力分子動力學學模擬。簡稱模擬。簡稱分子模擬分子模擬。1.1.計算化學的概念計算化學的概念幾個概念的區(qū)別與聯(lián)系幾個概念的區(qū)別與聯(lián)系 量子化學：量子力學量子化學：量子力學化學化學 理論化學：量子化學理論化

2、學：量子化學+ +動力學統(tǒng)計力學動力學統(tǒng)計力學 計算化學：量子化學計算化學：量子化學- -分子力學分子力學- -分子動力學分子動力學 理論化學計算化學？理論化學計算化學？ 計算機化學計算化學？計算機化學計算化學？ 分子模擬：分子力學分子動力學分子模擬：分子力學分子動力學 分子模擬計算化學？分子模擬計算化學？長期以來，化學一直被科學界公認為一門長期以來，化學一直被科學界公認為一門純實驗科學純實驗科學。其理由要追溯到人類認識自然的兩種科學其理由要追溯到人類認識自然的兩種科學方法。方法。2.計算化學的建立計算化學的建立 歸納法歸納法 ( F. Bacon, 1561-1626 ) 演繹法演繹法 (

3、R. Decartes, 1596-1650 )公理假設公理假設模模 型型實驗實驗檢驗檢驗形式理論形式理論二次形式化、二次形式化、近似、計算近似、計算和模擬和模擬預預 測測設計實驗設計實驗實驗數(shù)據(jù)實驗數(shù)據(jù)唯象理論唯象理論“預測預測”數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合檢驗檢驗 依 據(jù) 目 標 數(shù)學工具 歸納法 實驗事實 經(jīng)驗公式、 規(guī)律 唯象理論 較簡單 演繹法 正確普適的 公理和假設 形式理論 較高級、 復雜 迄迄80年代，歸納法是多數(shù)化學家采用的唯一科年代，歸納法是多數(shù)化學家采用的唯一科學方法；演繹法在化學界從未得到普遍承認學方法；演繹法在化學界從未得到普遍承認原因：原因：對象復雜；對象復雜；習慣觀念習慣觀念

4、歸納法歸納法(Reduction)與演繹法與演繹法(Deduction)的比較的比較運用數(shù)學的多少是一門學科成熟程度的標志。馬克思馬克思數(shù)學的應用：在剛體力學中是絕對的，在氣體力學中是近似的，在液體力學中就已經(jīng)比較困難了；在物理學中是試驗性的和相對的；在化學中是最簡單的一次方程式；在生物學中等于零。恩格斯恩格斯恩格斯的論斷反映了恩格斯的論斷反映了19世紀中葉自然科學各學科的世紀中葉自然科學各學科的“成成熟程度熟程度”。表明各學科研究對象。表明各學科研究對象 物質運動形式與規(guī)物質運動形式與規(guī)律律 其復雜程度的差異其復雜程度的差異然而，一百多年來科技的發(fā)展使各學科的然而，一百多年來科技的發(fā)展使各學

5、科的“成熟程度成熟程度”發(fā)生了巨大變化發(fā)生了巨大變化二十世紀八十年代以來，先進的分析儀器的應用、量子二十世紀八十年代以來，先進的分析儀器的應用、量子化學計算方法的進展和計算機技術的飛速發(fā)展，對化學化學計算方法的進展和計算機技術的飛速發(fā)展，對化學科學的發(fā)展產(chǎn)生了沖擊性的影響。其研究內容、方法、科學的發(fā)展產(chǎn)生了沖擊性的影響。其研究內容、方法、乃至學科的結構和性質都在發(fā)生深刻的變化。乃至學科的結構和性質都在發(fā)生深刻的變化。冶金、建材工業(yè)推動了無機藥物、染料、釀酒工業(yè)推動了有機 經(jīng)典價鍵理論、苯結構奠定有機化學基礎經(jīng)典價鍵理論、苯結構奠定有機化學基礎 元素周期表奠定無機化學基礎元素周期表奠定無機化學基

6、礎 無機、有機化學在19世紀率先建立物理化學在20世紀初形成。旨在揭示化學反應的普遍規(guī)律 反應進行的方向、程度和速度Gibbs 化學熱力學Gibbs自由能：G = H TS 反應速率常數(shù)：RTEaeAk Arrhenius 化學動力學物理化學的建立使化學科學開始擁有了理論。高等數(shù)學首次派上了用場 雖然僅是一階的常、偏微分方程而已（以后在經(jīng)典統(tǒng)計熱力學中用到了概率論）經(jīng)典物理化學的理論是唯象的，是有限的地球空間內宏觀化學反應規(guī)律的經(jīng)驗總結30年代量子化學和量子統(tǒng)計力學分支的形成使化學科學開始與演繹法“沾上了邊”。但在80年代前進展十分緩慢二十世紀初理論物理兩項重大突破二十世紀初理論物理兩項重大突

7、破量子力學是描述微觀世界結構、運動與變化規(guī)律的物理科學。量子力學的產(chǎn)生和發(fā)展標志著人類認識自然實現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。 Einstein廣義和狹義相對論（1905） 量子力學的創(chuàng)建量子力學的創(chuàng)建（19251926）計算化學的理論背景計算化學的理論背景Heisenberg、Schrdinger、Dirac、Born等于19251926創(chuàng)建30年代初由von Neumann完成形式理論體系量子力學量子力學的建立未依據(jù)任何實驗事實或經(jīng)驗規(guī)律。它用少數(shù)幾條基本假定作為公理，由此出發(fā)，通過嚴格的邏輯演繹，迅速地建成一個自洽、完備、嚴密的理論體系是演繹法最成功的實例微觀粒子或體系的性質由狀態(tài)

8、波函數(shù)微觀粒子或體系的性質由狀態(tài)波函數(shù) 唯一唯一確定，確定， 服從服從Schrdinger方程方程基本運動方程Hti Schrdinger方程：方程：Hamilton算符：算符：在在 10-13 m的微觀層次，方程放之四海而皆準的微觀層次，方程放之四海而皆準方程建立容易，困難在于求解方程建立容易，困難在于求解 Schrdinger方程量子力學量子力學為計算化學的為計算化學的形成奠定了理論基礎，形成奠定了理論基礎，計算計算機科學機科學的發(fā)展促進了計算化的發(fā)展促進了計算化學的迅速發(fā)展。它幫助化學學的迅速發(fā)展。它幫助化學家在原子、分子水平上闡明家在原子、分子水平上闡明化學問題的本質，在創(chuàng)造特化學問題

9、的本質，在創(chuàng)造特殊性能的新材料、新物質方殊性能的新材料、新物質方面發(fā)揮重大的作用。面發(fā)揮重大的作用?，F(xiàn)代現(xiàn)代化學發(fā)展的特征之一：計算化學的化學發(fā)展的特征之一：計算化學的蓬勃發(fā)展蓬勃發(fā)展 （1 1）國際科學界的共識和認同）國際科學界的共識和認同 19981998年度的諾貝爾化學獎，授予了在計算化學領域做出年度的諾貝爾化學獎，授予了在計算化學領域做出杰出貢獻的杰出貢獻的和和3. 計算化學的發(fā)展現(xiàn)狀計算化學的發(fā)展現(xiàn)狀（2 2）各類量子化學、理論化學、計算化學等學各類量子化學、理論化學、計算化學等學術機構不斷出現(xiàn)，術機構不斷出現(xiàn)，人力、物力、財力向計算化人力、物力、財力向計算化學領域轉移集中；學領域轉

10、移集中；中國化學學科的教研基地，幾乎都成立了中國化學學科的教研基地，幾乎都成立了理論理論和計算化學研究中心和計算化學研究中心：北大、南大、吉大、夏：北大、南大、吉大、夏大、武大、山東大學等等。大、武大、山東大學等等。 （3 3）計算化學相關學術刊物的創(chuàng)刊）計算化學相關學術刊物的創(chuàng)刊美國化學會，英國皇家化學會，美國化學會，英國皇家化學會，Elsevier, Springer 等等出版社；出版社；（4 4）論文數(shù)量的劇增、研究工作的廣泛深入）論文數(shù)量的劇增、研究工作的廣泛深入和應用領域的拓寬和應用領域的拓寬（ 5 5）學術交流頻繁學術交流頻繁2003.7 第一屆國際理論化學、分子模擬和生命科學研第

11、一屆國際理論化學、分子模擬和生命科學研討會（中國科學院，北京）討會（中國科學院，北京）（6 6）可行性、通用性，正在成為一種常規(guī)研究方）可行性、通用性，正在成為一種常規(guī)研究方法：法：第三種科研方法第三種科研方法在過去，分子模擬在過去，分子模擬/ /計算化學常常局限于那些能夠接觸到必計算化學常常局限于那些能夠接觸到必要的計算機軟硬件的少數(shù)科學家。操作者自己編寫程序，要的計算機軟硬件的少數(shù)科學家。操作者自己編寫程序，自己維護計算機系統(tǒng)，自己修復崩潰的系統(tǒng)。今天，情況自己維護計算機系統(tǒng)，自己修復崩潰的系統(tǒng)。今天，情況則發(fā)生了巨變：則發(fā)生了巨變：1)1)個人計算機個人計算機/ /計算機工作站甚至較僅僅

12、幾年前的大型計算計算機工作站甚至較僅僅幾年前的大型計算機的功能都要強大的多，而且能夠相對便宜地買到；機的功能都要強大的多，而且能夠相對便宜地買到；2)2)由于軟件可以從商業(yè)公司或科研實驗室得到，人們不必由于軟件可以從商業(yè)公司或科研實驗室得到，人們不必再自己編寫程序。現(xiàn)在，分子模擬可以在任何實驗室或教再自己編寫程序。現(xiàn)在，分子模擬可以在任何實驗室或教室實施。室實施。作為一個迅猛發(fā)展的學科，計算化學作為一個迅猛發(fā)展的學科，計算化學極大地極大地得益于近年來計算機軟硬件的飛速發(fā)展得益于近年來計算機軟硬件的飛速發(fā)展。相。相當一部分計算工作可以由個人電腦當一部分計算工作可以由個人電腦/ /PC機完成。機完

13、成。第三種科研方法第三種科研方法：實驗研究，理論研究，：實驗研究，理論研究，計計算模擬算模擬。計算化學的滲透領域：計算化學的滲透領域：無機、有機分子的結構、性質、反應；無機、有機分子的結構、性質、反應；反應途徑、機理的研究；反應途徑、機理的研究；結構性能構效關系（結構性能構效關系（QSAR，QSPR）；）；分子設計、藥物設計；分子設計、藥物設計；生命過程的研究（蛋白質、生命過程的研究（蛋白質、DNA等）；等）；化學領域無不涉及?；瘜W領域無不涉及。計算化學是化學與多個學科的交叉化 學物理學計算機科 學材料科學生命科學數(shù) 學計 算化 學環(huán)境科學計算化學的研究內容計算化學的研究內容q一類是一類是理論

14、化學家理論化學家，主要致力，主要致力計算化學方法計算化學方法的的研究。這些人需要對某個范圍內的理論問題具研究。這些人需要對某個范圍內的理論問題具有精深的理解，同時還需要有相當?shù)挠芯畹睦斫?，同時還需要有相當?shù)臄?shù)學和計數(shù)學和計算機編程算機編程能力。能力。q另一類人是在計算化學領域中從事另一類人是在計算化學領域中從事應用研究應用研究的的人，他們應用已成熟的理論、方法和編寫好的人，他們應用已成熟的理論、方法和編寫好的軟件進行軟件進行具體體系具體體系的研究。的研究。4. 計算化學研究簡介計算化學研究簡介計算化學的研究范圍計算化學的研究范圍計算化學研究的發(fā)展趨勢和方向計算化學研究的發(fā)展趨勢和方向靜態(tài)（結

15、構與性能關系）結構與性能關系）動態(tài)（分子分子間的相互作用、相互碰撞與相互反應等）間的相互作用、相互碰撞與相互反應等）小分子體系納米尺度計算方法的改進和融合計算化學研究一般包括三個階段：計算化學研究一般包括三個階段：(1)(1)選擇方法：選擇描述體系中分子內和分子間相互作用的選擇方法：選擇描述體系中分子內和分子間相互作用的模型，一般采用模型，一般采用量子力學量子力學和和分子力學分子力學。計算體系中各種。計算體系中各種原子、分子排布的能量，并能得到系統(tǒng)能量隨原子分子原子、分子排布的能量，并能得到系統(tǒng)能量隨原子分子位置改變的相應變化。位置改變的相應變化。(2) 計算過程。如能量最小化，分子動力學或蒙

16、特卡洛模擬，計算過程。如能量最小化，分子動力學或蒙特卡洛模擬，構象搜索。構象搜索。(3) 結果結果分析分析和誤差評價。分析計算數(shù)據(jù)，從中提取相關的和誤差評價。分析計算數(shù)據(jù)，從中提取相關的分子性質；檢查計算的實施是否正確無誤，以及結果誤分子性質；檢查計算的實施是否正確無誤，以及結果誤差的評價。差的評價。一般計算化學軟件所具有的功能：一般計算化學軟件所具有的功能：q 建立和顯示分子結構建立和顯示分子結構q 優(yōu)化分子構型優(yōu)化分子構型q 研究分子的反應性研究分子的反應性(如從軌道能量、組合系數(shù)、節(jié)點性質如從軌道能量、組合系數(shù)、節(jié)點性質等根據(jù)前線軌道理論研究分子不同取代基的相對反應性、等根據(jù)前線軌道理論

17、研究分子不同取代基的相對反應性、反應選擇性以及親核、親電試劑的反應位置等反應選擇性以及親核、親電試劑的反應位置等)q 計算顯示分子軌道、電荷分布、靜電勢圖等計算顯示分子軌道、電荷分布、靜電勢圖等q 估計化學反應途徑和機理估計化學反應途徑和機理q 研究分子的動態(tài)性質研究分子的動態(tài)性質q 研究分子的研究分子的結構結構-性質性質(活性活性)關系關系(QSPR/QSAR)計算化學的應用計算化學的應用可用于可用于更全面地了解更全面地了解分子的性質分子的性質 化學、化學、生命科學領域生命科學領域可以可以預測預測尚未合成的化合物的性質尚未合成的化合物的性質制藥制藥制藥、材料制藥、材料 最終目的是設計最終目的

18、是設計- -藥物設計藥物設計 ( (有機分子，多肽等有機分子，多肽等) )- -材料設計材料設計 ( (固體，表面，晶體，高分子等固體，表面，晶體，高分子等) )- -生物大分子設計生物大分子設計 ( (酶，蛋白質等酶，蛋白質等) )- -其它其它 ( (有機反應合成路線設計等有機反應合成路線設計等) ) 計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展熱門方向熱門方向大量的化學和生大量的化學和生命科學工作者進入該領域，希望應用現(xiàn)代的命科學工作者進入該領域，希望應用現(xiàn)代的計算化學技術來輔助、指導他們的研究工作。計算化學技術來輔助、指導他們的研究工作。 軟件的發(fā)展軟件的發(fā)展使用戶勿需具備高深的理論知使用戶勿需具備高深的

19、理論知識，只要有一般的計算機應用能力，就可以識，只要有一般的計算機應用能力，就可以很容易地完成許多計算化學的簡單工作。很容易地完成許多計算化學的簡單工作。 問題：問題：有許多人甚至連有許多人甚至連最基本最基本的計算化學概的計算化學概念都不清楚，就念都不清楚，就沒有目的地沒有目的地急于計算，這實急于計算，這實際上是沒有意義的。際上是沒有意義的。5.計算化學研究主要涉及的方法計算化學研究主要涉及的方法計算量子化學計算量子化學分子模擬分子模擬 半經(jīng)驗分子軌道方法半經(jīng)驗分子軌道方法 ab initio 分子軌道從頭算方法分子軌道從頭算方法（HF方法方法） DFT 密度泛函方法密度泛函方法超自洽場方法超

20、自洽場方法 微擾方法微擾方法 組態(tài)相互作用法組態(tài)相互作用法 CC方法方法 多參考態(tài)方法多參考態(tài)方法 分子力學分子力學 分子動力學分子動力學分子力學方法 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 無法得到分子性質和反應性能的信息 不能研究包含成鍵和斷鍵的反應半經(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

21、子結構, 性質和相對能量 比從頭算電子結構方法計算快, 但是準確性比從頭算降低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, 能量和反應性能 計算成本高密度泛函理論 使用完全的 Schrdinger 方程, 原則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, 能量和反應性能 計算成本中

22、等總結分子力學(Molecular mechanicsm)大體系, 結構半經(jīng)驗方法(Semiempirical)中等體系, 粗略性質完全從頭算(ab initio calculation)小體系, 準確性質密度泛函(Density functional)中等體系, 準確性質6.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結果 我們將使用Gaussian09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目前常用的計算化學軟件目前常用的計算化學軟件Gaussian 98,03,09 GAMESSMolproCrysta

23、lHyperchemCerius2, Material Studio(材料)Insight II (藥物，大分子，材料)MDL的各種化學數(shù)據(jù)庫Gaussian 09的功能 Gaussian 09 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- 預測分子結構預測分子結構 給定一個化學式，通過理論計算定出它的最優(yōu)結構給定一個化學式，通過理論計算定出它的最優(yōu)結構計算化學軟件能解決的問題計算化學軟件能解決的問題分子中原子核運動的勢能函數(shù)分子中原子核運動的勢能函數(shù)- 分子勢能面分子勢能面 (PES)搜

24、索搜索摘自摘自Gaussian手冊手冊 分子的能量和結構分子的能量和結構 過渡態(tài)的能量和結構過渡態(tài)的能量和結構 振動頻率振動頻率 紅外和拉曼光譜紅外和拉曼光譜 熱化學性質熱化學性質 成鍵和化學反應能量成鍵和化學反應能量 化學反應路徑化學反應路徑 分子軌道分子軌道 原子電荷原子電荷 電多極矩電多極矩 NMR NMR 屏蔽和磁化系數(shù)屏蔽和磁化系數(shù) 振動圓二色性強度振動圓二色性強度 電子親和能和電離勢電子親和能和電離勢 極化和超極化率極化和超極化率 靜電勢和電子密度靜電勢和電子密度單分子性質單分子性質集團性質集團性質不可測量性質不可測量性質- 分子的化學性質分子的化學性質課程目標：課程目標：了解計算

25、化學的了解計算化學的主要方法主要方法和和基本概念基本概念 能夠讀懂相關領域的能夠讀懂相關領域的文獻文獻了解常見的計算化學了解常見的計算化學軟件的使用軟件的使用掌握基本的計算化學掌握基本的計算化學研究思路和方法研究思路和方法。了解計算化學能干什么，我們可以作哪些工作，作了解計算化學能干什么，我們可以作哪些工作，作到什么精度，為在自己的研究域開展計算化學方面到什么精度，為在自己的研究域開展計算化學方面的研究打一個基礎的研究打一個基礎拓展知識，開闊視野拓展知識，開闊視野認知方法，理解原理認知方法，理解原理簡單應用，提高檔次簡單應用，提高檔次學習要求：學習要求：具有較好的結構化學基礎和計算機應用能力有

26、不低于 P4的微機供練習用，內存大于256M，可使用硬盤不低于2GB。課程要求課程要求：重視基本概念的了解和實際應用能力的培養(yǎng)，淡化理論推導和數(shù)學教學和考核方法：教學和考核方法：教學方法：教學方法：1、課堂講授；2、小型專題討論；3、上機實踐；考核方法：考核方法： 1、平時成績+結業(yè)成績；2、出勤8. 主要參考書：主要參考書：1、徐光憲，黎樂民，王德民，量子化學基本原理和從頭計、徐光憲，黎樂民，王德民，量子化學基本原理和從頭計算法，算法，1985，科學出版社；，科學出版社； 2、林夢海，量子化學計算方法與應用，、林夢海，量子化學計算方法與應用，2004，科學出版社；，科學出版社；3、楊頻，高飛，生物無機化學原理，、楊頻，高飛，生物無機化學原理，2002，科學出版社；，科學出版社；所資料室有書；所資料室有書；4、J. A. Pople等，江元生譯，分子軌道近似方法理論，等，江元生譯，分子軌道近似方法理論，1976，科學出版社；，科學出版社；5、王志中，李向東，半經(jīng)驗分子軌道理論與實踐，、王志中，李向東，半經(jīng)驗分子軌道理論與實踐，1981，科學出版社；科學出版社；6、廖沐真等，量子化學從頭計算法，、廖沐真等，