計(jì)算化學(xué)-緒論

1、計(jì)算化學(xué)是計(jì)算化學(xué)是理論化學(xué)理論化學(xué)的一個(gè)分支。是計(jì)算的一個(gè)分支。是計(jì)算機(jī)科學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科。機(jī)科學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科。1.1.利用計(jì)算機(jī)程序解利用計(jì)算機(jī)程序解量子化學(xué)量子化學(xué)方程來計(jì)算方程來計(jì)算物質(zhì)的性質(zhì)（如能量，偶極距，振動(dòng)頻率物質(zhì)的性質(zhì)（如能量，偶極距，振動(dòng)頻率等），用以解釋一些具體的等），用以解釋一些具體的化學(xué)問題化學(xué)問題。2.2.利用計(jì)算機(jī)程序做利用計(jì)算機(jī)程序做分子力學(xué)分子力學(xué)和和分子動(dòng)力分子動(dòng)力學(xué)學(xué)模擬。簡稱模擬。簡稱分子模擬分子模擬。1.1.計(jì)算化學(xué)的概念計(jì)算化學(xué)的概念幾個(gè)概念的區(qū)別與聯(lián)系幾個(gè)概念的區(qū)別與聯(lián)系 量子化學(xué)：量子力學(xué)量子化學(xué)：量子力學(xué)化學(xué)化學(xué) 理論化學(xué)：量子化學(xué)理論化

2、學(xué)：量子化學(xué)+ +動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué) 計(jì)算化學(xué)：量子化學(xué)計(jì)算化學(xué)：量子化學(xué)- -分子力學(xué)分子力學(xué)- -分子動(dòng)力學(xué)分子動(dòng)力學(xué) 理論化學(xué)計(jì)算化學(xué)？理論化學(xué)計(jì)算化學(xué)？ 計(jì)算機(jī)化學(xué)計(jì)算化學(xué)？計(jì)算機(jī)化學(xué)計(jì)算化學(xué)？ 分子模擬：分子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)分子模擬：分子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué) 分子模擬計(jì)算化學(xué)？分子模擬計(jì)算化學(xué)？長期以來，化學(xué)一直被科學(xué)界公認(rèn)為一門長期以來，化學(xué)一直被科學(xué)界公認(rèn)為一門純實(shí)驗(yàn)科學(xué)純實(shí)驗(yàn)科學(xué)。其理由要追溯到人類認(rèn)識(shí)自然的兩種科學(xué)其理由要追溯到人類認(rèn)識(shí)自然的兩種科學(xué)方法。方法。2.計(jì)算化學(xué)的建立計(jì)算化學(xué)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(shè)公理假設(shè)模模 型型實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)檢驗(yàn)形式理論形式理論二次形式化、二次形式化、近似、計(jì)算近似、計(jì)算和模擬和模擬預(yù)預(yù) 測測設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)唯象理論唯象理論“預(yù)測預(yù)測”數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合檢驗(yàn)檢驗(yàn) 依 據(jù) 目 標(biāo) 數(shù)學(xué)工具 歸納法 實(shí)驗(yàn)事實(shí) 經(jīng)驗(yàn)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(shè) 形式理論 較高級(jí)、 復(fù)雜 迄迄80年代，歸納法是多數(shù)化學(xué)家采用的唯一科年代，歸納法是多數(shù)化學(xué)家采用的唯一科學(xué)方法；演繹法在化學(xué)界從未得到普遍承認(rèn)學(xué)方法；演繹法在化學(xué)界從未得到普遍承認(rèn)原因：原因：對(duì)象復(fù)雜；對(duì)象復(fù)雜；習(xí)慣觀念習(xí)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(yùn)用數(shù)學(xué)的多少是一門學(xué)科成熟程度的標(biāo)志。馬克思馬克思數(shù)學(xué)的應(yīng)用：在剛體力學(xué)中是絕對(duì)的，在氣體力學(xué)中是近似的，在液體力學(xué)中就已經(jīng)比較困難了；在物理學(xué)中是試驗(yàn)性的和相對(duì)的；在化學(xué)中是最簡單的一次方程式；在生物學(xué)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(jì)中葉自然科學(xué)各學(xué)科的世紀(jì)中葉自然科學(xué)各學(xué)科的“成成熟程度熟程度”。表明各學(xué)科研究對(duì)象。表明各學(xué)科研究對(duì)象 物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式與規(guī)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式與規(guī)律律 其復(fù)雜程度的差異其復(fù)雜程度的差異然而，一百多年來科技的發(fā)展使各學(xué)科的然而，一百多年來科技的發(fā)展使各學(xué)

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(jì)八十年代以來，先進(jìn)的分析儀器的應(yīng)用、量子二十世紀(jì)八十年代以來，先進(jìn)的分析儀器的應(yīng)用、量子化學(xué)計(jì)算方法的進(jìn)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)化學(xué)化學(xué)計(jì)算方法的進(jìn)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)化學(xué)科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了沖擊性的影響。其研究內(nèi)容、方法、科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了沖擊性的影響。其研究內(nèi)容、方法、乃至學(xué)科的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都在發(fā)生深刻的變化。乃至學(xué)科的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都在發(fā)生深刻的變化。冶金、建材工業(yè)推動(dòng)了無機(jī)藥物、染料、釀酒工業(yè)推動(dòng)了有機(jī) 經(jīng)典價(jià)鍵理論、苯結(jié)構(gòu)奠定有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)經(jīng)典價(jià)鍵理論、苯結(jié)構(gòu)奠定有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ) 元素周期表奠定無機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)元素周期表奠定無機(jī)化學(xué)基

6、礎(chǔ) 無機(jī)、有機(jī)化學(xué)在19世紀(jì)率先建立物理化學(xué)在20世紀(jì)初形成。旨在揭示化學(xué)反應(yīng)的普遍規(guī)律 反應(yīng)進(jìn)行的方向、程度和速度Gibbs 化學(xué)熱力學(xué)Gibbs自由能：G = H TS 反應(yīng)速率常數(shù)：RTEaeAk Arrhenius 化學(xué)動(dòng)力學(xué)物理化學(xué)的建立使化學(xué)科學(xué)開始擁有了理論。高等數(shù)學(xué)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(jì)熱力學(xué)中用到了概率論）經(jīng)典物理化學(xué)的理論是唯象的，是有限的地球空間內(nèi)宏觀化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)30年代量子化學(xué)和量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)分支的形成使化學(xué)科學(xué)開始與演繹法“沾上了邊”。但在80年代前進(jìn)展十分緩慢二十世紀(jì)初理論物理兩項(xiàng)重大突破二十世紀(jì)初理論物理兩項(xiàng)重大突

7、破量子力學(xué)是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的物理科學(xué)。量子力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展標(biāo)志著人類認(rèn)識(shí)自然實(shí)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(duì)論（1905） 量子力學(xué)的創(chuàng)建量子力學(xué)的創(chuàng)建（19251926）計(jì)算化學(xué)的理論背景計(jì)算化學(xué)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(xué)量子力學(xué)的建立未依據(jù)任何實(shí)驗(yàn)事實(shí)或經(jīng)驗(yàn)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(yán)格的邏輯演繹，迅速地建成一個(gè)自洽、完備、嚴(yán)密的理論體系是演繹法最成功的實(shí)例微觀粒子或體系的性質(zhì)由狀態(tài)

8、波函數(shù)微觀粒子或體系的性質(zhì)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(yùn)動(dòng)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(zhǔn)的微觀層次，方程放之四海而皆準(zhǔn)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(xué)量子力學(xué)為計(jì)算化學(xué)的為計(jì)算化學(xué)的形成奠定了理論基礎(chǔ)，形成奠定了理論基礎(chǔ)，計(jì)算計(jì)算機(jī)科學(xué)機(jī)科學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算化的發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算化學(xué)的迅速發(fā)展。它幫助化學(xué)學(xué)的迅速發(fā)展。它幫助化學(xué)家在原子、分子水平上闡明家在原子、分子水平上闡明化學(xué)問題的本質(zhì)，在創(chuàng)造特化學(xué)問題

9、的本質(zhì)，在創(chuàng)造特殊性能的新材料、新物質(zhì)方殊性能的新材料、新物質(zhì)方面發(fā)揮重大的作用。面發(fā)揮重大的作用。現(xiàn)代現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展的特征之一：計(jì)算化學(xué)的化學(xué)發(fā)展的特征之一：計(jì)算化學(xué)的蓬勃發(fā)展蓬勃發(fā)展 （1 1）國際科學(xué)界的共識(shí)和認(rèn)同）國際科學(xué)界的共識(shí)和認(rèn)同 19981998年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，授予了在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域做出年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，授予了在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的杰出貢獻(xiàn)的和和3. 計(jì)算化學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀計(jì)算化學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀（2 2）各類量子化學(xué)、理論化學(xué)、計(jì)算化學(xué)等學(xué)各類量子化學(xué)、理論化學(xué)、計(jì)算化學(xué)等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)不斷出現(xiàn)，術(shù)機(jī)構(gòu)不斷出現(xiàn)，人力、物力、財(cái)力向計(jì)算化人力、物力、財(cái)力向計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移集中；學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)

10、移集中；中國化學(xué)學(xué)科的教研基地，幾乎都成立了中國化學(xué)學(xué)科的教研基地，幾乎都成立了理論理論和計(jì)算化學(xué)研究中心和計(jì)算化學(xué)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(xué)等等。大、武大、山東大學(xué)等等。 （3 3）計(jì)算化學(xué)相關(guān)學(xué)術(shù)刊物的創(chuàng)刊）計(jì)算化學(xué)相關(guān)學(xué)術(shù)刊物的創(chuàng)刊美國化學(xué)會(huì)，英國皇家化學(xué)會(huì)，美國化學(xué)會(huì)，英國皇家化學(xué)會(huì)，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(yīng)用領(lǐng)域的拓寬和應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬（ 5 5）學(xué)術(shù)交流頻繁學(xué)術(shù)交流頻繁2003.7 第一屆國際理論化學(xué)、分子模擬和生命科學(xué)研第

11、一屆國際理論化學(xué)、分子模擬和生命科學(xué)研討會(huì)（中國科學(xué)院，北京）討會(huì)（中國科學(xué)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(jì)算化學(xué)常常局限于那些能夠接觸到必計(jì)算化學(xué)常常局限于那些能夠接觸到必要的計(jì)算機(jī)軟硬件的少數(shù)科學(xué)家。操作者自己編寫程序，要的計(jì)算機(jī)軟硬件的少數(shù)科學(xué)家。操作者自己編寫程序，自己維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，自己修復(fù)崩潰的系統(tǒng)。今天，情況自己維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，自己修復(fù)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(gè)人計(jì)算機(jī)個(gè)人計(jì)算機(jī)/ /計(jì)算機(jī)工作站甚至較僅僅

12、幾年前的大型計(jì)算計(jì)算機(jī)工作站甚至較僅僅幾年前的大型計(jì)算機(jī)的功能都要強(qiáng)大的多，而且能夠相對(duì)便宜地買到；機(jī)的功能都要強(qiáng)大的多，而且能夠相對(duì)便宜地買到；2)2)由于軟件可以從商業(yè)公司或科研實(shí)驗(yàn)室得到，人們不必由于軟件可以從商業(yè)公司或科研實(shí)驗(yàn)室得到，人們不必再自己編寫程序?，F(xiàn)在，分子模擬可以在任何實(shí)驗(yàn)室或教再自己編寫程序?，F(xiàn)在，分子模擬可以在任何實(shí)驗(yàn)室或教室實(shí)施。室實(shí)施。作為一個(gè)迅猛發(fā)展的學(xué)科，計(jì)算化學(xué)作為一個(gè)迅猛發(fā)展的學(xué)科，計(jì)算化學(xué)極大地極大地得益于近年來計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展得益于近年來計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展。相。相當(dāng)一部分計(jì)算工作可以由個(gè)人電腦當(dāng)一部分計(jì)算工作可以由個(gè)人電腦/ /PC機(jī)完成。機(jī)完

13、成。第三種科研方法第三種科研方法：實(shí)驗(yàn)研究，理論研究，：實(shí)驗(yàn)研究，理論研究，計(jì)計(jì)算模擬算模擬。計(jì)算化學(xué)的滲透領(lǐng)域：計(jì)算化學(xué)的滲透領(lǐng)域：無機(jī)、有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、反應(yīng)；無機(jī)、有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、反應(yīng)；反應(yīng)途徑、機(jī)理的研究；反應(yīng)途徑、機(jī)理的研究；結(jié)構(gòu)性能構(gòu)效關(guān)系（結(jié)構(gòu)性能構(gòu)效關(guān)系（QSAR，QSPR）；）；分子設(shè)計(jì)、藥物設(shè)計(jì)；分子設(shè)計(jì)、藥物設(shè)計(jì)；生命過程的研究（蛋白質(zhì)、生命過程的研究（蛋白質(zhì)、DNA等）；等）；化學(xué)領(lǐng)域無不涉及?；瘜W(xué)領(lǐng)域無不涉及。計(jì)算化學(xué)是化學(xué)與多個(gè)學(xué)科的交叉化 學(xué)物理學(xué)計(jì)算機(jī)科 學(xué)材料科學(xué)生命科學(xué)數(shù) 學(xué)計(jì) 算化 學(xué)環(huán)境科學(xué)計(jì)算化學(xué)的研究內(nèi)容計(jì)算化學(xué)的研究內(nèi)容q一類是一類是理論

14、化學(xué)家理論化學(xué)家，主要致力，主要致力計(jì)算化學(xué)方法計(jì)算化學(xué)方法的的研究。這些人需要對(duì)某個(gè)范圍內(nèi)的理論問題具研究。這些人需要對(duì)某個(gè)范圍內(nèi)的理論問題具有精深的理解，同時(shí)還需要有相當(dāng)?shù)挠芯畹睦斫猓瑫r(shí)還需要有相當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)和計(jì)數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)編程算機(jī)編程能力。能力。q另一類人是在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域中從事另一類人是在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域中從事應(yīng)用研究應(yīng)用研究的的人，他們應(yīng)用已成熟的理論、方法和編寫好的人，他們應(yīng)用已成熟的理論、方法和編寫好的軟件進(jìn)行軟件進(jìn)行具體體系具體體系的研究。的研究。4. 計(jì)算化學(xué)研究簡介計(jì)算化學(xué)研究簡介計(jì)算化學(xué)的研究范圍計(jì)算化學(xué)的研究范圍計(jì)算化學(xué)研究的發(fā)展趨勢和方向計(jì)算化學(xué)研究的發(fā)展趨勢和方向靜態(tài)（結(jié)

15、構(gòu)與性能關(guān)系）結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系）動(dòng)態(tài)（分子分子間的相互作用、相互碰撞與相互反應(yīng)等）間的相互作用、相互碰撞與相互反應(yīng)等）小分子體系納米尺度計(jì)算方法的改進(jìn)和融合計(jì)算化學(xué)研究一般包括三個(gè)階段：計(jì)算化學(xué)研究一般包括三個(gè)階段：選擇方法：選擇描述體系中分子內(nèi)和分子間相互作用的選擇方法：選擇描述體系中分子內(nèi)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(xué)量子力學(xué)和和分子力學(xué)分子力學(xué)。計(jì)算體系中各種。計(jì)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(yīng)變化。位置改變的相應(yīng)變化。計(jì)算過程。如能量最小化，分子動(dòng)力學(xué)或蒙特卡洛模擬，計(jì)算過程

16、。如能量最小化，分子動(dòng)力學(xué)或蒙特卡洛模擬，構(gòu)象搜索。構(gòu)象搜索。(1) 結(jié)果結(jié)果分析分析和誤差評(píng)價(jià)。分析計(jì)算數(shù)據(jù)，從中提取相關(guān)的和誤差評(píng)價(jià)。分析計(jì)算數(shù)據(jù)，從中提取相關(guān)的分子性質(zhì)；檢查計(jì)算的實(shí)施是否正確無誤，以及結(jié)果誤分子性質(zhì)；檢查計(jì)算的實(shí)施是否正確無誤，以及結(jié)果誤差的評(píng)價(jià)。差的評(píng)價(jià)。一般計(jì)算化學(xué)軟件所具有的功能：一般計(jì)算化學(xué)軟件所具有的功能：q 建立和顯示分子結(jié)構(gòu)建立和顯示分子結(jié)構(gòu)q 優(yōu)化分子構(gòu)型優(yōu)化分子構(gòu)型q 研究分子的反應(yīng)性研究分子的反應(yīng)性(如從軌道能量、組合系數(shù)、節(jié)點(diǎn)性質(zhì)如從軌道能量、組合系數(shù)、節(jié)點(diǎn)性質(zhì)等根據(jù)前線軌道理論研究分子不同取代基的相對(duì)反應(yīng)性、等根據(jù)前線軌道理論研究分子不同取代基的

17、相對(duì)反應(yīng)性、反應(yīng)選擇性以及親核、親電試劑的反應(yīng)位置等反應(yīng)選擇性以及親核、親電試劑的反應(yīng)位置等)q 計(jì)算顯示分子軌道、電荷分布、靜電勢圖等計(jì)算顯示分子軌道、電荷分布、靜電勢圖等q 估計(jì)化學(xué)反應(yīng)途徑和機(jī)理估計(jì)化學(xué)反應(yīng)途徑和機(jī)理q 研究分子的動(dòng)態(tài)性質(zhì)研究分子的動(dòng)態(tài)性質(zhì)q 研究分子的研究分子的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-性質(zhì)性質(zhì)(活性活性)關(guān)系關(guān)系(QSPR/QSAR)計(jì)算化學(xué)的應(yīng)用計(jì)算化學(xué)的應(yīng)用可用于可用于更全面地了解更全面地了解分子的性質(zhì)分子的性質(zhì) 化學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)領(lǐng)域生命科學(xué)領(lǐng)域可以可以預(yù)測預(yù)測尚未合成的化合物的性質(zhì)尚未合成的化合物的性質(zhì)制藥制藥制藥、材料制藥、材料 最終目的是設(shè)計(jì)最終目的是設(shè)計(jì)- -藥物設(shè)計(jì)

18、藥物設(shè)計(jì) ( (有機(jī)分子，多肽等有機(jī)分子，多肽等) )- -材料設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì) ( (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(shè)計(jì)生物大分子設(shè)計(jì) ( (酶，蛋白質(zhì)等酶，蛋白質(zhì)等) )- -其它其它 ( (有機(jī)反應(yīng)合成路線設(shè)計(jì)等有機(jī)反應(yīng)合成路線設(shè)計(jì)等) ) 計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的發(fā)展熱門方向熱門方向大量的化學(xué)和生大量的化學(xué)和生命科學(xué)工作者進(jìn)入該領(lǐng)域，希望應(yīng)用現(xiàn)代的命科學(xué)工作者進(jìn)入該領(lǐng)域，希望應(yīng)用現(xiàn)代的計(jì)算化學(xué)技術(shù)來輔助、指導(dǎo)他們的研究工作。計(jì)算化學(xué)技術(shù)來輔助、指導(dǎo)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理論知識(shí)，只要有一般

19、的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，就可以識(shí)，只要有一般的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，就可以很容易地完成許多計(jì)算化學(xué)的簡單工作。很容易地完成許多計(jì)算化學(xué)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(jì)算化學(xué)概的計(jì)算化學(xué)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(jì)算，這實(shí)急于計(jì)算，這實(shí)際上是沒有意義的。際上是沒有意義的。5.計(jì)算化學(xué)研究主要涉及的方法計(jì)算化學(xué)研究主要涉及的方法計(jì)算量子化學(xué)計(jì)算量子化學(xué)分子模擬分子模擬 半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法半經(jīng)驗(yàn)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自洽場方法 微擾方法

20、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(xué)分子力學(xué) 分子動(dòng)力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)分子力學(xué)方法 把分子用硬球和彈簧的方式來表示 相對(duì)于初步搭建的分子模型, 可以更好地得到其穩(wěn)定結(jié)構(gòu) 可以計(jì)算變形的相對(duì)能量 計(jì)算成本低 需要很多經(jīng)驗(yàn)參數(shù), 這些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)需要仔細(xì)測試和校準(zhǔn) 只能得到穩(wěn)定幾何結(jié)構(gòu) 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(yīng)性能的信息 不能研究包含成鍵和斷鍵的反應(yīng)半經(jīng)驗(yàn)分子軌道理論 對(duì)價(jià)電子進(jìn)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(yàn)式子來近似 可以半定量地描寫電子分布, 分子結(jié)構(gòu), 性質(zhì)和相對(duì)

21、能量 比從頭算電子結(jié)構(gòu)方法計(jì)算快, 但是準(zhǔn)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(jìn)行改進(jìn), 直至達(dá)到化學(xué)精度 化學(xué)精度: 鍵長0.02A, 鍵角2o, 鍵能2kcal/mol 不需要參數(shù), 也不用實(shí)驗(yàn)來校準(zhǔn) 可以描寫結(jié)構(gòu), 性質(zhì), 能量和反應(yīng)性能 計(jì)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(zhǔn)確的電子分布 可以很容易達(dá)到很高的精度, 但是無法系統(tǒng)地改進(jìn)到化學(xué)精度 需要一些猜測泛函和參數(shù), 體系的適用性必須用實(shí)驗(yàn)來校準(zhǔn) 可以描寫結(jié)構(gòu), 性質(zhì), 能量和反應(yīng)性能 計(jì)算成本中等總結(jié)分子力學(xué)(Mo

22、lecular mechanicsm)大體系, 結(jié)構(gòu)半經(jīng)驗(yàn)方法(Semiempirical)中等體系, 粗略性質(zhì)完全從頭算(ab initio calculation)小體系, 準(zhǔn)確性質(zhì)密度泛函(Density functional)中等體系, 準(zhǔn)確性質(zhì)6.計(jì)算化學(xué)的軟件計(jì)算化學(xué)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(gòu)建模型和查看結(jié)果 我們將使用Gaussian09作為范本 軟件的使用經(jīng)驗(yàn)可以很容易地用于其它類似軟件包目前常用的計(jì)算化學(xué)軟件目前常用的計(jì)算化學(xué)軟件Gaussian 98,03,09 GAMESSMolproCrystalHyperchem

23、Cerius2, Material Studio(材料)Insight II (藥物，大分子，材料)MDL的各種化學(xué)數(shù)據(jù)庫Gaussian 09的功能 Gaussian 09 分子力學(xué), 半經(jīng)驗(yàn)、從頭算、 密度泛函的分子軌道計(jì)算 可用的操作系統(tǒng)版本有Windows和Linux GaussView Gaussian的圖形界面- 預(yù)測分子結(jié)構(gòu)預(yù)測分子結(jié)構(gòu) 給定一個(gè)化學(xué)式，通過理論計(jì)算定出它的最優(yōu)結(jié)構(gòu)給定一個(gè)化學(xué)式，通過理論計(jì)算定出它的最優(yōu)結(jié)構(gòu)計(jì)算化學(xué)軟件能解決的問題計(jì)算化學(xué)軟件能解決的問題分子中原子核運(yùn)動(dòng)的勢能函數(shù)分子中原子核運(yùn)動(dòng)的勢能函數(shù)- 分子勢能面分子勢能面 (PES)搜索搜索摘自摘自Gau

24、ssian手冊手冊 分子的能量和結(jié)構(gòu)分子的能量和結(jié)構(gòu) 過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu) 振動(dòng)頻率振動(dòng)頻率 紅外和拉曼光譜紅外和拉曼光譜 熱化學(xué)性質(zhì)熱化學(xué)性質(zhì) 成鍵和化學(xué)反應(yīng)能量成鍵和化學(xué)反應(yīng)能量 化學(xué)反應(yīng)路徑化學(xué)反應(yīng)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(dòng)圓二色性強(qiáng)度振動(dòng)圓二色性強(qiáng)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(zhì)單分子性質(zhì)集團(tuán)性質(zhì)集團(tuán)性質(zhì)不可測量性質(zhì)不可測量性質(zhì)- 分子的化學(xué)性質(zhì)分子的化學(xué)性質(zhì)課程目標(biāo)：課程目標(biāo)：了解計(jì)算化學(xué)的了解計(jì)算化學(xué)的

25、主要方法主要方法和和基本概念基本概念 能夠讀懂相關(guān)領(lǐng)域的能夠讀懂相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)文獻(xiàn)了解常見的計(jì)算化學(xué)了解常見的計(jì)算化學(xué)軟件的使用軟件的使用掌握基本的計(jì)算化學(xué)掌握基本的計(jì)算化學(xué)研究思路和方法研究思路和方法。了解計(jì)算化學(xué)能干什么，我們可以作哪些工作，作了解計(jì)算化學(xué)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(jì)算化學(xué)方面到什么精度，為在自己的研究域開展計(jì)算化學(xué)方面的研究打一個(gè)基礎(chǔ)的研究打一個(gè)基礎(chǔ)拓展知識(shí)，開闊視野拓展知識(shí)，開闊視野認(rèn)知方法，理解原理認(rèn)知方法，理解原理簡單應(yīng)用，提高檔次簡單應(yīng)用，提高檔次學(xué)習(xí)要求：學(xué)習(xí)要求：具有較好的結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力有不低于 P4的微機(jī)供

26、練習(xí)用，內(nèi)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(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，淡化理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)教學(xué)和考核方法：教學(xué)和考核方法：教學(xué)方法：教學(xué)方法：1、課堂講授；2、小型專題討論；3、上機(jī)實(shí)踐；考核方法：考核方法： 1、平時(shí)成績+結(jié)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(xué)基本原理和從頭計(jì)、徐光憲，黎樂民，王德民，量子化學(xué)基本原理和從頭計(jì)算法，算法，1985，科學(xué)出版社；，科學(xué)出版社； 2、林夢海，量子化學(xué)計(jì)算方法與應(yīng)用，、林夢海，量子化學(xué)計(jì)算方法與應(yīng)用，2004，科學(xué)出版社；，科學(xué)出版社；3、楊頻，高飛，生物無機(jī)化學(xué)原理，、楊頻，高飛，生物無機(jī)化學(xué)原理，2002，科學(xué)出版社；，科學(xué)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(xué)出版社；，科學(xué)出版社；5、王志中，李向東，半經(jīng)驗(yàn)分子軌道理論與實(shí)踐，、王志中，李向東，半經(jīng)驗(yàn)分子軌道理論與實(shí)踐，1981，科學(xué)出版社；科學(xué)出版社；6、廖沐真等，量子化學(xué)從頭計(jì)算法，、廖沐真等，量