計(jì)算機(jī)化學(xué)輔助分子設(shè)計(jì)(ppt 99頁(yè)).ppt

1、計(jì)算機(jī)化學(xué)與分子設(shè)計(jì),Computational Chemistry transition states and reaction paths. Molecular properties: Electrical, Magnetic, Optical, etc. Spectroscopy, from NMR to X-ray. Reaction mechanisms in chemistry and bio-chemistry. Intermolecular interactions giving potentials which may be used to study macromolecu

2、les, solvent effects, crystal packing, etc.,分子軌道法計(jì)算演示,分子幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化；能量、波函數(shù)和電子結(jié)構(gòu)計(jì)算 分子的性質(zhì)、偶極矩 分子的振動(dòng)光譜及紫外可見(jiàn)光譜；簡(jiǎn)正振動(dòng)分析,一些化合物紅外光譜計(jì)算結(jié)果（從頭算法，6-31G(d) ）,反應(yīng)途徑及過(guò)渡態(tài)計(jì)算,基元反應(yīng)：,反應(yīng)物,配合物 1,過(guò)渡態(tài),配合物 2,產(chǎn)物,鞍點(diǎn),勢(shì)能面和反應(yīng)途徑,勢(shì)能面無(wú)法實(shí)驗(yàn)測(cè)定。由量子化學(xué)計(jì)算給出,鞍點(diǎn),T (ABC),The energy surface (in two dimensions) for a hypothetical chemical reaction fr

3、om one equilibrium over a barrier (transition state) to the second equilibrium,如何進(jìn)行反應(yīng)途徑和過(guò)渡態(tài)搜索？,反應(yīng)活化能計(jì)算精度取決于 高檔次 (level) 的計(jì)算方法 準(zhǔn)確地確定鞍點(diǎn)及分子的過(guò)渡結(jié)構(gòu) 鞍點(diǎn)的條件十分苛刻。處理手續(xù)復(fù)雜，計(jì)算量大 需采用較高級(jí)的專(zhuān)業(yè)量子化學(xué)軟件 Gaussian 92, 94 & 98 (for Unix or Windows) Mulliken for IBM / RS-6000 MOPAC for Windows v2.0 均配備了反應(yīng)途徑和過(guò)渡態(tài)自動(dòng)搜索的功能！,反應(yīng)物 F-

4、 + CH3Cl,能量極小點(diǎn) 1 F-CH3Cl,過(guò)渡態(tài) ( F-CH3Cl )-,能量極小點(diǎn) 2 FCH3Cl-,產(chǎn) 物 FCH3 + Cl-,實(shí)例：一個(gè)SN2 反應(yīng)的反應(yīng)途徑和過(guò)渡態(tài)計(jì)算,Electron density in the amino acid system calculated using a quantum-chemistry computer program. The picture shows the surface where the electron density is 0.002 electrons/3 (meaning that nearly all elec

5、trons are inside the surface). The grey scale shows the electrostatic potential at this surface, darker portions representing negative potential.,半胱胺酸分子 等電子密度面,High up in the atmosphere, CF2Cl2 (freon) are destroyed by ultraviolet light. Free Cl atoms are formed, which react with O3 (ozone) and dest

6、roy them. The process can be studied using quantum-chemical calculations.,Freon,Ozone,氟利昂分子破壞大氣臭氧層 反應(yīng)機(jī)理的理論計(jì)算研究,The electron density around the vitamin C molecule. The colors show the electrostatic potential with the negative areas shaded in red and the positive in blue,維生素C分子的 電子密度與靜電勢(shì),1986：李遠(yuǎn)哲：“ 在十

7、五年前，如果理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)有矛盾，那么經(jīng)常證明是理論結(jié)果錯(cuò)了。但是最近十年則相反，常常是實(shí)驗(yàn)錯(cuò)了。量子力學(xué)有些結(jié)果是實(shí)驗(yàn)工作者事先未想到的，或者是難以實(shí)現(xiàn)的”,電子自旋磁矩的理論值和實(shí)驗(yàn)值精確符合到12位有效數(shù)字 H2分子的解離能理論計(jì)算值為36117.4cm-1 實(shí)驗(yàn)值36113.40.3cm-1 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段后測(cè)得36117.31.0cm-1,常用的量子化學(xué)計(jì)算方法,量子力學(xué)理論,Born-Oppenheimer近似,非相對(duì)論近似,單電子近似,Hartree-Fock 方 程,Roothaan 方 程,自洽場(chǎng) 從頭算 SCF- ab initio,密度 泛函法 DFT,超 HF,LCMTO

8、-X,AM1,C-EHMO,EHMO,IT-EHMO,MCNDO,CNDO,MINDO,INDO,MNDO,NDDO,PM3,MSW-X,DV-X,LCAO-X,從頭算法 Ab Initio,半從頭算法 Slater X,半經(jīng)驗(yàn)法 Semi-emperical,第一原理計(jì)算,從1954年起，有6屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主8人屬理論化學(xué)領(lǐng)域。其中6位是物理學(xué)家，1位是數(shù)學(xué)家，只有1位 福井謙一 是從化工改行的化學(xué)家。化學(xué)界應(yīng)感羞愧。并表明：“學(xué)科之間無(wú)不可逾越的鴻溝”，“樹(shù)挪死，人挪活”,前沿發(fā)展 QM/MM法Combined ab initio & Molecular Mechanics,將MO法或D

9、FT與分子力學(xué)法相結(jié)合，取QM與MM兩者之長(zhǎng)。解決大分子參與的化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算 反應(yīng)的活性部位（active site）采用QM計(jì)算。其它基團(tuán)的相互作用及與活性部位的作用采用MM處理 QM/MM使計(jì)算酶催化、蛋白質(zhì)等參與的生物化學(xué)反應(yīng)成為可能,發(fā)展QM/MM法的兩位杰出華人青年化學(xué)家,Weitao Yang（楊偉濤） Duke University, Durham Jiali Gao（高嘉立） State University of New York at Burffalo,烯醇酶活性部位催化兩步反應(yīng)的計(jì)算,烯醇酶之谷氨酸和賴(lài)氨酸殘基協(xié)同催化 磷酰甘油酯（PDA）的兩步脫水反應(yīng),兩步催化歷程分子

10、總能量相對(duì)值的變化,烯醇酶催化活性部位之殘基及水分子位置,烯醇酶催化活性部位之殘基及水分子位置,對(duì)1998 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)劃 時(shí) 代 的 評(píng) 價(jià),瑞典皇家科學(xué)院對(duì)1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)價(jià)空前之高。公告稱(chēng)：,“ 量子化學(xué)已發(fā)展成為廣大化學(xué)家都能使用的工具，將化學(xué)帶入一個(gè)新時(shí)代 實(shí)驗(yàn)與理論能攜手協(xié)力揭示分子體系的性質(zhì)?；瘜W(xué)不再是一門(mén)純實(shí)驗(yàn)科學(xué)了”,“卅年前，如果說(shuō)并非大多數(shù)化學(xué)家，那末至少是有許多化學(xué)家嘲笑量子化學(xué)研究，認(rèn)為這些工作對(duì)化學(xué)用處不大，甚至幾乎完全無(wú)用?，F(xiàn)在的情況卻是完全兩樣了。當(dāng)90年代行將結(jié)束之際，我們看到化學(xué)理論和計(jì)算研究的巨大進(jìn)展，導(dǎo)致整個(gè)化學(xué)正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命性的變化。Koh

11、n和Pople是其中的兩位最優(yōu)秀代表” “這項(xiàng)突破被廣泛地公認(rèn)為近一、二十年來(lái)化學(xué)學(xué)科中最重要的成果之一”,The additional material ends with a conclusion:,Quantum chemistry is today a mature science, which penetrates all of chemistry. This is an extraordinary achievement, where the work of the two laureates, Walter Kohn and John Pople has been of profound importance. Who could believe 10 years ago that quantum chemistry would play an important role in biochemistry, for example, in the understanding of mechanisms for enzymatic reactions, or explain the relation between structure and spectroscopic properties i