計(jì)算化學(xué)緒論

計(jì)算化學(xué)袁淑萍副教授國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地408室

E-mail:spyuanqdu@163.com電話：85950690一章緒論計(jì)算化學(xué)的概念計(jì)算化學(xué)的建立計(jì)算化學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀計(jì)算化學(xué)研究簡介計(jì)算化學(xué)研究主要涉及的方法常用軟件本課程計(jì)劃參考書目計(jì)算化學(xué)是理論化學(xué)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。1.利用計(jì)算機(jī)程序解量子化學(xué)方程來計(jì)算物質(zhì)的性質(zhì)（如能量，偶極距，振動頻率等），用以解釋一些具體的化學(xué)問題。2.利用計(jì)算機(jī)程序做分子力學(xué)和分子動力學(xué)模擬。簡稱分子模擬。1.計(jì)算化學(xué)的概念幾個(gè)概念的區(qū)別與聯(lián)系常見的一些名稱術(shù)語及其關(guān)系：相互滲透，相互依賴，部分重疊?

量子化學(xué)：量子力學(xué)→化學(xué)?理論化學(xué)：量子化學(xué)+動力學(xué)＋統(tǒng)計(jì)力學(xué)?計(jì)算化學(xué)：量子化學(xué)-分子力學(xué)-分子動力學(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)？?分子模擬：分子力學(xué)－分子動力學(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)為一門純實(shí)驗(yàn)科學(xué)。其理由要追溯到人類認(rèn)識自然的兩種科學(xué)方法。2.計(jì)算化學(xué)的建立⑴ 歸納法(F.Bacon,1561-1626)⑵ 演繹法(R.Decartes,1596-1650)公理假設(shè)模型實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)形式理論二次形式化、近似、計(jì)算和模擬預(yù)測設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)唯象理論“預(yù)測”數(shù)據(jù)擬合檢驗(yàn)迄80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)原因：①對象復(fù)雜；②習(xí)慣觀念歸納法(Reduction)與演繹法(Deduction)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

數(shù)學(xué)的應(yīng)用：在剛體力學(xué)中是絕對的，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。恩格斯恩格斯的論斷反映了19世紀(jì)中葉自然科學(xué)各學(xué)科的“成熟程度”。表明各學(xué)科研究對象物質(zhì)運(yùn)動形式與規(guī)律其復(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“成熟程度”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、乃至學(xué)科的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都在發(fā)生深刻的變化。化學(xué)科學(xué)發(fā)展簡要回顧

冶金、建材工業(yè)推動了無機(jī) 藥物、染料、釀酒工業(yè)推動了有機(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)

元素周期表奠定無機(jī)化學(xué)基礎(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=HTS反應(yīng)速率常數(shù)：Arrhenius

化學(xué)動力學(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)重大突破量子力學(xué)是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運(yùn)動與變化規(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)識自然實(shí)現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。⑴ Einstein廣義和狹義相對論（1905）⑵ 量子力學(xué)的創(chuàng)建（1925~1926）計(jì)算化學(xué)的理論背景Heisenberg、Schr?dinger、Dirac、Born等于1925~1926創(chuàng)建30年代初由vonNeumann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)波函數(shù)唯一確定，服從Schr?dinger方程基本運(yùn)動方程Schr?dinger方程：Hamilton算符：在10-13m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…—Schr?dinger方程量子力學(xué)為計(jì)算化學(xué)的形成奠定了理論基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)科學(xué)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)家在原子、分子水平上闡明化學(xué)問題的本質(zhì)，在創(chuàng)造特殊性能的新材料、新物質(zhì)方面發(fā)揮重大的作用?，F(xiàn)代化學(xué)發(fā)展的特征之一：計(jì)算化學(xué)的蓬勃發(fā)展

（1）國際科學(xué)界的共識和認(rèn)同

1998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Pople和Kohn3.計(jì)算化學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀（2）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)，人力、物力、財(cái)力向計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移集中；中國化學(xué)學(xué)科的教研基地，幾乎都成立了理論和計(jì)算化學(xué)研究中心：北大、南大、吉大、夏大、武大、山東大學(xué)等等。

（3）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，英國皇家化學(xué)會，Elsevier,Springer等出版社；（4）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（

5）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)研討會（中國科學(xué)院，北京）（6）可行性、通用性，正在成為一種常規(guī)研究方法：第三種科研方法在過去，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，情況則發(fā)生了巨變：1)個(gè)人計(jì)算機(jī)/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，而且能夠相對便宜地買到；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。作為一個(gè)迅猛發(fā)展的學(xué)科，計(jì)算化學(xué)極大地得益于近年來計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展。相當(dāng)一部分計(jì)算工作可以由個(gè)人電腦/PC機(jī)完成。第三種科研方法：實(shí)驗(yàn)研究，理論研究，計(jì)算模擬。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)；反應(yīng)途徑、機(jī)理的研究；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)；生命過程的研究（蛋白質(zhì)、DNA等）；……化學(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)容一類是理論化學(xué)家，主要致力計(jì)算化學(xué)方法的研究。這些人需要對某個(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)臄?shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)編程能力。另一類人是在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域中從事應(yīng)用研究的人，他們應(yīng)用已成熟的理論、方法和編寫好的軟件進(jìn)行具體體系的研究。4.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)所能處理的體系范圍是非常廣泛的：從簡單的原子、孤立分子到液體，再到聚合物、生物大分子(蛋白質(zhì)、DNA)，直到固體。計(jì)算化學(xué)研究的發(fā)展趨勢和方向靜態(tài)（結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系）－動態(tài)（分子間的相互作用、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：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，一般采用量子力學(xué)和分子力學(xué)。計(jì)算體系中各種原子、分子排布的能量，并能得到系統(tǒng)能量隨原子分子位置改變的相應(yīng)變化。計(jì)算過程。如能量最小化，分子動力學(xué)或蒙特卡洛模擬，構(gòu)象搜索。結(jié)果分析和誤差評價(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)果誤差的評價(jià)。計(jì)算化學(xué)的應(yīng)用?可用于更全面地了解分子的性質(zhì)化學(xué)、生命科學(xué)領(lǐng)域?可以預(yù)測尚未合成的化合物的性質(zhì)制藥制藥、材料?最終目的是設(shè)計(jì)

-藥物設(shè)計(jì)(有機(jī)分子，多肽等) -材料設(shè)計(jì)(固體，表面，晶體，高分子等) -生物大分子設(shè)計(jì)(酶，蛋白質(zhì)等) -其它(有機(jī)反應(yīng)合成路線設(shè)計(jì)等)計(jì)算機(jī)的發(fā)展→熱門方向→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→使用戶勿需具備高深的理論知識，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。問題：有許多人甚至連最基本的計(jì)算化學(xué)概念都不清楚，就沒有目的地急于計(jì)算，這實(shí)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)算量子化學(xué)分子模擬半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法abinitio

分子軌道從頭算方法（HF方法）DFT

密度泛函方法超自洽場方法微擾方法組態(tài)相互作用法

CC方法多參考態(tài)方法分子力學(xué)分子動力學(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)分子軌道理論對價(jià)電子進(jìn)行近似的描寫通過解簡化的Schr?dinger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Schr?dinger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Schr?dinger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)(Molecularmechanicsm)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(abinitiocalculation)小體系,準(zhǔn)確性質(zhì)密度泛函(Densityfunctional)中等體系,準(zhǔn)確性質(zhì)6.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Gaussian03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Gaussian98,03,09…GAMESSMolproCrystalHyperchem…………Cerius2,MaterialStudio(材料)InsightII(藥物，大分子，材料)MDL的各種化學(xué)數(shù)據(jù)庫Gaussian03的功能Gaussian03 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LinuxGaussViewGaussian的圖形界面-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)計(jì)算化學(xué)軟件能解決的問題分子中原子核運(yùn)動的勢能函數(shù)-分子勢能面

(PES)搜索摘自Gaussian手冊分子的能量和結(jié)構(gòu)過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)振動頻率紅外和拉曼光譜熱化學(xué)性質(zhì)成鍵和化學(xué)反應(yīng)能量化學(xué)反應(yīng)路徑分子軌道原子電荷電多極矩NMR屏蔽和磁化系數(shù)振動圓二色性強(qiáng)度電子親和能和電離勢極化和超極化率靜電勢和電子密度單分子性質(zhì)集團(tuán)性質(zhì)不可測量性質(zhì)-分子的化學(xué)性質(zhì)課程主要任務(wù)：主要的計(jì)算化學(xué)方法的理論背景/基礎(chǔ)及其應(yīng)用(1)量子力學(xué)預(yù)備知識(2)量子化學(xué)從頭算方法(3)半經(jīng)驗(yàn)方法(4)密度泛函方法(5)組合方法（ONIOM）(6)Gaussian03軟件的使用及計(jì)算實(shí)例7.本課程的計(jì)劃課程目標(biāo)：了解計(jì)算化學(xué)的主要方法和基本概念

能夠讀懂相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)了解常見的計(jì)算化學(xué)軟件的使用掌握基本的計(jì)算化學(xué)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)拓展知識，開闊視野認(rèn)知方法，理解原理簡單應(yīng)用，提高檔次學(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)用能力最好有微機(jī)供練習(xí)用(或合用)。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)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：

1、平時(shí)成績+結(jié)業(yè)成績；2、出勤8.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)算法，1985，科學(xué)出版社；2、林夢海，量子化學(xué)計(jì)算方法與應(yīng)用，2004，科學(xué)出版社；3、楊頻，高飛，生物無機(jī)化學(xué)原理，2002，科學(xué)出版社；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，1976，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，1981，科學(xué)出版社；6、廖沐真等，量子化學(xué)從頭計(jì)算法，1984，清華大學(xué)出版社；7、肖慎修等，密度泛函理論的離散變分方法在化學(xué)和材料物理中的應(yīng)用，1998，科學(xué)出版社；8、陳凱先等，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)：原理、方法及應(yīng)用，2000，上?？茖W(xué)技