計(jì)算化學(xué)課程理論概述

計(jì)算化學(xué)課程理論概述第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五教學(xué)內(nèi)容緒論第一章理論概述第二章化學(xué)軟件與網(wǎng)絡(luò)資源第三章分子動力學(xué)第四章分子力學(xué)第五章量子化學(xué)計(jì)算方法第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五“計(jì)算”第三條科學(xué)發(fā)現(xiàn)的途徑20世紀(jì)80年代以來，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為所有分支領(lǐng)域化學(xué)家的必備工具?！坝?jì)算化學(xué)”不應(yīng)停留在“計(jì)算機(jī)輔助”的角色。“計(jì)算”已經(jīng)與實(shí)驗(yàn)，形式理論一樣能夠發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)現(xiàn)象、新的科學(xué)概念，從而“計(jì)算”已經(jīng)成為第三條科學(xué)發(fā)現(xiàn)的途徑。第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五憑什么相信計(jì)算什么是計(jì)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(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)（物理上）客觀世界從物質(zhì)構(gòu)成而言就是僅僅由電子和原子核組成的。正因?yàn)檫@種物質(zhì)的統(tǒng)一性，無生命物質(zhì)的統(tǒng)一理論在物理上適用，在化學(xué)上也如此。自我批判是科學(xué)的生命力所在，第一原理在不斷發(fā)展中。第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五計(jì)算化學(xué)的宗旨首先選用物理模型，不得已才選數(shù)學(xué)模型。在運(yùn)用第一原理的時候，選用適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒拍軋?zhí)行計(jì)算。必須強(qiáng)調(diào)：物理模型比數(shù)學(xué)模型重要得多，只有在暫時無法構(gòu)筑物理模型的場合才不得已采用數(shù)學(xué)模型。物理學(xué)是嚴(yán)密科學(xué)（exactscience)，化學(xué)也正步入嚴(yán)密科學(xué)。“嚴(yán)”字指機(jī)理正確，“密”字指數(shù)值準(zhǔn)確。第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五計(jì)算化學(xué)的研究內(nèi)容：狹義：

量子結(jié)構(gòu)計(jì)算——量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)范疇；

物理化學(xué)參數(shù)的計(jì)算——統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)范疇化學(xué)過程模擬和化工過程計(jì)算等

廣義：化學(xué)數(shù)據(jù)挖掘(Datamining)；化學(xué)結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算機(jī)處理技術(shù)；計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助合成路線設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助化學(xué)過程綜合與開發(fā)；化學(xué)中的人工智能方法等。第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五體系數(shù)據(jù)和性質(zhì)的綜合分析分子(材料)CAD合成路線CAD化學(xué)CAI數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析及其它應(yīng)用化學(xué)數(shù)據(jù)庫量子化學(xué)計(jì)算計(jì)算機(jī)分子模擬分子結(jié)構(gòu)建模與圖象顯示化學(xué)人工智能分子力學(xué)(MM)分子動力學(xué)(MD&MC)計(jì)算化學(xué)計(jì)算化學(xué)的主要研究內(nèi)容第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五如何進(jìn)行計(jì)算化學(xué)計(jì)算方面化學(xué)中的問題物理模型數(shù)學(xué)模型公式算法編程調(diào)試試算分析輸出結(jié)果

第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五如何進(jìn)行計(jì)算化學(xué)分子模擬化學(xué)中的問題構(gòu)建分子模型幾何優(yōu)化構(gòu)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(jié)果

第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五能量優(yōu)化方法單純形法最速下降法共軛梯度法Newton-Raphson第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五尋找過渡態(tài)的方法極大-極小逼近法線性內(nèi)坐標(biāo)途徑法（LICP)第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五計(jì)算化學(xué)理論概述第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五計(jì)算化學(xué)理論概述分子力學(xué)(Molecularmechanicsm)半經(jīng)驗(yàn)方法(Semiempirical)完全從頭算(abinitiocalculation)密度泛函(Densityfunctional)第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五分子模型的適用范圍可以把分子結(jié)構(gòu),性質(zhì)和反應(yīng)性能模型化可以進(jìn)行簡單的定性解釋,也可以得到精確的定量的結(jié)果可以瞬間計(jì)算完成,也可能花費(fèi)超級計(jì)算機(jī)幾個月的時間必須平衡計(jì)算成本和模型方法的精確度第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五簡單搭建的分子模型從一些標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)或部分來搭建鍵長和配位都是固定的從一些分子的結(jié)構(gòu)來可以得到很好的定性模型便于使用而且很容易實(shí)現(xiàn)可以對分子的三維結(jié)構(gòu)給出直觀的認(rèn)識對于分子性質(zhì),能量或反應(yīng)性能卻一無所知第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五分子力學(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)第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五分子動力學(xué)分子動力學(xué)是一套分子模擬方法，該方法主要是依靠牛頓力學(xué)來模擬分子體系的運(yùn)動，以在由分子體系的不同狀態(tài)構(gòu)成的系綜中抽取樣本，從而計(jì)算體系的構(gòu)型積分，并以構(gòu)型積分的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)一步計(jì)算體系的熱力學(xué)量和其他宏觀性質(zhì)。第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五半經(jīng)驗(yàn)分子軌道理論對價電子進(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,但是沒有它準(zhǔn)確第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五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)算成本高第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五密度泛函理論使用完全的Schr?dinger方程,原理上可以得到準(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)算成本中等第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五總結(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)第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五計(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第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五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的圖形界面第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五化學(xué)中的常用軟件分子結(jié)構(gòu)繪圖軟件描繪化合物的結(jié)構(gòu)式、化學(xué)反應(yīng)方程式、化工流程圖、簡單的實(shí)驗(yàn)裝置圖等化學(xué)常用的平面圖形的繪制二維圖形軟件：ChemDraw(Chemoffice),ChemWindow：商業(yè)軟件/

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最新版本分別為12和6.5。ISISDraw,ChemSketch：對教育界及家用為免費(fèi)軟件/

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最新版本分別為2.2和4.0。第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五三維結(jié)構(gòu)顯示與描繪軟件：化學(xué)中的常用軟件Chem3D(Chemoffice):是ChemOffice的組成部分，同ChemDraw一起協(xié)同工作，ChemDraw上畫出的二維結(jié)構(gòu)式可以正確地自動轉(zhuǎn)換為三維結(jié)構(gòu)。ultra版本還包括了一個很好的半經(jīng)驗(yàn)量子化學(xué)計(jì)算程序MOPAC97,能夠以三維的方式顯示量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果WebLabViewerPro,RasWin:Lite版只能顯示而無法編輯三維分子模型，為免費(fèi)軟件pro版本表現(xiàn)生物分子和晶體結(jié)構(gòu)的能力比較強(qiáng)下載地址為/能夠以線圖(wireframe),球棍(ballandstick),CPK及絲帶(ribbon)等模式顯示化合物的三維結(jié)構(gòu)。RasMol,ArgusLab,ChemBuilder3D,ChemSite,HyperChem等第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五化學(xué)中的常用軟件科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理軟件通用型：對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理、統(tǒng)計(jì)分析、付立葉變換、t-試驗(yàn)、線性及非線性擬合；繪制二維及三維圖形如：散點(diǎn)圖、條形圖、折線圖、餅圖、面積圖、曲面圖、等高線圖等。Origin：最新版本為6.0/SigmaPlot：最新版本為2000/

第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五核磁數(shù)據(jù)處理軟件：NUTS：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(xí)等幾乎所有核磁儀器操作軟件的功能，/MestRe-C：處理一維核磁數(shù)據(jù)的免費(fèi)軟件http://qobrue.usc.es/jsgroup/MestRe-C/MestRe-C.htmlGifa：處理一至三維核磁數(shù)據(jù)，為運(yùn)行在LINUX操作系統(tǒng)中X-Window上的免費(fèi)軟件http://www.cbs.univmontp1.fr/GIFA/化學(xué)中的常用軟件色譜及紅外、Raman等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理：GRAMS/32：/

第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五文獻(xiàn)管理化學(xué)中的常用軟件對文獻(xiàn)進(jìn)行整理，能在文字處理程序中直接插入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)并生成一定雜志規(guī)定格式的參考文獻(xiàn)列表EndNote4：/

ReferenceManager9.5,ProCite5.0：/第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五圖譜解析

化學(xué)中的常用軟件核磁圖譜：ChemNMR：ChemDrawUltra版本的一個插件，可以用來估算大多數(shù)有機(jī)物的1H、13C化學(xué)位移及用線圖表示的相應(yīng)圖譜C13ModuleforChemWindow：ChemWindow的一個插件，可以用來估算大多數(shù)有機(jī)物的13C化學(xué)位移gNMR：則可用來估算任何NMR活性核的化學(xué)位移，并能畫出非常逼真的圖譜/Sparky：二維核磁特別是對復(fù)雜2DNMR的解析第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五化學(xué)中的常用軟件紅外圖譜IRMentorPro，IRSearchMaster：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(tuán)。/pub/質(zhì)譜MassSpectraSimulator：/gjlinker

ChemWindow6.0Spectroscopy版本第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五化學(xué)中的常用軟件計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CHAOS：有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)《OrganicChemistryinAction》，可以使用“逆序法”自動尋找目標(biāo)物的合成原料ChemDrawultra版，Beilstein公司的AutoNom4.0版：有機(jī)化合物命名工具命名軟件，給出IUPAC名稱，CAS名稱，對立體化學(xué)的支持。/Chemlab——化學(xué)反應(yīng)模擬軟件

虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)，交互式地仿真演示化學(xué)實(shí)驗(yàn),FORWIN9X。能夠仿真大多數(shù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。CHEMLAB包含的東西非常多,滴定、反應(yīng)動力學(xué)，周期表...第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五化學(xué)中的常用軟件量子化學(xué)計(jì)算WinMOPAC：半經(jīng)驗(yàn)分子軌道(AM1,PM3,MINDO,MNDO/3等)計(jì)算程序，計(jì)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。/PCSpartan：WaveFunction公司的產(chǎn)品，其計(jì)算方法包括：MM2,AM1,AM1withSolvent,PM3,從頭計(jì)算等，亦可將分子軌道及電荷密度等用三維圖形表示。/HyperChem：包括常用的幾乎所有分子力學(xué)及半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法及多種基集的從頭計(jì)算等，并能計(jì)算振動光譜、電子光譜、分子動態(tài)學(xué)等，所得結(jié)果可以非常漂亮的三維圖形表示出來。/第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五化學(xué)中的常用軟件Gamess：免費(fèi)的從頭計(jì)算程序，其速度快，并提供源程序。DOS界面。/GAMESS/GAMESS.html。Gamess用戶界面Visualize，/Gaussian：支持常用半經(jīng)驗(yàn)方法、從頭計(jì)算法及密度泛函理論，其用戶界面不夠友好?？梢栽贑hem3D加入CSGaussianClient插件后簡化用戶的操作。/Jaguar：使用工作站(如SGI,HP,DEC)及LINUX操作系統(tǒng)的PC所設(shè)計(jì)的從頭計(jì)算及密度泛函計(jì)算程序，其速度特快，用戶界面一般。/。第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五化學(xué)中的常用軟件科學(xué)數(shù)據(jù)處理與繪圖工具軟件Origin

Origin的窗口組成數(shù)據(jù)的輸入、編輯和保存數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理

——一元線性回歸；多元線性回歸；多項(xiàng)式回歸數(shù)據(jù)關(guān)系的圖形表示

——二維數(shù)據(jù)點(diǎn)；三維數(shù)據(jù)點(diǎn)第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五化學(xué)中的常用軟件有機(jī)分子結(jié)構(gòu)式繪圖軟件ChemWindow

Chemwindow的窗口組成繪圖工具欄簡介附加庫菜單命令

SymApps第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五化學(xué)中的常用軟件分子繪圖及分子模擬計(jì)算軟件ChemofficeChemoffice的組成

——ChemDraw;Chem3D;ChemfinderChemDraw

——核磁位移的估算Chem3D

——提供三維分子結(jié)構(gòu)顯示、計(jì)算功能，并附帶分子力學(xué)MM2程序，量子力學(xué)半經(jīng)驗(yàn)MOPAC2000程序，提供了Gaussian接口。

第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五網(wǎng)絡(luò)上的化學(xué)資源化學(xué)化工綜合網(wǎng)站中國化學(xué)化工信息資源：中科院化學(xué)所,ChemCenter；美國化學(xué)會ACSChemWeb:虛擬化學(xué)俱樂部英國皇家化學(xué)會RSC及其ChemSoc;Chemdex：英國Sheffied大學(xué)化學(xué)站點(diǎn)

第三十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五網(wǎng)絡(luò)上的化學(xué)資源網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫Cambridgesoft：提供Internet上的化合物和化學(xué)反應(yīng)在線數(shù)據(jù)庫。;

ChemFinder：提供Cambridgesoft公司的化學(xué)數(shù)據(jù)庫檢索