計(jì)算機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)心得

PAGE5摘要:以計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)、高級(jí)語(yǔ)言C程序設(shè)計(jì)與軟件為基礎(chǔ)結(jié)合化學(xué)專業(yè)中常用的數(shù)學(xué)方法和部分化學(xué)應(yīng)用軟件，綜述計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的理論與實(shí)際應(yīng)用，解決化學(xué)領(lǐng)域中的實(shí)際問(wèn)題以及建立簡(jiǎn)單的化學(xué)模型，同時(shí)介紹Origin、ChemWindow和化學(xué)品電子手冊(cè)等軟件，并且能夠利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行化學(xué)文獻(xiàn)檢索及其它相關(guān)化學(xué)信息的搜索與利用。關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī);化學(xué);儀器;軟件一．引言EnricoClementi教授是計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者。20世紀(jì)60年代初，他在美國(guó)SanJose建立了IBM計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，吸引了世界上一大批年輕學(xué)者，他們后來(lái)都成為了世界各地的計(jì)算化學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人。Clementi是國(guó)際上最早的幾個(gè)量子化學(xué)程序編制者，其中METECC系列開(kāi)源計(jì)算程序得到廣泛的應(yīng)用。他在1963年提出了密度泛函近似(DFA)，這是最早的量子化學(xué)密度泛函研究。近幾年，他與Giorgina，Corongiu提出了一種新的量子化學(xué)波函數(shù)方法:HF-HL，即將分子軌道理論與價(jià)鍵理論這兩種截然不同的途徑進(jìn)行了雜化組合運(yùn)算，并從中發(fā)展出“化學(xué)軌道”的概念[1]。隨著計(jì)算機(jī)在化學(xué)化工中應(yīng)用水平的提高，出現(xiàn)了一系列帶有邊緣性的，并具有獨(dú)立特征的研究領(lǐng)域[2]。如：計(jì)算方法，模型化方法，模擬技術(shù)，物質(zhì)共性規(guī)律，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系研究，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，化學(xué)信息和化學(xué)結(jié)構(gòu)的描述，處理，解析，分子圖形技術(shù)，化工冶金系統(tǒng)流程模擬及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD)技術(shù)，化學(xué)化工中的人工智能和專家系統(tǒng)等。這些新興領(lǐng)域就大體上形成了化學(xué)化工中的一個(gè)新的學(xué)科分支——計(jì)算機(jī)化學(xué)。計(jì)算機(jī)化學(xué)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)研究化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)變化的科學(xué)。以計(jì)算機(jī)為技術(shù)手段，建立化學(xué)化工信息資源化和智能化處理的理論和方法，認(rèn)識(shí)物質(zhì)、改造物質(zhì)、創(chuàng)造新物質(zhì)和認(rèn)識(shí)反應(yīng)、控制反應(yīng)過(guò)程和創(chuàng)造新反應(yīng)、新過(guò)程是計(jì)算機(jī)化學(xué)研究的主體。目前其覆蓋的領(lǐng)域主要有：(1)化學(xué)數(shù)據(jù)挖掘(Datamining)；(2)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)；(3)計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)；(4)計(jì)算機(jī)輔助合成路線設(shè)計(jì)；(5)計(jì)算機(jī)輔助化學(xué)過(guò)程綜合與開(kāi)發(fā)；(6)化學(xué)中的人工智能方法等[3]。二．我所認(rèn)識(shí)的計(jì)算機(jī)化學(xué)計(jì)算機(jī)化學(xué)是一門交叉性很強(qiáng)的邊緣學(xué)科計(jì)算機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)有三個(gè)方面：（1）基礎(chǔ)化學(xué)；（2）工程化學(xué)；（3）計(jì)算機(jī)科學(xué)。如果說(shuō)基礎(chǔ)化學(xué)各學(xué)科和工程化學(xué)各學(xué)科是其“經(jīng)”，計(jì)算機(jī)科學(xué)中的若干新技術(shù)則是“緯”。通過(guò)交叉聯(lián)系和滲透，某一學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的新技術(shù)新成果可以通過(guò)計(jì)算機(jī)化學(xué)迅速傳遞到化學(xué)的各學(xué)科領(lǐng)域中去，而化學(xué)領(lǐng)域中的許多新理論新成果可以通過(guò)計(jì)算機(jī)化學(xué)及時(shí)地在各其他學(xué)科或工程領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展。大量化學(xué)信息的計(jì)算機(jī)處理形成了計(jì)算機(jī)化學(xué)的鮮明特征按照我國(guó)目前對(duì)基礎(chǔ)研究范疇的提法，基礎(chǔ)研究包括三個(gè)方面：（1）基礎(chǔ)理論研究；（2）應(yīng)用基礎(chǔ)研究；（3）基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)的收集，整理，評(píng)價(jià)和有關(guān)規(guī)律的研究。和其他學(xué)科相比，按年度統(tǒng)計(jì)化學(xué)信息可占自然科學(xué)信息總量的40%左右。顯然，基礎(chǔ)化學(xué)數(shù)據(jù)（絕大部分是實(shí)驗(yàn)結(jié)果和多年積累的寶貴資料）的研究是至關(guān)重要的[4]?；瘜W(xué)家用通用的簡(jiǎn)潔語(yǔ)言——化學(xué)分子式，結(jié)構(gòu)式，化學(xué)反應(yīng)所表達(dá)的化學(xué)知識(shí)，化工過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)和圖形，這些都是化學(xué)信息的核心部分，把這些信息系統(tǒng)地在計(jì)算機(jī)內(nèi)表達(dá)和存貯，方便地實(shí)現(xiàn)各種制定目的的提取和加工是計(jì)算機(jī)化學(xué)各領(lǐng)域中的共性問(wèn)題。尤其是在原子，分子水平上不同層次的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息處理方法，當(dāng)然地成為計(jì)算機(jī)化學(xué)的研究重點(diǎn)。產(chǎn)生高技術(shù)軟件產(chǎn)品是計(jì)算機(jī)化學(xué)的又一個(gè)突出特征一般基礎(chǔ)研究，多僅以文章形式發(fā)表成果，但家算計(jì)化學(xué)除了文章之外，還有系統(tǒng)的軟件產(chǎn)品。以化工流程的模擬技術(shù)為例，一系列作為化工流程設(shè)計(jì)必備工具的軟件產(chǎn)品如ASPEN-PLUSPROCESS等已作為商品出售。軟件產(chǎn)業(yè)在全世界已經(jīng)逐步形成。與化學(xué)，化工有關(guān)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件和開(kāi)發(fā)工具是典型的高技術(shù)產(chǎn)品，在把科學(xué)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為直接生產(chǎn)力的過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用。由于計(jì)算機(jī)化學(xué)的研究工作和高技術(shù)軟件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)密不可分，使得這一新興學(xué)科分支既具有基礎(chǔ)研究的特色，又具有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益前景。三．計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的具體應(yīng)用化學(xué)軟件的應(yīng)用1.1、分子結(jié)構(gòu)的繪制這一系列的軟件有ISISDraw2.5和ChemSketch10.0等。ChemSketch10.0用的較多，幾乎可以繪制任意的分子結(jié)構(gòu)式。它是加拿大高級(jí)化學(xué)發(fā)展有限公司設(shè)計(jì)的多功能化學(xué)分子結(jié)構(gòu)繪制軟件包，使用簡(jiǎn)單、操作方便；可以繪制二維分子結(jié)構(gòu)式，并且能夠?qū)⑵淇焖俚剞D(zhuǎn)換為三維的立體模型，還可以繪制原子軌道、反應(yīng)方程式和實(shí)驗(yàn)裝置等，也可以生成各種圖形文件和MOL格式文件[5]。1.2、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，這些過(guò)程完全可以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成。常見(jiàn)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件有Orgin、SPSS、SAS和BMDP，其基本功能有數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析、輸出管理等等，分析過(guò)程包括描述性統(tǒng)計(jì)、均值比較、一般線性模型、相關(guān)分析、回歸分析、對(duì)數(shù)線性模型、聚類分析、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、生存分析、時(shí)間序列分析、多重影響等幾大類。1.3、化學(xué)物質(zhì)的查詢用于查詢的軟件主要有ChemFinder和ChemHandBook。它們都是數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，是化工工作者查詢和管理化學(xué)物性的良好工具，還可自己建立數(shù)據(jù)庫(kù)，簡(jiǎn)捷而方便。1.4、化合物的波譜分析計(jì)算機(jī)用于化合物的波譜解析是最近十幾年才流行起來(lái)的，它能對(duì)給定的物質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)分析和數(shù)據(jù)處理，通過(guò)得到的波譜圖來(lái)確定物質(zhì)的成分、含量、結(jié)構(gòu)和原子團(tuán)，這對(duì)現(xiàn)代儀器分析的進(jìn)展有著重要的作用。此技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥殘余的檢測(cè)、凝膠電泳分析、產(chǎn)品含量的分析及生化檢測(cè)和分子生物學(xué)領(lǐng)域。1.5、化工工藝流程的設(shè)計(jì)化工工藝流程可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助繪圖（CAD）來(lái)完成，常用的軟件有AutoCAD和SmartDraw。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工藝流程，速度快、效率高，可以隨時(shí)對(duì)做出的方案進(jìn)行修改，做好的設(shè)計(jì)圖可以直接打印出來(lái)。1.6、化學(xué)實(shí)驗(yàn)的模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，由于條件的限制，有些實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。我們可以利用計(jì)算機(jī)模擬某些化學(xué)實(shí)驗(yàn)，尤其是對(duì)于一些有危險(xiǎn)性的、成本高的、開(kāi)展難度大的、費(fèi)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)能夠發(fā)揮更好的作用。這類軟件有ChemLab、仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等。計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)和圖形處理中的應(yīng)用2.1Origin數(shù)據(jù)處理軟件origin兩大主要功能:數(shù)據(jù)分析繪圖。Origin可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選排序、調(diào)整、統(tǒng)計(jì)分析、傅立葉變換、t－試驗(yàn)、線性及非線性擬合。Origin提供了幾十種二維三維繪圖模板，而且允許讀者自己定制模板，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。如圖1所示[6]。2.2ChemWindow隨著電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的不斷發(fā)展與普及，各行各業(yè)對(duì)軟件的要求也不斷地增加。對(duì)于一個(gè)非計(jì)算機(jī)專業(yè)的用戶來(lái)說(shuō)就是如何選擇與獲得最好的軟件為自己的生活和工作帶來(lái)便利。作為化學(xué)教學(xué)或科研工作者，以往常常為畫出標(biāo)準(zhǔn)的各式各樣的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式及化學(xué)圖形而費(fèi)不少心機(jī)。而在微機(jī)不斷普及的今天，如能用一化學(xué)軟件來(lái)完成此項(xiàng)工作，無(wú)疑將會(huì)給自己的科研和工作帶來(lái)事半功倍的效果?，F(xiàn)在在計(jì)算機(jī)上經(jīng)常用于ChemWindow和ChemDraw來(lái)繪制2D分子結(jié)構(gòu)，如圖2所示，用CSChem3D、HyperChem、WebLabViewerPro和RasMol等來(lái)繪制3D分子結(jié)構(gòu)，正是解決此問(wèn)題的有力工具。2.3化學(xué)品電子手冊(cè)該軟件是一個(gè)綜合性的有關(guān)化學(xué)品電子手冊(cè)軟件。內(nèi)容包括化學(xué)礦物、金屬和非金屬、無(wú)機(jī)化學(xué)品、有機(jī)化學(xué)品、基本有機(jī)原料、化肥、農(nóng)藥、樹脂、塑料、化學(xué)纖維、膠粘劑、醫(yī)藥、染料、涂料、顏料、助劑、燃料、感光材料、炸藥、紙、油脂、表面活性劑、皮革、香料等常用化學(xué)品的中文名稱、英文名稱、分子式或結(jié)構(gòu)式、物理性質(zhì)、毒性、用途和制備方法、消耗定額、生產(chǎn)單位。最新版本增加、修改了農(nóng)藥、化肥等方面化合物的個(gè)數(shù)及化合物的信息，內(nèi)容更加詳細(xì)。且對(duì)化合物進(jìn)行了分類。增加了“元素周期表”、“濃度/密度查詢表”、“電離常數(shù)查詢表”、“難溶化合物溶度積表”、“t/f值表”等常用常數(shù)表。用戶可以自行添加和修改相關(guān)化學(xué)品信息。通過(guò)濃度/密度查詢表、電離常數(shù)查詢表、難溶化合物溶度積表、t/f值表能夠查詢、修改、添加相應(yīng)的常數(shù)。本軟件采用全模糊檢索技術(shù)，檢索簡(jiǎn)便。是一個(gè)不可多得的工具軟件。三.結(jié)語(yǔ)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，它也將給化學(xué)提供了更加便利和完善的服務(wù)，將更加促進(jìn)化學(xué)工程的變革和發(fā)展，推進(jìn)化學(xué)科學(xué)技術(shù)的深入開(kāi)展。同時(shí)計(jì)算機(jī)在化學(xué)領(lǐng)域?qū)⒂懈訌V闊的發(fā)展前景。10個(gè)學(xué)時(shí)的教學(xué)和22個(gè)學(xué)時(shí)的上機(jī)操作，只是初步接觸、認(rèn)識(shí)和了解了計(jì)算機(jī)化學(xué)某些方面的知識(shí)，還有很多很多的知識(shí)，等待我們?nèi)ナ煜?，掌握，運(yùn)用。參考文獻(xiàn):［1］方奕文．計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用［M］．廣州:華南理工大學(xué)出版社，2000．［2］邵學(xué)廣，蔡文生，徐筱杰．化學(xué)計(jì)量學(xué)———統(tǒng)計(jì)學(xué)與計(jì)算機(jī)在分析化學(xué)中的應(yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2003．［3］孫培冬