現(xiàn)代化學(xué)前沿講座

1、計算機化學(xué)與分子設(shè)計Computational Chemistry& Molecular CAD現(xiàn)代化學(xué)前沿問題講座1二十世紀(jì)八十年代以來，先進的分析儀器的應(yīng)用、量子化學(xué)計算方法的進展和計算機技術(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。長期以來，化學(xué)一直被科學(xué)界公認為一門純實驗科學(xué)。其理由要追溯到人類認識自然的兩種科學(xué)方法。2歸納法 ( F. Bacon, 1561-1626 )演繹法 ( R. Decartes, 1596-1650 )設(shè)計實驗實驗數(shù)據(jù)唯象理論“預(yù)測”數(shù)據(jù)擬合檢驗公理假設(shè)形式理論二次形式化、近似、計算和模擬預(yù)

2、測模 型實驗檢驗3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原因：對象復(fù)雜；習(xí)慣觀念歸納法(Reduction)與演繹法(Deduction)的比較4運用數(shù)學(xué)的多少是一門科學(xué)成熟的程度的標(biāo)志。馬克思5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6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)運動形式與規(guī)律 其復(fù)雜程度的差異然而，百年來科技的發(fā)展使各學(xué)科的“成熟程度”發(fā)生了巨大變化7化學(xué)科學(xué)發(fā)展簡

3、要回顧8冶金、建材工業(yè)推動了無機藥物、染料、釀酒工業(yè)推動了有機無機、有機化學(xué)在19世紀(jì)率先建立9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)：Arrhenius 化學(xué)動力學(xué)10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)驗總結(jié)30年代量子化學(xué)和量子統(tǒng)計力學(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年代前進展十分緩慢11Ein

4、stein廣義和狹義相對論（1905）量子力學(xué)的創(chuàng)建（19251926）20紀(jì)初理論物理兩項重大突破對廿世紀(jì)人類科技和物質(zhì)文明進步產(chǎn)生巨大影響。其中，量子力學(xué)的影響更為直接和廣泛。12Heisenberg、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)是演繹法最成功的實例量子力學(xué)的建立未依據(jù)任何實驗事實或經(jīng)驗規(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，迅速地建成一個自洽、完備、嚴(yán)密的理論體系13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Schrdinger方程基本運動方程 Schrdin

5、ger方程Schrdinger方程：Hamilton算符：在10-13 m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14歷70余年，量子力學(xué)經(jīng)受物質(zhì)世界不同領(lǐng)域 (原子、分子、各種凝聚態(tài)、基本粒子、宇宙物質(zhì)等) 實驗事實的檢驗，其正確性無一例外。任何唯象理論無法與之同日而語15用完備的形式理論體系統(tǒng)一理論解釋和預(yù)測不同科學(xué)領(lǐng)域的實驗結(jié)果。量子力學(xué)的“第一原理” (First Principle) 計算（從頭算）只采用5 個基本物理常數(shù)：0、e、h、c、k 而不依賴任何經(jīng)驗參數(shù)即可正確預(yù)測微觀體系的狀態(tài)和性質(zhì)1620世紀(jì)人類光彩奪目的科技成就大都與量子力學(xué)有關(guān)。量子理論不僅有力地促

6、進了社會的物質(zhì)文明改觀，且改變了人類的思維方式17量子力學(xué)的輝煌使理論物理學(xué)家18次共25人榮獲諾貝爾物理獎1919Planck1921Einstein1922Bohr1929de Broglie1932Heisenberg1933SchrdingerDirac1938Fermi1945Pauli1949Yukawa1954BornBothe1957T.D. LeeC.N. Yang近20年理論物理領(lǐng)域未見再獲獎。表明物理學(xué)科的高度成熟1962Landau1963Wigner1965TomonagaSchwingerFeyman1967Bethe1969Gell-Mann1972Cooper1

7、979WeinbergSalamGlashow18量子力學(xué)的建立和發(fā)展促進了： 現(xiàn)代化學(xué)鍵理論奠基（1930）Pauling是杰出代表Slater、Mulliken、Hund、Heitler-London分別作出貢獻 量子力學(xué)引入化學(xué)，促進量子化學(xué)、量子統(tǒng)計力學(xué)形成Einstein-Bose、Fermi-Dirac兩種統(tǒng)計理論Hckel分子軌道理論（1932）Roothaan方程（1952） 計算量子化學(xué)發(fā)展19化學(xué)科學(xué)的體系和結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化對象：宏觀現(xiàn)象 微觀本質(zhì)方法學(xué)：描述、歸納 演繹、推理理論層次：定性 定量化學(xué)與物理學(xué)的界限在模糊，在理論上趨于統(tǒng)一化學(xué)各分支學(xué)科的交叉；與其他學(xué)科相互

8、滲透帶動生物、材料科學(xué)進入分子水平與化學(xué)相關(guān)的的新領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)20化學(xué)及交叉學(xué)科的發(fā)展促進了數(shù)學(xué)向化學(xué)的滲透眾多的數(shù)學(xué)工具應(yīng)用于物理化學(xué)領(lǐng)域：矩陣代數(shù) 復(fù)變函數(shù) 數(shù)理方程 數(shù)理統(tǒng)計 數(shù)值方法 群論 不可約張量法 李代數(shù) 非線性數(shù)學(xué) 模糊數(shù)學(xué) 分型理論與方法 數(shù)學(xué)與物理化學(xué)的交叉使有關(guān)的數(shù)學(xué)知識在其他各化學(xué)分支亦得以應(yīng)用21一門新的交叉學(xué)科計算機化學(xué)已形成。它將幫助化學(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。22計算機化學(xué)是化學(xué)與多個學(xué)科的交叉化 學(xué)物理學(xué)計算機科 學(xué)材料科學(xué)生命科學(xué)數(shù) 學(xué)計算機化 學(xué)環(huán)境科學(xué)23體系數(shù)據(jù)和性質(zhì)的綜合分析分子 (材

9、料)CAD合成路線CAD化學(xué) CAI數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析及其它應(yīng)用化學(xué)數(shù)據(jù)庫量子化學(xué)計算計 算 機分 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)計算機化學(xué)計算機化學(xué)的主要內(nèi)容24化學(xué)數(shù)據(jù)庫（Data base）分子結(jié)構(gòu)庫 晶體庫 熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫 藥物庫高分子庫 分子光譜、波譜圖譜庫 生物數(shù)據(jù)庫（蛋白質(zhì)、核酸、多糖庫）化學(xué)文獻庫化學(xué)人工智能（需借助數(shù)據(jù)庫）計算機輔助分子結(jié)構(gòu)解釋 化學(xué)模式識別 結(jié)構(gòu)活性關(guān)系分析 (QSAR)結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系分析 (QSPR)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機25分子結(jié)構(gòu)建模與圖形顯示結(jié)構(gòu)建模 確定各原子的初始空間排布這是用計算機

10、處理分子大多數(shù)作業(yè)的起點綜合的計算機化學(xué)軟件包，主程序應(yīng)提供建模的友好界面，同時具有分子圖形顯示與結(jié)構(gòu)參數(shù)分析功能可采用二維或三維建模。程序可自動將二維圖形轉(zhuǎn)換為三維26分子的計算機模擬 Molecular Modeling 27What isMolecular Modeling ?用計算機模擬化學(xué)體系的微觀結(jié)構(gòu)和運動，并用數(shù)值運算、統(tǒng)計求和方法對系統(tǒng)的平衡熱力學(xué)、動力學(xué)、非平衡輸運等性質(zhì)進行理論預(yù)測分子模擬是化學(xué)CAD的重要部分什么是分子計算機模擬?28為何進行分子計算機模擬?宏觀化學(xué)現(xiàn)象是1024個分子（原子）的集體行為，固有統(tǒng)計屬性化學(xué)統(tǒng)計力學(xué)的局限性：通常僅適用于 “理想體系” 理想氣

11、體、完美晶體、稀溶液等量子力學(xué)方法的局限性：對象為平衡態(tài)、單分子或幾個分子組成的體系；不適用于動力學(xué)過程和有溫度壓力變化的體系29 甘氨酸 (glycine) 在真空中的 MD 模擬T = 300 K，Time step t = 0.0012 ps甘氨酸稀水溶液的 MD 模擬T = 300 K，Time step t = 0.0010 ps甘氨酸的兩種MD模擬結(jié)果30甘氨酸MD模擬過程的體系能量記錄In vacuumRun time = 10 psIn water solutinRun time = 1 ps31計算機分子模擬的應(yīng)用一、物質(zhì)和大分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)根據(jù)體系的化學(xué)成分推斷微觀結(jié)構(gòu)計算

12、MD + MM計算機輔助結(jié)構(gòu)分析與靜態(tài)性質(zhì)計算復(fù)雜有機分子 高分子 晶體 液晶態(tài) 非晶態(tài) 溶液熔鹽 界面和表面 氣體 熱力學(xué)性質(zhì) 材料力學(xué)性質(zhì)與動態(tài)過程有關(guān)性質(zhì)的計算分子內(nèi)和分子間的相互作用擴散 吸附與解附 熔融 結(jié)晶 相變 分子散射 分子適配材料應(yīng)力應(yīng)變 蠕變與斷裂32計算機分子模擬的應(yīng)用二、化學(xué)CAD計算機輔助有機分子和生物分子設(shè)計計算機輔助藥物設(shè)計計算機輔助材料設(shè)計MD法可處理粒子數(shù)嚴(yán)格 QMD 100半經(jīng)驗 QMD 150經(jīng)驗勢 MD 20000研究有電子轉(zhuǎn)移、原子變價的過程須采用QMD33若干應(yīng)用實例MD模擬34(1,2,4)-4-(1,1-e二甲乙基)-2-烴基環(huán)戊羰基酰胺晶體實驗

13、測定與 MD 模擬結(jié)果的比較W. Linert, and F. Renz, J. Chem. Inf. Comput. Sci., 33, 776(1993)Experimentally DeterminedMD-predicted35GnRH ( gonadotrophin-releaing hormon, 促性腺釋放激素 ) 分子構(gòu)象理論預(yù)測D.G. Hangauer, in Computer Aided Drug Design, T.J. Perun & C.L. Propst ed., Marcel Dekker Inc., New York, p253, 1989.分子式：pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu-Arg-Pro-Gly-NH用MD中的“模板強制法” ( Template-forcing ) 確定一對柔性分子相應(yīng)功能團可能的空間取向起始取向為線型的兩個分子逐步轉(zhuǎn)化為能量較低的環(huán)型構(gòu)象模 板加模板36MD預(yù)測的順磁性和反磁性冰晶體結(jié)構(gòu)O.A Karim & A.D.J. Haymet, J.Chem. Phys., 89, 6889(1988)Ferromagnetic iceAntiferromagnetic ice37MD法模擬的熔鹽體系 T *V * 相圖D.A. Young & B.J. Al