計算機化學輔助分子設計課件

計算機化學與分子設計ComputationalChemistry&MolecularCAD現(xiàn)代化學前沿問題講座1計算機化學與分子設計ComputationalChemis二十世紀八十年代以來，先進的分析儀器的應用、量子化學計算方法的進展和計算機技術的飛速發(fā)展，對化學科學的發(fā)展產(chǎn)生了沖擊性的影響。其研究內容、方法、乃至學科的結構和性質都在發(fā)生深刻的變化。長期以來，化學一直被科學界公認為一門純實驗科學。其理由要追溯到人類認識自然的兩種科學方法。2二十世紀八十年代以來，先進的分析儀器的應用、量子化學計算方法⑴ 歸納法(F.Bacon,1561-1626)⑵ 演繹法(R.Decartes,1596-1650)設計實驗實驗數(shù)據(jù)唯象理論“預測”數(shù)據(jù)擬合檢驗公理假設形式理論二次形式化、近似、計算和模擬預測模型實驗檢驗3⑴ 歸納法(F.Bacon,1561-1626)迄80年代，歸納法是多數(shù)化學家采用的唯一科學方法；演繹法在化學界從未得到普遍承認原因：①對象復雜；②習慣觀念歸納法(Reduction)與演繹法(Deduction)的比較4迄80年代，歸納法是多數(shù)化學家采用的唯一科學方法；演繹法在化

運用數(shù)學的多少是一門科學成熟程度的標志。馬克思5 運用數(shù)學的多少是一門科學成熟程度的標志。馬克思5

數(shù)學的應用：在剛體力學中是絕對的，在氣體力學中是近似的，在液體力學中就已經(jīng)比較困難了；在物理學中是試驗性的和相對的；在化學中是最簡單的一次方程式；在生物學中等于零。恩格斯6 數(shù)學的應用：在剛體力學中是絕對的，在氣體力學中是近似的，在恩格斯的論斷反映了19世紀中葉自然科學各學科的“成熟程度”。表明各學科研究對象物質運動形式與規(guī)律其復雜程度的差異然而，百年來科技的發(fā)展使各學科的“成熟程度”發(fā)生了巨大變化7恩格斯的論斷反映了19世紀中葉自然科學各學科的“成熟程度”?；瘜W科學發(fā)展簡要回顧8化學科學發(fā)展簡要回顧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 經(jīng)典價鍵理論、苯結構奠定有機化學基礎

元素周期表奠定無機化學基礎

無機、有機化學在19世紀率先建立9 冶金、建材工業(yè)推動了無機 經(jīng)典價鍵理論、苯結構奠定物理化學在20世紀初形成。旨在揭示化學反應的普遍規(guī)律—反應進行的方向、程度和速度…Gibbs 化學熱力學Gibbs自由能：

G=HTS

反應速率常數(shù)：Arrhenius 化學動力學10物理化學在20世紀初形成。旨在揭示化學反應的普遍規(guī)律—反物理化學的建立使化學科學開始擁有了理論。高等數(shù)學首次派上了用場—雖然僅是一階的常、偏微分方程而已（以后在經(jīng)典統(tǒng)計熱力學中用到了概率論）經(jīng)典物理化學的理論是唯象的，是有限的地球空間內宏觀化學反應規(guī)律的經(jīng)驗總結30年代量子化學和量子統(tǒng)計力學分支的形成使化學科學開始與演繹法“沾上了邊”。但在80年代前進展十分緩慢11物理化學的建立使化學科學開始擁有了理論。高等數(shù)學首次派上了用⑴ Einstein廣義和狹義相對論（1905）⑵ 量子力學的創(chuàng)建（1925~1926）上世紀初理論物理兩項重大突破對廿世紀人類科技和物質文明進步產(chǎn)生巨大影響。其中，量子力學的影響更為直接和廣泛。12⑴ Einstein廣義和狹義相對論（1905）上世紀初理論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是演繹法最成功的實例量子力學的建立未依據(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)，通過嚴格的邏輯演繹，迅速地建成一個自洽、完備、嚴密的理論體系13Heisenberg、Schr?dinger、Dirac、B微觀粒子或體系的性質由狀態(tài)波函數(shù)唯一確定，服從Schr?dinger方程基本運動方程—Schr?dinger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方程建立容易，困難在于求解14微觀粒子或體系的性質由狀態(tài)波函數(shù)唯一確定，服從Sc歷70余年，量子力學經(jīng)受物質世界不同領域(原子、分子、各種凝聚態(tài)、基本粒子、宇宙物質等)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歷70余年，量子力學經(jīng)受物質世界不同領域(原子、分子、各種用完備的形式理論體系—統(tǒng)一理論—解釋和預測不同科學領域的實驗結果。量子力學的“第一原理”(FirstPrinciple)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)即可正確預測微觀體系的狀態(tài)和性質16用完備的形式理論體系—統(tǒng)一理論—解釋和預測不同科學領域的實驗20世紀人類光彩奪目的科技成就大都與量子力學有關。量子理論不僅有力地促進了社會的物質文明改觀，且改變了人類的思維方式1720世紀人類光彩奪目的科技成就大都與量子力學有關。量子理論不量子力學的輝煌使理論物理學家18次共25人榮獲諾貝爾物理獎1919 Planck1921 Einstein1922 Bohr1929 deBroglie1932 Heisenberg1933 Schr?dinger Dirac1938 Fermi1945 Pauli1949 Yukawa1954 Born Bothe1957 T.D.Lee C.N.Yang近20年理論物理領域未見再獲獎。表明物理學科的高度成熟1962 Landau1963 Wigner1965 Tomonaga Schwinger Feyman1967 Bethe1969 Gell-Mann1972 Cooper1979 Weinberg Salam Glashow18量子力學的輝煌使理論物理學家18次共25人榮獲諾貝爾物理獎1量子力學的建立和發(fā)展促進了： 現(xiàn)代化學鍵理論奠基（1930）

Pauling是杰出代表 Slater、Mulliken、Hund、Heitler-London分別作出貢獻 量子力學引入化學，促進量子化學、量子統(tǒng)計力學形成

Einstein-Bose、Fermi-Dirac兩種統(tǒng)計理論 Hückel分子軌道理論（1932） Roothaan方程（1952）計算量子化學發(fā)展19量子力學的建立和發(fā)展促進了：19化學科學的體系和結構發(fā)生深刻變化

對象：

宏觀現(xiàn)象微觀本質

方法學：

描述、歸納演繹、推理

理論層次：定性定量化學與物理學的界限在模糊，在理論上趨于統(tǒng)一化學各分支學科的交叉；與其他學科相互滲透

帶動生物、材料科學進入分子水平 與化學相關的新領域不斷涌現(xiàn)20化學科學的體系和結構發(fā)生深刻變化20化學及交叉學科的發(fā)展促進了數(shù)學向化學的滲透

眾多的數(shù)學工具應用于物理化學領域： 矩陣代數(shù)復變函數(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)學模糊數(shù)學分型理論與方法

數(shù)學與物理化學的交叉使有關的數(shù)學知 識在其他各化學分支亦得以應用21化學及交叉學科的發(fā)展促進了數(shù)學向化學的滲透21一門新的交叉學科計算機化學已形成。它將幫助化學家在原子、分子水平上闡明化學問題的本質，在創(chuàng)造特殊性能的新材料、新物質方面發(fā)揮重大的作用。22一門新的交叉學科計算機化學已形成。它將幫助化學家在原子、計算機化學是化學與多個學科的交叉化學物理學計算機科學材料科學生命科學數(shù)學計算機化學環(huán)境科學23計算機化學是化學與多個學科的交叉化學物理學計算機材料科學體系數(shù)據(jù)和性質的綜合分析分子(材料)CAD合成路線CAD化學CAI數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析及其它應用化學數(shù)據(jù)庫量子化學計算計算機分子模擬分子結構建模與圖象顯示化學人工智能分子力學(MM)分子動力學(MD&MC)計算機化學計算機化學的主要內容24體系數(shù)據(jù)和性質的綜合分析分子(材料)合成路線化學CAI數(shù)化學數(shù)據(jù)庫（Database） 分子結構庫晶體庫熱力學數(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、核酸、多糖庫） 化學文獻庫化學人工智能（需借助數(shù)據(jù)庫）

計算機輔助分子結構解釋化學模式識別 結構－活性關系分析 結構－性質關系分析 神經(jīng)網(wǎng)絡算法與神經(jīng)網(wǎng)絡計算機25化學數(shù)據(jù)庫（Database）25分子結構建模與圖形顯示

結構建模

確定各原子的初始空間排布

這是用計算機處理分子大多數(shù)作業(yè)的起點

綜合的計算機化學軟件包，主程序應提供 建模的友好界面，同時具有分子圖形顯示 與結構參數(shù)分析功能

可采用二維或三維建模。程序可自動將二 維圖形轉換為三維26分子結構建模與圖形顯示 結構建模確定各原子的初始空間排分子的計算機模擬MolecularModeling27分子的計算機模擬MolecularModeling27Whatis MolecularModeling

?用計算機模擬化學體系的微觀結構和運動，并用數(shù)值運算、統(tǒng)計求和方法對系統(tǒng)的平衡熱力學、動力學、非平衡輸運等性質進行理論預測分子模擬是化學CAD的重要部分什么是分子計算機模擬?28Whatis用計算機模擬化學體系的微觀結構和運動，并用數(shù)值為何進行分子計算機模擬?宏觀化學現(xiàn)象是~1024個分子（原子）的集體行為，固有統(tǒng)計屬性化學統(tǒng)計力學的局限性：通常僅適用于“理想體系”理想氣體、完美晶體、稀溶液等量子力學方法的局限性：對象為平衡態(tài)、單分子或幾個分子組成的體系；不適用于動力學過程和有溫度壓力變化的體系29為何進行分子計算機模擬?宏觀化學現(xiàn)象是~1024個分子（原子分子模擬將原子、分子按經(jīng)典粒子處理，可提供微觀結構、運動過程以及它們與宏觀性質相關的數(shù)據(jù)和直觀圖象分子模擬結果取決于所采用的粒子間作用勢的合理、精確程度。又稱為“計算機實驗”，是理論與真實實驗之間的橋梁分子模擬的兩種主要方法：

⑴ 分子動力學法

(MD，MolecularDynamics)

基于粒子運動的經(jīng)典軌跡

⑵ MonteCarlo法(MC)

基于統(tǒng)計力學30分子模擬將原子、分子按經(jīng)典粒子處理，可提供微觀結構、運動過程分子力學法MolecularMechanicsMethod一、原理忽略分子振、轉、平動運動。原子視為經(jīng)典粒子，原子間作用力用經(jīng)驗勢函數(shù)表示體系的平衡幾何結構由能量最低原理確定 分子力學法(MM)用于預測大分子的幾何構型，其勢函數(shù)可用于分子動力學模擬(MD)31分子力學法MolecularMechanicsMetho二、作用在粒子上的瞬時合力 原子i在其它原子的作用勢場Ei(ri)中運動在平衡位置總作用力：32二、作用在粒子上的瞬時合力 原子i在其它原子的作用勢場三、有效作用勢近似

粒子的勢能Ei及梯度Ei借助經(jīng)驗勢函數(shù)計算經(jīng)驗作用勢二體及三體以上作用勢的疊加33三、有效作用勢近似 粒子的勢能Ei及梯度Ei借助經(jīng)分子動力學法MolecularDynamicsMethod一、MD法原理將微觀粒子視為經(jīng)典粒子，服從Newton第二定律或若各粒子的瞬時受力已知，可用數(shù)值積分求出運動的經(jīng)典軌跡34分子動力學法MolecularDynamicsMetho在合適選定的時間步長

t

內，粒子可視作勻加速直線運動加速度：位移：二、粒子i

在時間t內的位移ri步長取值：t＝0.01~0.0001ps35在合適選定的時間步長t內，粒子可視作勻加速直線運動加速假定1： 有效作用勢近似—同MM法假定2： 周期性邊界條件

(PeriodicalBoudaryCondition)三、MD法基本假定困難—欲重現(xiàn)實際體系的統(tǒng)計行為，模擬體系應有足夠數(shù)量的粒子

1dm3水31027個H2O

計算機只能處理102

~104個粒子！解決辦法

—贗無限大近似

取較小的模擬體系作中心原胞，令其在空間重復排列36假定1： 有效作用勢近似—同MM法三、MD法基本假定二維周期性邊界條件示意圖8

個近鄰重復單元包圍著中心原胞，為其提供合理的邊界條件近似 中心原胞N≮102計算機實際處理的是原胞內數(shù)量較少的粒子 37二維周期性邊界條件示意圖8個近鄰重復單元包圍著中心原胞，為三維周期邊界實例—蘇氨酸水溶液模擬

111nm的立方原胞含1個蘇氨酸(threonine)分子和24個水分子原子總數(shù)88 分子總數(shù)25粒子數(shù)取得過少是為求顯示的直觀欲得合理的模擬結果，原胞體積至少應增大10倍！38三維周期邊界實例—蘇氨酸水溶液模擬 111nm的立方原用途—

預測： ⑴ 復雜有機分子可能的穩(wěn)定異構體 ⑵ 分子量和元素成分已確定的未知化合物的可 能分子結構四、MD處理用于單個分子(無周期邊界)辦法： ⑴ 將分子用計算機“加熱”至高溫（~1000K） ⑵ 進行“逐步退火”MD計算，在不同溫度下取 樣作為初始構型 ⑶ 用MM法作構型優(yōu)化39用途—預測：四、MD處理用于單個分子(無周期邊界)辦MM和MD的比較MM法— 每步原子初速均為零，粒子位移趨于無限小MD法— 原子初速不為零，給出分子內部熱運動的經(jīng)典圖象40MM和MD的比較MM法—MD法—40計算機分子模擬的應用一、物質和大分子的結構和性質根據(jù)體系的化學成分推斷微觀結構計算 MD+MM計算機輔助結構分析與靜態(tài)性質計算 復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性質材料力學性質與動態(tài)過程有關性質的計算 分子內和分子間的相互作用 擴散吸附與解附熔融結晶相變分子散射分子適配 材料應力應變蠕變與斷裂41計算機分子模擬的應用一、物質和大分子的結構和性質根據(jù)體系的化計算機分子模擬的應用二、化學CAD計算機輔助有機分子和生物分子設計計算機輔助藥物設計計算機輔助材料設計42計算機分子模擬的應用二、化學CAD計算機輔助有機分子和生物分若干應用實例MD模擬43若干應用實例MD模擬43(1,2,4)-4-(1,1-e二甲乙基)-2-烴基

環(huán)戊羰基酰胺晶體

實驗測定與

MD

模擬結果的比較W.Linert,andF.Renz,J.Chem.Inf.Comput.Sci.,33,776(1993)ExperimentallyDeterminedMD-predicted44(1,2,4)-4-(1,1-e二甲乙基)-2-烴基

GnRH(gonadotrophin-releainghormon,促性腺釋放激素)分子構象理論預測D.G.Hangauer,inComputerAidedDrugDesign,T.J.Perun&C.L.Propsted.,MarcelDekkerInc.,NewYork,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化為能量較低的環(huán)型構象模板加模板45GnRH(gonadotrophin-releaingMD預測的順磁性和反磁性冰晶體結構O.AKarim&A.D.J.Haymet,J.Chem.Phys.,89,6889(1988))FerromagneticiceAntiferromagneticice46MD預測的順磁性和反磁性冰晶體結構O.AKarim&AMD法模擬的熔鹽體系T

*~V

*相圖D.A.Young&B.J.Alder,J.Chem.Phys.,73,2434(1980)47MD法模擬的熔鹽體系T*~V*相圖D.A.YounRu-Al合金斷裂過程動態(tài)模擬C.S.Becquart,D.Kim,J.A,Rifkin,andP.C.Clapp,Mat.Sci.Engin.,A170,87(1993)斷裂點周圍的損壞區(qū)域48Ru-Al合金斷裂過程動態(tài)模擬C.S.Becquart兩塊晶體界面結構的模擬FCC單晶硅，13(150)晶界，晶面傾角

＝67.38°49兩塊晶體界面結構的模擬FCC單晶硅，13(150)晶界，晶較小晶面傾角(=9.53)下單晶硅晶界的一種穩(wěn)定結構50較小晶面傾角(=9.53)下單晶硅晶界的一種穩(wěn)定結計算量子化學ComputationalQuantumChemistry經(jīng)典模型的局限—未涉及化學行為的物理本質 化合物的性質

電子結構 化學反應核與電子運動狀態(tài)的變化伴隨有電子躍遷、轉移、變價的過程，經(jīng)典的分子模擬不能處理51計算量子化學ComputationalQuantumCh分子軌道法簡介52分子軌道法簡介52一、量子力學第一原理—多體Shr?dinger方程物理模型：分子中電子和原子核均在運動中粒子間存在著相互作用定態(tài)Shr?dinger方程：rPirQjrijRPQ53一、量子力學第一原理—多體Shr?dinger方程物理模原子單位：三個基本物理常數(shù)

⒊ 單電子近似

— 每個電子行為視為獨立，用單電子波函 數(shù)

i(ri)描述(MO)二、物理模型的三個基本近似⒈ 非相對論近似：i=

0

⒉ Born-Oppenheimer近似：電子與核運動分離電子哈密頓：54原子單位：三個基本物理常數(shù)⒊ 單電子近似— 每個電子行為三、LCAO

-MO近似為尋找試探波函數(shù){}的合理形式，將分子軌道表示為原子軌道{i}的線性組合優(yōu)點：利于建立化學鍵理論的電子結構基礎

MolecularObitalexpressedasaLinear CombinationofAtomicOrbitals55三、LCAO-MO近似為尋找試探波函數(shù){}的合理形式四、Roothaan方程(1952) 對

Hartree-Fock方程引入LCAO-MO近似在以AO集{i}為基的線性空間中，F(xiàn)ock算符的表示為Fock矩陣MO組合系數(shù)表示為列矢量電子總能量變分要求{

,

c

}滿足Roothaan方程F

c=

S

c

S為AO重疊矩陣:56四、Roothaan方程(1952) 對Hartree1927年Heitler和London用變分法求解了氫分子的波函數(shù)實驗值RAB/a01.518E首次在形式理論的水平上解釋了化學鍵本質，開創(chuàng)了量子化學分支學科571927年Heitler和London用變分法求解了氫分子的量子力學為在原子－分子水平上揭示化學問題的本質奠定了牢固的理論基礎。因為，化學反應基本過程是伴隨著反應體系原子核的重排而發(fā)生的電子運動狀態(tài)的改變，這些微觀運動均服從薛定諤方程。量子力學的統(tǒng)一理論(Unitedtheory)使化學與物理學在原子、分子水平上會師，兩學科的界限趨于模糊58量子力學為在原子－分子水平上揭示化學問題的本質奠定了牢固的理量子力學奠基人之一的Dirac在1929說:"Thefundamentallawsnecessaryforthemathematicaltreatmentoflargepartsofphysicsandthewholeofchemistryarethusfullyknown,andthedifficultyliesonlyinthefactthatapplicationoftheselawsleadstoequationsthataretoocomplextobesolved"59量子力學奠基人之一的Dirac在1929說:"The因處理實際分子在數(shù)學上的困難。Dirac本人對量子力學在化學上的應用前景是悲觀的。1952年H.Schull等三人用手搖計算機花兩年才完成一個N2分子的從頭算。有人斷言：用盡世界上的紙張恐亦無法完成一個Fe原子的計算50年代末，大型計算機的浮點運算速度為0.01Mflops，僅及PIII的1/5000！60因處理實際分子在數(shù)學上的困難。Dirac本人對量子力學在化學量子化學從二十世紀30年代初的理論奠基到90年代末在計算技術與應用上的成熟，經(jīng)歷了漫長的將近七十年這是幾代杰出理論化學家不懈努力的結果，并得益與計算機和計算技術的巨大進步1998年諾貝爾化學獎的頒布是計算量子化學在化學和整個自然科學中的重要地位被確立和獲得普遍承認的重要標志61量子化學從二十世紀30年代初的理論奠基到90年代末在計算技術TheLaureatesof1998NobelPrizeinChemistryWalterKohn&JohnA.Pople

瑞典皇家科學院10月13日宣 布將1998年度諾貝爾化學獎 授予兩位年邁的量子化學家Kohn和Pople,表彰他們在開拓用于分子性質及其參與化學過程研究的理論和方法上的杰出貢獻。62TheLaureatesof1998NobelPr（瑞典皇家科學院在Web上發(fā)表的新聞公告）63（瑞典皇家科學院在Web上發(fā)表的新聞公告）63頒獎公告稱：Thedevelopmentdidnotreallystarteduntilthebeginningofthe1960s,whentwoeventsbecamedecisive:TodevelopofanentirelynewtheoryfordescribingthespatialdistributionofelectronsTouseoftheincreasingpotentialofferedbythecomputerWalterKohnandJohnPoplearethetwomostprominentfiguresinthisprocess.64頒獎公告稱：ThedevelopmentdidnotJohnPople’sContributionsJohnPoplehasdevelopedquantumchemistryintoatoolthatcanbeusedbythegeneralchemistandhastherebybroughtchemistryintoanewerawhereexperimentandtheorycanworktogetherintheexplorationofthepropertiesofmolecularsystems.Chemistryisnolongerapurelyexperimentalscience.瑞典皇家科學院頒獎文件評價:化學不再是一門純實驗科學了！65JohnPople’sContributionsJohnPople最輝煌的貢獻是Gaussian程序頒獎文件稱:Thecreation,constantimprovement,andtheextensionofthefunctionalityofGAUSSIANisanoutstandingachievement.Itistheexampleforthesuccessofthefieldanditsimpactonchemistryandneighboringfieldslikephysics,astrophysics,biochemistry,materialsciences,etc.GAUSSIANistodayusedbythousandsofscientistsallovertheworld.66Pople最輝煌的貢獻是Gaussian程序頒獎文件稱密度泛函法簡介67密度泛函法簡介67WalterKohn’sContributions瑞典皇家科學院頒獎文件評價:

WalterKohn’stheoreticalwork has formedthebasisforsimp-lifyingthemathematicsindescriptionsofthebondingofatoms,thedensity-functionaltheory(DFT).Thesimplicityofthemethodmakesitpossibletostudyverylargemolecules. 68WalterKohn’sContributions瑞典皇WalterKohn

showedthatitisnotnecessarytoconsiderthemotionofeachindividualelectron:

itsufficestoknowtheaveragenumberofelectronslocatedatanyonepointinspace.1964年，理論證明多電子體系的基態(tài)能量是電子密度的單變量函數(shù) T,J,Vxc

分別為動能、庫侖能和交換-相關能

P.Hohenberg&W.Kohn,Phys.Rev.B,136,864(1964)69WalterKohnshowedthatitis1965年，運用變分原理導出

Kohn-Sham自洽場方程

(DFT的基礎方程)

求解方程可得使體系能量最小的電子密度

(r)

W.Kohn&L.J.Sham,Phys.Rev.A,140,1133(1965)DFT的關鍵是找到依賴電子密度的能量函數(shù)

借用早年Thomas-Fermi-Dirac“均勻電子氣”的能量函數(shù)，計算晶體的電子結構當年即取得成功（但分子計算結果不佳）沈呂九(香港)701965年，運用變分原理導出Kohn-Sham自洽場方程DFT法用于分子的成功是眾多科學家多年不懈努力的結果，但首先歸功于理論奠基人Kohn

“Ithastakenmorethanthirtyyearsforalargenumberofresearcherstorenderthesecalculationspracticable,and

themethodisnowoneofthemostwidelyusedinquantumchemistry.”

“DFThasresultedin

asecondrevolutioninquantumchemistry,whichwouldnothavebeenpossiblewithoutthepioneeringworkofWalterKohn.”DFT已被引入Gaussian94/98程序?？商幚砗瑪?shù)百個原子的分子體系71DFT法用于分子的成功是眾多科學家多年不懈努力的結果，但首先ApplicationsofQuantumChemistryTheequilibriumstructuresofmolecules;transitionstatesandreactionpaths.Molecularproperties:Electrical,Magnetic,Optical,etc.Spectroscopy,fromNMRtoX-ray.Reactionmechanismsinchemistryandbio-chemistry.Intermolecularinteractionsgivingpotentialswhichmaybeusedtostudymacromolecules,solventeffects,crystalpacking,etc.72ApplicationsofQuantumChemis若干應用實例量子化學計算演示和73若干應用實例量子化學計算演示和73分子軌道法計算演示⒈ 分子幾何結構優(yōu)化；能量、波函數(shù)和電子結構計算⒉ 分子的性質、偶極矩⒊ 分子的振動光譜及紫外－可見光譜；簡正振動分析74分子軌道法計算演示⒈ 分子幾何結構優(yōu)化；能量、波函數(shù)和電子結一些化合物紅外光譜計算結果（從頭算法，6-31G(d)）75一些化合物紅外光譜計算結果（從頭算法，6-31G(d)）7反應途徑及過渡態(tài)計算 基元反應：反應物配合物1過渡態(tài)配合物2產(chǎn)物鞍點76反應途徑及過渡態(tài)計算 基元反應：反應物配合物1過渡態(tài)配合物勢能面和反應途徑勢能面無法實驗測定。由量子化學計算給出二維等能量線圖二維勢能曲面鞍點T(ABC)77勢能面和反應途徑勢能面無法實驗測定。由量子化學計算給出二維等Theenergysurface(intwodimensions)forahypotheticalchemicalreactionfromoneequilibriumoverabarrier(transitionstate)tothesecondequilibrium

78Theenergysurface(intwodim如何進行反應途徑和過渡態(tài)搜索？反應活化能計算精度取決于 ① 高檔次(level)的計算方法 ② 準確地確定鞍點及分子的過渡結構鞍點的條件十分苛刻。處理手續(xù)復雜，計算量大需采用較高級的專業(yè)量子化學軟件 Gaussian92,94&98(forUnixorWindows) MullikenforIBM/RS-6000

MOPACforWindowsv2.0

均配備了反應途徑和過渡態(tài)自動搜索的功能！79如何進行反應途徑和過渡態(tài)搜索？反應活化能計算精度取決于79反應物F-+CH3Cl能量極小點1F-···CH3Cl過渡態(tài)(F-···CH3···Cl)-能量極小點2FCH3···Cl-產(chǎn)物FCH3+Cl-實例：一個SN2反應的反應途徑和過渡態(tài)計算80反應物能量極小點1過渡態(tài)能量極小點2FCH3···CElectrondensityintheaminoacidsystemcalculatedusingaquantum-chemistrycomputerprogram.Thepictureshowsthesurfacewheretheelectrondensityis0.002electrons/?3(meaningthatnearlyallelectronsareinsidethesurface).Thegreyscaleshowstheelectrostaticpotentialatthissurface,darkerportionsrepresentingnegativepotential.半胱胺酸分子等電子密度面81ElectrondensityintheaminoHighupintheatmosphere,CF2Cl2(freon)aredestroyedbyultravioletlight.FreeClatomsareformed,whichreactwithO3(ozone)anddestroythem.Theprocesscanbestudiedusingquantum-chemicalcalculations.FreonOzone氟利昂分子破壞大氣臭氧層反應機理的理論計算研究82Highupintheatmosphere,CF2TheelectrondensityaroundthevitaminCmolecule.Thecolorsshowtheelectrostaticpotentialwiththenegativeareasshadedin

red

andthepositivein

blue維生素C分子的電子密度與靜電勢83Theelectrondensityaroundth1986：李遠哲：“在十五年前，如果理論結果與實驗有矛盾，那么經(jīng)常證明是理論結果錯了。但是最近十年則相反，常常是實驗錯了?！孔恿W有些結果是實驗工作者事先未想到的，或者是難以實現(xiàn)的”電子自旋磁矩的理論值和實驗值精確符合到12位有效數(shù)字H2分子的解離能理論計算值為 36117.4cm-1實驗值 36113.40.3cm-1改進實驗手段后測得 36117.31.0cm-1841986：李遠哲：“在十五年前，如果理論結果與實驗有矛盾，常用的量子化學計算方法量子力學理論Born-Oppenheimer近似非相對論近似單電子近似Hartree-Fock方程Roothaan方程自洽場從頭算SCF-abinitio密度泛函法DFT超HFLCMTO-X耦合電子對CEPA組態(tài)相互作用CI微擾處理MP多組態(tài)自洽場MCSCF價電子從頭算EP(VP)模擬從頭算SAMO分子碎片法MF梯度近似GGA浮動球高斯法FSGOAM1C-EHMOEHMOIT-EHMOMCNDOCNDOMINDOINDOMNDONDDOPM3MSW-XDV-XLCAO-X局域密度近似LDA從頭算法AbInitio半從頭算法SlaterX半經(jīng)驗法Semi-emperical獨立電子對IEPA第一原理計算85常用的量子化學計算方法量子力學理論Born-Oppenhei從1954年起，有6屆諾貝爾化學獎得主8人屬理論化學領域。其中6位是物理學家，1位是數(shù)學家，只有1位福井謙一是從化工改行的化學家?；瘜W界應感羞愧。并表明：“學科之間無不可逾越的鴻溝”，“樹挪死，人挪活”86從1954年起，有6屆諾貝爾化學獎得主8人屬理論化學領域。其前沿發(fā)展—QM/MM法

Combinedabinitio&MolecularMechanics將MO法或DFT與分子力學法相結合，取QM與MM兩者之長。解決大分子參與的化學反應的計算反應的活性部位（activesite）采用QM計算。其它基團的相互作用及與活性部位的作用采用MM處理QM/MM使計算酶催化、蛋白質等參與的生物化學反應成為可能87前沿發(fā)展—QM/MM法

Combinedabinit發(fā)展QM/MM法的

兩位杰出華人青年化學家WeitaoYang（楊偉濤）

DukeUniversity,DurhamJialiGao（高嘉立）

StateUniversityofNewYorkatBurffalo88發(fā)展QM/MM法的

兩位杰出華人青年化學家WeitaoYa烯醇酶活性部位催化兩步反應的計算89烯醇酶活性部位催化兩步反應的計算89烯醇酶之谷氨酸和賴氨酸殘基協(xié)同催化磷酰甘油酯（PDA）的兩步脫水反應PDA谷氨酸賴氨酸90烯醇酶之谷氨酸和賴氨酸殘基協(xié)同催化PDA谷氨酸賴氨酸90兩步催化歷程分子總能量相對值的變化HF/3-21GQM/MMHF/6-31GQM/MMDFT/3-21GQM/MM91兩步催化歷程分子總能量相對值的變化HF/3-21GQM/M烯醇酶催化活性部位之殘基及水分子位置92烯醇酶催化活性部位之殘基及水分子位置92烯醇酶催化活性部位之殘基及水分子位置93烯醇酶催化活性部位之殘基及水分子位置939494對1998年諾貝爾化學獎

劃時代的評價瑞典皇家科學院對1998年諾貝爾化學獎評價空前之高。公告稱：“…量子化學已發(fā)展成為廣大化學家都能使用的工具，將化學帶入一個新時代—實驗與理論能攜手協(xié)力揭示分子體系的性質?；瘜W不再是一門純實驗科學了”95對1998年諾貝爾化學獎

劃時代的評價瑞典皇家科“卅年前，如果說并非大多數(shù)化學家，那末至少是有許多化學家嘲笑量子化學研究，認為這些工作對化學用處不大，甚至幾乎完全無用?，F(xiàn)在的情況卻是完全兩樣了…。當90年代行將結束之際，我們看到化學理論和計算研究的巨大進展，導致整個化學正在經(jīng)歷一場革命性的變化。Kohn和Pople是其中的兩位最優(yōu)秀代表”“這項突破被廣泛地公認為近一、二十年來化學學科中最重要的成果之一”96“卅年前，如果說并非大多數(shù)化學家，那末至少是有許多化學家嘲笑Theadditionalmaterialendswithaconclusion:Quantumchemistryistodayamaturescience,whichpenetratesallofchemistry.Thisisanextraordinaryachievement,wheretheworkofthetwolaureates,WalterKohnandJohnPoplehasbeenofprofoundimportance.Whocouldbelieve10yearsagothatquantumchemistrywouldplayanimportantroleinbiochemistry,forexample,intheunderstandingofmechanismsforenzymaticreactions,orexplaintherelationbetweenstructureandspectroscopicpropertiesintransitionmetalcontainingproteins.Theoryworkstodayhandinhandwithexperimentalchemistryintheexplorationofthepropertiesofmatter.97Theadditionalmaterialendsw科學探索獻身、 開拓創(chuàng)新和 激流勇進的精神需要：98科學探索獻身、需要：98END謝謝出席99END謝謝出席99計算機化學與分子設計ComputationalChemistry&MolecularCAD現(xiàn)代化學前沿問題講座100計算機化學與分子設計ComputationalChemis二十世紀八十年代以來，先進的分析儀器的應用、量子化學計算方法的進展和計算機技術的飛速發(fā)展，對化學科學的發(fā)展產(chǎn)生了沖擊性的影響。其研究內容、方法、乃至學科的結構和性質都在發(fā)生深刻的變化。長期以來，化學一直被科學界公認為一門純實驗科學。其理由要追溯到人類認識自然的兩種科學方法。101二十世紀八十年代以來，先進的分析儀器的應用、量子化學計算方法⑴ 歸納法(F.Bacon,1561-1626)⑵ 演繹法(R.Decartes,1596-1650)設計實驗實驗數(shù)據(jù)唯象理論“預測”數(shù)據(jù)擬合檢驗公理假設形式理論二次形式化、近似、計算和模擬預測模型實驗檢驗102⑴ 歸納法(F.Bacon,1561-1626)迄80年代，歸納法是多數(shù)化學家采用的唯一科學方法；演繹法在化學界從未得到普遍承認原因：①對象復雜；②習慣觀念歸納法(Reduction)與演繹法(Deduction)的比較103迄80年代，歸納法是多數(shù)化學家采用的唯一科學方法；演繹法在化

運用數(shù)學的多少是一門科學成熟程度的標志。馬克思104 運用數(shù)學的多少是一門科學成熟程度的標志。馬克思5

數(shù)學的應用：在剛體力學中是絕對的，在氣體力學中是近似的，在液體力學中就已經(jīng)比較困難了；在物理學中是試驗性的和相對的；在化學中是最簡單的一次方程式；在生物學中等于零。恩格斯105 數(shù)學的應用：在剛體力學中是絕對的，在氣體力學中是近似的，在恩格斯的論斷反映了19世紀中葉自然科學各學科的“成熟程度”。表明各學科研究對象物質運動形式與規(guī)律其復雜程度的差異然而，百年來科技的發(fā)展使各學科的“成熟程度”發(fā)生了巨大變化106恩格斯的論斷反映了19世紀中葉自然科學各學科的“成熟程度”?；瘜W科學發(fā)展簡要回顧107化學科學發(fā)展簡要回顧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 經(jīng)典價鍵理論、苯結構奠定有機化學基礎

元素周期表奠定無機化學基礎

無機、有機化學在19世紀率先建立108 冶金、建材工業(yè)推動了無機 經(jīng)典價鍵理論、苯結構奠定物理化學在20世紀初形成。旨在揭示化學反應的普遍規(guī)律—反應進行的方向、程度和速度…Gibbs 化學熱力學Gibbs自由能：

G=HTS

反應速率常數(shù)：Arrhenius 化學動力學109物理化學在20世紀初形成。旨在揭示化學反應的普遍規(guī)律—反物理化學的建立使化學科學開始擁有了理論。高等數(shù)學首次派上了用場—雖然僅是一階的常、偏微分方程而已（以后在經(jīng)典統(tǒng)計熱力學中用到了概率論）經(jīng)典物理化學的理論是唯象的，是有限的地球空間內宏觀化學反應規(guī)律的經(jīng)驗總結30年代量子化學和量子統(tǒng)計力學分支的形成使化學科學開始與演繹法“沾上了邊”。但在80年代前進展十分緩慢110物理化學的建立使化學科學開始擁有了理論。高等數(shù)學首次派上了用⑴ Einstein廣義和狹義相對論（1905）⑵ 量子力學的創(chuàng)建（1925~1926）上世紀初理論物理兩項重大突破對廿世紀人類科技和物質文明進步產(chǎn)生巨大影響。其中，量子力學的影響更為直接和廣泛。111⑴ Einstein廣義和狹義相對論（1905）上世紀初理論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是演繹法最成功的實例量子力學的建立未依據(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)，通過嚴格的邏輯演繹，迅速地建成一個自洽、完備、嚴密的理論體系112Heisenberg、Schr?dinger、Dirac、B微觀粒子或體系的性質由狀態(tài)波函數(shù)唯一確定，服從Schr?dinger方程基本運動方程—Schr?dinger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方程建立容易，困難在于求解113微觀粒子或體系的性質由狀態(tài)波函數(shù)唯一確定，服從Sc歷70余年，量子力學經(jīng)受物質世界不同領域(原子、分子、各種凝聚態(tài)、基本粒子、宇宙物質等)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。114歷70余年，量子力學經(jīng)受物質世界不同領域(原子、分子、各種用完備的形式理論體系—統(tǒng)一理論—解釋和預測不同科學領域的實驗結果。量子力學的“第一原理”(FirstPrinciple)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)即可正確預測微觀體系的狀態(tài)和性質115用完備的形式理論體系—統(tǒng)一理論—解釋和預測不同科學領域的實驗20世紀人類光彩奪目的科技成就大都與量子力學有關。量子理論不僅有力地促進了社會的物質文明改觀，且改變了人類的思維方式11620世紀人類光彩奪目的科技成就大都與量子力學有關。量子理論不量子力學的輝煌使理論物理學家18次共25人榮獲諾貝爾物理獎1919 Planck1921 Einstein1922 Bohr1929 deBroglie1932 Heisenberg1933 Schr?dinger Dirac1938 Fermi1945 Pauli1949 Yukawa1954 Born Bothe1957 T.D.Lee C.N.Yang近20年理論物理領域未見再獲獎。表明物理學科的高度成熟1962 Landau1963 Wigner1965 Tomonaga Schwinger Feyman1967 Bethe1969 Gell-Mann1972 Cooper1979 Weinberg Salam Glashow117量子力學的輝煌使理論物理學家18次共25人榮獲諾貝爾物理獎1量子力學的建立和發(fā)展促進了： 現(xiàn)代化學鍵理論奠基（1930）

Pauling是杰出代表 Slater、Mulliken、Hund、Heitler-London分別作出貢獻 量子力學引入化學，促進量子化學、量子統(tǒng)計力學形成

Einstein-Bose、Fermi-Dirac兩種統(tǒng)計理論 Hückel分子軌道理論（1932） Roothaan方程（1952）計算量子化學發(fā)展118量子力學的建立和發(fā)展促進了：19化學科學的體系和結構發(fā)生深刻變化

對象：

宏觀現(xiàn)象微觀本質

方法學：

描述、歸納演繹、推理

理論層次：定性定量化學與物理學的界限在模糊，在理論上趨于統(tǒng)一化學各分支學科的交叉；與其他學科相互滲透

帶動生物、材料科學進入分子水平 與化學相關的新領域不斷涌現(xiàn)119化學科學的體系和結構發(fā)生深刻變化20化學及交叉學科的發(fā)展促進了數(shù)學向化學的滲透

眾多的數(shù)學工具應用于物理化學領域： 矩陣代數(shù)復變函數(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)學模糊數(shù)學分型理論與方法

數(shù)學與物理化學的交叉使有關的數(shù)學知 識在其他各化學分支亦得以應用120化學及交叉學科的發(fā)展促進了數(shù)學向化學的滲透21一門新的交叉學科計算機化學已形成。它將幫助化學家在原子、分子水平上闡明化學問題的本質，在創(chuàng)造特殊性能的新材料、新物質方面發(fā)揮重大的作用。121一門新的交叉學科計算機化學已形成。它將幫助化學家在原子、計算機化學是化學與多個學科的交叉化學物理學計算機科學材料科學生命科學數(shù)學計算機化學環(huán)境科學122計算機化學是化學與多個學科的交叉化學物理學計算機材料科學體系數(shù)據(jù)和性質的綜合分析分子(材料)CAD合成路線CAD化學CAI數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析及其它應用化學數(shù)據(jù)庫量子化學計算計算機分子模擬分子結構建模與圖象顯示化學人工智能分子力學(MM)分子動力學(MD&MC)計算機化學計算機化學的主要內容123體系數(shù)據(jù)和性質的綜合分析分子(材料)合成路線化學CAI數(shù)化學數(shù)據(jù)庫（Database） 分子結構庫晶體庫熱力學數(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、核酸、多糖庫） 化學文獻庫化學人工智能（需借助數(shù)據(jù)庫）

計算機輔助分子結構解釋化學模式識別 結構－活性關系分析 結構－性質關系分析 神經(jīng)網(wǎng)絡算法與神經(jīng)網(wǎng)絡計算機124化學數(shù)據(jù)庫（Database）25分子結構建模與圖形顯示

結構建模

確定各原子的初始空間排布

這是用計算機處理分子大多數(shù)作業(yè)的起點

綜合的計算機化學軟件包，主程序應提供 建模的友好界面，同時具有分子圖形顯示 與結構參數(shù)分析功能

可采用二維或三維建模。程序可自動將二 維圖形轉換為三維125分子結構建模與圖形顯示 結構建模確定各原子的初始空間排分子的計算機模擬MolecularModeling126分子的計算機模擬MolecularModeling27Whatis MolecularModeling

?用計算機模擬化學體系的微觀結構和運動，并用數(shù)值運算、統(tǒng)計求和方法對系統(tǒng)的平衡熱力學、動力學、非平衡輸運等性質進行理論預測分子模擬是化學CAD的重要部分什么是分子計算機模擬?127Whatis用計算機模擬化學體系的微觀結構和運動，并用數(shù)值為何進行分子計算機模擬?宏觀化學現(xiàn)象是~1024個分子（原子）的集體行為，固有統(tǒng)計屬性化學統(tǒng)計力學的局限性：通常僅適用于“理想體系”理想氣體、完美晶體、稀溶液等量子力學方法的局限性：對象為平衡態(tài)、單分子或幾個分子組成的體系；不適用于動力學過程和有溫度壓力變化的體系128為何進行分子計算機模擬?宏觀化學現(xiàn)象是~1024個分子（原子分子模擬將原子、分子按經(jīng)典粒子處理，可提供微觀結構、運動過程以及它們與宏觀性質相關的數(shù)據(jù)和直觀圖象分子模擬結果取決于所采用的粒子間作用勢的合理、精確程度。又稱為“計算機實驗”，是理論與真實實驗之間的橋梁分子模擬的兩種主要方法：

⑴ 分子動力學法

(MD，MolecularDynamics)

基于粒子運動的經(jīng)典軌跡

⑵ MonteCarlo法(MC)

基于統(tǒng)計力學129分子模擬將原子、分子按經(jīng)典粒子處理，可提供微觀結構、運動過程分子力學法MolecularMechanicsMethod一、原理忽略分子振、轉、平動運動。原子視為經(jīng)典粒子，原子間作用力用經(jīng)驗勢函數(shù)表示體系的平衡幾何結構由能量最低原理確定 分子力學法(MM)用于預測大分子的幾何構型，其勢函數(shù)可用于分子動力學模擬(MD)130分子力學法MolecularMechanicsMetho二、作用在粒子上的瞬時合力 原子i在其它原子的作用勢場Ei(ri)中運動在平衡位置總作用力：131二、作用在粒子上的瞬時合力 原子i在其它原子的作用勢場三、有效作用勢近似

粒子的勢能Ei及梯度Ei借助經(jīng)驗勢函數(shù)計算經(jīng)驗作用勢二體及三體以上作用勢的疊加132三、有效作用勢近似 粒子的勢能Ei及梯度Ei借助經(jīng)分子動力學法MolecularDynamicsMethod一、MD法原理將微觀粒子視為經(jīng)典粒子，服從Newton第二定律或若各粒子的瞬時受力已知，可用數(shù)值積分求出運動的經(jīng)典軌跡133分子動力學法MolecularDynamicsMetho在合適選定的時間步長

t

內，粒子可視作勻加速直線運動加速度：位移：二、粒子i

在時間t內的位移ri步長取值：t＝0.01~0.0001ps134在合適選定的時間步長t內，粒子可視作勻加速直線運動加速假定1： 有效作用勢近似—同MM法假定2： 周期性邊界條件

(PeriodicalBoudaryCondition)三、MD法基本假定困難—欲重現(xiàn)實際體系的統(tǒng)計行為，模擬體系應有足夠數(shù)量的粒子

1dm3水31027個H2O

計算機只能處理102

~104個粒子！解決辦法

—贗無限大近似

取較小的模擬體系作中心原胞，令其在空間重復排列135假定1： 有效作用勢近似—同MM法三、MD法基本假定二維周期性邊界條件示意圖8

個近鄰重復單元包圍著中心原胞，為其提供合理的邊界條件近似 中心原胞N≮102計算機實際處理的是原胞內數(shù)量較少的粒子 136二維周期性邊界條件示意圖8個近鄰重復單元包圍著中心原胞，為三維周期邊界實例—蘇氨酸水溶液模擬

111nm的立方原胞含1個蘇氨酸(threonine)分子和24個水分子原子總數(shù)88 分子總數(shù)25粒子數(shù)取得過少是為求顯示的直觀欲得合理的模擬結果，原胞體積至少應增大10倍！137三維周期邊界實例—蘇氨酸水溶液模擬 111nm的立方原用途—

預測： ⑴ 復雜有機分子可能的穩(wěn)定異構體 ⑵ 分子量和元素成分已確定的未知化合物的可 能分子結構四、MD處理用于單個分子(無周期邊界)辦法： ⑴ 將分子用計算機“加熱”至高溫（~1000K） ⑵ 進行“逐步退火”MD計算，在不同溫度下取 樣作為初始構型 ⑶ 用MM法作構型優(yōu)化138用途—預測：四、MD處理用于單個分子(無周期邊界)辦MM和MD的比較MM法— 每步原子初速均為零，粒子位移趨于無限小MD法— 原子初速不為零，給出分子內部熱運動的經(jīng)典圖象139MM和MD的比較MM法—MD法—40計算機分子模擬的應用一、物質和大分子的結構和性質根據(jù)體系的化學成分推斷微觀結構計算 MD+MM計算機輔助結構分析與靜態(tài)性質計算 復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性質材料力學性質與動態(tài)過程有關性質的計算 分子內和分子間的相互作用 擴散吸附與解附熔融結晶相變分子散射分子適配 材料應力應變蠕變與斷裂140計算機分子模擬的應用一、物質和大分子的結構和性質根據(jù)體系的化計算機分子模擬的應用二、化學CAD計算機輔助有機分子和生物分子設計計算機輔助藥物設計計算機輔助材料設計141計算機分子模擬的應用二、化學CAD計算機輔助有機分子和生物分若干應用實例MD模擬142若干應用實例MD模擬43(1,2,4)-4-(1,1-e二甲乙基)-2-烴基

環(huán)戊羰基酰胺晶體

實驗測定與

MD

模擬結果的比較W.Linert,andF.Renz,J.Chem.Inf.Comput.Sci.,33,776(1993)ExperimentallyDeterminedMD-predicted143(1,2,4)-4-(1,1-e二甲乙基)-2-烴基

GnRH(gonadotrophin-releainghormon,促性腺釋放激素)分子構象理論預測D.G.Hangauer,inComputerAidedDrugDesign,T.J.Perun&C.L.Propsted.,MarcelDekkerInc.,NewYork,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化為能量較低的環(huán)型構象模板加模板144GnRH(gonadotrophin-releaingMD預測的順磁性和反磁性冰晶體結構O.AKarim&A.D.J.Haymet,J.Chem.Phys.,89,6889(1988))FerromagneticiceAntiferromagneticice145MD預測的順磁性和反磁性冰晶體結構O.AKarim&AMD法模擬的熔鹽體系T

*~V

*相圖D.A.Young&B.J.Alder,J.Chem.Phys.,73,2434(1980)146MD法模擬的熔鹽體系T*~V*相圖D.A.YounRu-Al合金斷裂過程動態(tài)模擬C.S.Becquart,D.Kim,J.A,Rifkin,andP.C.Clapp,Mat.Sci.Engin.,A170,87(1993)斷裂點周圍的損壞區(qū)域147Ru-Al合金斷裂過程動態(tài)模擬C.S.Becquart兩塊晶體界面結構的模擬FCC單晶硅，13(150)晶界，晶面傾角

＝67.38°148兩塊晶體界面結構的模擬FCC單晶硅，13(150)晶界，晶較小晶面傾角(=9.53)下單晶硅晶界的一種穩(wěn)定結構149較小晶面傾角(=9.53)下單晶硅晶界的一種穩(wěn)定結計算量子化學ComputationalQuantumChemistry經(jīng)典模型的局限—未涉及化學行為的物理本質 化合物的性質

電子結構 化學反應核與電子運動狀態(tài)的變化伴隨有電子躍遷、轉移、變價的過程，經(jīng)典的分子模擬不能處理150計算量子化學ComputationalQuantumCh分子軌道法簡介151分子軌道法簡介52一、量子力學第一原理—多體Shr?dinger方程物理模型：分子中電子和原子核均在運動中粒子間存在著相互作用定態(tài)Shr?dinger方程：rPirQjrijRPQ152一、量子力學第一原理—多體Shr?dinger方程物理模原子單位：三個基本物理常數(shù)

⒊ 單電子近似

— 每個電子行為視為獨立，用單電子波函 數(shù)

i(ri)描述(MO)二、物理模型的三個基本近似⒈ 非相對論近似：i=

0

⒉ Born-Oppenheimer近似：電子與核運動分離電子哈密頓：153原子單位：三個基本物理常數(shù)⒊ 單電子近似— 每個電子行為三、LCAO

-MO近似為尋找試探波函數(shù){}的合理形式，將分子軌道表示為原子軌道{i}的線性組合優(yōu)點：利于建立化學鍵理論的電子結構基礎

MolecularObitalexpressedasaLinear CombinationofAtomicOrbitals154三、LCAO-MO近似為尋找試探波函數(shù){}的合理形式四、Roothaan方程(1952) 對

Hartree-Fock方程引入LCAO-MO近似在以AO集{i}為基的線性空間中，F(xiàn)ock算符的表示為Fock矩陣MO組合系數(shù)表示為列矢量電子總能量變分要求{

,

c

}滿足Roothaan方程F

c=

S

c

S為AO重疊矩陣:155四、Roothaan方程(1952) 對Hartree1927年Heitler和London用變分法求解了氫分子的波函數(shù)實驗值RAB/a01.518E首次在形式理論的水平上解釋了化學鍵本質，開創(chuàng)了量子化學分支學科1561927年Heitler和London用變分法求解了氫分子的量子力學為在原子－分子水平上揭示化學問題的本質奠定了牢固的理論基礎。因為，化學反應基本過程是伴隨著反應體系原子核的重排而發(fā)生的電子運動狀態(tài)的改變，這些微觀運動均服從薛定諤方程。量子力學的統(tǒng)一理論(Unitedtheory)使化學與物理學在原子、分子水平上會師，兩學科的界限趨于模糊157量子力學為在原子－分子水平上揭示化學問題的本質奠定了牢固的理量子力學奠基人之一的Dirac在1929說:"Thefundamentallawsnecessaryforthemathematicaltreatmentoflargepartsofphysicsandthewholeofchemistryarethusfullyknown,andthedifficultyliesonlyinthefactthatapplicationoftheselawsleadstoequationsthataretoocomplextobesolved"158量子力學奠基人之一的Dirac在1929說:"The因處理實際分子在數(shù)學上的困難。Dirac本人對量子力學在化學上的應用前景是悲觀的。1952年H.