計(jì)算機(jī)化學(xué)輔助分子設(shè)計(jì)課件

計(jì)算機(jī)化學(xué)與分子設(shè)計(jì)ComputationalChemistry&MolecularCAD現(xiàn)代化學(xué)前沿問(wèn)題講座1計(jì)算機(jī)化學(xué)與分子設(shè)計(jì)ComputationalChemis二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，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(duì)化學(xué)科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了沖擊性的影響。其研究?jī)?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(zhǎng)期以來(lái)，化學(xué)一直被科學(xué)界公認(rèn)為一門(mén)純實(shí)驗(yàn)科學(xué)。其理由要追溯到人類認(rèn)識(shí)自然的兩種科學(xué)方法。2二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，先進(jìn)的分析儀器的應(yīng)用、量子化學(xué)計(jì)算方法⑴ 歸納法(F.Bacon,1561-1626)⑵ 演繹法(R.Decartes,1596-1650)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)唯象理論“預(yù)測(cè)”數(shù)據(jù)擬合檢驗(yàn)公理假設(shè)形式理論二次形式化、近似、計(jì)算和模擬預(yù)測(cè)模型實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)3⑴ 歸納法(F.Bacon,1561-1626)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(duì)象復(fù)雜；②習(xí)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(xué)家采用的唯一科學(xué)方法；演繹法在化

運(yùn)用數(shù)學(xué)的多少是一門(mén)科學(xué)成熟程度的標(biāo)志。馬克思5 運(yùn)用數(shù)學(xué)的多少是一門(mén)科學(xué)成熟程度的標(biāo)志。馬克思5

數(shù)學(xué)的應(yīng)用：在剛體力學(xué)中是絕對(duì)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(duì)的；在化學(xué)中是最簡(jiǎn)單的一次方程式；在生物學(xué)中等于零。恩格斯6 數(shù)學(xué)的應(yīng)用：在剛體力學(xué)中是絕對(duì)的，在氣體力學(xué)中是近似的，在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(duì)象物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式與規(guī)律其復(fù)雜程度的差異然而，百年來(lái)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”?；瘜W(xué)科學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)要回顧8化學(xué)科學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)要回顧8

冶金、建材工業(yè)推動(dòng)了無(wú)機(jī) 藥物、染料、釀酒工業(yè)推動(dòng)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(wú)機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)

無(wú)機(jī)、有機(jī)化學(xué)在19世紀(jì)率先建立9 冶金、建材工業(yè)推動(dòng)了無(wú)機(jī) 經(jīng)典價(jià)鍵理論、苯結(jié)構(gòu)奠定物理化學(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(dòng)力學(xué)10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—反物理化學(xué)的建立使化學(xué)科學(xué)開(kāi)始擁有了理論。高等數(shù)學(xué)首次派上了用場(chǎng)—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(kāi)始與演繹法“沾上了邊”。但在80年代前進(jìn)展十分緩慢11物理化學(xué)的建立使化學(xué)科學(xué)開(kāi)始擁有了理論。高等數(shù)學(xué)首次派上了用⑴ Einstein廣義和狹義相對(duì)論（1905）⑵ 量子力學(xué)的創(chuàng)建（1925~1926）上世紀(jì)初理論物理兩項(xiàng)重大突破對(duì)廿世紀(jì)人類科技和物質(zhì)文明進(jìn)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。12⑴ Einstein廣義和狹義相對(duì)論（1905）上世紀(jì)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(xué)是演繹法最成功的實(shí)例量子力學(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(guò)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13Heisenberg、Schr?dinger、Dirac、B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(dòng)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(zhǔn)方程建立容易，困難在于求解14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Sc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(shí)驗(yàn)事實(shí)的檢驗(yàn)，其正確性無(wú)一例外。任何唯象理論無(wú)法與之同日而語(yǔ)。15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、各種用完備的形式理論體系—統(tǒng)一理論—解釋和預(yù)測(cè)不同科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。量子力學(xué)的“第一原理”(FirstPrinciple)計(jì)算（從頭算）只采用5個(gè)基本物理常數(shù)：0、e、h、c、k

而不依賴任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)即可正確預(yù)測(cè)微觀體系的狀態(tài)和性質(zhì)16用完備的形式理論體系—統(tǒng)一理論—解釋和預(yù)測(cè)不同科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)20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進(jìn)了社會(huì)的物質(zhì)文明改觀，且改變了人類的思維方式1720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(jiǎng)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(lǐng)域未見(jiàn)再獲獎(jiǎng)。表明物理學(xué)科的高度成熟1962 Landau1963 Wigner1965 Tomonaga Schwinger Feyman1967 Bethe1969 Gell-Mann1972 Cooper1979 Weinberg Salam Glashow18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(jiǎng)1量子力學(xué)的建立和發(fā)展促進(jìn)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(xiàn) 量子力學(xué)引入化學(xué)，促進(jìn)量子化學(xué)、量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)形成

Einstein-Bose、Fermi-Dirac兩種統(tǒng)計(jì)理論 Hückel分子軌道理論（1932） Roothaan方程（1952）計(jì)算量子化學(xué)發(fā)展19量子力學(xué)的建立和發(fā)展促進(jìn)了：19化學(xué)科學(xué)的體系和結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化

對(duì)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)科相互滲透

帶動(dòng)生物、材料科學(xué)進(jìn)入分子水平 與化學(xué)相關(guān)的新領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)20化學(xué)科學(xué)的體系和結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化20化學(xué)及交叉學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)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(jì) 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(shí)在其他各化學(xué)分支亦得以應(yīng)用21化學(xué)及交叉學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)了數(shù)學(xué)向化學(xué)的滲透21一門(mén)新的交叉學(xué)科計(jì)算機(jī)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(wèn)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。22一門(mén)新的交叉學(xué)科計(jì)算機(jī)化學(xué)已形成。它將幫助化學(xué)家在原子、計(jì)算機(jī)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)算機(jī)化學(xué)環(huán)境科學(xué)23計(jì)算機(jī)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)材料科學(xué)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(kù)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(dòng)力學(xué)(MD&MC)計(jì)算機(jī)化學(xué)計(jì)算機(jī)化學(xué)的主要內(nèi)容24體系數(shù)據(jù)和性質(zhì)的綜合分析分子(材料)合成路線化學(xué)CAI數(shù)化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（Database） 分子結(jié)構(gòu)庫(kù)晶體庫(kù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)藥物庫(kù) 高分子庫(kù)分子光譜、波譜圖譜庫(kù) 生物數(shù)據(jù)庫(kù)（蛋白質(zhì)、核酸、多糖庫(kù)） 化學(xué)文獻(xiàn)庫(kù)化學(xué)人工智能（需借助數(shù)據(jù)庫(kù)）

計(jì)算機(jī)輔助分子結(jié)構(gòu)解釋化學(xué)模式識(shí)別 結(jié)構(gòu)－活性關(guān)系分析 結(jié)構(gòu)－性質(zhì)關(guān)系分析 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)25化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（Database）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(jì)算機(jī)處理分子大多數(shù)作業(yè)的起點(diǎn)

綜合的計(jì)算機(jī)化學(xué)軟件包，主程序應(yīng)提供 建模的友好界面，同時(shí)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(dòng)將二 維圖形轉(zhuǎn)換為三維26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分子的計(jì)算機(jī)模擬MolecularModeling27分子的計(jì)算機(jī)模擬MolecularModeling27Whatis MolecularModeling

?用計(jì)算機(jī)模擬化學(xué)體系的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，并用數(shù)值運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)求和方法對(duì)系統(tǒng)的平衡熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、非平衡輸運(yùn)等性質(zhì)進(jìn)行理論預(yù)測(cè)分子模擬是化學(xué)CAD的重要部分什么是分子計(jì)算機(jī)模擬?28Whatis用計(jì)算機(jī)模擬化學(xué)體系的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，并用數(shù)值為何進(jìn)行分子計(jì)算機(jī)模擬?宏觀化學(xué)現(xiàn)象是~1024個(gè)分子（原子）的集體行為，固有統(tǒng)計(jì)屬性化學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)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(xué)方法的局限性：對(duì)象為平衡態(tài)、單分子或幾個(gè)分子組成的體系；不適用于動(dòng)力學(xué)過(guò)程和有溫度壓力變化的體系29為何進(jìn)行分子計(jì)算機(jī)模擬?宏觀化學(xué)現(xiàn)象是~1024個(gè)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(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及它們與宏觀性質(zhì)相關(guān)的數(shù)據(jù)和直觀圖象分子模擬結(jié)果取決于所采用的粒子間作用勢(shì)的合理、精確程度。又稱為“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”，是理論與真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間的橋梁分子模擬的兩種主要方法：

⑴ 分子動(dòng)力學(xué)法

(MD，MolecularDynamics)

基于粒子運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典軌跡

⑵ MonteCarlo法(MC)

基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)30分子模擬將原子、分子按經(jīng)典粒子處理，可提供微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程分子力學(xué)法MolecularMechanicsMethod一、原理忽略分子振、轉(zhuǎn)、平動(dòng)運(yùn)動(dòng)。原子視為經(jīng)典粒子，原子間作用力用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)表示體系的平衡幾何結(jié)構(gòu)由能量最低原理確定 分子力學(xué)法(MM)用于預(yù)測(cè)大分子的幾何構(gòu)型，其勢(shì)函數(shù)可用于分子動(dòng)力學(xué)模擬(MD)31分子力學(xué)法MolecularMechanicsMetho二、作用在粒子上的瞬時(shí)合力 原子i在其它原子的作用勢(shì)場(chǎng)Ei(ri)中運(yùn)動(dòng)在平衡位置總作用力：32二、作用在粒子上的瞬時(shí)合力 原子i在其它原子的作用勢(shì)場(chǎng)三、有效作用勢(shì)近似

粒子的勢(shì)能Ei及梯度Ei借助經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)作用勢(shì)二體及三體以上作用勢(shì)的疊加33三、有效作用勢(shì)近似 粒子的勢(shì)能Ei及梯度Ei借助經(jīng)分子動(dòng)力學(xué)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(shí)受力已知，可用數(shù)值積分求出運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典軌跡34分子動(dòng)力學(xué)法MolecularDynamicsMetho在合適選定的時(shí)間步長(zhǎng)

t

內(nèi)，粒子可視作勻加速直線運(yùn)動(dòng)加速度：位移：二、粒子i

在時(shí)間t內(nèi)的位移ri步長(zhǎng)取值：t＝0.01~0.0001ps35在合適選定的時(shí)間步長(zhǎng)t內(nèi)，粒子可視作勻加速直線運(yùn)動(dòng)加速假定1： 有效作用勢(shì)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(shí)際體系的統(tǒng)計(jì)行為，模擬體系應(yīng)有足夠數(shù)量的粒子

1dm3水31027個(gè)H2O

計(jì)算機(jī)只能處理102

~104個(gè)粒子！解決辦法

—贗無(wú)限大近似

取較小的模擬體系作中心原胞，令其在空間重復(fù)排列36假定1： 有效作用勢(shì)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(gè)近鄰重復(fù)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(jì)算機(jī)實(shí)際處理的是原胞內(nèi)數(shù)量較少的粒子 37二維周期性邊界條件示意圖8個(gè)近鄰重復(fù)單元包圍著中心原胞，為三維周期邊界實(shí)例—蘇氨酸水溶液模擬

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

預(yù)測(cè)： ⑴ 復(fù)雜有機(jī)分子可能的穩(wěn)定異構(gòu)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(jié)構(gòu)四、MD處理用于單個(gè)分子(無(wú)周期邊界)辦法： ⑴ 將分子用計(jì)算機(jī)“加熱”至高溫（~1000K） ⑵ 進(jìn)行“逐步退火”MD計(jì)算，在不同溫度下取 樣作為初始構(gòu)型 ⑶ 用MM法作構(gòu)型優(yōu)化39用途—預(yù)測(cè)：四、MD處理用于單個(gè)分子(無(wú)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(wú)限小MD法— 原子初速不為零，給出分子內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典圖象40MM和MD的比較MM法—MD法—40計(jì)算機(jī)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(jì)算 MD+MM計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)分析與靜態(tài)性質(zhì)計(jì)算 復(fù)雜有機(jī)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(dòng)態(tài)過(guò)程有關(guān)性質(zhì)的計(jì)算 分子內(nèi)和分子間的相互作用 擴(kuò)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?nèi)渥兣c斷裂41計(jì)算機(jī)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)體系的化計(jì)算機(jī)分子模擬的應(yīng)用二、化學(xué)CAD計(jì)算機(jī)輔助有機(jī)分子和生物分子設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)42計(jì)算機(jī)分子模擬的應(yīng)用二、化學(xué)CAD計(jì)算機(jī)輔助有機(jī)分子和生物分若干應(yīng)用實(shí)例MD模擬43若干應(yīng)用實(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)定與

MD

模擬結(jié)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(gòu)象理論預(yù)測(cè)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(qiáng)制法”(Template-forcing)確定一對(duì)柔性分子相應(yīng)功能團(tuán)可能的空間取向起始取向?yàn)榫€型的兩個(gè)分子逐步轉(zhuǎn)化為能量較低的環(huán)型構(gòu)象模板加模板45GnRH(gonadotrophin-releaingMD預(yù)測(cè)的順磁性和反磁性冰晶體結(jié)構(gòu)O.AKarim&A.D.J.Haymet,J.Chem.Phys.,89,6889(1988))FerromagneticiceAntiferromagneticice46MD預(yù)測(cè)的順磁性和反磁性冰晶體結(jié)構(gòu)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(guò)程動(dòng)態(tài)模擬C.S.Becquart,D.Kim,J.A,Rifkin,andP.C.Clapp,Mat.Sci.Engin.,A170,87(1993)斷裂點(diǎn)周?chē)膿p壞區(qū)域48Ru-Al合金斷裂過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬C.S.Becquart兩塊晶體界面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)50較小晶面傾角(=9.53)下單晶硅晶界的一種穩(wěn)定結(jié)計(jì)算量子化學(xué)ComputationalQuantumChemistry經(jīng)典模型的局限—未涉及化學(xué)行為的物理本質(zhì) 化合物的性質(zhì)

電子結(jié)構(gòu) 化學(xué)反應(yīng)核與電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化伴隨有電子躍遷、轉(zhuǎn)移、變價(jià)的過(guò)程，經(jīng)典的分子模擬不能處理51計(jì)算量子化學(xué)ComputationalQuantumCh分子軌道法簡(jiǎn)介52分子軌道法簡(jiǎn)介52一、量子力學(xué)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(yùn)動(dòng)中粒子間存在著相互作用定態(tài)Shr?dinger方程：rPirQjrijRPQ53一、量子力學(xué)第一原理—多體Shr?dinger方程物理模原子單位：三個(gè)基本物理常數(shù)

⒊ 單電子近似

— 每個(gè)電子行為視為獨(dú)立，用單電子波函 數(shù)

i(ri)描述(MO)二、物理模型的三個(gè)基本近似⒈ 非相對(duì)論近似：i=

0

⒉ Born-Oppenheimer近似：電子與核運(yùn)動(dòng)分離電子哈密頓：54原子單位：三個(gè)基本物理常數(shù)⒊ 單電子近似— 每個(gè)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(diǎn)：利于建立化學(xué)鍵理論的電子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

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(duì)

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(duì)Hartree1927年Heitler和London用變分法求解了氫分子的波函數(shù)實(shí)驗(yàn)值RAB/a01.518E首次在形式理論的水平上解釋了化學(xué)鍵本質(zhì)，開(kāi)創(chuàng)了量子化學(xué)分支學(xué)科571927年Heitler和London用變分法求解了氫分子的量子力學(xué)為在原子－分子水平上揭示化學(xué)問(wèn)題的本質(zhì)奠定了牢固的理論基礎(chǔ)。因?yàn)椋瘜W(xué)反應(yīng)基本過(guò)程是伴隨著反應(yīng)體系原子核的重排而發(fā)生的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，這些微觀運(yùn)動(dòng)均服從薛定諤方程。量子力學(xué)的統(tǒng)一理論(Unitedtheory)使化學(xué)與物理學(xué)在原子、分子水平上會(huì)師，兩學(xué)科的界限趨于模糊58量子力學(xué)為在原子－分子水平上揭示化學(xué)問(wèn)題的本質(zhì)奠定了牢固的理量子力學(xué)奠基人之一的Dirac在1929說(shuō):"Thefundamentallawsnecessaryforthemathematicaltreatmentoflargepartsofphysicsandthewholeofchemistryarethusfullyknown,andthedifficultyliesonlyinthefactthatapplicationoftheselawsleadstoequationsthataretoocomplextobesolved"59量子力學(xué)奠基人之一的Dirac在1929說(shuō):"The因處理實(shí)際分子在數(shù)學(xué)上的困難。Dirac本人對(duì)量子力學(xué)在化學(xué)上的應(yīng)用前景是悲觀的。1952年H.Schull等三人用手搖計(jì)算機(jī)花兩年才完成一個(gè)N2分子的從頭算。有人斷言：用盡世界上的紙張恐亦無(wú)法完成一個(gè)Fe原子的計(jì)算50年代末，大型計(jì)算機(jī)的浮點(diǎn)運(yùn)算速度為0.01Mflops，僅及PIII的1/5000！60因處理實(shí)際分子在數(shù)學(xué)上的困難。Dirac本人對(duì)量子力學(xué)在化學(xué)量子化學(xué)從二十世紀(jì)30年代初的理論奠基到90年代末在計(jì)算技術(shù)與應(yīng)用上的成熟，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的將近七十年這是幾代杰出理論化學(xué)家不懈努力的結(jié)果，并得益與計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的巨大進(jìn)步1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的頒布是計(jì)算量子化學(xué)在化學(xué)和整個(gè)自然科學(xué)中的重要地位被確立和獲得普遍承認(rèn)的重要標(biāo)志61量子化學(xué)從二十世紀(jì)30年代初的理論奠基到90年代末在計(jì)算技術(shù)TheLaureatesof1998NobelPrizeinChemistryWalterKohn&JohnA.Pople

瑞典皇家科學(xué)院10月13日宣 布將1998年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 授予兩位年邁的量子化學(xué)家Kohn和Pople,表彰他們?cè)陂_(kāi)拓用于分子性質(zhì)及其參與化學(xué)過(guò)程研究的理論和方法上的杰出貢獻(xiàn)。62TheLaureatesof1998NobelPr（瑞典皇家科學(xué)院在Web上發(fā)表的新聞公告）63（瑞典皇家科學(xué)院在Web上發(fā)表的新聞公告）63頒獎(jiǎng)公告稱：Thedevelopmentdidnotreallystarteduntilthebeginningofthe1960s,whentwoeventsbecamedecisive:TodevelopofanentirelynewtheoryfordescribingthespatialdistributionofelectronsTouseoftheincreasingpotentialofferedbythecomputerWalterKohnandJohnPoplearethetwomostprominentfiguresinthisprocess.64頒獎(jiǎng)公告稱：ThedevelopmentdidnotJohnPople’sContributionsJohnPoplehasdevelopedquantumchemistryintoatoolthatcanbeusedbythegeneralchemistandhastherebybroughtchemistryintoanewerawhereexperimentandtheorycanworktogetherintheexplorationofthepropertiesofmolecularsystems.Chemistryisnolongerapurelyexperimentalscience.瑞典皇家科學(xué)院頒獎(jiǎng)文件評(píng)價(jià):化學(xué)不再是一門(mén)純實(shí)驗(yàn)科學(xué)了！65JohnPople’sContributionsJohnPople最輝煌的貢獻(xiàn)是Gaussian程序頒獎(jiǎng)文件稱:Thecreation,constantimprovement,andtheextensionofthefunctionalityofGAUSSIANisanoutstandingachievement.Itistheexampleforthesuccessofthefieldanditsimpactonchemistryandneighboringfieldslikephysics,astrophysics,biochemistry,materialsciences,etc.GAUSSIANistodayusedbythousandsofscientistsallovertheworld.66Pople最輝煌的貢獻(xiàn)是Gaussian程序頒獎(jiǎng)文件稱密度泛函法簡(jiǎn)介67密度泛函法簡(jiǎn)介67WalterKohn’sContributions瑞典皇家科學(xué)院頒獎(jiǎng)文件評(píng)價(jià):

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(dòng)能、庫(kù)侖能和交換-相關(guān)能

P.Hohenberg&W.Kohn,Phys.Rev.B,136,864(1964)69WalterKohnshowedthatitis1965年，運(yùn)用變分原理導(dǎo)出

Kohn-Sham自洽場(chǎng)方程

(DFT的基礎(chǔ)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(guān)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(jì)算晶體的電子結(jié)構(gòu)當(dāng)年即取得成功（但分子計(jì)算結(jié)果不佳）沈呂九(香港)701965年，運(yùn)用變分原理導(dǎo)出Kohn-Sham自洽場(chǎng)方程DFT法用于分子的成功是眾多科學(xué)家多年不懈努力的結(jié)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(gè)原子的分子體系71DFT法用于分子的成功是眾多科學(xué)家多年不懈努力的結(jié)果，但首先ApplicationsofQuantumChemistryTheequilibriumstructuresofmolecules;transitionstatesandreactionpaths.Molecularproperties:Electrical,Magnetic,Optical,etc.Spectroscopy,fromNMRtoX-ray.Reactionmechanismsinchemistryandbio-chemistry.Intermolecularinteractionsgivingpotentialswhichmaybeusedtostudymacromolecules,solventeffects,crystalpacking,etc.72ApplicationsofQuantumChemis若干應(yīng)用實(shí)例量子化學(xué)計(jì)算演示和73若干應(yīng)用實(shí)例量子化學(xué)計(jì)算演示和73分子軌道法計(jì)算演示⒈ 分子幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化；能量、波函數(shù)和電子結(jié)構(gòu)計(jì)算⒉ 分子的性質(zhì)、偶極矩⒊ 分子的振動(dòng)光譜及紫外－可見(jiàn)光譜；簡(jiǎn)正振動(dòng)分析74分子軌道法計(jì)算演示⒈ 分子幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化；能量、波函數(shù)和電子結(jié)一些化合物紅外光譜計(jì)算結(jié)果（從頭算法，6-31G(d)）75一些化合物紅外光譜計(jì)算結(jié)果（從頭算法，6-31G(d)）7反應(yīng)途徑及過(guò)渡態(tài)計(jì)算 基元反應(yīng)：反應(yīng)物配合物1過(guò)渡態(tài)配合物2產(chǎn)物鞍點(diǎn)76反應(yīng)途徑及過(guò)渡態(tài)計(jì)算 基元反應(yīng)：反應(yīng)物配合物1過(guò)渡態(tài)配合物勢(shì)能面和反應(yīng)途徑勢(shì)能面無(wú)法實(shí)驗(yàn)測(cè)定。由量子化學(xué)計(jì)算給出二維等能量線圖二維勢(shì)能曲面鞍點(diǎn)T(ABC)77勢(shì)能面和反應(yīng)途徑勢(shì)能面無(wú)法實(shí)驗(yàn)測(cè)定。由量子化學(xué)計(jì)算給出二維等Theenergysurface(intwodimensions)forahypotheticalchemicalreactionfromoneequilibriumoverabarrier(transitionstate)tothesecondequilibrium

78Theenergysurface(intwodim如何進(jìn)行反應(yīng)途徑和過(guò)渡態(tài)搜索？反應(yīng)活化能計(jì)算精度取決于 ① 高檔次(level)的計(jì)算方法 ② 準(zhǔn)確地確定鞍點(diǎn)及分子的過(guò)渡結(jié)構(gòu)鞍點(diǎn)的條件十分苛刻。處理手續(xù)復(fù)雜，計(jì)算量大需采用較高級(jí)的專業(yè)量子化學(xué)軟件 Gaussian92,94&98(forUnixorWindows) MullikenforIBM/RS-6000

MOPACforWindowsv2.0

均配備了反應(yīng)途徑和過(guò)渡態(tài)自動(dòng)搜索的功能！79如何進(jìn)行反應(yīng)途徑和過(guò)渡態(tài)搜索？反應(yīng)活化能計(jì)算精度取決于79反應(yīng)物F-+CH3Cl能量極小點(diǎn)1F-···CH3Cl過(guò)渡態(tài)(F-···CH3···Cl)-能量極小點(diǎn)2FCH3···Cl-產(chǎn)物FCH3+Cl-實(shí)例：一個(gè)SN2反應(yīng)的反應(yīng)途徑和過(guò)渡態(tài)計(jì)算80反應(yīng)物能量極小點(diǎn)1過(guò)渡態(tài)能量極小點(diǎn)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(yīng)機(jī)理的理論計(jì)算研究82Highupintheatmosphere,CF2TheelectrondensityaroundthevitaminCmolecule.Thecolorsshowtheelectrostaticpotentialwiththenegativeareasshadedin

red

andthepositivein

blue維生素C分子的電子密度與靜電勢(shì)83Theelectrondensityaroundth1986：李遠(yuǎn)哲：“在十五年前，如果理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)有矛盾，那么經(jīng)常證明是理論結(jié)果錯(cuò)了。但是最近十年則相反，常常是實(shí)驗(yàn)錯(cuò)了?！孔恿W(xué)有些結(jié)果是實(shí)驗(yàn)工作者事先未想到的，或者是難以實(shí)現(xiàn)的”電子自旋磁矩的理論值和實(shí)驗(yàn)值精確符合到12位有效數(shù)字H2分子的解離能理論計(jì)算值為 36117.4cm-1實(shí)驗(yàn)值 36113.40.3cm-1改進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段后測(cè)得 36117.31.0cm-1841986：李遠(yuǎn)哲：“在十五年前，如果理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)有矛盾，常用的量子化學(xué)計(jì)算方法量子力學(xué)理論Born-Oppenheimer近似非相對(duì)論近似單電子近似Hartree-Fock方程Roothaan方程自洽場(chǎng)從頭算SCF-abinitio密度泛函法DFT超HFLCMTO-X耦合電子對(duì)CEPA組態(tài)相互作用CI微擾處理MP多組態(tài)自洽場(chǎng)MCSCF價(jià)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(dòng)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(yàn)法Semi-emperical獨(dú)立電子對(duì)IEPA第一原理計(jì)算85常用的量子化學(xué)計(jì)算方法量子力學(xué)理論Born-Oppenhei從1954年起，有6屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主8人屬理論化學(xué)領(lǐng)域。其中6位是物理學(xué)家，1位是數(shù)學(xué)家，只有1位福井謙一是從化工改行的化學(xué)家?；瘜W(xué)界應(yīng)感羞愧。并表明：“學(xué)科之間無(wú)不可逾越的鴻溝”，“樹(shù)挪死，人挪活”86從1954年起，有6屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主8人屬理論化學(xué)領(lǐng)域。其前沿發(fā)展—QM/MM法

Combinedabinitio&MolecularMechanics將MO法或DFT與分子力學(xué)法相結(jié)合，取QM與MM兩者之長(zhǎng)。解決大分子參與的化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算反應(yīng)的活性部位（activesite）采用QM計(jì)算。其它基團(tuán)的相互作用及與活性部位的作用采用MM處理QM/MM使計(jì)算酶催化、蛋白質(zhì)等參與的生物化學(xué)反應(yīng)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(xué)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(xué)家WeitaoYa烯醇酶活性部位催化兩步反應(yīng)的計(jì)算89烯醇酶活性部位催化兩步反應(yīng)的計(jì)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(yīng)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(duì)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(duì)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(duì)1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

劃時(shí)代的評(píng)價(jià)瑞典皇家科學(xué)院對(duì)1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)價(jià)空前之高。公告稱：“…量子化學(xué)已發(fā)展成為廣大化學(xué)家都能使用的工具，將化學(xué)帶入一個(gè)新時(shí)代—實(shí)驗(yàn)與理論能攜手協(xié)力揭示分子體系的性質(zhì)?；瘜W(xué)不再是一門(mén)純實(shí)驗(yàn)科學(xué)了”95對(duì)1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

劃時(shí)代的評(píng)價(jià)瑞典皇家科“卅年前，如果說(shuō)并非大多數(shù)化學(xué)家，那末至少是有許多化學(xué)家嘲笑量子化學(xué)研究，認(rèn)為這些工作對(duì)化學(xué)用處不大，甚至幾乎完全無(wú)用。現(xiàn)在的情況卻是完全兩樣了…。當(dāng)90年代行將結(jié)束之際，我們看到化學(xué)理論和計(jì)算研究的巨大進(jìn)展，導(dǎo)致整個(gè)化學(xué)正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命性的變化。Kohn和Pople是其中的兩位最優(yōu)秀代表”“這項(xiàng)突破被廣泛地公認(rèn)為近一、二十年來(lái)化學(xué)學(xué)科中最重要的成果之一”96“卅年前，如果說(shuō)并非大多數(shù)化學(xué)家，那末至少是有許多化學(xué)家嘲笑Theadditionalmaterialendswithaconclusion:Quantumchemistryistodayamaturescience,whichpenetratesallofchemistry.Thisisanextraordinaryachievement,wheretheworkofthetwolaureates,WalterKohnandJohnPoplehasbeenofprofoundimportance.Whocouldbelieve10yearsagothatquantumchemistrywouldplayanimportantroleinbiochemistry,forexample,intheunderstandingofmechanismsforenzymaticreactions,orexplaintherelationbetweenstructureandspectroscopicpropertiesintransitionmetalcontainingproteins.Theoryworkstodayhandinhandwithexperimentalchemistryintheexplorationofthepropertiesofmatter.97Theadditionalmaterialendsw科學(xué)探索獻(xiàn)身、 開(kāi)拓創(chuàng)新和 激流勇進(jìn)的精神需要：98科學(xué)探索獻(xiàn)身、需要：98END謝謝出席99END謝謝出席99計(jì)算機(jī)化學(xué)與分子設(shè)計(jì)ComputationalChemistry&MolecularCAD現(xiàn)代化學(xué)前沿問(wèn)題講座100計(jì)算機(jī)化學(xué)與分子設(shè)計(jì)ComputationalChemis二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，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(duì)化學(xué)科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了沖擊性的影響。其研究?jī)?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(zhǎng)期以來(lái)，化學(xué)一直被科學(xué)界公認(rèn)為一門(mén)純實(shí)驗(yàn)科學(xué)。其理由要追溯到人類認(rèn)識(shí)自然的兩種科學(xué)方法。101二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，先進(jìn)的分析儀器的應(yīng)用、量子化學(xué)計(jì)算方法⑴ 歸納法(F.Bacon,1561-1626)⑵ 演繹法(R.Decartes,1596-1650)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)唯象理論“預(yù)測(cè)”數(shù)據(jù)擬合檢驗(yàn)公理假設(shè)形式理論二次形式化、近似、計(jì)算和模擬預(yù)測(cè)模型實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)102⑴ 歸納法(F.Bacon,1561-1626)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(duì)象復(fù)雜；②習(xí)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(xué)家采用的唯一科學(xué)方法；演繹法在化

運(yùn)用數(shù)學(xué)的多少是一門(mén)科學(xué)成熟程度的標(biāo)志。馬克思104 運(yùn)用數(shù)學(xué)的多少是一門(mén)科學(xué)成熟程度的標(biāo)志。馬克思5

數(shù)學(xué)的應(yīng)用：在剛體力學(xué)中是絕對(duì)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(duì)的；在化學(xué)中是最簡(jiǎn)單的一次方程式；在生物學(xué)中等于零。恩格斯105 數(shù)學(xué)的應(yīng)用：在剛體力學(xué)中是絕對(duì)的，在氣體力學(xué)中是近似的，在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(duì)象物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式與規(guī)律其復(fù)雜程度的差異然而，百年來(lái)科技的發(fā)展使各學(xué)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(jì)中葉自然科學(xué)各學(xué)科的“成熟程度”?；瘜W(xué)科學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)要回顧107化學(xué)科學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)要回顧8

冶金、建材工業(yè)推動(dòng)了無(wú)機(jī) 藥物、染料、釀酒工業(yè)推動(dòng)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(wú)機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)

無(wú)機(jī)、有機(jī)化學(xué)在19世紀(jì)率先建立108 冶金、建材工業(yè)推動(dòng)了無(wú)機(jī) 經(jīng)典價(jià)鍵理論、苯結(jié)構(gòu)奠定物理化學(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(dòng)力學(xué)109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—反物理化學(xué)的建立使化學(xué)科學(xué)開(kāi)始擁有了理論。高等數(shù)學(xué)首次派上了用場(chǎng)—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(kāi)始與演繹法“沾上了邊”。但在80年代前進(jìn)展十分緩慢110物理化學(xué)的建立使化學(xué)科學(xué)開(kāi)始擁有了理論。高等數(shù)學(xué)首次派上了用⑴ Einstein廣義和狹義相對(duì)論（1905）⑵ 量子力學(xué)的創(chuàng)建（1925~1926）上世紀(jì)初理論物理兩項(xiàng)重大突破對(duì)廿世紀(jì)人類科技和物質(zhì)文明進(jìn)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。111⑴ Einstein廣義和狹義相對(duì)論（1905）上世紀(jì)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(xué)是演繹法最成功的實(shí)例量子力學(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(guò)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112Heisenberg、Schr?dinger、Dirac、B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(dòng)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(zhǔn)方程建立容易，困難在于求解113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Sc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(shí)驗(yàn)事實(shí)的檢驗(yàn)，其正確性無(wú)一例外。任何唯象理論無(wú)法與之同日而語(yǔ)。114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、各種用完備的形式理論體系—統(tǒng)一理論—解釋和預(yù)測(cè)不同科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。量子力學(xué)的“第一原理”(FirstPrinciple)計(jì)算（從頭算）只采用5個(gè)基本物理常數(shù)：0、e、h、c、k

而不依賴任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)即可正確預(yù)測(cè)微觀體系的狀態(tài)和性質(zhì)115用完備的形式理論體系—統(tǒng)一理論—解釋和預(yù)測(cè)不同科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)20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進(jìn)了社會(huì)的物質(zhì)文明改觀，且改變了人類的思維方式11620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(jiǎng)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(lǐng)域未見(jiàn)再獲獎(jiǎng)。表明物理學(xué)科的高度成熟1962 Landau1963 Wigner1965 Tomonaga Schwinger Feyman1967 Bethe1969 Gell-Mann1972 Cooper1979 Weinberg Salam Glashow117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(jiǎng)1量子力學(xué)的建立和發(fā)展促進(jìn)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(xiàn) 量子力學(xué)引入化學(xué)，促進(jìn)量子化學(xué)、量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)形成

Einstein-Bose、Fermi-Dirac兩種統(tǒng)計(jì)理論 Hückel分子軌道理論（1932） Roothaan方程（1952）計(jì)算量子化學(xué)發(fā)展118量子力學(xué)的建立和發(fā)展促進(jìn)了：19化學(xué)科學(xué)的體系和結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化

對(duì)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)科相互滲透

帶動(dòng)生物、材料科學(xué)進(jìn)入分子水平 與化學(xué)相關(guān)的新領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)119化學(xué)科學(xué)的體系和結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化20化學(xué)及交叉學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)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(jì) 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(shí)在其他各化學(xué)分支亦得以應(yīng)用120化學(xué)及交叉學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)了數(shù)學(xué)向化學(xué)的滲透21一門(mén)新的交叉學(xué)科計(jì)算機(jī)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(wèn)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。121一門(mén)新的交叉學(xué)科計(jì)算機(jī)化學(xué)已形成。它將幫助化學(xué)家在原子、計(jì)算機(jī)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)算機(jī)化學(xué)環(huán)境科學(xué)122計(jì)算機(jī)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)材料科學(xué)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(kù)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(dòng)力學(xué)(MD&MC)計(jì)算機(jī)化學(xué)計(jì)算機(jī)化學(xué)的主要內(nèi)容123體系數(shù)據(jù)和性質(zhì)的綜合分析分子(材料)合成路線化學(xué)CAI數(shù)化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（Database） 分子結(jié)構(gòu)庫(kù)晶體庫(kù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)藥物庫(kù) 高分子庫(kù)分子光譜、波譜圖譜庫(kù) 生物數(shù)據(jù)庫(kù)（蛋白質(zhì)、核酸、多糖庫(kù)） 化學(xué)文獻(xiàn)庫(kù)化學(xué)人工智能（需借助數(shù)據(jù)庫(kù)）

計(jì)算機(jī)輔助分子結(jié)構(gòu)解釋化學(xué)模式識(shí)別 結(jié)構(gòu)－活性關(guān)系分析 結(jié)構(gòu)－性質(zhì)關(guān)系分析 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)124化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（Database）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(jì)算機(jī)處理分子大多數(shù)作業(yè)的起點(diǎn)

綜合的計(jì)算機(jī)化學(xué)軟件包，主程序應(yīng)提供 建模的友好界面，同時(shí)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(dòng)將二 維圖形轉(zhuǎn)換為三維125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分子的計(jì)算機(jī)模擬MolecularModeling126分子的計(jì)算機(jī)模擬MolecularModeling27Whatis MolecularModeling

?用計(jì)算機(jī)模擬化學(xué)體系的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，并用數(shù)值運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)求和方法對(duì)系統(tǒng)的平衡熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、非平衡輸運(yùn)等性質(zhì)進(jìn)行理論預(yù)測(cè)分子模擬是化學(xué)CAD的重要部分什么是分子計(jì)算機(jī)模擬?127Whatis用計(jì)算機(jī)模擬化學(xué)體系的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，并用數(shù)值為何進(jìn)行分子計(jì)算機(jī)模擬?宏觀化學(xué)現(xiàn)象是~1024個(gè)分子（原子）的集體行為，固有統(tǒng)計(jì)屬性化學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)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(xué)方法的局限性：對(duì)象為平衡態(tài)、單分子或幾個(gè)分子組成的體系；不適用于動(dòng)力學(xué)過(guò)程和有溫度壓力變化的體系128為何進(jìn)行分子計(jì)算機(jī)模擬?宏觀化學(xué)現(xiàn)象是~1024個(gè)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(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及它們與宏觀性質(zhì)相關(guān)的數(shù)據(jù)和直觀圖象分子模擬結(jié)果取決于所采用的粒子間作用勢(shì)的合理、精確程度。又稱為“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”，是理論與真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間的橋梁分子模擬的兩種主要方法：

⑴ 分子動(dòng)力學(xué)法

(MD，MolecularDynamics)

基于粒子運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典軌跡

⑵ MonteCarlo法(MC)

基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)129分子模擬將原子、分子按經(jīng)典粒子處理，可提供微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程分子力學(xué)法MolecularMechanicsMethod一、原理忽略分子振、轉(zhuǎn)、平動(dòng)運(yùn)動(dòng)。原子視為經(jīng)典粒子，原子間作用力用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)表示體系的平衡幾何結(jié)構(gòu)由能量最低原理確定 分子力學(xué)法(MM)用于預(yù)測(cè)大分子的幾何構(gòu)型，其勢(shì)函數(shù)可用于分子動(dòng)力學(xué)模擬(MD)130分子力學(xué)法MolecularMechanicsMetho二、作用在粒子上的瞬時(shí)合力 原子i在其它原子的作用勢(shì)場(chǎng)Ei(ri)中運(yùn)動(dòng)在平衡位置總作用力：131二、作用在粒子上的瞬時(shí)合力 原子i在其它原子的作用勢(shì)場(chǎng)三、有效作用勢(shì)近似

粒子的勢(shì)能Ei及梯度Ei借助經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)作用勢(shì)二體及三體以上作用勢(shì)的疊加132三、有效作用勢(shì)近似 粒子的勢(shì)能Ei及梯度Ei借助經(jīng)分子動(dòng)力學(xué)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(shí)受力已知，可用數(shù)值積分求出運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典軌跡133分子動(dòng)力學(xué)法MolecularDynamicsMetho在合適選定的時(shí)間步長(zhǎng)

t

內(nèi)，粒子可視作勻加速直線運(yùn)動(dòng)加速度：位移：二、粒子i

在時(shí)間t內(nèi)的位移ri步長(zhǎng)取值：t＝0.01~0.0001ps134在合適選定的時(shí)間步長(zhǎng)t內(nèi)，粒子可視作勻加速直線運(yùn)動(dòng)加速假定1： 有效作用勢(shì)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(shí)際體系的統(tǒng)計(jì)行為，模擬體系應(yīng)有足夠數(shù)量的粒子

1dm3水31027個(gè)H2O

計(jì)算機(jī)只能處理102

~104個(gè)粒子！解決辦法

—贗無(wú)限大近似

取較小的模擬體系作中心原胞，令其在空間重復(fù)排列135假定1： 有效作用勢(shì)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(gè)近鄰重復(fù)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(jì)算機(jī)實(shí)際處理的是原胞內(nèi)數(shù)量較少的粒子 136二維周期性邊界條件示意圖8個(gè)近鄰重復(fù)單元包圍著中心原胞，為三維周期邊界實(shí)例—蘇氨酸水溶液模擬

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

預(yù)測(cè)： ⑴ 復(fù)雜有機(jī)分子可能的穩(wěn)定異構(gòu)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(jié)構(gòu)四、MD處理用于單個(gè)分子(無(wú)周期邊界)辦法： ⑴ 將分子用計(jì)算機(jī)“加熱”至高溫（~1000K） ⑵ 進(jìn)行“逐步退火”MD計(jì)算，在不同溫度下取 樣作為初始構(gòu)型 ⑶ 用MM法作構(gòu)型優(yōu)化138用途—預(yù)測(cè)：四、MD處理用于單個(gè)分子(無(wú)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(wú)限小MD法— 原子初速不為零，給出分子內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典圖象139MM和MD的比較MM法—MD法—40計(jì)算機(jī)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(jì)算 MD+MM計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)分析與靜態(tài)性質(zhì)計(jì)算 復(fù)雜有機(jī)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(dòng)態(tài)過(guò)程有關(guān)性質(zhì)的計(jì)算 分子內(nèi)和分子間的相互作用 擴(kuò)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?nèi)渥兣c斷裂140計(jì)算機(jī)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)體系的化計(jì)算機(jī)分子模擬的應(yīng)用二、化學(xué)CAD計(jì)算機(jī)輔助有機(jī)分子和生物分子設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)141計(jì)算機(jī)分子模擬的應(yīng)用二、化學(xué)CAD計(jì)算機(jī)輔助有機(jī)分子和生物分若干應(yīng)用實(shí)例MD模擬142若干應(yīng)用實(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)定與

MD

模擬結(jié)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(gòu)象理論預(yù)測(cè)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(qiáng)制法”(Template-forcing)確定一對(duì)柔性分子相應(yīng)功能團(tuán)可能的空間取向起始取向?yàn)榫€型的兩個(gè)分子逐步轉(zhuǎn)化為能量較低的環(huán)型構(gòu)象模板加模板144GnRH(gonadotrophin-releaingMD預(yù)測(cè)的順磁性和反磁性冰晶體結(jié)構(gòu)O.AKarim&A.D.J.Haymet,J.Chem.Phys.,89,6889(1988))FerromagneticiceAntiferromagneticice145MD預(yù)測(cè)的順磁性和反磁性冰晶體結(jié)構(gòu)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(guò)程動(dòng)態(tài)模擬C.S.Becquart,D.Kim,J.A,Rifkin,andP.C.Clapp,Mat.Sci.Engin.,A170,87(1993)斷裂點(diǎn)周?chē)膿p壞區(qū)域147Ru-Al合金斷裂過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬C.S.Becquart兩塊晶體界面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)149較小晶面傾角(=9.53)下單晶硅晶界的一種穩(wěn)定結(jié)計(jì)算量子化學(xué)ComputationalQuantumChemistry經(jīng)典模型的局限—未涉及化學(xué)行為的物理本質(zhì) 化合物的性質(zhì)

電子結(jié)構(gòu) 化學(xué)反應(yīng)核與電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化伴隨有電子躍遷、轉(zhuǎn)移、變價(jià)的過(guò)程，經(jīng)典的分子模擬不能處理150計(jì)算量子化學(xué)ComputationalQuantumCh分子軌道法簡(jiǎn)介151分子軌道法簡(jiǎn)介52一、量子力學(xué)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(yùn)動(dòng)中粒子間存在著相互作用定態(tài)Shr?dinger方程：rPirQjrijRPQ152一、量子力學(xué)第一原理—多體Shr?dinger方程物理模原子單位：三個(gè)基本物理常數(shù)

⒊ 單電子近似

— 每個(gè)電子行為視為獨(dú)立，用單電子波函 數(shù)

i(ri)描述(MO)二、物理模型的三個(gè)基本近似⒈ 非相對(duì)論近似：i=

0

⒉ Born-Oppenheimer近似：電子與核運(yùn)動(dòng)分離電子哈密頓：153原子單位：三個(gè)基本物理常數(shù)⒊ 單電子近似— 每個(gè)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(diǎn)：利于建立化學(xué)鍵理論的電子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

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(duì)

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(duì)Hartree1927年Heitler和London用變分法求解了氫分子的波函數(shù)實(shí)驗(yàn)值RAB/a01.518E首次在形式理論的水平上解釋了化學(xué)鍵本質(zhì)，開(kāi)創(chuàng)了量子化學(xué)分支學(xué)科1561927年Heitler和London用變分法求解了氫分子的量子力學(xué)為在原子－分子水平上揭示化學(xué)問(wèn)題的本質(zhì)奠定了牢固的理論基礎(chǔ)。因?yàn)?，化學(xué)反應(yīng)基本過(guò)程是伴隨著反應(yīng)體系原子核的重排而發(fā)生的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，這些微觀運(yùn)動(dòng)均服從薛定諤方程。量子力學(xué)的統(tǒng)一理論(Unitedtheory)使化學(xué)與物理學(xué)在原子、分子水平上會(huì)師，兩學(xué)科的界限趨于模糊157量子力學(xué)為在原子－分子水平上揭示化學(xué)問(wèn)題的本質(zhì)奠定了牢固的理量子力學(xué)奠基人之一的Dirac在1929說(shuō):"Thefundamentallawsnecessaryforthemathematicaltreatmentoflargepartsofphysicsandthewholeofchemistryarethusfullyknown,andthedifficultyliesonlyinthefactthatapplicationoftheselawsleadstoequationsthataretoocomplextobesolved"158量子力學(xué)奠基人之一的Dirac在1929說(shuō):"The因處理實(shí)際分子在數(shù)學(xué)上的困難。Dirac本人對(duì)量子力學(xué)在化學(xué)上的應(yīng)用前景是悲觀的。1952年H.