計算化學課程理論概述

計算化學課程理論概述第一頁，共四十一頁，2022年，8月28日教學內(nèi)容緒論第一章理論概述第二章化學軟件與網(wǎng)絡(luò)資源第三章分子動力學第四章分子力學第五章量子化學計算方法第二頁，共四十一頁，2022年，8月28日“計算”第三條科學發(fā)現(xiàn)的途徑20世紀80年代以來，計算機已經(jīng)成為所有分支領(lǐng)域化學家的必備工具?！坝嬎慊瘜W”不應(yīng)停留在“計算機輔助”的角色?！坝嬎恪币呀?jīng)與實驗，形式理論一樣能夠發(fā)現(xiàn)新的科學現(xiàn)象、新的科學概念，從而“計算”已經(jīng)成為第三條科學發(fā)現(xiàn)的途徑。第三頁，共四十一頁，2022年，8月28日憑什么相信計算什么是計算所依據(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---量子力學和統(tǒng)計力學（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。正因為這種物質(zhì)的統(tǒng)一性，無生命物質(zhì)的統(tǒng)一理論在物理上適用，在化學上也如此。自我批判是科學的生命力所在，第一原理在不斷發(fā)展中。第四頁，共四十一頁，2022年，8月28日計算化學的宗旨首先選用物理模型，不得已才選數(shù)學模型。在運用第一原理的時候，選用適當?shù)哪Ｐ筒拍軋?zhí)行計算。必須強調(diào)：物理模型比數(shù)學模型重要得多，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)學模型。物理學是嚴密科學（exactscience)，化學也正步入嚴密科學?！皣馈弊种笝C理正確，“密”字指數(shù)值準確。第五頁，共四十一頁，2022年，8月28日計算化學的研究內(nèi)容：狹義：

量子結(jié)構(gòu)計算——量子化學和結(jié)構(gòu)化學范疇；

物理化學參數(shù)的計算——統(tǒng)計熱力學范疇化學過程模擬和化工過程計算等

廣義：化學數(shù)據(jù)挖掘(Datamining)；化學結(jié)構(gòu)與化學反應(yīng)的計算機處理技術(shù)；計算機輔助分子設(shè)計；計算機輔助合成路線設(shè)計；計算機輔助化學過程綜合與開發(fā)；化學中的人工智能方法等。第六頁，共四十一頁，2022年，8月28日體系數(shù)據(jù)和性質(zhì)的綜合分析分子(材料)CAD合成路線CAD化學CAI數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析及其它應(yīng)用化學數(shù)據(jù)庫量子化學計算計算機分子模擬分子結(jié)構(gòu)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)計算化學計算化學的主要研究內(nèi)容第七頁，共四十一頁，2022年，8月28日如何進行計算化學計算方面化學中的問題物理模型數(shù)學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，2022年，8月28日如何進行計算化學分子模擬化學中的問題構(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，2022年，8月28日能量優(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，2022年，8月28日尋找過渡態(tài)的方法極大-極小逼近法線性內(nèi)坐標途徑法（LICP)第十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日計算化學理論概述第十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日計算化學理論概述分子力學(Molecularmechanicsm)半經(jīng)驗方法(Semiempirical)完全從頭算(abinitiocalculation)密度泛函(Densityfunctional)第十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日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)果可以瞬間計算完成,也可能花費超級計算機幾個月的時間必須平衡計算成本和模型方法的精確度第十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日簡單搭建的分子模型從一些標準的結(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現(xiàn)可以對分子的三維結(jié)構(gòu)給出直觀的認識對于分子性質(zhì),能量或反應(yīng)性能卻一無所知第十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日分子力學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)可以計算變形的相對能量計算成本低需要很多經(jīng)驗參數(shù),這些經(jīng)驗參數(shù)需要仔細測試和校準只能得到穩(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，2022年，8月28日分子動力學分子動力學是一套分子模擬方法，該方法主要是依靠牛頓力學來模擬分子體系的運動，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)進一步計算體系的熱力學量和其他宏觀性質(zhì)。第十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日半經(jīng)驗分子軌道理論對價電子進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)方法計算快,但是沒有它準確第十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日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)地進行改進,直至達到化學精度化學精度:鍵長0.02A,鍵角2o,鍵能2kcal/mol不需要參數(shù),也不用實驗來校準可以描寫結(jié)構(gòu),性質(zhì),能量和反應(yīng)性能計算成本高第十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日密度泛函理論使用完全的Schr?dinger方程,原理上可以得到準確的電子分布可以很容易達到很高的精度,但是無法系統(tǒng)地改進到化學精度需要一些猜測泛函和參數(shù),體系的適用性必須用實驗來校準可以描寫結(jié)構(gòu),性質(zhì),能量和反應(yīng)性能計算成本中等第二十頁，共四十一頁，2022年，8月28日總結(jié)分子力學(Molecularmechanicsm)大體系,結(jié)構(gòu)半經(jīng)驗方法(Semiempirical)中等體系,粗略性質(zhì)完全從頭算(abinitiocalculation)小體系,準確性質(zhì)密度泛函(Densityfunctional)中等體系,準確性質(zhì)第二十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日計算化學的軟件現(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，2022年，8月28日Gaussian03的功能Gaussian03 分子力學,半經(jīng)驗、從頭算、密度泛函的分子軌道計算可用的操作系統(tǒng)版本有Windows和LinuxGaussViewGaussian的圖形界面第二十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日化學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、化學反應(yīng)方程式、化工流程圖、簡單的實驗裝置圖等化學常用的平面圖形的繪制二維圖形軟件：ChemDraw(Chemoffice),ChemWindow：商業(yè)軟件

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

最新版本分別為2.2和4.0。第二十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日三維結(jié)構(gòu)顯示與描繪軟件：化學中的常用軟件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)驗量子化學計算程序MOPAC97,能夠以三維的方式顯示量子化學計算結(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，2022年，8月28日化學中的常用軟件科學計算和數(shù)據(jù)處理軟件通用型：對實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理、統(tǒng)計分析、付立葉變換、t-試驗、線性及非線性擬合；繪制二維及三維圖形如：散點圖、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6.0SigmaPlot：最新版本為2000

第二十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日核磁數(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)的免費軟件Gifa：處理一至三維核磁數(shù)據(jù)，為運行在LINUX操作系統(tǒng)中X-Window上的免費軟件化學中的常用軟件色譜及紅外、Raman等實驗數(shù)據(jù)的處理：GRAMS/32：

第二十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日文獻管理化學中的常用軟件對文獻進行整理，能在文字處理程序中直接插入?yún)⒖嘉墨I并生成一定雜志規(guī)定格式的參考文獻列表EndNote4：

ReferenceManager9.5,ProCite5.0：第二十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日圖譜解析

化學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)有機物的1H、13C化學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)有機物的13C化學位移gNMR：則可用來估算任何NMR活性核的化學位移，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，2022年，8月28日化學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。質(zhì)譜MassSpectraSimulator：

ChemWindow6.0Spectroscopy版本第三十頁，共四十一頁，2022年，8月28日化學中的常用軟件計算機輔助教學CHAOS：有機合成路線設(shè)計《OrganicChemistryinAction》，可以使用“逆序法”自動尋找目標物的合成原料ChemDrawultra版，Beilstein公司的AutoNom4.0版：有機化合物命名工具命名軟件，給出IUPAC名稱，CAS名稱，對立體化學的支持。Chemlab——化學反應(yīng)模擬軟件

虛擬化學實驗，交互式地仿真演示化學實驗,FORWIN9X。能夠仿真大多數(shù)化學實驗。CHEMLAB包含的東西非常多,滴定、反應(yīng)動力學，周期表...第三十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日化學中的常用軟件量子化學計算WinMOPAC：半經(jīng)驗分子軌道(AM1,PM3,MINDO,MNDO/3等)計算程序，計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，其計算方法包括：MM2,AM1,AM1withSolvent,PM3,從頭計算等，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及半經(jīng)驗分子軌道方法及多種基集的從頭計算等，并能計算振動光譜、電子光譜、分子動態(tài)學等，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，2022年，8月28日化學中的常用軟件Gamess：免費的從頭計算程序，其速度快，并提供源程序。DOS界面。。Gamess用戶界面Visualize，Gaussian：支持常用半經(jīng)驗方法、從頭計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)計的從頭計算及密度泛函計算程序，其速度特快，用戶界面一般。。第三十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日化學中的常用軟件科學數(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)計處理

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

——二維數(shù)據(jù)點；三維數(shù)據(jù)點第三十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日化學中的常用軟件有機分子結(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，2022年，8月28日化學中的常用軟件分子繪圖及分子模擬計算軟件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、計算功能，并附帶分子力學MM2程序，量子力學半經(jīng)驗MOPAC2000程序，提供了Gaussian接口。

第三十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日網(wǎng)絡(luò)上的化學資源化學化工綜合網(wǎng)站中國化學化工信息資源：中科院化學所,ChemCenter；美國化學會ACSChemWeb:虛擬化學俱樂部英國皇家化學會RSC及其ChemSoc;Chemdex：英國Sheffied大學化學站點

第三十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日網(wǎng)絡(luò)上的化學資源網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫Cambridgesoft：提供Internet