计算化学课程理论概述

计算化学课程理论概述第一页，共四十一页，编辑于2023年，星期五教学内容绪论第一章理论概述第二章化学软件与网络资源第三章分子动力学第四章分子力学第五章量子化学计算方法第二页，共四十一页，编辑于2023年，星期五“计算”第三条科学发现的途径20世纪80年代以来，计算机已经成为所有分支领域化学家的必备工具。“计算化学”不应停留在“计算机辅助”的角色。“计算”已经与实验，形式理论一样能够发现新的科学现象、新的科学概念，从而“计算”已经成为第三条科学发现的途径。第三页，共四十一页，编辑于2023年，星期五凭什么相信计算什么是计算所依据的“第一原理”无生命物质世界第一原理框架已经建立---量子力学和统计力学（物理上）客观世界从物质构成而言就是仅仅由电子和原子核组成的。正因为这种物质的统一性，无生命物质的统一理论在物理上适用，在化学上也如此。自我批判是科学的生命力所在，第一原理在不断发展中。第四页，共四十一页，编辑于2023年，星期五计算化学的宗旨首先选用物理模型，不得已才选数学模型。在运用第一原理的时候，选用适当的模型才能执行计算。必须强调：物理模型比数学模型重要得多，只有在暂时无法构筑物理模型的场合才不得已采用数学模型。物理学是严密科学（exactscience)，化学也正步入严密科学。“严”字指机理正确，“密”字指数值准确。第五页，共四十一页，编辑于2023年，星期五计算化学的研究内容：狭义：

量子结构计算——量子化学和结构化学范畴；

物理化学参数的计算——统计热力学范畴化学过程模拟和化工过程计算等

广义：化学数据挖掘(Datamining)；化学结构与化学反应的计算机处理技术；计算机辅助分子设计；计算机辅助合成路线设计；计算机辅助化学过程综合与开发；化学中的人工智能方法等。第六页，共四十一页，编辑于2023年，星期五体系数据和性质的综合分析分子(材料)CAD合成路线CAD化学CAI数据采集、统计分析及其它应用化学数据库量子化学计算计算机分子模拟分子结构建模与图象显示化学人工智能分子力学(MM)分子动力学(MD&MC)计算化学计算化学的主要研究内容第七页，共四十一页，编辑于2023年，星期五如何进行计算化学计算方面化学中的问题物理模型数学模型公式算法编程调试试算分析输出结果

第八页，共四十一页，编辑于2023年，星期五如何进行计算化学分子模拟化学中的问题构建分子模型几何优化构象分析能量优化方法寻找过渡态方法试算分析输出结果

第九页，共四十一页，编辑于2023年，星期五能量优化方法单纯形法最速下降法共轭梯度法Newton-Raphson第十页，共四十一页，编辑于2023年，星期五寻找过渡态的方法极大-极小逼近法线性内坐标途径法（LICP)第十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期五计算化学理论概述第十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期五计算化学理论概述分子力学(Molecularmechanicsm)半经验方法(Semiempirical)完全从头算(abinitiocalculation)密度泛函(Densityfunctional)第十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子模型的适用范围可以把分子结构,性质和反应性能模型化可以进行简单的定性解释,也可以得到精确的定量的结果可以瞬间计算完成,也可能花费超级计算机几个月的时间必须平衡计算成本和模型方法的精确度第十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期五简单搭建的分子模型从一些标准的结构或部分来搭建键长和配位都是固定的从一些分子的结构来可以得到很好的定性模型便于使用而且很容易实现可以对分子的三维结构给出直观的认识对于分子性质,能量或反应性能却一无所知第十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子力学方法把分子用硬球和弹簧的方式来表示相对于初步搭建的分子模型,可以更好地得到其稳定结构可以计算变形的相对能量计算成本低需要很多经验参数,这些经验参数需要仔细测试和校准只能得到稳定几何结构无法得到电子相互作用的信息无法得到分子性质和反应性能的信息不能研究包含成键和断键的反应第十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期五分子动力学分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。第十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期五半经验分子轨道理论对价电子进行近似的描写通过解简化的Schrödinger方程而得到其中的很多积分用含参数的经验式子来近似可以半定量地描写电子分布,分子结构,性质和相对能量比从头算电子结构方法计算快,但是没有它准确第十八页，共四十一页，编辑于2023年，星期五从头算分子轨道方法使用完全的Schrödinger方程,得到更精确的电子分布可以系统地进行改进,直至达到化学精度化学精度:键长0.02A,键角2o,键能2kcal/mol不需要参数,也不用实验来校准可以描写结构,性质,能量和反应性能计算成本高第十九页，共四十一页，编辑于2023年，星期五密度泛函理论使用完全的Schrödinger方程,原理上可以得到准确的电子分布可以很容易达到很高的精度,但是无法系统地改进到化学精度需要一些猜测泛函和参数,体系的适用性必须用实验来校准可以描写结构,性质,能量和反应性能计算成本中等第二十页，共四十一页，编辑于2023年，星期五总结分子力学(Molecularmechanicsm)大体系,结构半经验方法(Semiempirical)中等体系,粗略性质完全从头算(abinitiocalculation)小体系,准确性质密度泛函(Densityfunctional)中等体系,准确性质第二十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期五计算化学的软件现在有适用于各种操作系统的很多软件包大部分都有图形界面,可以很容易地构建模型和查看结果我们将使用Gaussian03作为范本软件的使用经验可以很容易地用于其它类似软件包第二十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期五Gaussian03的功能Gaussian03 分子力学,半经验、从头算、密度泛函的分子轨道计算可用的操作系统版本有Windows和LinuxGaussViewGaussian的图形界面第二十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期五化学中的常用软件分子结构绘图软件描绘化合物的结构式、化学反应方程式、化工流程图、简单的实验装置图等化学常用的平面图形的绘制二维图形软件：ChemDraw(Chemoffice),ChemWindow：商业软件/

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最新版本分别为12和6.5。ISISDraw,ChemSketch：对教育界及家用为免费软件/

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最新版本分别为2.2和4.0。第二十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期五三维结构显示与描绘软件：化学中的常用软件Chem3D(Chemoffice):是ChemOffice的组成部分，同ChemDraw一起协同工作，ChemDraw上画出的二维结构式可以正确地自动转换为三维结构。ultra版本还包括了一个很好的半经验量子化学计算程序MOPAC97,能够以三维的方式显示量子化学计算结果WebLabViewerPro,RasWin:Lite版只能显示而无法编辑三维分子模型，为免费软件pro版本表现生物分子和晶体结构的能力比较强下载地址为/能够以线图(wireframe),球棍(ballandstick),CPK及丝带(ribbon)等模式显示化合物的三维结构。RasMol,ArgusLab,ChemBuilder3D,ChemSite,HyperChem等第二十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期五化学中的常用软件科学计算和数据处理软件通用型：对实验数据进行数学处理、统计分析、付立叶变换、t-试验、线性及非线性拟合；绘制二维及三维图形如：散点图、条形图、折线图、饼图、面积图、曲面图、等高线图等。Origin：最新版本为6.0/SigmaPlot：最新版本为2000/

第二十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期五核磁数据处理软件：NUTS：处理一维及二维核磁数据，其功能包括付立叶变换、相位校正、差谱、模拟谱、匀场练习等几乎所有核磁仪器操作软件的功能，/MestRe-C：处理一维核磁数据的免费软件http://qobrue.usc.es/jsgroup/MestRe-C/MestRe-C.htmlGifa：处理一至三维核磁数据，为运行在LINUX操作系统中X-Window上的免费软件http://www.cbs.univmontp1.fr/GIFA/化学中的常用软件色谱及红外、Raman等实验数据的处理：GRAMS/32：/

第二十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期五文献管理化学中的常用软件对文献进行整理，能在文字处理程序中直接插入参考文献并生成一定杂志规定格式的参考文献列表EndNote4：/

ReferenceManager9.5,ProCite5.0：/第二十八页，共四十一页，编辑于2023年，星期五图谱解析

化学中的常用软件核磁图谱：ChemNMR：ChemDrawUltra版本的一个插件，可以用来估算大多数有机物的1H、13C化学位移及用线图表示的相应图谱C13ModuleforChemWindow：ChemWindow的一个插件，可以用来估算大多数有机物的13C化学位移gNMR：则可用来估算任何NMR活性核的化学位移，并能画出非常逼真的图谱/Sparky：二维核磁特别是对复杂2DNMR的解析第二十九页，共四十一页，编辑于2023年，星期五化学中的常用软件红外图谱IRMentorPro，IRSearchMaster：能对给定的红外图谱数据自动分析与处理，或对给定的振动谱带给出可能存在的功能团。/pub/质谱MassSpectraSimulator：/gjlinker

ChemWindow6.0Spectroscopy版本第三十页，共四十一页，编辑于2023年，星期五化学中的常用软件计算机辅助教学CHAOS：有机合成路线设计《OrganicChemistryinAction》，可以使用“逆序法”自动寻找目标物的合成原料ChemDrawultra版，Beilstein公司的AutoNom4.0版：有机化合物命名工具命名软件，给出IUPAC名称，CAS名称，对立体化学的支持。/Chemlab——化学反应模拟软件

虚拟化学实验，交互式地仿真演示化学实验,FORWIN9X。能够仿真大多数化学实验。CHEMLAB包含的东西非常多,滴定、反应动力学，周期表...第三十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期五化学中的常用软件量子化学计算WinMOPAC：半经验分子轨道(AM1,PM3,MINDO,MNDO/3等)计算程序，计算出的分子轨道及电荷密度等可以用三维图形表示出来。最新版本的2000。/PCSpartan：WaveFunction公司的产品，其计算方法包括：MM2,AM1,AM1withSolvent,PM3,从头计算等，亦可将分子轨道及电荷密度等用三维图形表示。/HyperChem：包括常用的几乎所有分子力学及半经验分子轨道方法及多种基集的从头计算等，并能计算振动光谱、电子光谱、分子动态学等，所得结果可以非常漂亮的三维图形表示出来。/第三十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期五化学中的常用软件Gamess：免费的从头计算程序，其速度快，并提供源程序。DOS界面。/GAMESS/GAMESS.html。Gamess用户界面Visualize，/Gaussian：支持常用半经验方法、从头计算法及密度泛函理论，其用户界面不够友好。可以在Chem3D加入CSGaussianClient插件后简化用户的操作。/Jaguar：使用工作站(如SGI,HP,DEC)及LINUX操作系统的PC所设计的从头计算及密度泛函计算程序，其速度特快，用户界面一般。/。第三十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期五化学中的常用软件科学数据处理与绘图工具软件Origin

Origin的窗口组成数据的输入、编辑和保存数据的统计处理

——一元线性回归；多元线性回归；多项式回归数据关系的图形表示

——二维数据点；三维数据点第三十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期五化学中的常用软件有机分子结构式绘图软件ChemWindow

Chemwindow的窗口组成绘图工具栏简介附加库菜单命令

SymApps第三十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期五化学中的常用软件分子绘图及分子模拟计算软件ChemofficeChemoffice的组成

——ChemDraw;Chem3D;ChemfinderChemDraw

——核磁位移的估算Chem3D

——提供三维分子结构显示、计算功能，并附带分子力学MM2程序，量子力学半经验MOPAC2000程序，提供了Gaussian接口。

第三十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期五网络上的化学资源化学化工综合网站中国化学化工信息资源：中科院化学所,ChemCenter；美国化学会ACSChemWeb:虚拟化学俱乐部英国皇家化学会RSC及其ChemSoc;Chemdex：英国Sheffied大学化学站点

第三十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期五网络上的化学资源网上数据库Cambridgesoft：提供Internet上的化合物和化学反应在线数据库。;

ChemFinder：提供Cambridgesoft公司的化学数据库检索