1、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1页“计算计算”第三条科学发觉路径第三条科学发觉路径20世纪80年代以来，计算机已经成为全部分支领域化学家必备工具。“计算化学”不应停留在“计算机辅助”角色。“计算”已经与试验，形式理论一样能够发觉新科学现象、新科学概念，从而“计算”已经成为第三条科学发觉路径。第2页凭什么相信计算什么是计算所依据“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）客观世界从物质组成而言就是仅仅由电子和原子核组成。正因为这种物质统一性，无生命物质统一理论在物理上适用，在化学
2、上也如此。自我批判是科学生命力所在，第一原理在不停发展中。第3页计算化学宗旨计算化学宗旨首先选取物理模型，不得已才选数学模型。在利用第一原理时候，选取适当模型才能执行计算。必须强调：物理模型比数学模型主要得多，只有在暂时无法构筑物理模型场所才不得已采取数学模型。物理学是严密科学（exact science)，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4页计算化学研究内容：计算化学研究内容：狭义：狭义：量子结构计算量子结构计算量子化学和结构化学范围；量子化学和结构化学范围；物理化学参数计算物理化学参数计算统计热力学范围统计热力学范围 化学过程模拟和化工过程计算等化学过程模拟
3、和化工过程计算等 广义：广义：化学数据挖掘化学数据挖掘(Data mining)；化学结构与化学反应计算机处理技术；化学结构与化学反应计算机处理技术；计算机辅助分子设计；计算机辅助分子设计；计算机辅助合成路线设计；计算机辅助合成路线设计；计算机辅助化学过程综合与开发；计算机辅助化学过程综合与开发；化学中人工智能方法等。化学中人工智能方法等。第5页体系数据和性质综合分析分子(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)计算化学计算化学主要研究内容第6页怎样进行计算化学
4、计算方面第7页怎样进行计算化学分子模拟第8页能量优化方法能量优化方法单纯形法最速下降法共轭梯度法Newton-Raphson第9页寻找过渡态方法极大-极小迫近法线性内坐标路径法（LICP)第10页计算化学理论概述第11页 计算化学理论概述计算化学理论概述分子力学分子力学(Molecular mechanicsm)半经验方法半经验方法(Semiempirical)完全从头算完全从头算(ab initio calculation)密度泛函密度泛函(Density functional)第12页分子模型适用范围分子模型适用范围能够把分子结构,性质和反应性能模型化能够进行简单定性解释,也能够得到准确定
5、量结果能够瞬间计算完成,也可能花费超级计算机几个月时间必须平衡计算成本和模型方法准确度第13页简单搭建分子模型简单搭建分子模型从一些标准结构或部分来搭建键长和配位都是固定从一些分子结构来能够得到很好定性模型便于使用而且很轻易实现能够对分子三维结构给出直观认识对于分子性质,能量或反应性能却一无所知第14页分子力学方法分子力学方法把分子用硬球和弹簧方式来表示相对于初步搭建分子模型,能够更加好地得到其稳定结构能够计算变形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信息无法得到分子性质和反应性能信息不能研究包含成键和断键反应第15页分子动力
6、学 分子动力学分子动力学是一套分子模拟分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学牛顿力学来模拟分子体系运动，以在由分子体系不一样状态组成系综中抽取样本，从而计算体系构型积构型积分分，并以构型积分结果为基础深入计算体系热力学量和其它宏观性质。第16页半经验分子轨道理论半经验分子轨道理论对价电子进行近似描写经过解简化 Schrdinger 方程而得到其中很多积分用含参数经验式子来近似能够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,不过没有它准确第17页从头算分子轨道方法从头算分子轨道方法使用完全 Schrdinger 方程,得到更准确电子分布能够系统地进行改进,直至到达化
7、学精度化学精度:键长0.02A,键角2o,键能2kcal/mol不需要参数,也不用试验来校准能够描写结构,性质,能量和反应性能计算成本高第18页密度泛函理论密度泛函理论使用完全 Schrdinger 方程,原理上能够得到准确电子分布能够很轻易到达很高精度,不过无法系统地改进到化学精度需要一些猜测泛函和参数,体系适用性必须用试验来校准能够描写结构,性质,能量和反应性能计算成本中等第19页总结总结分子力学(Molecularmechanicsm)大致系,结构半经验方法(Semiempirical)中等体系,粗略性质完全从头算(ab initiocalculation)小体系,准确性质密度泛函(De
8、nsityfunctional)中等体系,准确性质第20页计算化学软件计算化学软件现在有适合用于各种操作系统很多软件包大部分都有图形界面,能够很轻易地构建模型和查看结果我们将使用Gaussian03作为范本软件使用经验能够很轻易地用于其它类似软件包第21页Gaussian03功效Gaussian 03分子力学,半经验、从头算、密度泛函分子轨道计算可用操作系统版本有Windows和LinuxGaussViewGaussian图形界面第22页化学中惯用软件分子结构绘图软件描绘化合物结构式、化学反应方程式、化工流程图、简单试验装置图等化学惯用平面图形绘制二维图形软件：二维图形软件：ChemDraw(
9、Chemoffice),ChemDraw(Chemoffice),ChemWindowChemWindow：商业软件http:/ Draw,ChemSketchISIS Draw,ChemSketch：对教育界及家用为无偿软件http:/ Chem3D(Chemoffice(Chemoffice):):是ChemOffice组成部分，同ChemDraw一起协同工作，ChemDraw上画出二维结构式能够正确地自动转换为三维结构。ultra版本还包含了一个很好半经验量子化学计算程序MOPAC97,能够以三维方式显示量子化学计算结果WebLab Viewer Pro,RasWin:WebLab Vi
10、ewer Pro,RasWin:Lite版只能显示而无法编辑三维分子模型，为无偿软件pro版本表现生物分子和晶体结构能力比较强下载地址为http:/ 3D,ChemSite,HyperChemRasMol,ArgusLab,ChemBuilder 3D,ChemSite,HyperChem等等等等第24页化学中惯用软件科学计算和数据处理软件通用型通用型：对试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。OriginOrigin：最新版本为6.0http:/ 4EndNote 4：http:/
11、 Manager 9.5,ProCite 5.0Reference Manager 9.5,ProCite 5.0：http:/ Module for ChemWindowC13 Module for ChemWindow：ChemWindow一个插件，能够用来估算大多数有机物13C化学位移gNMRgNMR：则可用来估算任何NMR活性核化学位移，并能画出非常逼真图谱http:/ Sparky：二维核磁尤其是对复杂2DNMR解析第28页化学中惯用软件红外图谱红外图谱IR Mentor ProIR Mentor Pro，IR SearchMasterIR SearchMaster：能对给定红外图谱
12、数据自动分析与处理，或对给定振动谱带给出可能存在功效团。ftp:/ SimulatorMassSpectra Simulator：http:/ ChemWindow 6.0 SpectroscopyChemWindow 6.0 Spectroscopy版本版本版本版本第29页化学中惯用软件计算机辅助教学CHAOSCHAOS：有机合成路线设计OrganicChemistryinAction，能够使用“逆序法”自动寻找目标物合成原料ChemDraw ultraChemDraw ultra版，Beilstein企业AutoNom 4.0AutoNom 4.0版：有机化合物命名工具命名软件，给出IUP
13、AC名称，CAS名称，对立体化学支持。http:/ SpartanPC Spartan：WaveFunction企业产品，其计算方法包含：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。http:/ OriginOriginOriginOrigin Origin窗口组成窗口组成 数据输入、编辑和保留数据输入、编辑和保留 数据统计处理数据统计处理 一元线性回归；多元线性回归；一元线性回归；多元线性回归；多项式回归多项式回归 数据关系图形表示数据关系图形表示 二维数据点；三维数据点二维数据点；三维数据点第33页化学中惯用软件有机分子结构式
14、绘图软件有机分子结构式绘图软件有机分子结构式绘图软件有机分子结构式绘图软件ChemWindowChemWindowChemWindowChemWindow Chemwindow窗口组成窗口组成 绘图工具栏介绍绘图工具栏介绍 附加库附加库 菜单命令菜单命令 SymApps第34页化学中惯用软件分子绘图及分子模拟计算软件分子绘图及分子模拟计算软件分子绘图及分子模拟计算软件分子绘图及分子模拟计算软件ChemofficeChemofficeChemofficeChemoffice2Chemoffice组成组成 ChemDraw;Chem3D;Chemfinder2ChemDraw 核磁位移估算核磁位移
15、估算2Chem3D 提供三维分子结构显示、计算功效，并提供三维分子结构显示、计算功效，并附带分子力学附带分子力学MM2程序，量子力学半经验程序，量子力学半经验MOPAC程序，提供了程序，提供了Gaussian接口。接口。第35页网络上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http:/,http:/ChemCenter；美国化学会ACShttp:/www.chemcenter.orgChemWeb:虚拟化学俱乐部http:/英国皇家化学会RSC及其ChemSochttp:/www.rsc.org;http:/www.chemsoc.orgChemdex：英国Sheffied大
16、学化学站点http:/www.chemdex.org第36页网络上化学资源网上数据库Cambridgesoft：提供Internet上化合物和化学反应在线数据库。http:/;http:/ChemFinder：提供Cambridgesoft企业化学数据库检索服务。无偿查询。http:/MDLInformationSystems：在工业和科学界是公认生命科学和化学信息学先导者。http:/ChemistryWebBook(http:/webbook.nist.gov/chemistry)PubMed(http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed)第37页化学化工信息源网络上
17、化学资源文件：CA：http:/www.cas.orgSCI：WebofScience(http:/)化学化工组织与机构：国际纯粹与应用化学联合会IUPAC（http:/www.iupac.org）美国化学会（http:/www.acs.org）英国皇家化学会（http:/www.rsc.org）第38页Internet上无偿专利资源网络上化学资源IBM知识产权网：知识产权网：http:/美国专利商标不足Web专利数据库：(http:/www.uspto.gov/patft/index.html)欧洲专利局：http:/www.epo.co.at加拿大专利数据库：http:/patentsl.ic.gc.ca中国专利摘要数据库：http:/202.96.4.251:8080第39页教育网内无偿化学资源(指定IP)网络上化学资源ElsevierSPDOSChinaconsortium：http:/CNKI数据库检索系统全文数据库KluwerOnlineJournals:http:/第40页
