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1、计算化学课程理论概述现在学习的是第1页，共41页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 量子化学计算方法现在学习的是第2页，共41页“计算计算”第三条科学发现的途径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。现在学习的是第3页，共41页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
2、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。现在学习的是第4页，共41页计算化学的宗旨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（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。现在学习的是第5页，共41页计算化学的研究内容：计算化学的研究内容：狭义：狭义：
3、量子结构计算量子结构计算量子化学和结构化学范畴；量子化学和结构化学范畴；物理化学参数的计算物理化学参数的计算统计热力学范畴统计热力学范畴 化学过程模拟和化工过程计算等化学过程模拟和化工过程计算等 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的计算机处理技术；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；化学中的人工智能方法等。化学中的人工智能方法等。现在学习的是第6页，共41页体系数据和性质的综合分析分子(材料)CAD合
4、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现在学习的是第7页，共41页如何进行计算化学计算方面现在学习的是第8页，共41页如何进行计算化学分子模拟现在学习的是第9页，共41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现在学习的是第10页，共41页寻找过渡态的方法极大-极小逼近法线性内坐标途径法（LICP)现在学习的是第11页，共41页计算化学理论概述现在学习的是第12页，共41页 计算化学理论概述计算化学理论概
5、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)现在学习的是第13页，共41页分子模型的适用范围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现在学习的是第14页，共41页简单搭建的分子模型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
6、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现在学习的是第15页，共41页分子力学方法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现在学习的是第16页，共41页分子动力学 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的运动，以在由分子体系的不
7、同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构型积分构型积分，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。现在学习的是第17页，共41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的描写通过解简化的 Schrdinger 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,但是没有它准确现在学习的是第18页，共41页从头算分子轨道方法从头算分子轨道方法使用完全的 Schrdinger 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
8、/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现在学习的是第19页，共41页密度泛函理论密度泛函理论使用完全的 Schrdinger 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现在学习的是第20页，共41页总结总结分子力学(Molecular mechanicsm)大体系,结构半经验方法(Semiempirical)中等体系,粗略性质完全从头算(ab initio calculation)小体系,准确性质密度泛函(De
9、nsity functional)中等体系,准确性质现在学习的是第21页，共41页计算化学的软件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现在学习的是第22页，共41页Gaussian03的功能Gaussian 03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的图形界面现在学习的是第23页，共41页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
10、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：二维图形软件：ChemDraw(Chemoffice),ChemDraw(Chemoffice),ChemWindowChemWindow：商业软件http:/ Draw,ChemSketchISIS Draw,ChemSketch：对教育界及家用为免费软件http:/ Chem3D(Chemoffice(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
11、以三维的方式显示量子化学计算结果WebLab Viewer Pro,RasWin:WebLab Viewer Pro,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http:/ 3D,ChemSite,HyperChemRasMol,ArgusLab,ChemBuilder 3D,ChemSite,HyperChem等等等等现在学习的是第25页，共41页化学中的常用软件科学计算和数据处理软件通用型通用型：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
12、、饼图、面积图、曲面图、等高线图等。OriginOrigin：最新版本为6.0http:/ 4EndNote 4：http:/ Manager 9.5,ProCite 5.0Reference Manager 9.5,ProCite 5.0：http:/ Module for ChemWindowC13 Module for ChemWindow：ChemWindow的一个插件，可以用来估算大多数有机物的13C化学位移gNMRgNMR：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http:/ Sparky：二维核磁特别是对复杂2DNMR的解析现在学习的是第29页，共41页化学
13、中的常用软件红外图谱红外图谱IR Mentor ProIR Mentor Pro，IR SearchMasterIR SearchMaster：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。ftp:/ SimulatorMassSpectra Simulator：http:/ ChemWindow 6.0 SpectroscopyChemWindow 6.0 Spectroscopy版本版本版本版本现在学习的是第30页，共41页化学中的常用软件计算机辅助教学CHAOSCHAOS：有机合成路线设计OrganicChemistryinAction，可以使用“逆序法”
14、自动寻找目标物的合成原料ChemDraw ultraChemDraw ultra版，Beilstein公司的AutoNom 4.0AutoNom 4.0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。http:/ SpartanPC Spartan：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。http:/ OriginOriginOriginOrigin Origin的窗口组成的窗口组成 数据的输入、编辑和保存数据的输入、编辑和保存 数据的统计处
15、理数据的统计处理 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 数据关系的图形表示数据关系的图形表示 二维数据点；三维数据点二维数据点；三维数据点现在学习的是第34页，共41页化学中的常用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有机分子结构式绘图软件ChemWindowChemWindowChemWindowChemWindow Chemwindow的窗口组成的窗口组成 绘图工具栏简介绘图工具栏简介 附加库附加库 菜单命令菜单命令 SymApps现在学习的是第35页，共41页化学中的常用软件分子绘图及分子模拟计算软件分子绘图及分子模
16、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的组成的组成 ChemDraw;Chem3D;Chemfinder2ChemDraw 核磁位移的估算核磁位移的估算2Chem3D 提供三维分子结构显示、计算功能，并附带分提供三维分子结构显示、计算功能，并附带分子力学子力学MM2程序，量子力学半经验程序，量子力学半经验MOPAC2000程序，程序，提供了提供了Gaussian接口。接口。现在学习的是第36页，共41页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h
17、ttp:/,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大学化学站点http:/www.chemdex.org现在学习的是第37页，共41页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。http:/;http:/ChemFinder：提供Cambridgesoft公司的化学数据库检索服务。免
18、费查询。http:/MDLInformationSystems：在工业和科学界是公认生命科学和化学信息学的先导者。http:/ChemistryWebBook(http:/webbook.nist.gov/chemistry)PubMed(http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed)现在学习的是第38页，共41页化学化工信息源网络上的化学资源文献：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.o
19、rg）英国皇家化学会（http:/www.rsc.org）现在学习的是第39页，共41页Internet上的免费专利资源网络上的化学资源IBM知识产权网：知识产权网：http:/美国专利商标局限性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现在学习的是第40页，共41页教育网内免费化学资源(指定IP)网络上的化学资源ElsevierSPDOSChinaconsortium：http:/CNKI数据库检索系统全文数据库KluwerOnlineJournals:http:/现在学习的是第41页，共41页