计算化学绪论教程分析.pptVIP

计算化学 长期以来，化学一直被科学界公认为一门纯实验科学。 其理由要追溯到人类认识自然的两种科学方法。 ⑴ 归纳法 ( F. Bacon, 1561-1626 ) 归纳法(Reduction)与演绎法(Deduction)的比较 运用数学的多少是一门学科成熟程度的标志。 数学的应用：在刚体力学中是绝对的，在气体力学中是近似的，在液体力学中就已经比较困难了；在物理学中是试验性的和相对的；在化学中是最简单的一次方程式；在生物学中等于零。 无机、有机化学在19世纪率先建立 冶金、建材工业推动了无机 药物、染料、酿酒工业推动了有机 物理化学的建立使化学科学开始拥有了理论。高等数学首次派上了用场 — 虽然仅是一阶的常、偏微分方程而已（以后在经典统计热力学中用到了概率论） 经典物理化学的理论是唯象的，是有限的地球空间内宏观化学反应规律的经验总结 30年代量子化学和量子统计力学分支的形成使化学科学开始与演绎法“沾上了边”。但在80年代前进展十分缓慢 二十世纪初理论物理两项重大突破 量子力学 基本运动方程 量子力学为计算化学的形成奠定了理论基础，计算机科学的发展促进了计算化学的迅速发展。它帮助化学家在原子、分子水平上阐明化学问题的本质，在创造特殊性能的新材料、新物质方面发挥重大的作用。 计算化学是化学与多个学科的交叉 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 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 Schr?dinger 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, 但是准确性比从头算降低 从头算分子轨道方法 使用完全的 Schr?dinger 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 密度泛函理论 使用完全的 Schr?dinger 方程, 原则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 总结 6.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 Gaussian 03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Linux GaussView Gaussian的图形界面 计算化学的应用 ?可用于更全面地了解分子的性质 化学、生命科学领域 ?可以预测尚未合成的化合物的性质 制药制药、材料 ? 最终目的是设计 -药物设计 (有机分子，多肽等) -材料设计 (固体，表面，晶体，高分子等) -生物大分子设计 (酶，蛋白质等) -其它 (有机反应合成路线设计等) 计算机的发展→热门方向→大量的化学和生命科学工作者进入该领域，希望应用现代的计算化学技术来辅助、指导他们的研究工作。 软件的发展→使用户勿需具备高深的理论知识，只要有一般的计算机应用能力，就可以很容易地完成许多计算化学的简单工作。 问题：有许多人甚至连最基本的计算化学概念都不清楚，就没有目的地急于计算，这实际上是没有意义的。???????????? 5.计算化学研究主要涉及的方法 计算量子化学 分子模拟 半经验分子轨道方法 ab initio 分子轨道从头算方法（HF方法） DFT 密度泛函方法 超自洽场方法 微扰方法 组态相互作用法 CC方法 多参考态方法 分子力学 分子动力学 中等体系, 准确性质 密度泛函 (Density functional) 小体系, 准确性质 完全从头算 (ab initio calculation) 中等体系, 粗略性质 半经验方法 (Semiempirical) 大体系, 结构 分子力学 (Molecular mechanicsm) 目前常用的计算化学软件 Gaussian 98,03,09…