201420633沈可可..docVIP

题目： 学生姓名 沈可可 学 号 201420633 院 系 化学与材料科学学院 专 业 高分子化学与物理 年 级 2014级 摘要:量子化学的方法对生物分子研究的发展提供了全新的思路和方法。本文介绍了量子化学的基本计算方法,并综述了近两年来量子化学方法在生物分子领域的研究进展。 关键词:生物分子;量子化学;生物活性 引　言 量子化学是把量子力学的方法应用于化学研究的一门学科,而生物分子是由大大小小的化学分子结构组成的。把量子化学的方法应用于生物分子的研究,有利于更好地解释复杂的生物分子的生物活性机理问题。在计算机技术发展初期,面对分子量较大的生物大分子,用理论计算来获取分子性质相关数据是望尘莫及的。研究仅仅局限于生物小分子。随着量子化学理论以及计算机技术的飞速发展,科学家几乎可以用量子化学的方法研究任何分子的性质,包括一些生物大分子。然而这几十年里,计算能力仍然是制约生物大分子理论研究的重要因素。尽管科学家发展了许多半经验式的计算方法[1] ,对生物大分子的高精度理论计算还是很困难的。尽管如此,量子化学对生物分子的研究提供了新的思路和方法,它对生物分子的理论发展是功不可没的。本文综述了近两年内量子化学在生物分子研究领域的应用和发展。 量子化学基本计算方法 1926 年,物理学家海森堡提出了著名的测不准原理。1926 年,薛定谔提出量子力学的波动方程, 即薛定愕方程,量子力学由此诞生。之后,与以往的经典物理学完全不同的新世界展现在物理学家面前,物理学的研究对象不再仅仅局限在宏观领域,而是开始进入微观领1927 年,物理学家海特勒和伦敦用量子力学的方法处理H 原子、H2 分子,成功地解释了两个中性原子形成化学键的过程,他们的成功标志着量子化学的诞生。量子化学研究的核心内容就是Schr¨odinger 方程的求解问题 Hψ = Eψ 　　对于一般的分子体系,求解上述方程是非常困难的,因而从20 世纪30 年代开始, 科学家逐步发展了一些对于Schr¨odinger 方程的求解方法[2] 。 2. 1 　半经验方法(semi - empirical method)dinger 方程的求解方法 半经验方法采用了一些实验得来的参数,来帮助对薛定鄂方程的求解。包括:HMO、EHMO、PPP、INDO、MNDO、MINDO等方法。半经验计算方法在量子化学计算的发展中起了不可替代的作用,它从实验中获得数据,计算结果又用于解释实验。随着计算机技术的飞速发展,半经验方法逐渐走入历史。但是它仍然可以作为获取初始数据的手段。 2. 2 　从头算方法(ab initio) 从头算,在解薛定鄂方程的过程中,仅仅采用了几个物理常数,包括光速,电子和核的质量,普朗克常数,在求解薛定鄂方程的过程中采用了一系列的数学近似,不同的近似也就导致了不同的方法。因为电子的运动比核快得多,因此可以认为在电子运动的任一瞬间,总可以把核看成是近似不动的,这样方程可分解为核运动方程和电子运动方程,一般在量子化学所讨论的都是电子的Schr¨odinger 方程和电子状态。通过轨道近似和变分原理,可以得到单电子的Schr¨odinger 方程 Fψi =εi ψi 即经典的是Hartree - Fock 方法,缩写为HF。20 世纪50 年代,在HF 方程基础上,Roothaan 提出,将分子轨道按某个基组集合展开,按一定精确度逼近分子轨道。这样HF 方程就从一组非线性的积分一微分方程转化成一组数目有限的代数方程,只需迭代求分子轨道组合系数。这就是Hartree - Fock - Roothaan 方程 FC = εSC 　　求解Hartree - Fock - Roothaan 方程就是著名的从头计算法。从头算能够在很广泛的领域提供比较精确的信息,当然计算量要比半经验方法大的多。 2. 3 　密度泛函方法(DFT) DFT提供了第一性原理或从头算的计算框架,它可以解决原子、分子中许多问题,如电离势的计算、振动光谱的研究、催化活性位的选择、生物分子的电子结构等。密度泛函理论包括密度矩阵方法、Thomas - Fermi 及相关模型、Kohn -Sham方法、自旋密度泛函方法、Slater Xa 方程、离散变分Xa方法、梯度校正方法和杂化方法。Hartree - Fock 理论能够在分子