计算化学相关研究进展

InterdisciplinaryScienceLetters交叉科学快报,2018,2(4),111-132PublishedOnlineDecember2018inHans.://doi.org/10.12677/isl.2018.24021文章引用:秦宁,闵清,李博,马密霞,邵开元,胡文祥.计算化学相关研究进展[J].交叉科学快报,2018,2(4):111-132.DOI:10.12677/isl.2018.24021ProgressinComputationalChemistryNingQin1,2,QingMin1*,BoLi3,MixiaMa3,KaiyuanShao2,WenxiangHu2,3,4*1SchoolofPharmacy,HubeiUniversityofScienceandTechnology,XianningHubei2JingdongXianghuMicrowaveChemistryUnionLaboratory,BeijingExcaliburSpaceMilitaryAcademyofMedicalSciences,Beijing3SchoolofChemistryandEnvironmentalEngineering,WuhanInstituteofTechnology,WuhanHubei4SpaceSystemsDivision,StrategicSupportTroops,ChinesePeople’sLiberationArmy,BeijingReceived:Jan.2nd,2019;accepted:Jan.22nd,2019;published:Jan.29th,2019AbstractThispaperdescribestheconceptsofcomputationalchemistry,calculationmethodsandapplica-tionfields.Itdiscussesitsapplicationintheauxiliarymoleculardesignandstructure-activityre-lationshipofdrugsanditsauxiliarymaterialdesignandsyntheticroutedesign,anditlooksfor-wardtoitsapplicationprospectsinthefieldofchemistryandvirtualreality.KeywordsComputationalChemistry,CalculationMethod,MolecularStructure,MolecularSimulation,Structure-ActivityRelationship,VirtualReality计算化学相关研究进展秦宁1,2，闵清1*，李博3，马密霞3，邵开元2，胡文祥2,3,4*1湖北科技学院药学院，湖北咸宁2北京神剑天军医学科学院京东祥鹄微波化学联合实验室，北京3武汉工程大学，化学与环境工程学院，湖北武汉4中国人民解放军战略支援部队航天系统部，北京收稿日期：2019年1月2日；录用日期：2019年1月22日；发布日期：2019年1月29日摘要本文叙述了计算化学概念、计算方法及其在辅助药物分子设计、辅助材料设计和合成路线设计等方面的*通讯作者。秦宁等DOI:10.12677/isl.2018.24021112交叉科学快报应用，展望了计算化学在化学相关领域以及虚拟现实等方面的应用前景。关键词计算化学，计算方法，分子结构，分子模拟，构效关系，虚拟现实Copyright©2018byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).前言随着科学技术的发展，化学家们从利用塑料短杆和小球表示分子结构发展到使用计算机来展示各种化学模型。由此，产生一门新兴的交叉学科，即计算化学。所谓计算化学(computationalchemistry)，是一门应用计算机研究化学反应和物质变化的科学，已经成为理论化学的一个重要分支。它是利用有效的数学近似以及计算机程序计算分子的性质，包括电子、轨道参数和几何参数等，用以解释一些具体的化学问题，在电子、原子、分子水平上阐明化学现象和化学问题的本质，包括反应机理、化学性质及药物的构效关系等。二十世纪八十年代以来，先进的分析仪器的应用、量子化学计算方法和计算机技术的飞速发展，对化学科学的发展产生了革命性的影响。其研究内容、方法乃至学科的结构和性质都在发生深刻的变化。化学的发展历程是人类运用了认识自然的两种科学方法：归纳法和演绎法。归纳法也叫归纳推理法，它是一种由个别性知识推出一般性结论的推理过程。演绎法也叫演绎推理法。它是由一般性的前提出发，通过推导即“演绎”，得出具体陈述或个别结论的过程。这两种认知的科学方法是互相依赖、互为补充，紧密联系的。演绎推理的一般性知识(大前提)，来源于归纳推理的概括和总结；而单靠归纳推理(除了完全归纳)是不能证明必然性，并且归纳的分析、综合过程需要借助于理论思维，依靠人们先前积累的一般性理论知识的指导。因此，在归纳推理的过程中，人们常常需要应用演绎推理对某些归纳的前提或者结论加以论证。只有两者结合应用，才能认识事物的本质及其发展规律。但是，化学长期以来一直被科学界公认为一门纯实验科学，是基于实验事实为依据的科学。即化学长期采用归纳法作为研究方法，而演绎法在化学界尚未获得广泛应用。究其原因主要是研究的对象太复杂加上传统观念根深蒂固。直到上世纪80年代，这种境况有所改善。二十世纪二、三十年代诞生的计算化学迎合了时代发展的需要，在七十年代和八十年代得到了较大发展，至九十年代它已完全成为一门独立的学科，受到了国际化学界的广泛重视，而计算量子化学在1998年获得诺贝尔化学奖，确立了计算化学在化学和整个自然科学的重要地位。瑞典皇家科学院在颁奖公报中宣告“…量子化学已发展成为广大化学家都能使用的工具，将化学带入一个新时代—实验与理论能携手协力揭示分子体系的性质。化学不再是一门纯实验科学了”。它是与化学、数学、计算机科学、物理学、药物学、材料科学等学科高度交叉、相互渗透的新的生长点，是许多实用技术的基础，并深受当今计算机与网络通讯技术飞速发展的影响，而处在迅速发展和不断演变之中。可以预见，计算机化学将成为化学发展的“领头羊”之一。OpenAccess秦宁等DOI:10.12677/isl.2018.24021113交叉科学快报2.计算化学与诺贝尔化学奖马丁·卡普拉斯(MartinKarplus)、迈克尔·莱维特(MichaelLevitt)和亚利耶·瓦谢尔(AriehWarshel)三位科学家因在“发展复杂化学体系多尺度模型”计算化学方面所做出的重要贡献而获得2013年诺贝尔化学奖。MartinKarplus于1930年在奥地利维也纳出生，1953年获得美国加州理工大学博士学位，现任法国斯特拉斯堡大学及美国哈佛大学教授。MichaelLevitt于1947年在南非勒陀利亚出生，1971年获得英国剑桥大学博士学位，现任美国斯坦福大学医学院教授。AriehWarshel于1940年在以色列KibbutzSde-Nahum，1969年获得以色列魏茨曼科学研究所博士学位，现在是美国南加州大学杰出教授。在上世纪70年代，MartinKarplus,MichaelLevitt和AriehWarshel的一系列研究工作为化学反应模型的应用奠定了理论基础，有利于我们对化学反应过程的理解与预测。时至今日，化学领域所取得的大部分重要进展都离不开先进计算机模型的帮助。1998年，沃尔特·库恩(WalterKohn)和约翰·波普尔(JohnPople)两位理论化学家因“有效地发展了计算方法和计算程序，将量子力学的方程用于解决化学问题”而获得了诺贝尔化学奖。在前者工作的基础上，Karplus，Levitt和Warshel成功地将牛顿的经典物理学工作与性质上完全不同的量子物理学相互协调。经典物理的强大之处在于其计算过程相对简单，并且可以拥有模拟非常大型的分子结构，但是它无法模拟化学反应过程。因此，科学家们将量子物理学合适的运用到模拟化学反应过程。三位科学家结合经典物理学和量子物理学，设计出多尺度复杂化学系统模型，将传统的化学实验搬到了网络世界。这一完美结合现实与理论的化学系统模型，为更全面了解并预测化学反应进程奠定了基础。计算化学(computationalchemistry)是近几十年中发展最快的化学研究领域之一，其在多种化学研究中都有广泛的应用。计算化学是根据基本的物理化学理论(通常指量子化学、统计热力学及经典力学)和大量的数值运算方式研究分子、团簇的性质及化学反应的一门科学[1][2][3][4]。以量子化学理论和计算、分子反应动力学理论和计算、分子力学及分子动力学理论和计算等来探明相关的化学反应[5][6]。此外，计算化学还可以通过理论计算等方式预测化学研究的方向等。计算化学发展至今，已经形成了独具特色的解决多种化学问题的方法和程序，例如：Gaussian09、HyperChem、ADF2004等专业软件的开发和不断的更新[7][8]，大力推动了这门新兴的交叉学科的蓬勃发展。3.计算化学原理与方法了解分子的物理与化学性质，才能知道它与其它分子的作用情况，才能知道由它组成的聚集体的某种性能，如分子及分子聚集体运动状态、势能、光、电、磁、热、微波等效应。要知道化学分子的性质，首先要知道分子的所有结构信息。因为分子结构中蕴含着大量的信息，包括组成它原子之间的连接情况、三维空间的构象、构型、电子运动、原子之间的相互作用、电子之间的相互作用、电子与原子核之间的相互作用、分子的能量等等。所有这些都需要通过实验测定和计算化学方法获取。计算化学方法包括：计算方法和分子模拟。计算方法包括分子力学(MM)和量子力学(QM)方法；而分子模拟包括分子动力学(MD模拟)和统计力学(SM)模拟。分子力学方法即是经典的牛顿力学方法。即采用经典的物理定律预测分子结构和性质。它基于下述几点假设：①原子核运动和电子的运动可以看成是独立的(Born-Oppenheimer近似)；②分子被看成一种由简单的元素像球(原子)，棒(化学键)和柔性连接(键角和扭转角)的机械组件构成；③分子看作是由一个简谐力把原子结合维系在一起的集合；④这些简谐力由各个势函数来描述；⑤分子的总势能或空间位阻能是组成它的势函数的总和。分子力学采用经典物理对分子进行处理，本质上说是能量最小化法，即在原子间相互作用势的作用秦宁等DOI:10.12677/isl.2018.24021114交叉科学快报下，通过粒子分布的几何构型，以能量最小为判据，从而获得体系的最佳结构。它是以分子间作用能、氢键作用能、偶极力作用能、扭矩作用能和键长、键角的变形能等来计算分子的能量，优化分子的空间构型。分子能量的基本构成为：bondednon-bondeEEE=+bondedbond-stretchangle-bendrotate-along-bondEEEE=++non-bondevanderWaalselectrostaticEEE=+所以，分子力场的势函数基本构成为：()()()()()222,0,0bond-stretchbond-anglesrotate-along-bonds126110+122244πNiiniiiiNNijijijijijiijijijkkVVrllconsnqqrrrθθωγσσεε==+=−−++−+−+∑∑∑∑∑分子力