计算化学绪论

计算化学袁淑萍副教授国家重点实验室培育基地408室E-mail:[e-mail]电话：85950690，13589208235第一章绪论1.计算化学的概念2.计算化学的建立3.计算化学的发展现状4.计算化学研究简介5.计算化学研究主要涉及的方法6.常用软件7.本课程计划8.参考书目计算化学是理论化学的一个分支。是计算机科学与化学的交叉学科。1.利用计算机程序解量子化学方程来计算物质的性质（如能量，偶极距，振动频率等），用以解释一些具体的化学问题。2.利用计算机程序做分子力学和分子动力学模拟。简称分子模拟。1.计算化学的概念几个概念的区别与联系常见的一些名称术语及其关系：相互渗透，相互依赖，部分重叠•量子化学：量子力学→化学•理论化学：量子化学+动力学＋统计力学•计算化学：量子化学-分子力学-分子动力学理论化学＝计算化学？计算机化学＝计算化学？•分子模拟：分子力学－分子动力学分子模拟＝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。2.计算化学的建立⑴归纳法(F.Bacon,1561-1626)⑵演绎法(R.Decartes,1596-1650)公理假设模型实验检验形式理论二次形式化、近似、计算和模拟预测设计实验实验数据唯象理论“预测”数据拟合检验依据目标数学工具归纳法实验事实经验公式、规律唯象理论较简单演绎法正确普适的公理和假设形式理论较高级、复杂•迄80年代，归纳法是多数化学家采用的唯一科学方法；演绎法在化学界从未得到普遍承认•原因：①对象复杂；②习惯观念归纳法(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。马克思数学的应用：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。恩格斯•恩格斯的论断反映了19世纪中叶自然科学各学科的“成熟程度”。表明各学科研究对象物质运动形式与规律其复杂程度的差异•然而，一百多年来科技的发展使各学科的“成熟程度”发生了巨大变化•二十世纪八十年代以来，先进的分析仪器的应用、量子化学计算方法的进展和计算机技术的飞速发展，对化学科学的发展产生了冲击性的影响。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。冶金、建材工业推动了无机药物、染料、酿酒工业推动了有机经典价键理论、苯结构奠定有机化学基础元素周期表奠定无机化学基础•无机、有机化学在19世纪率先建立•物理化学在20世纪初形成。旨在揭示化学反应的普遍规律—反应进行的方向、程度和速度…Gibbs化学热力学反应速率常数：RTEaeAkArrhenius化学动力学•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是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。⑴Einstein广义和狭义相对论（1905）⑵量子力学的创建（1925~1926）计算化学的理论背景•Heisenberg、Schrödinger、Dirac、Born等于1925~1926创建•30年代初由vonNeumann完成形式理论体系量子力学量子力学的建立未依据任何实验事实或经验规律。它用少数几条基本假定作为公理，由此出发，通过严格的逻辑演绎，迅速地建成一个自洽、完备、严密的理论体系是演绎法最成功的实例•微观粒子或体系的性质由状态波函数唯一确定，服从Schrödinger方程基本运动方程HtiˆSchrödinger方程：Hamilton算符：•在10-13m的微观层次，方程放之四海而皆准•方程建立容易，困难在于求解…—Schrödinger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。现代化学发展的特征之一：计算化学的蓬勃发展（1）国际科学界的共识和认同1998年度的诺贝尔化学奖，授予了在计算化学领域做出杰出贡献的Pople和Kohn3.计算化学的发展现状（2）各类量子化学、理论化学、计算化学等学术机构不断出现，人力、物力、财力向计算化学领域转移集中；中国化学学科的教研基地，几乎都成立了理论和计算化学研究中心：北大、南大、吉大、夏大、武大、山东大学等等。（3）计算化学相关学术刊物的创刊美国化学会，英国皇家化学会，Elsevier,Springer等出版社；（4）论文数量的剧增、研究工作的广泛深入和应用领域的拓宽（5）学术交流频繁2003.7第一届国际理论化学、分子模拟和生命科学研讨会（中国科学院，北京）（6）可行性、通用性，正在成为一种常规研究方法：第三种科研方法在过去，分子模拟/计算化学常常局限于那些能够接触到必要的计算机软硬件的少数科学家。操作者自己编写程序，自己维护计算机系统，自己修复崩溃的系统。今天，情况则发生了巨变：1)个人计算机/计算机工作站甚至较仅仅几年前的大型计算机的功能都要强大的多，而且能够相对便宜地买到；2)由于软件可以从商业公司或科研实验室得到，人们不必再自己编写程序。现在，分子模拟可以在任何实验室或教室实施。作为一个迅猛发展的学科，计算化学极大地得益于近年来计算机软硬件的飞速发展。相当一部分计算工作可以由个人电脑/PC机完成。第三种科研方法：实验研究，理论研究，计算模拟。计算化学的渗透领域：无机、有机分子的结构、性质、反应；反应途径、机理的研究；结构－性能构效关系（QSAR，QSPR）；分子设计、药物设计；生命过程的研究（蛋白质、DNA等）；……化学领域无不涉及。计算化学是化学与多个学科的交叉化学物理学计算机科学材料科学生命科学数学计算化学环境科学计算化学的研究内容一类是理论化学家，主要致力计算化学方法的研究。这些人需要对某个范围内的理论问题具有精深的理解，同时还需要有相当的数学和计算机编程能力。另一类人是在计算化学领域中从事应用研究的人，他们应用已成熟的理论、方法和编写好的软件进行具体体系的研究。4.计算化学研究简介计算化学的研究范围计算化学所能处理的体系范围是非常广泛的：从简单的原子、孤立分子到液体，再到聚合物、生物大分子(蛋白质、DNA)，直到固体。计算化学研究的发展趋势和方向静态（结构与性能关系）－动态（分子间的相互作用、相互碰撞与相互反应等）•小分子体系－纳米尺度•计算方法的改进和融合计算化学研究一般包括三个阶段：(1)选择方法：选择描述体系中分子内和分子间相互作用的模型，一般采用量子力学和分子力学。计算体系中各种原子、分子排布的能量，并能得到系统能量随原子分子位置改变的相应变化。(2)计算过程。如能量最小化，分子动力学或蒙特卡洛模拟，构象搜索。(3)结果分析和误差评价。分析计算数据，从中提取相关的分子性质；检查计算的实施是否正确无误，以及结果误差的评价。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•abinitio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Schrödinger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Schrödinger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Schrödinger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•计算成本中等总结分子力学(Molecularmechanicsm)大体系,结构半经验方法(Semiempirical)中等体系,粗略性质完全从头算(abinitiocalculation)小体系,准确性质密度泛函(Densityfunctional)中等体系,准确性质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目前常用的计算化学软件•Gaussian98,03,09…•GAMESS•Molpro•Crystal•Hyperchem•…………•Cerius2,MaterialStudio(材料)•InsightII(药物，大分子，材料)•MDL的各种化学数据库Gaussian03的功能•Gaussian03–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-预测分子结构给定一个化学式，通过理论计算定出它的最优结构计算化学软件能解决的问题分子中原子核运动的势能函数-分子势能面(PES)搜索摘自Gaussian手册􀁺分子的能量和结构􀁺过渡态的能量和结构􀁺振动频率􀁺红外和拉曼光谱􀁺热化学性质􀁺成键和化学反应能量􀁺化学反应路径􀁺分子轨道􀁺原子电荷􀁺电多极矩􀁺NMR屏蔽和磁化系数􀁺振动圆二色性强度􀁺电子亲和能和电离势􀁺极化和超极化率􀁺静电势和电子密度单分子性质集团性质不可测量性质-分子的化学性质课程主要任务：主要的计算化学方法的理论背景/基础及其应用(1)量子力学预备知识(2)量子化学从头算方法(3)半经验方法(4)密度泛函方法(5)组合方法（ONIOM）(6)Gaussian03软件的使用及计算实例7.本课程的计划课程目标：了解计算化学的主要方法和基本概念能够读懂相关领域的文献了解常见的计算化学软件的使用掌握基本的计算化学研究思路和方法。了解计算化学能干什么，我们可以作哪些工作，作到什么精度，为在自己的研究域开展计算化学方面的研究打一个基础拓展知识，开阔视野认知方法，理解原理简单应用，提高档次学习要求：具有较好的结构化学基础和计算机应用能力最好有微机供练习用(或合用)。课程要求：重视基本概念的了解和实际应用能力的培养，淡化理论推导