量子化学研究进展及应用1103-re3

©2005NENU化学学院量子化学进展及其应用单位：东北师范大学讲座人：苏忠民教授©2005NENU化学学院讲座内容讲座内容化学学科的地位化学学科的分类量子化学的进展量子化学计算及其应用苏忠民组研究成果©2005NENU化学学院化学学科地位20世纪的化学取得辉煌的成就，化学仍是一门中心科学TheCentral,Useful,andCreativeScienceRonaldBreslow---中科院院士著名化学家徐光宪©2005NENU化学学院化学学科地位化学与很多其他科学领域有关化学农业电子学生物学环境科学药学物理学工程治金学计算机科学我们认为化学在人类由古代穴居人的野蛮生活进化到现在这样一个世界的变化中起了“中心”的作用©2005NENU化学学院化学领域有多大？化学学科地位工业化学家在为化学工业之外的许多领域进行工作人类的每项活动都用到一些由化学提供或加工的物质，同时在许多活动中也包含着化学变化1995年一年，化学家创造了100万种以上的新化合物©2005NENU化学学院从美国化学会的分会看化学学科分类化学学科分类小型化学企业专业联谊会氟化学工业与工程化学生物化学药物化学化学史生物化学技术高分子化学化学教育石油化学高分子材料：科学与工程化学文献地质化学胶体与表面化学化学技术员有机化学核化学与技术化学和法律农业与食品化学商业开发与管理化学保健与安全农药碳水化合物化学化学毒物学纤维素，造纸与纺织品燃料化学分析化学环境化学橡胶计算化学肥料与土壤化学无机化学物理化学©2005NENU化学学院化学学科分类结构化学量子化学化学热力学电化学高分子化学与物理晶体化学纳米化学胶体和界面化学宏观反应动力学溶液化学催化化学激光化学波谱学材料化学超分子物理化学微观反应动力学©2005NENU化学学院量子化学的进展量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法，研究化学问题的一门基础科学。量子化学的发展历史可分两个阶段创建时期(1927年到20世纪50年代末)20世纪60年代以后价键理论(鲍林),分子轨道理论(马利肯)和配位场理论(贝特)量子化学计算方法的研究，出现了严格计算的从头算方法、半经验计算的全略微分重叠和间略微分重叠等方法1927年Heitler和London用变分法求解了氢分子的波函数实验值RAB/a01.518ER0/a0解离能/eV计算值1.5183.14实验值1.4014.48首次在形式理论的水平上解释了化学键本质，开创了量子化学分支学科©2005NENU化学学院量子力学为在原子－分子水平上揭示化学问题的本质奠定了牢固的理论基础。因为，化学反应基本过程是伴随着反应体系原子核的重排而发生的电子运动状态的改变，这些微观运动均服从薛定谔方程。量子力学的统一理论(Unitedtheory)使化学与物理学在原子、分子水平上会师，两学科的界限趋于模糊©2005NENU化学学院量子化学从二十世纪30年代初的理论奠基到90年代末在计算技术与应用上的成熟，经历了漫长的将近七十年这是几代杰出理论化学家不懈努力的结果，并得益与计算机和计算技术的巨大进步1998年诺贝尔化学奖的颁布是计算量子化学在化学和整个自然科学中的重要地位被确立和获得普遍承认的重要标志©2005NENU化学学院瑞典皇家科学院10月13日宣布将1998年度诺贝尔化学奖授予两位年迈的量子化学家Kohn和Pople,表彰他们在开拓用于分子性质及其参与化学过程研究的理论和方法上的杰出贡献。©2005NENU化学学院JohnPople’sContributionsJohnPoplehasdevelopedquantumchemistryintoatoolthatcanbeusedbythegeneralchemistandhastherebybroughtchemistryintoanewerawhereexperimentandtheorycanworktogetherintheexplorationofthepropertiesofmolecularsystems.Chemistryisnolongerapurelyexperimentalscience.瑞典皇家科学院颁奖文件评价:化学不再是一门纯实验科学了！©2005NENU化学学院•Pople最辉煌的贡献是Gaussian程序颁奖文件称:Thecreation,constantimprovement,andtheextensionofthefunctionalityofGAUSSIANisanoutstandingachievement.Itistheexampleforthesuccessofthefieldanditsimpactonchemistryandneighboringfieldslikephysics,astrophysics,biochemistry,materialsciences,etc.GAUSSIANistodayusedbythousandsofscientistsallovertheworld.©2005NENU化学学院（瑞典皇家科学院在Web上发表的新闻公告）©2005NENU化学学院WalterKohn’sContributions瑞典皇家科学院颁奖文件评价:WalterKohn’stheoreticalworkhasformedthebasisforsimp-lifyingthemathematicsindescriptionsofthebondingofatoms,thedensity-functionaltheory(DFT).Thesimplicityofthemethodmakesitpossibletostudyverylargemolecules.©2005NENU化学学院量子化学的进展量子化学的研究结果在其他化学分支学科的直接应用，导致了量子化学对这些学科的渗透，并建立了一些边缘学科，主要有量子有机化学、量子无机化学、量子生物和药物化学、表面吸附和催化中的量子理论、分子间相互作用的量子化学理论和分子反应动力学的量子理论等。其它化学许多分支学科也已使用量子化学的概念、方法和结论。例如分子轨道的概念已得到普遍应用。绝对反应速率理论和分子轨道对称守恒原理，都是量子化学应用到化学反应动力学所取得的成就。今后，量子化学在其他化学分支学科的研究方面将发挥更大的作用，如催化与表面化学、原子簇化学、分子动态学、生物与药物大分子化学等方面。©2005NENU化学学院量子化学的进展化学物理数学材料设计生物学环境科学药物学纳米材料无机陶瓷光电材料材料分子设计超导功能高分子在机材料分子生物学电子材料药物筛选构效关系大气污染环境监测©2005NENU化学学院量子化学的进展1949年10月----逐步开展系统地广泛地研究60年代----在配位场理论和分子轨道理论等领域取得了较快的进展80年代----各种量子化学计算程序着手建立，计算机大量使用，量子化学得到很大的发展，并且向实用方面普及近年来----在国家自然科学基金委员会的大力支持下，我国的量子化学研究在将量子化学计算应用于解决实际的化学问题上应该说在许多方面取得了国际先进水平的成果。©2005NENU化学学院量子化学的进展中国老一辈的量子化学家著名中国理论化学研究的开拓者唐敖庆教授对中国的量化事业做出了巨大贡献:•不足道提出计算复杂分子旋转能量变化规律“势能函数公式”•对高分子缩聚、交联与固化、同聚、共聚及裂解等反应逐一进行深入研究，形成的明显特色高分子反应统计理论体系•创造性地发展完善了配位场理论及其研究方法•与江元生共同着手分子轨道图形理论的系统研究,提出了本征多项式的计算、分子轨道系统计算、对称性约化三条定理１９５７年获得中国科学院颁发的自然科学三等奖１９８２年获国家自然科学一等奖１９８７年，获得国家自然科学一等奖共发表学术论文２６０多篇；与其研究集体合作出版《配位场理论（方法、英文版）》、《分子轨道图式理论（中、英文版）》、《高分子反应统计理论》、《量子化学》、《应用量子化学》、《约化密度矩阵引论》、《配位场理论方法补编（中、英文版）》、《微观反应动态学》等８部学术专著。©2005NENU化学学院量子化学的进展中国老一辈的量子化学家徐光宪先生•提出了原子价的新概念nxcπ结构规则•分子的周期律、同系线性规律的量子化学基础•稀土化合物的电子结构特征•其“串级萃取理论”,把我国稀土萃取分离工艺提高到国际先进水平获国家自然科学二等奖。其《物质结构》一书在长达四分之一世纪的时期内是该课程在全国唯一的统编教材，被授予国家优秀教材特等奖。©2005NENU化学学院量子化学的进展中国老一辈的量子化学家邓从豪先生•建议用一种势函数对双原子分子振动光谱进行研究•HMO理论研究还有其它一些量子化学家如孙家钟、张乾二、刘若庄、江元生、黎乐民等,在艰苦的条件下都作出了许多重要的工作，并为我国培养了大批的年轻学术骨干。©2005NENU化学学院量子化学的进展近五年来,国际上所发表的有关0100020003000400050006000700080009000100002001200220032004200577748052905495139828理论研究的SCI文章统计量子化学计算常用关键词SCI检索而得©2005NENU化学学院量子化学的进展2005年JACS上发表的相关文章01000200030004000500060007000表面催化光电磁分子设计理论方法分子动力学NLO量子化学计算常用关键词SCI检索而得©2005NENU化学学院量子化学的进展近五年来,中国所发表的有关理论研究的SCI文章统计010020030040050060070080090010001100200120022003200420054946567239631066量子化学计算常用关键词SCI检索而得©2005NENU化学学院清华大学研究方向：量子化学，计算化学，分子光谱学，分子摸拟和分子工程，生物医学材料与材料微观结构设计，分子信息学代表作：4,5-Dimethylthio-4'-[2-(9-anthryloxy)ethylthio]tetrathiafulvalene,aHighlySelectiveandSensitiveChemiluminescenceProbeforSingletOxygenJ.Am.Chem.Soc.(2004),126,11543-11548PorphyrinswithFourMonodisperseOligofluoreneArmsasEfficientRedLight-EmittingMaterialsJ.Am.Chem.Soc.(2004),126,3430-3431©2005NENU化学学院北京大学研究方向：过渡金属结晶有机反应的机理和立体选择性，过渡金属烷基及亚烷基化合物化学，天然及非天然氨基酸的分子设计，生物分了的可极化分子力场的发展研究代表作：J.Am.Chem.Soc.(2001),123,5777-5785ATheoreticalStudyontheMechanismandDiastereoselectivityoftheKulinkovichHydroxycyclopropanationReactionATheoreticalStudyontheOriginofCooperativityintheFormationof310-andR-HelicesJ.Am.Chem.Soc.(2001),123,5313-5319©2005NENU化学学院中国科技大学研究方向：固体表面及吸附体系的结构与性质,纳米管的化学修饰及改性,新的计算方法与计算程序,原子团簇的基态和低能激发态性质代表作：WetelectronsattheH2O/TiO2(110)surfaceScience(2005),308,1154-1158Ismayenitewithoutclathratedoxygenaninorganicelec