分子模型的适用范围
• 可以把分子结构, 性质和反应性能模型化 • 可以进行简单的定性解释, 也可以得到精 确的定量的结果 • 可以瞬间计算完成, 也可能花费超级计算 机几个月的时间 • 必须平衡计算成本和模型方法的精确度
简单搭建的分子模型
• 从一些标准的结构或部分来搭建 • 键长和配位都是固定的 • 从一些分子的结构来可以得到很好的定 性模型 • 便于使用而且很容易实现 • 可以对分子的三维结构给出直观的认识 • 对于分子性质, 能量或反应性能却一无所 知
计算机辅助化学过程综合与开发； 化学中的人工智能方法等。
化学数据库 化学人工智能 分子结构建模 与图象显示
计 算 化 学
计算机 分子模拟 量子化学计算 数据采集、统计 分析及其它应用 化学 CAI
分子力学 ( MM )
分子动力学 (MD & MC)
体 系 数 据 和 性 质 的 综 合 分 析
从头算分子轨道方法 • 使用完全的 Schrö 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 Schrö dinger 方程, 原理上可 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 (Molecular mechanicsm) 半经验方法 (Semiempirical) 完全从头算 (ab initio calculation) 密度泛函 (Density functional) 大体系, 结构 中等体系, 粗略性质 小体系, 准确性质 中等体系, 准确性质
计算化学的研究内容：
狭义： 量子结构计算——量子化学和结构化学范畴； 物理化学参数的计算——统计热力学范畴 化学过程模拟和化工过程计算等 广义： 化学数据挖掘(Data mining)； 化学结构与化学反应的计算机处理技术； 计算机辅助分子设计；
计算机辅助合成路线设计；
计算化学的宗旨
• 首先选用物理模型，不得已才选数学模型。 • 在运用第一原理的时候，选用适当的模型才能 执行计算。必须强调：物理模型比数学模型重 要得多，只有在暂时无法构筑物理模型的场合 才不得已采用数学模型。 • 物理学是严密科学（exact science)，化学也正 步入严密科学。“严”字指机理正确，“密” 字指数值准确。
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
分子动力学
• 分子动力学是一套分子模拟方法，该方 法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系 的运动，以在由分子体系的不同状态构 成的系综中抽取样本，从而计算体系的 构型积分，并以构型积分的结果为基础 进一步计算体系的热力学量和其他宏观 性质。
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 Schrö 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, 但是没有它 准确
化学中的常用软件
量子化学计算 WinMOPAC：半经验分子轨道(AM1, PM3, MINDO, MNDO/3等)计算程序，计算出的分子轨道及电荷密度 等可以用三维图形表示出来。最新版本的2000。 / PC Spartan：WaveFunction公司的产品，其计算方法 包括：MM2, AM1, AM1 with Solvent, PM3, 从头计算 等，亦可将分子轨道及电荷密度等用三维图形表示。 / HyperChem：包括常用的几乎所有分子力学及半经验 分子轨道方法及多种基集的从头计算等，并能计算振 动光谱、电子光谱、分子动态学等，所得结果可以非 常漂亮的三维图形表示出来。/
计算化学
/
Computational Chemistry
理论概述及化学中常用软件
教学内容
绪论 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章
理论概述 化学软件与网络资源 分子动力学 分子力学 量子化学计算方法
“计算”第三条科学发现的途径
• 20世纪80年代以来 ，计算机已经成为所 有分支领域化学家的必备工具。 • “计算化学”不应停留在“计算机辅助” 的角色。 • “计算”已经与实验，形式理论一样能 够发现新的科学现象、新的科学概念， 从而“计算”已经成为第三条科学发现 的途径。
化学中的常用软件
Gamess：免费的从头计算程序，其速度快，并提供源程序。 DOS界面。 /GAMESS/GAMESS.html。 Gamess用户界面Visualize，/ Gaussian：支持常用半经验方法、从头计算法及密度泛函 理论，其用户界面不够友好。可以在Chem3D加入CS Gaussian Client插件后简化用户的操作。 / Jaguar：使用工作站(如SGI, HP, DEC)及LINUX操作系统 的PC所设计的从头计算及密度泛函计算程序，其速度特 快，用户界面一般。/。
色谱及红外、Raman等实验数据的处理： GRAMS/32：/
化学中的常用软件
文献管理 对文献进行整理，能在文字处理程序中直接插入参考文 献并生成一定杂志规定格式的参考文献列表
EndNote 4：/ Reference Manager 9.5, ProCite 5.0： /
• GaussView
– Gaussian的图形界面
化学中的常用软件
分子结构绘图软件
二维图形软件：
描绘化合物的结构式、化学反应方程式、化工流程图、 简单的实验装置图等化学常用的平面图形的绘制 ChemDraw(Chemoffice), ChemWindow：商业软件 / / 最新版本分别为12和6.5。
RasMol,ArgusLab,ChemBuilder 3D, ChemSite, HyperChem等
化学中的常用软件
科学计算和数据处理软件
通用型： 对实验数据进行数学处理、统计分析、付立叶变换、t试验、线性及非线性拟合； 绘制二维及三维图形如：散点图、条形图、折线图、 饼图、面积图、曲面图、等高线图等。 Origin：最新版本为6.0 / ：最新版本为2000 /
分子 (材料) CAD
合成路线 CAD
计算化学的主要研 究内容
如何进行计算化学
计算方面
化学中 的问题
物理模型 数学模型
公式算法
试算分析 输出结果
调试
编程分子模型
几何优化 构象分析
试算分析 输出结果
寻找过渡态 方法
能量优化 方法
能量优化方法
• • • • 单纯形法 最速下降法 共轭梯度法 Newton-Raphson
寻找过渡态的方法
• 极大-极小逼近法 • 线性内坐标途径法（LICP)
计算化学理论概述
计算化学理论概述
分子力学 (Molecular mechanicsm) 半经验方法 (Semiempirical) 完全从头算 (ab initio calculation) 密度泛函 (Density functional)
化学中的常用软件
Chem3D (Chemoffice) : 是ChemOffice的组成部分，同ChemDraw一起协同工作， ChemDraw上画出的二维结构式可以正确地自动转换为三 维结构。 ultra版本还包括了一个很好的半经验量子化学计算程序 MOPAC 97,能够以三维的方式显示量子化学计算结果 WebLab Viewer Pro, RasWin: Lite版只能显示而无法编辑三维分子模型，为免费软件 pro版本表现生物分子和晶体结构的能力比较强 下载地址为/
凭什么相信计算
• 什么是计算所依据的“第一原理” • 无生命物质世界第一原理框架已经建立---量子 力学和统计力学（物理上） • 客观世界从物质构成而言就是仅仅由电子和原 子核组成的。正因为这种物质的统一性，无生 命物质的统一理论在物理上适用，在化学上也 如此。 • 自我批判是科学的生命力所在，第一原理在不 断发展中。
化学中的常用软件
红外图谱 IR Mentor Pro，IR SearchMaster：能对给定的红外图谱 数据自动分析与处理，或对给定的振动谱带给出可能存在 的功能团。ftp:///pub/
质谱 MassSpectra Simulator：/gjlinker ChemWindow 6.0 Spectroscopy版本
化学中的常用软件
图谱解析 核磁图谱： ChemNMR：ChemDraw Ultra版本的一个插件，可以用来 估算大多数有机物的1H、13C化学位移及用线图表示的相 应图谱 C13 Module for ChemWindow：ChemWindow的一个插件， 可以用来估算大多数有机物的13C化学位移 gNMR：则可用来估算任何NMR活性核的化学位移，并 能画出非常逼真的图谱/ Sparky ：二维核磁特别是对复杂2D NMR的解析
化学中的常用软件
计算机辅助教学 CHAOS：有机合成路线设计 《Organic Chemistry in Action》，可以使用“逆序法” 自动寻找目标物的合成原料 ChemDraw ultra版，Beilstein公司的AutoNom 4.0版： 有机化合物命名工具命名软件，给出IUPAC名称， CAS名称，对立体化学的支持。 / Chemlab——化学反应模拟软件 虚拟化学实验，交互式地仿真演示化学实验,FOR WIN9X。能够仿真大多数化学实验。CHEMLAB包含 的东西非常多,滴定、反应动力学，周期表...