计算化学课程纲要绪论∙什么是计算化学（定义）计算化学是根据基本的物理化学理论（通常是量子化学）以大量的数值运算方式来探讨化学系统的性质。

广义上讲，计算化学是一门涉及多种学科的边缘学科，在更广泛的意义上又可称作“计算机化学”。

它是化学、数学、计算机科学等学科交叉的新兴学科。

计算化学是化学的一个分支，但不属于真正意义上的化学，它是利用数学、统计学和计算机科学的方法，进行化学、化工的实验设计、数据与信息的处理、分类、解析和预测。

所以：计算化学是用于化学研究的一种方法学，是一种越来越重要的工具。

计算化学这个名词有时也用来表示计算机科学与化学的交叉学科。

∙计算化学的地位（整理）计算化学促进化学界的研究方法和工业界的生产方式不断革新，是绿色化学和绿色化工的基础，是联系化学化工为国民经济可持续性发展服务的桥梁。

中科院院士徐光宪先生在其报告中称“理论化学和计算化学的基础及应用研究”是21世纪化学的11个突破口之一。

1998年诺贝尔化学奖授予W.Kohn和J.A.Pople。

颁奖公告说：“量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具，将化学带入一个新时代，在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。

化学不再是纯粹的实验科学了。

”∙计算化学的过去、现在和未来（了解）发展：计算化学是连接化学、化工与数学、统计学、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。

以量子化学计算为代表的计算化学发展史以化工过程计算机控制为代表的化工过程自动化发展史计算数学与分析化学相结合的发展史计算机网络技术在化学信息收集方面的应用计算机模拟技术在化学化工模拟中的应用∙计算化学主要研究内容（方法、过程等概括）包括化学数据库、化学人工智能、分子结构建模与图像显示、计算机分子模拟（分子力学和分子动力学）和量子化学计算的体系数据和性质的综合分析，从而设计分子和合成路线，数据采集、统计分析及其他应用，化学CAI。

具体过程：计算方面：遇到化学问题，首先选择合适的物理模型，若没有相应的物理模型，则选择合适的数学模型。

之后进行公式算法，编程，对程序进行调试，试算分析，最终输出结果。

分子模拟：遇到化学问题，首先构建分子模型，进行几何优化构象分析，能量优化，然后寻找过渡态方法，试算分析，最后输出结果。

计算化学课程目标（理解）介绍当前计算化学领域常用的基本方法；学会使用各种计算化学软件包, 特别是Gaussian03, materials studio，ADF等。

掌握计算化学领域的基础理论和计算方法, 并且使用它们分析和解释一定的化学问题。

计算化学在化学中的应用（包括哪几方面）化学数据的挖掘化学结构与化学反应的计算机处理技术计算机辅助合成路线的设计计算机化学过程综合与开发计算机辅助分子设计和模拟第一章理论概述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。

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；计算机辅助化学过程综合与开发；化学中的人工智能方法等。

能量优化方法主要包括（单纯形法、最速下降法、共轭梯度法、Newton-Raphson法）寻找过渡态的方法（极大-极小逼近法、线性内坐标途径法（LICP））简述下列各方法的使用对象及各自优缺点、计算过程适用对象优点缺点计算过程分子力学原子及其化学键——十万个原子左右的大体系，结构得到分子稳定结构，计算变形时的相对能量，计算成本低需很多仔细测试和校准后的经验参数，只能得到粗略几何结构，无法得到电子相互作用信息、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把分子用硬球和弹簧的方式来表示半经验方法原子实和价电子——中等体系，粗略性质可对价电子进行近似的描写，可以半定量地描写电子分布, 分子结构, 性质和相对能量，计算快不够准确很多积分用含参数的经验式子来近似，通过解简化Schrödinger方程而得到完全从头算原子核及其电子——小体系，准得到更精确的电子分布，可以系计算成本高使用完全的Schrödinger 方确性质统地进行改进,直至达到化学精度，不需要参数,也不用实验来校准可以准确描写结构, 性质, 能量和反应性能程密度泛函电子密度——中等体系，特别是含过渡金属体系，准确性质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,可以描写结构,性质, 能量和反应性能，计算成本中等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使用完全的Schrödinger 方程第二章化学软件与网络资源计算化学常用软件（举例说明分类、应用及各自优缺点）应用举例分子结构绘图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，ISISDraw, ChemSketch，能够以线图(wire frame), 球棍(ball and stick), CPK及丝带(ribbon)等模式显示化合物的三维结构。

Chem3D (Chemoffice) 、WebLab Viewer Pro,RasWin、RasMol,ArgusLab,ChemBuilder 3D,ChemSite, HyperChem等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、SigmaPlot核磁数据处理处理一维至三维核磁数据，NUTS、MestRe-C、Gifa色谱及红外、Raman实验数据的处理色谱及红外、Raman等实验数据的处理GRAMS/32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图谱解析核磁图谱可以用来估算有机物的1H、13C化学位移及用线图表示的相应图谱ChemNMR、C13 Module for ChemWindow、gNMR、Sparky红外图谱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质谱MassSpectra Simulator、ChemWindow 6.0Spectroscopy版本计算机辅助教学可以使用“逆序法”自动寻找目标物的合成原料；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；虚拟化学实验，交互式地仿真演示化学实验,FORWIN9X。

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... CHAOSChemDraw ultra版，Beilstein公司的AutoNom 4.0版Chemlab——化学反应模拟软件量子化学计算半经验分子轨道(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WinMOPAC、PC Spartan、HyperChem、Gamess、Gaussian、Jaguar软件分类（计算原理、研究对象）网络上的化学资源化学化工综合网站，例如中国化学化工信息资源：中科院化学所、ChemCenter；美国化学会ACS、ChemWeb等网站；网上数据库，例如Cambridgesoft、ChemFinder、Chemistry WebBook等；化学化工信息源，例如文献CA、SCI，化学化工组织机构国际纯粹与应用化学联合会IUPAC、英国化学会、英国皇家化学会等；网上的免费专利资源，例如IBM知识产权网、欧洲专利局、中国专利摘要数据库等，教育网内免费化学资源，例如Elsevier SPDOS China consortium、CNKI数据库检索系统全文数据库等。

软件背景及主要功能ss计算化学通过计算通常可以解决哪些问题？分子模拟研究一般包括哪几个过程？分子模拟软件的一般功能？分子结构数据主要来源途径？实验获得数据。

第三章分子力学计算化学中模拟计算的整个过程主要包括的步骤及个步骤的主要内容和注意事项1、文献调研：当前的研究状况，包括实验和理论研究现状、已解决和尚未解决的问题2、确定计算目的：采用理论方法要解决的问题3、计算模型的构造：化合物构型的确定，具体途径包括：利用实验测定结果、或者采用软件进行构造等4、计算方法和程序的选取：根据现有的计算条件、模型的大小以及所要解决的问题，选择可行的计算方法和相应程序5、计算结果的分析和整理：对计算结果进行加工和提取有用的信息，一般包括构型描述、能量分析、轨道组成、电荷和成键分析等，并与实验结果比较当确定了一种计算模型和方法后，最好对其进行验证，以保证计算结果的可靠性。

描述分子构型的方法（每个方法的比较）有三种描述分子构型的方法：直角坐标系方法、内坐标方法、直角坐标和内坐标混合输入方法。

格式说明直角坐标系方法元素符号x y z 1)元素符号大小写均可，也可直接采用原子序数；2)有时为了便于区别，可在元素符号后加一整数3)x,y,z数值必须以小数格式输入4)g03的数据输入均为自由格式，即除了用空格来分隔数据外，也可用逗号或混合使用；适用于全自由度构型优化情况内坐标方法（内坐标与直角坐标之间的区别在于，它侧重于从原子之间的键连角度来描述原子间的相对位置）原子1,原子2,键长,原子3,键角,原子4,二面角1、参数为键长、键角、二面角2、对同一构型，内坐标的表示并不唯一3、有时为了保证所描述的构型符合特定的点群，利用虚原子便于做到这一点。

虚原子的符号为X。

4、根据需要，有时可同时用到多个虚原子；5、在大多数场合，虚原子通常取在对称元素所处位置或它们相交处；构型的局部优化直角坐标和内坐标混合输入方法只需在采用直角坐标方法输入的原子的元素符号后加一个整数0即可分子构型的输入准确性是保证计算结果可靠性的前提，对于复杂体系，在计算前均需对所输构型进行检查。