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计算机在分子模拟中的应用ComputerApplicationinMolecularModelingBy唐前林•共2学分/32学时，16次课，每周一（第1-17周）7-8节上•计划：每1次课讲2节（主题）•属于选修课，成绩=平时考核成绩（30%）+平时作业成绩（20%）+期末考试成绩（50%）•教学方式：师生互动（学生参与课堂教学）教学安排•上课地点：C-4071）根据这门课的特点，学习时首先要注意掌握分子建模的基本原理和思想，要注意运用计算方法处理实际问题的技巧及会使用所学相关商业软件，要重视误差分析;2）要通过ppt上的例子，学习使用HF,MP2和B3LYP等分子模拟方法解决化学问题;3）养成自学习惯，课前、课后一定要看课件；每章的作业一定要做；基于教学现状，组织随堂考试.几点要求：《计算机在分子模拟中的应用》这门课的基石是量子力学理论，属于理论化学，主要目的是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性质，例如总能量、极矩、振动频率、激发态、反应活性等，并用以解释一些具体的化学问题.课程特点与要求各章内容第1章绪论第2章分子结构构筑第3章GaussView程序建模包第4章基组第5章分子模拟方法第6章高斯（Gaussian）程序计算包鉴于理论化学与计算化学的高度抽象性，每章侧重讲解算例！参考文献•《量子化学—基本原理和从头计算法》徐光宪院士、黎乐民院士，第2版，科学出版社，2012上册:量子力学基本原理、处理问题的基本方法和数学工具中册:重要的量子化学计算方法下册:量子化学研究的高级理论方法参考文献•《量子化学》(美)赖文,第6版，世界图书出版公司,2011学量化，理论基础很重要，看完这本书，基础基本上没问题了！参考文献•《ExploringchemistrywithElectronicStructureMethods》(美)JamesB.ForesmanandAeleenFrisch,第2版，Gaussian公司,1996Gaussian软件入门级别的书。书中全部的examples、exercises可以在其官网下载!参考文献•《Gaussview软件5使用手册》公司•《高斯软件09用户参考手册》公司主页有超链接！课件下载个人主页：课程课件第1章绪论一、计算机在化学中的应用概述•计算机在化学中的应用已经有40余年的历史•起初计算机主要用于量子化学（QuantumChemistry)计算方面，也称其为计算化学(ComputationalChemistry)•随着计算机技术在化学中应用领域的扩大，计算化学显然已经不能涵盖其所有内容，人们将其列入一个新学科—“计算机在化学中的应用”（ComputerApplicationinChemistry）或者为“化学中的计算机技术”（ComputerinChemistry）（1）以计算机为主要工具的量子化学、结构化学的从头计算、不同力场校正的半经验计算等将人类认识分子微观世界的能力大大提高。计算机的介入为将化学由实验科学向理论化发展做出了重大贡献．目前计算机的量子化学计算仍然是重要的研究领域之一．计算化学计算机技术在化学中应用的主要领域（1）（2）计算机的实时监测和交互控制大大提高了化学工业的水平，为将经典化学工业发展为现代化学工业奠定了基础．计算机化工控制系统已经成为化学工业结构改造与技术升级的重要内容．化工过程自动化计算化学计算机技术在化学中应用的主要领域（1）（2）（3）计算机化的傅立叶变换技术在红外、质谱和核磁共振波谱分析中的应用为人们获取分子的微观结构信息打开了方便之门，大大提高了分析速度和准确性．化工过程自动化计算化学分析化学计算机技术在化学中应用的主要领域（1）（2）（3）化工过程自动化计算化学分析化学化学信息收集计算机技术在化学中应用的主要领域（1）（2）（3）（4）（4）基于计算机互联网络技术和智能化数据库技术的化学信息收集与检索体系，以及远程计算机登录技术为化学家与海量化学信息之间建立了高速有效的桥梁和纽带，正在逐步成为化学家获取化学信息的主要手段．化工过程自动化计算化学分析化学化学信息收集化学化工过程模拟计算机技术在化学中应用的主要领域（1）（2）（3）（4）（5）（5）基于现代计算机模拟技术的高温、高压、高险等化工过程模拟技术的发展加快了实验化学学科的发展并使化学科技成果的产业化过程加速化工过程自动化数学模型计算化学分析化学化学信息收集化学化工过程模拟计算机技术在化学中应用的主要领域化学专家系统（1）（2）（3）（4）（5）（6）（6）基于计算机智能化技术发展起来的专家咨询、决策、分析系统使化学工业知识化，或者知识经济走向化学和化工领域的重要生长点.二、理论与计算化学发展史•理论化学发展过程与计算机本身的发展息息相关•理论化学是运用纯理论计算而非实验方法研究化学反应的本质问题•理论化学的分支主要有：量子化学计算化学分子模拟分子力学统计热力学非平衡态热力学分子反应动力学(从头算或第一性原理)罗伯特·波义耳（RobertBoyle，1627—1691）英国化学家《怀疑派化学家TheScepticalChemist》：元素的定义应是具有相同核电荷数的同一类原子的总称希腊唯心主义哲学家柏拉图：万物由火、水、气、土四种基本元素元素定义1661时间/年里程碑元素定义1661时间/年元素周期表1869里程碑元素的性质随相对原子质量的递增发生周期性的递变德米特里·门捷列夫(DmitriMendeleev,俄,1834—1907)《化学原理》：元素定义1661时间/年元素周期表1869薛定谔方程1926里程碑埃尔温·薛定谔(ErwinSchrödinger,1887—1961)奥地利物理学家量子力学四种表达方式:•矩阵形式—1925年沃纳·海森堡、马克斯·玻恩、帕斯库尔·约当•波动形式—1926年埃尔温·薛定谔•狄拉克符号形式—1926年保罗·狄拉克、帕斯库尔·约当•路径积分形式—1948年理查德·费曼元素定义1661元素周期表1869薛定谔方程1926密度泛函理论与波函数方法1998时间/年里程碑瓦尔特·科恩(WalterKohn,1923—)奥地利裔美国物理学家密度泛函理论(上世纪60年代)：•Henberg-Kohn定理：量子力学体系的能量仅由其电子密度决定，这个量比薛定谔方程中复杂的波函数更容易处理得多.•Kohn-Shan方程：基于Henberg-Kohn定理，提供一种方法来建立方程，从其解可得到体系的电子密度和能量.密度泛函理论，方法简单，可以应用于较大的分子!元素定义1661元素周期表1869薛定谔方程1926密度泛函理论与波函数方法1998时间/年里程碑发展的计算方法使人们能夠对分子、分子的性质、分子在化学反应中如何相互作用进行理论研究!约翰.包普尔(JohnAPople,1925—)美国量子化学家•半经验方法：PPP等方法（上世纪60代）•高精度方法：耦合簇等方法（上世纪70代）•理论模型化学：一系列近似计算方法，系统地促进量子化学方程的正确解析（上世纪70代）高斯计算机程序：元素定义1661元素周期表1869薛定谔方程1926密度泛函理论与波函数方法1998时间/年里程碑量子化学形成第一个阶段是1927年—20世纪50年代，主要标志是•价键理论：电子两两配对形成定域的化学键（鲍林，Pauling）•分子轨道理论：分子轨道由原子轨道线性组合，允许电子离域在整个分子中运动（马利肯,Mulliken）•配位场理论：起初研究渡金属离子在晶体场中的能级，后与分子轨道理论结合（贝特,Bethe）第二个阶段是20世纪50年代后，主要标志是•量子化学计算方法的研究元素定义1661时间/年元素周期表1869薛定谔方程1926密度泛函理论与波函数方法1998里程碑2013复杂体系的多尺度模型量子化学形成开创性：QM/MM方法使得量子化学与经典物理学携手马汀·卡普拉斯（MartinKarplus）亚利耶·瓦谢尔（AriehWarshel）迈克尔·莱维特（MichaelLevitt）QM/MM:ONIOMModel元素定义1661时间/年元素周期表1869薛定谔方程1926密度泛函理论与波函数方法1998里程碑2013复杂体系的多尺度模型量子化学形成QM/MM方法模拟药物如何同身体内的目标蛋白耦合:•计算机会对目标蛋白中与药物相互作用的原子执行量子理论计算•使用要求不那么高的经典物理学来模拟其余的大蛋白，从而精确掌握药物发生作用的全过程.目前常用商业量子化学计算程序包鄢国森(SCU),江元生(NJU),刘若庄(BJNU),戴树珊(YNU),唐敖庆(JLU),张乾二(XMU),邓从豪(SDU),孙家钟(JLU),古正(SCU)国内量子化学前辈唐敖庆与八大弟子（从右至左）：国内量子化学新生代三、理论化学优势与特色•量子化学已经发展到成为广大化学家使用的工具，将化学带入一个新时代，实验和理论能共同协力探讨分子体系的性质，化学不再是纯实验科学了.实验化学理论化学在原子层面上更好地揭示化学性质的起源•90年代快结束时，我们看到，化学理论和计算的研究有了很大的进展，其结果使整个化学领域正在经历着一场革命性的变化.理论化学纯实验研究先实验研究后理论研究先理论研究后实验研究纯理论研究C-O键长C-O伸缩频率实验值1.13Å2143cm-1理论计算值1.14Å2127cm-1三、理论化学优势与特色量子化学研究CO分子：