现代化学前沿讲座

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。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。⑴归纳法(F.Bacon,1561-1626)⑵演绎法(R.Decartes,1596-1650)设计实验实验数据唯象理论“预测”数据拟合检验公理假设形式理论二次形式化、近似、计算和模拟预测模型实验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科学成熟的程度的标志。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，百年来科技的发展使各学科的“成熟程度”发生了巨大变化冶金、建材工业推动了无机药物、染料、酿酒工业推动了有机•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⑴Einstein广义和狭义相对论（1905）⑵量子力学的创建（1925~1926）20纪初理论物理两项重大突破对廿世纪人类科技和物质文明进步产生巨大影响。其中，量子力学的影响更为直接和广泛。•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是演绎法最成功的实例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•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—Schrödinger方程Htiˆ);,,,(2ˆ21122trrrUHNNiii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•历70余年，量子力学经受物质世界不同领域(原子、分子、各种凝聚态、基本粒子、宇宙物质等)实验事实的检验，其正确性无一例外。任何唯象理论无法与之同日而语•用完备的形式理论体系—统一理论—解释和预测不同科学领域的实验结果。量子力学的“第一原理”(FirstPrinciple)计算（从头算）只采用5个基本物理常数：0、e、h、c、k而不依赖任何经验参数即可正确预测微观体系的状态和性质•20世纪人类光彩夺目的科技成就大都与量子力学有关。量子理论不仅有力地促进了社会的物质文明改观，且改变了人类的思维方式•量子力学的辉煌使理论物理学家18次共25人荣获诺贝尔物理奖1919Planck1921Einstein1922Bohr1929deBroglie1932Heisenberg1933SchrödingerDirac1938Fermi1945Pauli1949Yukawa1954BornBothe1957T.D.LeeC.N.Yang近20年理论物理领域未见再获奖。表明物理学科的高度成熟1962Landau1963Wigner1965TomonagaSchwingerFeyman1967Bethe1969Gell-Mann1972Cooper1979WeinbergSalamGlashow量子力学的建立和发展促进了：现代化学键理论奠基（1930）Pauling是杰出代表Slater、Mulliken、Hund、Heitler-London分别作出贡献量子力学引入化学，促进量子化学、量子统计力学形成Einstein-Bose、Fermi-Dirac两种统计理论Hückel分子轨道理论（1932）Roothaan方程（1952）计算量子化学发展•化学科学的体系和结构发生深刻变化对象：宏观现象微观本质方法学：描述、归纳演绎、推理理论层次：定性定量•化学与物理学的界限在模糊，在理论上趋于统一•化学各分支学科的交叉；与其他学科相互渗透带动生物、材料科学进入分子水平与化学相关的的新领域不断涌现•化学及交叉学科的发展促进了数学向化学的渗透众多的数学工具应用于物理化学领域：矩阵代数复变函数数理方程数理统计数值方法群论不可约张量法李代数非线性数学模糊数学分型理论与方法数学与物理化学的交叉使有关的数学知识在其他各化学分支亦得以应用一门新的交叉学科计算机化学已形成。它将帮助化学家在原子、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。计算机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机化学环境科学体系数据和性质的综合分析分子(材料)CAD合成路线CAD化学CAI数据采集、统计分析及其它应用化学数据库量子化学计算计算机分子模拟分子结构建模与图象显示化学人工智能分子力学(MM)分子动力学(MD&MC)计算机化学计算机化学的主要内容•化学数据库（Database）分子结构库晶体库热力学数据库药物库高分子库分子光谱、波谱图谱库生物数据库（蛋白质、核酸、多糖库）化学文献库•化学人工智能（需借助数据库）计算机辅助分子结构解释化学模式识别结构－活性关系分析(QSAR)结构－性质关系分析(QSPR)神经网络算法与神经网络计算机•分子结构建模与图形显示结构建模确定各原子的初始空间排布这是用计算机处理分子大多数作业的起点综合的计算机化学软件包，主程序应提供建模的友好界面，同时具有分子图形显示与结构参数分析功能可采用二维或三维建模。程序可自动将二维图形转换为三维WhatisMolecularModeling?•用计算机模拟化学体系的微观结构和运动，并用数值运算、统计求和方法对系统的平衡热力学、动力学、非平衡输运等性质进行理论预测•分子模拟是化学CAD的重要部分什么是分子计算机模拟?为何进行分子计算机模拟?•宏观化学现象是~1024个分子（原子）的集体行为，固有统计属性•化学统计力学的局限性：通常仅适用于“理想体系”理想气体、完美晶体、稀溶液等•量子力学方法的局限性：对象为平衡态、单分子或几个分子组成的体系；不适用于动力学过程和有温度压力变化的体系⒈甘氨酸(glycine)在真空中的MD模拟T=300K，Timestept=0.0012ps⒉甘氨酸稀水溶液的MD模拟T=300K，Timestept=0.0010ps甘氨酸的两种MD模拟结果甘氨酸MD模拟过程的体系能量记录InvacuumRuntime=10psInwatersolutinRuntime=1ps一、物质和大分子的结构和性质•根据体系的化学成分推断微观结构计算MD+MM•计算机辅助结构分析与静态性质计算复杂有机分子高分子晶体液晶态非晶态溶液熔盐界面和表面气体热力学性质材料力学性质•与动态过程有关性质的计算分子内和分子间的相互作用扩散吸附与解附熔融结晶相变分子散射分子适配材料应力应变蠕变与断裂二、化学CAD•计算机辅助有机分子和生物分子设计•计算机辅助药物设计•计算机辅助材料设计MD法可处理粒子数严格QMD100半经验QMD150经验势MD20000研究有电子转移、原子变价的过程须采用QMD(1,2,4)-4-(1,1-e二甲乙基)-2-烃基环戊羰基酰胺晶体实验测定与MD模拟结果的比较W.Linert,andF.Renz,J.Chem.Inf.Comput.Sci.,33,776(1993)ExperimentallyDeterminedMD-predicted例1GnRH(gonadotrophin-releainghormon,促性腺释放激素)分子构象理论预测D.G.Hangauer,inComputerAidedDrugDesign,T.J.Perun&C.L.Propsted.,MarcelDekkerInc.,NewYork,p253,1989.例2分子式：pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu-Arg-Pro-Gly-NH用MD中的“模板强制法”(Template-forcing)确定一对柔性分子相应功能团可能的空间取向起始取向为线型的两个分子逐步转化为能量较低的环型构象模板加模板MD预测的顺磁性和反磁性冰晶体结构O.AKarim&A.D.J.Haymet,J.Chem.Phys.,89,6889(1988))例3FerromagneticiceAntiferromagneticiceMD法模拟的熔盐体系T*~V*相图D.A.Young&B.J.Alder,J.Chem.Phys.,73,2434(1980)例41.01.21.41.61.8V*T*Liquid-Vapor2.52.01.51.00.50FluidFCCFCCFCC-FCCFCCFCC-FluidHCP-FCCHCC-FluidHCC-VaporRu-Al合金断裂过程动态模拟C.S.Becquart,D.Kim,J.A,Rifkin,andP.C.Clapp,Mat.Sci.Engin.,A170,87(1993)例5断裂点周围的损坏区域两块晶体界面结构的模拟FCC单晶硅，13(150)晶界，晶面倾角＝67.38°例6StableStructureof)GB,TypeII-b[110][110][110][110]3.01.01.91.32.20.1-0.80.2-0.80.22.21.20.30.2-0.81.22.21.22.2-0.12.82.3-0.41.3-0.72.21.30.23.32.31.22.2-0.83.00.90.02.92.00.11.03.01.01.91.03.03.00.02.10.00.62.2-0.13.02.00.91.91.03.01.20.11.2-0.80.240科学探索献身、开拓创新和激流勇进的精神需要：