HyperChem应用 水中质子的从头计算
分子模拟软件简介
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化工软件介绍
化⼯软件介绍换热器：ＨＴＲＩ和ＨＴＦＳ都是国际著名的换热器⼯艺计算软件，你需要了解其意思⽅可⽤于实际1. ASPEN2. PROII3. CHEMCAD4. HYSYS5. ECSS所列软件中，1,2,4是⼯程公司常⽤软件，3,5⼀般在国内⾼校⽤⽤，不适合⼯程设计，⾄于1,2,4哪个更好，其实还要看具体的⼯艺过程，⽐如HYSYS，在油⽓⼯程领域就有着极⾼的精度和准确性，HYSYS仅仅是⽯化中使⽤较多，HYSYS买给Honeywell已经改名叫UniSim了ASPEN是设计院使⽤更为合适⼀些，但价格昂贵，不过可以计算固体、燃烧等模块是HYSYS，PRO/II不能⽐拟的，⽐较全⾯，但界⾯⽐较凌乱。
你要模拟个氮肥装置，恐怕还是aspen的好，单体设备的校核型核算，PRO2⼜是个最简单最合适的选择，PR⽅程精度较⾼（其实也就是HYSYS主推的），PRO/II价格便宜,简单多了.搞天然⽓开采的可能只能选HYSYS，但ASPEN并不是不好啊.⾄于CHEMCAD、和青岛ECSS等软件，实际⼯程中均使⽤不⼤，ASPEN把HYSYS的公司也收购了。
实际上最终就是ASPEN和PRO/II谁能当⽼⼤。
难受的是，这些均为国外软件，青岛ECSS软件是中国国产的唯⼀⼀套，使⽤起来⼜⽆法同国外相⽐。
惨！常⽤的⼯艺计算软件化⼯⼯艺设计涉及⼤量的计算，主要的有⼯艺流程的模拟，管道⽔⼒学计算，公⽤⼯程管⽹计算，换热器设计计算，容器尺⼨计算，转动设备的计算和选型，安全阀泄放量和所需⼝径的计算，**泄放系统，控制阀Cv计算和选型，等等。
这些计算过程通常都有专⽤的商业软件或者是⼯程公司⾃⾏开发的软件或者计算表格。
⼤的设计公司通常也会指定公司⽤于以上设计过程的软件或经过确认的表格。
下⾯就我的经验来看看常⽤的⼀些软件。
1. ⼯艺流程模拟：ASPEN PlusPro IIHYSYS2. 管道⽔⼒学计算：通常是⼯程公司⾃备的EXCEL表格，没必要使⽤专⽤软件。
高斯输入文件的说明
⾼斯输⼊⽂件的说明%chk=input.chk%mem=600MB (使⽤600MB内存空间）%nprocl=4 （使⽤4个计算节点）%nprocs=2 （每个计算节点使⽤2颗CPU）下⾯是⼀个输⼊⽂件#T RHF/6-31G(d) TestMy first Gaussian job: water single point energy0 1O -0.464 0.177 0.0H -0.464 1.137 0.0H 0.441 -0.143 0.0第⼀⾏以#开头,是运⾏的说明⾏,#T表⽰指打印重要的输出部分,#P表⽰打印更多的信息.后⾯的RHF表⽰限制性Hartree-Fock⽅法,这⾥要输⼊计算所选⽤的理论⽅法6-31G(d)是计算所采⽤的基组,就是⽤什么样的函数组合来描述轨道Test是指不记⼊Gaussian⼯作档案,对于单机版没有⽤处.计算的理论,如HF(默认关键词,可以不写),B3PW91;计算采⽤的基组,如6-31G, Lanl2DZ;布局分析⽅法,如Pop=Reg;波函数⾃恰⽅法,如SCF=Tight.Pop=Reg只在输出⽂件中打印出最⾼的5条HOMO轨道和最低的5条LOMU轨道,⽽采⽤Pop=Full则打印出全部的分⼦轨道. SCF设置是指波函数的收敛计算时的设定,⼀般不⽤写,SCF=Tight设置表⽰采⽤⽐⼀般⽅法较严格的收敛计算. Gaussian 包含多种化学模型，⽐如计算⽅法⽅法Gaussian 关键词HF Hartree-Fock⾃恰场模型B3LYP Becke型3 参数密度泛函模型，采⽤Lee-Yang-Parr 泛函MP2 ⼆级Moller-Plesset 微扰理论MP4 四级Moller-Plesset 微扰理论QCISD(T) ⼆次CI⼀般采⽤开壳层的可能性是存在奇数个电⼦，如⾃由基，⼀些离⼦激发态有多个单电⼦的体系描述键的分裂过程计算采⽤的基组，如6-31G，LANL2DZ三种最常⽤的价层劈裂基组3-21G、6-31G 和6-311G半经验⽅法包括AM1，MINDO/3，PM3，常见的软件包有MOPAC，AMPAC，HyperChem，以及Gaussian。
常用的量化计算软件
能快速计算得到大分子体系的能量、激发态、极化率等性质
Molpro
国际上广泛使用的专业级电子结构量化计算软件 不同于其它的量子化学软件包，MOLPRO的重点是高精度计算，通过多参考CI， 耦合簇和有关的方法，广泛处理电子相关问题。程序的核心是MCSCF，MR-CI， 和耦合簇程序，以及一系列附加功能。 功能：多组态自恰场 ；自动计算振动频率，强度和热动力学特性；EOM-CCSD 计算激发态；MCSCF和MRCI波函的单电子跃迁特性，包括自旋-轨道耦合； MCSCF波函的一些双电子跃迁特性；多种单电子特性等等。
能计算出电子组态的详细信息，适合用于研究多电子激发、反应路径跟踪等性质 缺点：计算体系较小，仅限于研究几个原子的分子体系。
Turbomole
在标准的量子化学计算(HF，DFT，MP2)中，Turbomole是最快最稳定的代码之一。不 像其它把主要注意力放在新方法和新功能上的代码，Turbomole着重解决如何用尽量短 的时间和尽量少的内存需求，快速稳定地处理工业应用型的分子。特别是独有的RIDFT方法，可以较其它大多数量子力学程序节省10倍的CPU时间。由于它使用了辅助函 数(单位元分解近似)使得TURBOMOL非常适合于计算大分子或重复计算中等分子。 Turbomole支持串行和并行两种计算模式。并行效率较高。
VASP，CPMD
• 高精度量化计算软件： Molpro • 其 他 ： Turbomole; HyperChem;
NWChem; Q-Chem；Jaguar; 等
Gamess;
Gaussian 03
Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以研究： 1. 分子能量和结构； 2. 过渡态的能量和结构化学键以及反应能量，反应路径; 3. 分子轨道，偶极矩和多极矩，原子电荷和电势，振动频率; 4. 红外和拉曼光谱，NMR，极化率和超极化率; 热力学性质； 5. 计算可以模拟在气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态； 6. 还可以对周期边界体系进行计算 Gaussian是研究诸如取代效应,反应机理,势能面和激发态能量的有力工具。
ew离子交换当量
ew离子交换当量离子交换是一种广泛应用于水处理、化学工业和环境保护等领域的技术。
它通过特定离子交换剂与溶液中的离子进行选择性吸附，实现离子浓度的降低或离子种类的转换。
本文将从离子交换基本概念、离子交换当量的定义和计算方法、离子交换过程中的影响因素、离子交换应用领域和提高离子交换效果的策略等方面进行详细阐述。
一、离子交换基本概念离子交换是指在溶液中，离子通过交换剂上的可交换离子位点，从一个溶液相转移到另一个溶液相的过程。
这个过程通常发生在两个溶液相之间，其中一个溶液中含有待处理的离子，另一个溶液中含有可以与待处理离子发生交换的离子交换剂。
二、离子交换当量的定义和计算方法离子交换当量（Exchange Equivalence）是指在一定条件下，离子交换剂可以交换的离子的数量。
它是一个重要的性能指标，用于衡量离子交换剂的交换能力和效果。
离子交换当量的计算方法为：离子交换当量= （吸附离子的摩尔浓度× 交换剂的吸附量）/ 溶液的体积其中，吸附离子的摩尔浓度是指离子交换剂在吸附过程中所吸附的离子的摩尔数，交换剂的吸附量是指单位质量的交换剂所能吸附的离子数量，溶液的体积是指进行离子交换的溶液体积。
三、离子交换过程中的影响因素1.离子交换剂的性质：离子交换剂的种类、结构和活性位点对离子交换效果具有重要影响。
2.溶液条件：溶液的pH值、离子浓度和温度等条件会影响离子交换过程的动力学和热力学。
3.交换过程的动力学：包括交换速度、吸附和解离速度等，影响离子交换效果的速率和效率。
4.操作条件：包括流量、交换时间和交换剂量等，合理调整操作条件可以提高离子交换效果。
四、离子交换应用领域1.水处理：离子交换技术在水处理领域具有广泛应用，如去除水中的硬度离子、脱盐、除碱等。
2.化学工业：用于离子分离、提纯和浓缩等过程，如离子交换膜法电解、离子交换吸附等。
3.环境保护：应用于废水中有害离子的去除和污水处理，如重金属离子去除、有机物降解等。
药物分子设计
测定方法：摇瓶法、HPLC法和预测法（基团加和法和分子整体性质描述法）
3D-QSAR
4
3
5
疏水性参数(lgP)
生物活性强度常常是用在一定的时间内达到同样效应时的浓度或剂量表示，如 半数有效浓度 EC50 半数抑制浓度IC50 半数致死量LD50 最低抑制浓度MIC
药物分子设计
从已知结构的受体(靶蛋白或活性位点) 和配体出发,通过化学计量学方法模拟分子的几何结构和分子间作用力来进行分子间相互作用识别并预测受体-配体复合物结构的方法称为分子对接。
分子对接的一般原理
分子对接是将已知三维结构数据库中的分子逐一放在靶标分子的活性位点处。通过不断优化受体化合物的位置、构象、分子内部可旋转键的二面角和受体的氨基酸残基侧链和骨架,寻找受体小分子化合物与靶标大分子作用的最佳构象,并预测其结合模式、亲和力和通过打分函数挑选出接近天然构象的与受体亲和力最佳的配体的一种理论模拟分子间作用的方法。
Hyperchem
Mac, Windows http://www. /
6.其它模块：RAYTRACE模块、RMS Fit、SEQUENCE编辑器、晶体构造器糖类构造器、构像搜寻、QSAR特性和脚本编辑器。 7.新的力场方法：Amber2、Amber 3、用于糖类的Amber、Amber94、Amber96。 8.ESR谱。 9.电极化率。 10.二维和三维势能图。 11.蛋白质设计。 12.电场。 13.梯度的图形显示。 其它功能：密度泛函理论（DFT）计算、NMR模拟、数据库、CHARMm蛋白质模拟、半经验方法TNDO、磁场中分子计算、激发态几何优化、MP2相关结构优化、新的芳香环图、交互式参数控制、增强的聚合物构造功能、新增基组等等。
HyperChem
分子图形与分子模型设计——HyperChem使用简介厦门大学化学系2005年3月HyperChem使用简介HyperChem是HyperCube Inc.的产品，它具有非常强大的综合计算与分析功能，是优秀的分子图形和分子设计的工具软件之一。
HyperChem是运行在Windows系统的分子计算与建模软件，具有量子化学（半经验和从头算）、分子力学、分子动力学、随机动力学、Monte Carlo模拟等计算功能，计算结果可以用三维图形显示。
它还提供用户VB、C/C++和FORTRAN等语言的应用程序接口。
HyperChem 7.5版本已经推出。
图1是HyperChem的工作窗口，最下部是工作状态档。
在菜单下面是常用工具档。
图1 HyperChem的工作窗口HyperChem的操作可以使用鼠标和键盘两种。
在工具档从左开始有8个工具图标，当鼠标点图标之后，鼠标在工作区的形状也改变为该图标的形状：1.绘图工具。
鼠标双击该图标可直接进入缺省元素周期表，选择所要绘制元素。
2.选择工具。
3.xy轴方向旋转工具，也可使用键盘的上下左右光标键进行相同的操作。
4.z轴方向旋转工具，也可使用键盘的Home和End键进行相同的操作。
5.xy轴平移工具，也可使用键盘的Shift+上下左右光标键进行相同的操作。
6.z轴平移工具。
7.缩放工具，也可使用键盘的PgUp和PgDn键进行相同的操作。
8.z轴截片工具。
鼠标操作有较为多样：左点击、右点击、左拖拉、右拖拉、左右拖拉、Shift+左点击、Shift+右点击、双击等。
一般的旋转和平移操作是使用鼠标的左键进行，当完成了某个基团、分子的选择之后，可以使用右键对所选部分进行旋转和平移操作。
HyperChem的详细操作将结合具体的实例进行讲解。
以下通过对HyperChem 5.1的菜单命令的介绍，说明它的主要功能和使用方法。
一、File1.New (Ctrl+N)：新建一个沿尚未命名文件。
HyperChem应用-水分子轨道计算
HyperChem应用水分子轨道计算构造水分子1. 在Display菜单，确保Show Hydrogens打开，Rendering对话框Sticks栏中的Perspe ctive关闭。
2. 关闭Default Element对话框中的Explicit Hydrogens，设置缺省元素为O。
3. 在工作区画一个氧原子。
4. 双击Selection激活Model Builder。
它自动为氧原子添加氢原子。
5. 设置Label添加元素符号。
结果是这样：∣H∣∣∣O╲╲╲H键角是109度。
结构校准1. 在Edit菜单选择Align Molecules。
2. 在Align对话框选择Secondary，With对话框选择Y Axis。
3. 关闭Minor Axis。
4. 选择OK。
得到这样的水分子：H H╲╱╲╱╲╱╲╱O5. 把这个结构保存为h2o.hin。
显示原子电荷1. 打开Labels对话框。
2. 把Charge作为Atom的选项，单击OK。
计算波函1. 在Setup菜单选择Semi-empirical。
2. 选择CNDO方法。
选择Options。
当然也可以选择其他方法。
3. 在Semi-empirical的Options的对话框中使用下面的值：Total charge: 0, Spin multiplicity: 1, Spin Pairing: RHF,State: Lowest, Convergence limit: 0.0001, Iteration limit: 50,Accelerate convergence: NO。
这意味着两次叠代计算的值的差小于0.0001 kcal/mol，叠代次数已经达到了最大的次数5 0次。
4. 选择OK回到工作区。
5. 选择Compute菜单中的Single Point。
结果：能量，梯度，和原子电荷如图所示：0.145 0.145╲╱╲╱╲╱╲╱-0.290窗口左下角：Energy=-320.414117, Gradient=124.385845, Symmetry=C2V(结果可能会有略微差别。
HyperChem软件的应用2011
5.模拟分子光谱 分子光谱（振动光谱、电子光谱）是结构 化学中非常重要的内容之一。 研究物质的分子光谱，可以使我们了解分 子中电子的运动，分子中各原子核的相对振动 以及整个分子的转动情况。分子光谱也是现代 研究分子结构和进行定性、定量分析的重要方 法之一。 HyperChem能够对分子进行振动分析，对振 动频率、振动模式、红外吸收强度、电子跃迁 等进行计算，
6. 数据库（Database） 数据库（ ） 氨基酸、核酸、糖类。 氨基酸、核酸、糖类。
6. 其它模块：晶体构造器；糖类构造器，构 其它模块：晶体构造器；糖类构造器， 像搜寻， 特性， 像搜寻，QSAR特性，脚本编辑器。 特性 脚本编辑器。
ห้องสมุดไป่ตู้
2.建立与显示分子骨架模型： 结构输入和对分子操作。 除了能绘制分子的平面结构，还能够获得 分子的空间构型、键长、键角、扭转角、氢键 等参数。建立起3D或2D分子结构模型。 几何优化
3. 化学计算： 化学计算： 量子化学计算（从头计算，半经验方法， 量子化学计算（从头计算，半经验方法，密度 泛函计算）：单点计算、 ）：单点计算 泛函计算）：单点计算、几何优化和过渡态寻 找计算； 找计算； 分子力学计算； 分子力学计算； 分子动力学模拟计算（ 分子动力学模拟计算（Langevin，Metropolis ， Monte Carlo模拟）。 模拟）。 模拟
4. 可以用来研究的分子特性： 可以用来研究的分子特性： 同位素的相对稳定性；生成热；活化能； 同位素的相对稳定性；生成热；活化能；原 子电荷； 能量间隔； 子电荷；HOMO-LUMO能量间隔；电离势； 能量间隔 电离势； 电子亲和力；偶极矩；电子能级； 电子亲和力；偶极矩；电子能级；过渡态结 构和能量；非键相互作用能； 构和能量；非键相互作用能；
分子模拟软件Hyperchem在固体物理教学中的应用
（ ）打开 ｓｔｐ 设置） ２ ｅｕ （ 菜单 ， 中 Ｍｏ ｃ ａ ｃａｉ （ 选 ｌ ｕ ｒ ｈｎｃ 分子力学 ） ， 图 ２ 示 ｅｌ Ｍｅ ｓ 项 如 所
一
９ — ０
模 型 ． 图 ５所 示 如
图 １ Ｃ。 子 中碳 原 子 联 接 图 分
图２
图３
图 ４ Ｃ ０ 三 维 分 子 结构 图 ６的
图 ５ 纳 米 碳 管 的 三 维 结 构
２ ２ 利 用 晶 体 构 造 器 功 能 显 示 晶 体 的 三维 结构 ．
固体物理学 的学 习一般 是从 晶体结构开始 的 ， 晶体 三维结构的掌握是后续学 习的重要 基础． 埘 这部分 内容涉及 到很多复杂 的空 间结 构 ， 教师难 以用 语言描述清楚 ， 为克服这 吲难 我们 可 以利用 Ｈ ｐｒｈｍ 的 晶体 构造器 获得 各种 晶体 的三维结构 ， ｙｅｃｅ 并
级 、 ２电子相关能 、 Ｉ ＭＰ ｃ 激发态能量 、 过渡态结构 和能 量、 非键相互作用能、 Ｖ吸收谱 、Ｒ吸收谱 、 ｕ Ｉ 同位素对振动 的影 响、 团簇的
稳定性 、Ｓ Ｅ Ｒ谱 、 ＭＲ模拟、 Ｎ 磁场中分子计算 、 激发态几何优化 、 ２相关结构优化等． ＭＰ
１３ 构 造 分 子模 型 ．
第２ ５卷 第 ４期 （自然科 学版 ）
Ｊｕｎ ｌ ｆ ｉｎｓ ｎｔｕｅｏ ｄ ｃｔ ｎ（ ａ ｒｌ ｃ ｎ ｅ） ｏｒａ ｏ ａｇｕＩｓ ｔ ｆ ｕａｉ Ｎ ｔ ａ Ｓ ｉ ｃｓ Ｊ ｉｔ Ｅ ｏ ｕ ｅ
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ４ １２ ．
第一性原理计算的原理和应用
第一性原理计算的原理和应用随着计算机技术的不断发展和物理化学科学的深入研究，人们发现可以使用计算机模拟复杂的现象和过程，这就是第一性原理计算。
本文将介绍第一性原理计算的原理和应用。
一、第一性原理计算的原理所谓第一性原理计算，是指基于量子力学的原理和公式推导出固体、液体和气体内部物理化学现象的计算方法。
其中最基本的公式是薛定谔方程式：HΨ = EΨ其中H是系统的哈密顿算符，Ψ是波函数，E是系统状态的能量。
这个方程可用来计算电子运动的态函数和能量。
但这个方程式无法直接解出来，因为它涉及到太多的变量。
因此，研究者们发明了一种数值算法，称为密度泛函理论（DFT）。
密度泛函理论中的密度泛函表述的是体系中全部粒子的费米分布函数，它是电子密度的函数。
通过求解密度泛函，就可以推算出化学反应、材料表面的反应、气态中的自由基反应等等。
二、第一性原理计算的应用第一性原理计算是基于量子力学的计算方法，也可以称为第一原理分析计算。
它可以帮助我们理解物理和化学的基本原理，对于材料和化学的设计也有很大帮助。
1、材料设计组成纳米和宏观物质的原子是复杂的物理系统，它们的内部结构和外部特性带有很多未知因素。
第一性原理计算可以让我们更好地理解原子和分子之间的物理作用原理，通过模拟构建物质结构，预测材料的性质，帮助科学家们设计新的材料。
2、化学反应在化学反应中，基本的机理是原子之间的结构、强度和电性互相作用并且相互作用引入新的物质。
为了利用化学反应进行新的合成，我们需要在原子和分子层面上理解化学反应机理。
第一性原理计算可以揭示反应的原则，为我们提供了在计算机上模拟和预测化学反应的能力。
3、超导研究超导指的是电流在特定材料中不受电阻的限制传导。
探索超导的机制和原理，以及发现可以用此技术制造的材料，可以为能源和电子技术领域带来重大发展机会。
第一性原理计算是超导研究中必不可少的工具，可以预测和评估新材料的超导行为。
三、结论第一性原理计算是一种计算复杂物理化学现象的方法。
化学软件——HyperChem(分子模拟)介绍
化学软件——HyperChem（分子模拟）介绍HyperChem是一款以高质量，灵活易操作而闻名的分子模拟软件。
通过利用3D对量子化学计算，分子力学及动力学进行模拟动画，HyperChem 为您提供比其它 Windows 软件更多的模拟工具。
图形界面：图形界面，有半经验方法（ AM1 ， PM3 等）， UHF ， RHF 和 CI 和7.0 版新增加的密度泛函。
可进行单点能，几何优化，分子轨道分析，预测可见- 紫外光谱，蒙特卡罗和分子力学计算。
主要功能：1. 结构输入和对分子操作。
2. 显示分子。
3. 化学计算。
用量子化学或经典势能曲面方法，进行单点、几何优化和过渡态寻找计算。
可以进行的计算类型有：单点能，几何优化，计算振动频率得到简正模式，过渡态寻找，分子动力学模拟 Langevin 动力学模拟， Metropolis Monte Carlo 模拟。
支持的计算方法有：从头计算，半经验方法，分子力学，混合计算。
4. 可以用来研究的分子特性有：同位素的相对稳定性；生成热；活化能；原子电荷； HOMO-LUMO能量间隔；电离势；电子亲和力；偶极矩；电子能级； MP2 电子相关能； CI 激发态能量；过渡态结构和能量；非键相互作用能； UV-VIS 吸收谱； IR 吸收谱；同位素对振动的影响；对结构特性的碰撞影响；团簇的稳定性。
5. 支持用户定制的外部程序。
6. 其它模块： RAYTRACE 模块， RMS Fit ， SEQUENCE 编辑器，晶体构造器；糖类构造器，构像搜寻，QSAR 特性，脚本编辑器。
7. 新的力场方法： Amber 2 ， Amber 3 ，用于糖类的 Amber ， Amber 94 ，Amber 96 。
8. ESR 谱。
9. 电极化率。
10. 二维和三维势能图。
11. 蛋白质设计。
12. 电场。
13. 梯度的图形显示。
14. 新增功能：密度泛函理论 (DFT) 计算； NMR 模拟；数据库； Charmm 蛋白质模拟；半经验方法TNDO ；磁场中分子计算；激发态几何优化； MP2 相关结构优化；新的芳香环图；交互式参数控制；增强的聚合物构造功能；新增基组。
计算机化学及化学软件网站大全
计算机化学及化学软件网站大全http://www.chem.ac.ru/Chemistry/Soft/ 化学软件网址列表。
http://antas.agraria.uniss.it/software.html 化学软件列表和FTP站点列表。
http://bogense.chem.ou.dk/~icc/software.html 计算化学软件相关的网址。
http://www.lctn.uhp-nancy.fr/Chercheurs/Xavier.Assfeld/links.html 量化软件，基组库，量化教学。
http://www.sc.ehu.es/powgep99/dcytp/teoricos/txoni/programak.htm 量子化学软件和其它有用的应用程序。
/reports/1996/6802brown/ 量子化学缩写辞典。
.tw/pub/ 台湾高速电脑中心各学科领域研究软件，可以下载。
包括Chemistry，databases，parallel，physics，visualization。
/~pac/reps.html Clarkson大学相对论有效势数据库。
提供第二至第六周期全部元素的相对论有效势基组下载，可以用在Gaussian和COLUMBUS上。
/quantum/ 有Dyall博士的《相对论量子化学》授课笔记下载，即将出书。
/ Computational Chemistry List，有免费量化软件下载，以及量子化学论坛等。
/Doc/publist.html 与ADF软件有关的一些博士论文。
从中可以学到很多量化知识。
http://leroy.uwaterloo.ca/ 处理双原子分子光谱参数的一些fortran源程序（LEVEL，BCONT，RKR1，DSParFit）。
申请后，就会发到你的E-mail信箱。
http://zeus.polsl.gliwice.pl/~nikodem//linux4chemistry.html 集中了绝大多数用在Linux下的化学软件。
gaussian基组方法
最准确的方法要数我们重点研究的从头算分子轨道方法了。
它使用的是完全的薛定谔方程, 对原子核及其电子这个体系进行最准确的计算, 得到准确的分子结构及其电子分布, 属于量子力学的在化学中的应用。
用从头算分子轨道理论, 我们可以系统地改进我们的计算结果, 逐步逼近实验结果, 直到达到化学精度：化学精度的含义就是, 对于键长, 误差在正负0,02A, 键角的正负误差为2度, 键能的误差为正负2kcal/mol在从头算方法中, 我们不需要任何经验参数, 只需要象光速, 电子电荷, 电子质量, 原子核质量, Planck常数等这些最基本不变的量即可, 所以从头算方法也被称为从第一原理出发。
所谓的第一原理, 在非相对论情况下就是薛定谔方程, 在相对论情况下就是Dirac方程。
用从头算方法可以对分子结构进行最准确和精确的描写, 可以描写分子的各种性质, 得到其准确能量, 预测其反应性能。
但是由于其要处理所有的核和电子, 是一个非常复杂的多体问题, 另外, 化学能量仅仅是总能量的很小一部分, 约1%或更小, 因此要得到化学上准确的结果就需要得到十分精确的体系能量, 因此计算成本也十分高。
随着计算机技术的发展, 这种情况在逐步得到改善, 对于很小的体系, 已经可以进行十分准确的计算了。
从头算方法是经典的量子化学方法, 是为了求得薛定谔方程的波函数, 再在波函数的基础上求得体系的所有性质。
但是, 我们知道, 无论物理学家还是化学家, 都对电子密度有很深的印象, 那么能不能从电子密度来得到体系的性质呢, 特别是得到我们最关心的性质, 比如体系的能量从20世纪60年代开始, Kohn等就提出了一系列定理, 证明从电子密度得到体系的基态能量是可以的, 这就奠定了密度泛函理论的基础密度泛函理论也是基于完全的薛定谔方程, 在原理上可以得到准确的电子密度或电子分布,经过近30年的发展, 到上世纪90年代, 随着其泛函的发展, 对化学结构的预测可以很容易达到很高的精度, 但是至今也无法找到一种系统的方法, 去象从头算方法那样系统地改进到化学精度。
HyperChem
分子图形与分子模型设计——HyperChem使用简介厦门大学化学系2005年3月HyperChem使用简介HyperChem是HyperCube Inc.的产品，它具有非常强大的综合计算与分析功能，是优秀的分子图形和分子设计的工具软件之一。
HyperChem是运行在Windows系统的分子计算与建模软件，具有量子化学（半经验和从头算）、分子力学、分子动力学、随机动力学、Monte Carlo模拟等计算功能，计算结果可以用三维图形显示。
它还提供用户VB、C/C++和FORTRAN等语言的应用程序接口。
HyperChem 7.5版本已经推出。
图1是HyperChem的工作窗口，最下部是工作状态档。
在菜单下面是常用工具档。
图1 HyperChem的工作窗口HyperChem的操作可以使用鼠标和键盘两种。
在工具档从左开始有8个工具图标，当鼠标点图标之后，鼠标在工作区的形状也改变为该图标的形状：1.绘图工具。
鼠标双击该图标可直接进入缺省元素周期表，选择所要绘制元素。
2.选择工具。
3.xy轴方向旋转工具，也可使用键盘的上下左右光标键进行相同的操作。
4.z轴方向旋转工具，也可使用键盘的Home和End键进行相同的操作。
5.xy轴平移工具，也可使用键盘的Shift+上下左右光标键进行相同的操作。
6.z轴平移工具。
7.缩放工具，也可使用键盘的PgUp和PgDn键进行相同的操作。
8.z轴截片工具。
鼠标操作有较为多样：左点击、右点击、左拖拉、右拖拉、左右拖拉、Shift+左点击、Shift+右点击、双击等。
一般的旋转和平移操作是使用鼠标的左键进行，当完成了某个基团、分子的选择之后，可以使用右键对所选部分进行旋转和平移操作。
HyperChem的详细操作将结合具体的实例进行讲解。
以下通过对HyperChem 5.1的菜单命令的介绍，说明它的主要功能和使用方法。
一、File1.New (Ctrl+N)：新建一个沿尚未命名文件。
计算化学方法确定天然产物绝对构型
HETATM 1 O
1 -7.948 0.314 0.000
O
HETATM 2 H
1 -8.764 -0.157 0.000
H
HETATM 3 H
1 -7.132 -0.157 -0.000
H
CONECT 1 2 3
CONECT 2 1
CONECT 3 1
END
# opt am1 test
H2O
01 O H H
2021/10/10
23
应用实例一 旋光值计算
两种可能的构型： 1R, 5S, 8S, 9S, 10S 1S, 5R, 8R, 9R, 10R
构象分析：Gaussian 03, DFT 结果：分别得到8个构象
结构优化： b3lyp/aug-cc-pVDZ
b3lyp/6-31G*
结果统计：
旋光计算：Gaussian 03
主要三步骤：
选取初始构象：一般选择已优化好的构象， 或者是上次找到的最低能构象。
改变分子坐标：可通过改变笛卡尔坐标的 XYZ坐标的值和改变内坐标的角度这两种 方式来实现。
停止搜索：其标准为没有新构象产生，即 同一构象产生多次时即可停止。
常用软件：RIPS, MCMM, Cerius2
模拟淬火法
基于给定温度下的Boltzmann分布所得到的随机数值来抽样检测 相空间，以概率统计理论为基础，以随机抽样为主要手段。首先 建立一个概率(或随机过程)模型，使它的参数等于问题的解。然 后通过对模型(或过程)的抽样试验来获得有关参数的统计特征解 的近似值及精度估计。Mont Carlo模拟常用来计算一个分子或分 子体系的平均热力学性质，并可扩展到研究分子结构以及液体/ 溶液的平衡性质。
利用Hyperchem软件进行分子结构构建及性质计算
利用Hyperchem软件进行分子结构构建及性质计算实验目的1.初步了解分子模型方法的原理和应用。
2.学习使用Hyperchem软件构建简单的分子并使用适当方法优化结构。
3.学习使用Hyperchem软件计算简单分子的几何和电子性质。
实验原理化学的学习使我们认识了许多分子的分子式及二维结构，如何得到分子的三维结构，以及分子在空间的几何特征和电子特征，则可以借助于理论计算的工具和方法去模拟计算。
HyperChem软件是HyperCube公司开发的Windows界面程序。
是常用的分子设计和模拟软件。
它可以应用于构建简单及复杂的分子模型并进行综合计算与分析。
分子构建过程可以通过熟练各个菜单及工具栏的操作来实现，计算和分析需要我们了解常用的计算方法。
在本实验室中我们需要了解一下计算方法，这些方法位于HyperChem的Setup菜单下。
(1)分子力学(Molecular Mechanics)方法：分子力学又叫力场方法，目前广泛地用于计算分子的构象和能量。
适用于超大规模体系，超低精度计算。
分子力学的基本假设：玻恩-奥本海默近似，原子核的运动与电子的运动可以看成是独立的；分子是一组靠各种作用力维系在一起的原子集合。
这些原子在空间上若过于靠近，便相互排斥；但又不能远离，否则连接它们的化学键以及由这些键构成的键角等会发生变化，即出现键的拉伸或压缩、键角的扭变等，会引起分子内部应力的增加。
每个真实的分子结构，都是在上述几种作用达到平衡状态的表现。
分子力学从几个主要的典型结构参数和作用力出发来讨论分子结构，即用位能函数来表示当键长、键角、二面角等结构参数以及非键作用等偏离“理想”值时分子能量的变化。
不同的分子力场方法采用不同的势能函数。
MM+：适用于有机分子的计算。
Amber：适用于有机分子、蛋白质和核酸等大分子的计算。
(2)半经验计算(Semi-empirical)方法：是求解HF(Hartree-Fock)方程时采用各种近似，或者直接使用拟合的经验参数来近似求解自洽场。
煤燃烧中汞与含氯气体的反应机理研究
ＩＩｇ＋ＨＯＣｌ＿÷Ｍ＿｝ＴＳ叶
Ｈｇｃｌ＋ｏＨ，即Ｈｇ和Ｈｏｃｌ的ｃｌ原子结合牛成稳
定的巾问体Ｍ，然后Ｍ经过渡态Ｔｓ牛成产物Ｈｇｃｌ 和ｏＨ。在反鹿过程中，Ｈｇ ｃｌ键距离逐渐减少（。。
ｎｍ＿ｏ．３４００ ｎｍ－÷ｏ．２４５２ ｎｍ，。。表示距离超过了成
键范闱），相邻的ｃｌ—ｏ键距离逐渐增长（ｏ １８６５ ｎｍ ＿０ ２６５４ ｎｍ¨÷。。１１Ｉｎ），反映Ｈｇ ｃ１键形成，而与 之相邻的ｃｌ Ｏ键断裂的情况，反应过程中分子结构 的变化反映出反应的微观过程。中间体振动频率全
ｌ
０３
３４ ｏ、Ｈ
Ｈｇ～ｃ１＋ｏ——Ｈ 一地ｊｉ蠢一：：溉…，
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１ ７５
…。’，ｕ
Ｈ
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ＨｇＣｌ０Ｈ＝Ｏ
３２。
ＴＳ
图ｌ
Ｏ １ ３１４ 。
Ｈｇ十Ｈ０ｃｌ＿÷ＨｇｃＩ＋ｏＨ的反应过程分析
Ｏ
２４６６
０ ２９００
Ｈｇ＋Ｃ１———Ｈ—————Ｉ＿－Ｈｇ……、一Ｃ卜一】……～Ｈ—————Ｉ・・
ｗｅｒｅ
ｃａｌｃｌｌｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ
ｒａｔｅ
ｃｏｎｓｔａ础ｗａｓ
ｄｅｎｖｅｄ ｂｙ ａｐｐｈｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｔｉｄｎ曲ａｔｅ ｔｈｅｏＴｙ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ
ａｎ
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｉｓ ｔ１１ｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ＩｎｅｃｈａⅡｉｓｍ ｏｆ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ
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HyperChem应用水中质子的从头计算
用explicit hydrogens画H3O+:
1. 在Build菜单选择Explicit Hydrogens。
2．选择Allow Ions。
3. 在Display菜单选择Labels打开Labels对话框。
4. 选择Symbols单击OK。
5. 在Build菜单选择Default Element打开周期表，设置氧元素为缺省元素。
6. 左键单击Drawing工具。
画H3O+
1. 左键单击工作区创建氧原子。
2. 从氧原子画三个价键得到H3O。
在量子力学计算中添加正电荷：
1. 在Setup菜单选择Ab Initio。
2. 单击Options按钮。
3. 设置总电荷（Total charge）值为1，单击OK关闭Options对话框。
4. 单击OK按钮关闭Ab Initio对话框。
这样就得到了H3O+。
选择基组
1. 在Setup菜单选择Ab Initio。
2. 为基组选择Other。
3. 按下Assign Other Basis Set按钮。
4. 从列表中选择4-31G单击OK。
5. 为基组选择Minimal (STO-3G)。
6. 选择Apply Basis Set接着单击OK，或者直接选择OK关闭Ab Initio对话框。
观察每个原子应用的基组：
1. 在Display菜单选择Labels。
2. 选择Basis Set，单击OK。
最小化能量结构
计算H3O+的几何优化：
1. 从Setup菜单选择Ab Initio。
2. 单击Options按钮，保证Total charge = 1，Spin multiplicity = 1，
Spin pairing = RHF，Conver-gence limit = 0.01，Iteration limit = 50，Accelerate conver-gence= Yes，为几何优化选择合适的选项。
Single Point only选项在几何优化中不起作用，因而可以是任何值。
3. 左键单击OK关闭Options对话框和Ab Initio对话框。
4. 从Compute菜单中选择Geometry Optimization。
5. 选择Polak-Ribiere作为几何优化方法，RMS gradient值为0.1，左键单击OK开始几何优化。
H3O+优化结果为键角113.74度键长0.99埃。
计算优化后H3O+包括相关能的总能量：
1. 从setup菜单选择Ab Initio，选择Options按钮并选择计算MP2 correlation energ y，依次单击OK关闭对话框。
2. 从Compute菜单中选择Single Point。
计算结果：用STO-3G基组计算H3O+总能量，在SCF级别为为-47270.57 kcal/mol，在MP2级别为-47300.98，包括了-30.50 kcal/mol相关能。
质子能量
计算H2O + H+优化的STO-3G能量：
1. 选择Drawing工具，右键单击H3O+中的一个氢，把它删除形成H2O。
H +的电能是零，所以计算H2O的质子能量从H2O能量中减去前面计算的H3O+能量。
2. 从Setup菜单选择Ab Initio，选择Options按钮，把Total charge从1 改变成0，接着依次单击OK关闭这些对话框。
3. 从compute菜单选择Geometry Optimization优化H2O，就像前面优化H3O+一样。
优化结果为键角100.00度，键长0.99埃。
用STO-3G基组计算H2O总能量，在SCF级别为为-47041.82 kcal/mol，在MP2级别为-47066.21 kcal/mol，包括了计算的-2
4.45 kcal/mol相关能。
得到质子能量在SCF 级别为228.75 kcal/mol ，在MP2级别为234.
77 kcal/mol。