Quantum Chemistry Calculation Methods of the Intermolecular Interactions
量子化学计算方法试验
量子化学计算方法试验1. 应用量子化学计算方法进行计算的意义化学是一门基础学科，具有坚实的理论基础，化学已经发展为实验和理论并重的科学。
理论化学和实验化学的主要区别在于，实验化学要求把各种具体的化学物质放在一起做试验，看会产生什么新的物质，而理论化学则是通过物理学的规律来预测、计算它可能产生的结果，这种计算和预测主要借助计算机的模拟。
也就是说，理论化学可以更深刻地揭示实验结果的本质并阐述规律，还可以对物质的结构和性能预测从而促进科学的发展。
特别是近几年来，随着分子电子结构、动力学理论研究的不断深入以及计算机的飞速发展，理论与计算化学已经发展成为化学、生物化学及相关领域中不可缺少的重要方向。
目前，已有多种成熟的计算化学程序和商业软件可以方便地用于定量研究分子的各种物理化学性质，是对化学实验的重要的补充，不仅如此，理论计算与模拟还是药物、功能材料研发环境科学的领域的重要实用工具。
理论化学运用非实验的推算来解释或预测化合物的各种现象。
理论化学主要包括量子化学，（quantum chemistry）是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的一门基础科学。
研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。
量子化学可分基础研究和应用研究两大类，基础研究主要是寻求量子化学中的自身规律，建立量子化学的多体方法和计算方法等，多体方法包括化学键理论、密度矩阵理论和传播子理论，以及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的应用等。
理论与计算化学的巨大进展，正使化学学科经历着革命性的变化。
今天的理论与计算化学几乎渗透到现代一切科技领域，与材料、生物、能源、信息和环保尤为密切，理论化学的应用范围将越来越广。
理论与计算化学逐步发展成为一门实用、高效、富有创造性的基础科学，在化学、生物学等领域的影响越来越显著，且与日剧增。
2. 应用量子化学计算方法进行计算的目的（1）了解量子化学计算的用途。
量子化学
量子化学计算方法
分子模拟
分子力学或量子力学与统计力学结合的分子模拟技 术使量子化学计算从静态向动态、从小体系向纳米、介 观尺度过渡提供了可能。
分子模拟可分为两大类:一类为分子动力学(MD)模拟 ；另一类以概率论为基础的Monte Carlo模拟(MC)。
量子化学计算方法
QM/MM组合方法
量子化学方法(QM) 能精确地预测各种中小分子的物 理、化学性状, 研究化学反应机理。
常听人说“量子化学是棘手的”，这句话不是没有道理的，因 为一提起量子化学，往往就联想到困难的数学和计算。不过现 在否认量子化学有用的人大概是没有了。
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目录
什么是量子化学 量子化学的发展过程 量子化学的研究内容 量子化学计算方法 量子化学计算软件
What quantum chemistry is all about ?
量子化学计算方法
密度泛函理论
如定域密度泛函理论LDFT、自旋密度泛函近似LSDA 、广义梯度近似GGA、密度泛函与分子轨道的杂化方 法(如B3LYP等)等。密度泛函理论改变以往以轨道波函 数为基的特点,以密度函数为为基。
量子化学计算方法
Xα方法
Xα方法是密度泛函理论的一个重要分支, 它是对电子 间非定域的交换能采用了统计平均近似, 用一个与电荷 密度的立方根成正比的密度泛函近似替代了从头计算方 法中计算最为困难的电子交换作用项, 从而在保持较高 理论严谨性和计算精确度的同时, 大大减少了计算工作 量。Xα方法从50 年代发展到现在,根据它们引入近似程 度的不同, 主要可分为以下几种: (1)自洽场多重散射Xα 法(SCF-MS-Xα法) ；(2)分立变分Xα法(DV- Xα法) ；(3)原子线性组合Xα法(LCAO-Xα法) ；
白酒贮存过程中主要成分间氢键相互作用的量子化学计算
白酒贮存过程中主要成分间氢键相互作用的量子化学计算黄张君1，张文华1，曾运航1,*，石碧1，王松涛2,3，沈才洪2,3（1.四川大学轻工科学与工程学院，四川成都610065；2.国家固态酿造工程技术研究中心，四川泸州646000；3.泸州老窖股份有限公司，四川泸州646000）摘 要：用量子化学的方法研究乙醇-水、乙醇-风味成分、水-风味成分以及乙醇-水-风味成分之间的氢键相互作用，以期更深入地认识白酒的老熟机理。
用密度泛函理论计算结果表明：在乙醇、水、风味成分的二元复合物和三元复合物中，结构稳定性由高到低的排序分别为乙醇/水-酸＞乙醇/水-醇＞乙醇/水-酯，以及乙醇-水-酸＞乙醇-水-醇＞乙醇-水-酯。
酸类物质的羰基氧原子和羟基氢原子能分别与乙醇、水的羟基氢原子和氧原子生成氢键，使乙醇/ 水-酸和乙醇-水-酸复合物形成环状结构，故结构稳定性高。
这应该是白酒在贮存过程中风味成分的质量浓度呈现“酸增酯减”的原因之一，同时也是贮存可以增强酒体中氢键相互作用、减少游离分子的原因。
关键词：白酒贮存；量子化学；风味成分；氢键；相互作用Quantum Chemistry Calculation of Hydrogen Bond Interactions between Major Compounds in Baijiu during Storage HUANG Zhangjun1, ZHANG Wenhua1, ZENG Yunhang1,*, SHI Bi1, WANG Songtao2,3, SHEN Caihong2,3(1. College of Biomass Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China;2. National Engineering Research Center of Solid-State Brewing, Luzhou 646000, China;3. Luzhou Laojiao Co. Ltd., Luzhou 646000, China)Abstract: In this work, the hydrogen bond interactions between ethanol and water, between ethanol and flavor compounds, between water and flavor compounds, and among ethanol, water and flavor compounds were investigated by quantum chemistry calculation to provide insights into the mechanism of Baijiu aging. The results density functional theory showed that the structural stability of the binary and ternary complexes was in the decreasing order of ethanol/water-acid > ethanol/ water-alcohol > ethanol/water-ester, and ethanol-water-acid > ethanol-water-alcohol > ethanol-water-ester, respectively. The carbonyl oxygen atom and hydroxyl hydrogen atom in the organic acids could form hydrogen bonds with the hydrogen atom and oxygen atom in the hydroxyl group of ethanol or water, separately, causing the ethanol/water-acid and ethanol-water-acid complexes to form ring structures and consequently improving the structural stability. This may partially explain why the flavor components of Baijiu showed an increase in acids and a decrease in esters during storage and may also explain why storage could strengthen the hydrogen bond interactions and reduce free molecules in Baijiu.Keywords: Baijiu storage; quantum chemistry; flavor compound; hydrogen bond; interactionDOI:10.7506/spkx1002-6630-20200531-375中图分类号：TS261；O641 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2021）12-0045-07引文格式：黄张君, 张文华, 曾运航, 等. 白酒贮存过程中主要成分间氢键相互作用的量子化学计算[J]. 食品科学, 2021, 42(12): 45-51. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200531-375. HUANG Zhangjun, ZHANG Wenhua, ZENG Yunhang, et al. Quantum chemistry calculation of hydrogen bond interactions between major compounds in Baijiu during storage[J]. Food Science, 2021, 42(12): 45-51. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200531-375. 收稿日期：2020-05-31基金项目：国家固态酿造工程技术研究中心基金项目（K2019-243）；四川大学技术开发项目（19H0393）第一作者简介：黄张君（1987—）（ORCID: 0000-0003-4594-2491），女，工程师，博士研究生，研究方向为酒类新产品的研究和开发。
丹皮酚缩糠胺席夫碱还原产物的合成及量化计算研究
丹皮酚缩糠胺席夫碱还原产物的合成及量化计算研究（作者:___________单位: ___________邮编: ___________）【摘要】目的合成标题化合物并对其结构进行了理论研究。
方法以丹皮酚和糠胺为原料合成席夫碱，经硼氢化钠还原得标题化合物；使用Hyperchem7.0程序，用半经验方法计算了化合物分子中能量分布、主要键长、键角以及主要原子的净电荷分布和前言轨道分布。
结果标题化合物，收率65.6%；计算结果分析表明，分子中主要原子之间的键长、键角基本在正常的范围内；负电荷主要集中于O1，O2，O3和N1上。
结论合成的目标产物属于四齿配体，分子呈现最优化的结构并具体一定的稳定性。
【关键词】丹皮酚；糠胺；席夫碱；合成；量化计算Abstract：The title compound was synthesized and its structure was studied in theory.The Schiff base compound was synthesized by condensation of paeonol with furylfurylamine,then it was deoxidized by Sodium borohydried.The energies,bound lengths,bound angles,the net charges of main atom and contributive percents of frontierorbital in the title compound have been calculated by software HyperChem 7.0 in half experience method.The yield rate of title compound was 65.6%.The result of calculation showed that the most of the bond lengths and angles in the system were in the the normal range,negative charge mainly concentrate on O1,O2,O3 and N1.The title compound behaves as quadridentate ligand. The molecular structure is stabilized and it is displayed the optimum structure.Key words：Paeonol；Furylfurylamine；Schiff Base; Synthesis； Quantum chemistry calculation自Schiff 碱发现以来，由于Schiff 碱及其配合物具有杀菌、抗病毒、抗癌、可逆结合氧气、荧光、磁性、仿酶催化等一系列优良性能［1～4］，一直是引人注目的研究对象。
典型聚合物中多种碳的化学位移量化计算
典型聚合物中多种碳的化学位移量化计算付维贵;潘靖;刘珊珊;费睦融;陈莉【摘要】13C NMR chemical shifts of various carbons in polyphenylene oxide (PPO) and poly (N-isopropyl acylamine) (PNIPA) were calculated by Gaussian09 software based on density functional theory (DFT) withB3LYP//GIAO method at 6-311G (2d,p) level. Compared with the experimental results, the theoretical results accurately assigned the 13C NMR chemical shifts of the carbons under different chemical environments. The results indicated that the chemical environments around the chemical groups changed with varying of molecular structures and its conformations.%使用Gaussian09量化计算软件，基于密度泛函理论（DFT），采用B3LYP//GIAO方法基于6-311G（2d，p）基组，计算聚合物聚苯醚（PPO）、聚N-异丙基丙烯酰（PNIPA）中多种碳的13C NMR化学位移。
通过与实验值进行比较，准确归属不同环境下的碳的化学位移，并得到分子结构、构象等因素对化学环境的影响。
【期刊名称】《天津工业大学学报》【年(卷),期】2016(035)002【总页数】4页(P56-59)【关键词】量子化学计算;核磁共振;化学位移;密度泛函理论【作者】付维贵;潘靖;刘珊珊;费睦融;陈莉【作者单位】天津工业大学膜分离与膜过程省部共建国家重点实验室，天津300387;天津工业大学膜分离与膜过程省部共建国家重点实验室，天津300387;天津工业大学膜分离与膜过程省部共建国家重点实验室，天津300387;天津工业大学膜分离与膜过程省部共建国家重点实验室，天津300387;天津工业大学膜分离与膜过程省部共建国家重点实验室，天津300387【正文语种】中文【中图分类】O641.3;O655量子化学（quantum chemistry）是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的分支学科[1-2]，它是化学、物理、材料科学研究的重要工具，不仅可以预测化合物的核磁性质、热力学性质、过渡态能量和结构、红外和拉曼光谱等，还可以了解生物大分子某活性位点的电荷转移.其中，核磁共振谱图的化学位移包含分子体系中的重要信息：一是分子结构的信息；二是分子间相互作用信息[3-4].原子核的化学位移由其所处的分子环境确定，各种影响电子云密度的因素都将影响化学位移，其中各向异性、电负性效应及氢键相互作用等对化学位移影响最大.化学位移谱峰的归属仅是通过实验的手段进行测量分析，对于一些复杂化学结构的确认，会有一些困难.引入理论计算方法进行预测，可以提高化学位移归属的准确性[5-6]，即用高斯软件（如Gaussian09），运用数值方法预测分子的性质[7-9].徐璐[10]将固体核磁共振实验结果与量子化学计算相结合，在不同的初始构型、构象及不同优化方式条件下，得出计算结晶性高分子核磁共振化学位移的可行性方法. Fu等[11]对PMMA和PVPh共混体系进行研究，计算得到与羰基形成氢键相互作用的羟基的化学位移值，理论计算结果与多脉冲固体1H NMR实验谱拟合结果一致.本文利用Gaussian 09量化计算软件，获取PPO和PNIPA两种典型的聚合物的化学位移理论值，通过与实验值比对，进一步对谱峰进行准确归属，解释同种碳在不同化学环境下的化学位移变化及谱峰劈裂的原因.聚苯醚（PPO）分子中含有大量的芳香环结构，每个苯环上有2个对称的次甲基（CH），但固体13C NMR谱中，谱峰存在劈裂且分辨率降低，不易区分.聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPA）的结构式中含有较大的侧基，主链和侧基上都存在不同环境下的烷基碳（CH，CH2），对应的实验谱图存在谱峰叠加，分辨率低，不易区分.以上2种聚合物体系中，不同环境下的多种碳的化学位移明显不同，存在或谱峰叠加不易分辨等现象，本文采用量化计算的方法得到理论化学位移值，与实验谱图相结合，对谱峰进行有效的归属.高斯量化计算均在Linux操作系统下，采用四核并行计算.运用Gaussian 09量化计算软件，基于密度泛函（DFT）理论，采用B3LYP // 6-311G +（2d，p）基组进行结构优化；并在此基础上，选用较为经典的Gauge-Including Atomic Orbital（GIAO）方法化进行NMR化学位移计算[12-13]，化学位移（δ）单位为10-6，以四甲基硅烷（TMS）的13C NMR理论计算值为参考.实验数据和理论计算的谱图，均在Origin软件中进行分析处理.3.1 PPO中多种碳的化学位移搭建PPO二聚体，优化后的模型图如图1所示.计算得到的PPO化学位移的理论谱图与实验谱图[14]进行比对分析，如图2所示.图2中曲线是实验谱图，下面的竖线表示量化计算所得化学位移理论值.实验谱峰拟合值和13C NMR谱的理论化学位移值，列于表1中.通过表1中实验值和理论值对比可以看出，各种碳的化学位移理论值和实验值几乎相近，说明结构搭建及计算结果合理有效.对比苯环上不同位置上的次甲基（CH）的化学位移，其中CH（C2）谱峰劈裂；而季碳C1和C5的谱峰明显分开. C2在分子结构式中虽然处在对称的位置上，但在实际分子构象中（图1），一个远离甲基（如21号碳原子距离11号质子0.426 nm），一个靠近甲基（如22号碳原子距离11号质子0.316 nm），化学环境发生变化，从而出现谱峰劈裂，化学位移理论值分别为119.25×10-6和115.01×10-6，各自与相应的实验曲线谱峰拟合结果相接近.远离CH3（靠近端羟基）的C（C1）周围电子云密度小，化学位移处在高频处（160.00× 10-6）；而远离端羟基与醚氧键—（C—O—C）—键连的C（C5）靠近2个CH3，周围电子云密度大，因此在低频处（150.55×10-6）.从而说明，该分子中多种碳局域化学环境的不同与分子构象相关.3.2 PNIPA中多种碳的化学位移搭建PNIPA三聚体与NIPA单体相互靠近的模型，模拟聚合物分子间氢键的形成，结构优化模型如图3所示.图3中虚线链接的代表三聚体中C=O氧原子（原子标号38）与单体侧基上的NH质子（原子标号88）间形成一对氢键.将计算得到的理论值与文献[14]中的实验谱图进行比对分析，如图4所示.图4中曲线为实验谱图，下面的竖线是理论计算值.实验谱图拟合得到的峰值和13C NMR理论化学位移值列于表2中.从图4中实验谱图分峰拟合结果可以看到，主链上的CH（C2）13C NMR化学位移在37.22×10-6附近，而侧基上CH（C4）的化学位移为42.03×10-6；从表2中对应的理论值可以看到，CH（C2）的化学位移为38.27× 10-6，侧基上CH（C4）的化学位移在44.88×10-6附近.当侧基上的羰基（C=O）上的氧原子（原子标号为38号）与另一个单体分子侧基上的氨基（NH）质子（原子标号88）形成分子间氢键后（如图3所示），与羰基碳键连的主链上的CH上的碳原子（原子标号13）的化学位移较形成氢键前向低频方向移动了约1×10-6.这里实验值与理论计算值略有偏差，一方面是由于实验值是各种构象加权的结果，同时分峰拟合值也会有人为误差；另一方面，PNIPA分子侧基较大，空间位阻相应较大，多条分子链间形成多氢键体系时，在不同位置上的同种碳的化学位移也会由于空间构象的变化而不同，这里我们用简单的模型优化计算结果区别不同的烷基碳，定性的帮助对实验谱图的谱峰归属.实验谱峰拟合和量化计算结果绝对值的比较，还有待于更多单元和多条分子链分子间氢键的模拟结果.从PNIPA结构式上看，主链上的CH2（C1）和CH （C2），及侧基上CH（C4）的谱峰叠加，由于主链上的CH （C2）与侧基上的羰基（C=O）相连，去屏蔽效应增加，因此C2相对于C1（实验拟合值δ= 32.80×10-6）略向低场处偏移.而侧基上的CH（C4）与氨基（NH）键连，使得电负性增加，周围电子云密度降低，相应化学位移向高频处移动（＞42×10-6），因此高频处（42.03×10-6）的尖峰归属为PNIPA侧基上的CH的信号峰.该理论计算结果与固体核磁共振实验中采用魔角旋转下极化反转自旋交换（PISEMA）方法对CHn信号的鉴别结果是一致的，从42×10-6左右的峰的偶极劈裂谱线型可以判断该处只有CH信号，没有主链上CH2的偶极劈裂线型出现[14].固体状态下，由于偶极耦合作用的影响会使谱峰展宽互相叠加，用量化计算方法计算中心位移值，对帮助固体或液体核磁共振谱图解析是有效的，本文对主链上CH和侧基CH的计算结果与文献[14]中的实验归属一致，与文献[15]中的液体核磁共振谱图的归属还存在分歧.此外，还搭建了由多个单体组成具有不同立构的分子模型，结构优化及计算结果表明，立构规整度对主链上CH和CH2的化学位移影响较大，化学位移偏移范围可达5×10-6～10×10-6，因此实验谱图拟合结果显示这2种基团谱峰较宽，而对侧基上CH的影响不大（偏移在2×10-6范围内）.本文使用Gaussian 09量化计算软件，基于密度泛函（DFT）理论，采用B3LYP // 6-311G +（2d，p）方法，分别对PPO和PNIPA聚合物中多种碳进行13C NMR化学位移理论计算，并与实验谱图相比较.研究表明：（1）对于典型聚合物中多种碳的核磁共振谱图的化学位移，由于诱导效应、分子间氢键等的影响，分子构象的不同，使原子周围化学环境发生变化，导致化学位移发生变化或谱峰劈裂.（2）通过量化计算方法，可以帮助复杂体系的核磁共振等实验谱图的解析和谱峰归属.【相关文献】[1] RITA C G，LEIF A E. 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b3lyp计算分子结构的流程
b3lyp计算分子结构的流程英文回答：The B3LYP method is a widely used computational approach in quantum chemistry for calculating the molecular structure and properties of a system. The workflow of aB3LYP calculation involves several steps.1. Geometry optimization: The first step is to determine the optimized geometry of the molecule. This involves finding the arrangement of atoms that minimizes the total energy of the system. The B3LYP method uses a combination of density functional theory (DFT) and Hartree-Fock (HF) theory to calculate the energy. The optimization is performed by iteratively adjusting the positions of the atoms until the forces on each atom are minimized.2. Basis set selection: The next step is to choose an appropriate basis set to describe the electronic wavefunctions of the system. The basis set consists of aset of mathematical functions that are used to approximate the wavefunctions of the electrons. There are manydifferent basis sets available, ranging from simple to highly accurate ones. The choice of basis set depends on the size and complexity of the molecule being studied.3. Single-point energy calculation: Once the optimized geometry and basis set are determined, a single-point energy calculation is performed. This involves calculating the total energy of the system at the optimized geometry using the B3LYP method. The single-point energy calculation provides information about the stability and electronic properties of the molecule.4. Analysis of results: After obtaining the energy, various properties of the molecule can be calculated and analyzed. These include molecular orbital energies, bond lengths, bond angles, vibrational frequencies, and dipole moments. These properties can provide insights into the molecular structure, reactivity, and spectroscopic behavior of the system.In summary, the B3LYP method for calculating molecular structure involves geometry optimization, basis set selection, single-point energy calculation, and analysis of results. It is a powerful tool for understanding the properties and behavior of molecules in a computational setting.中文回答：B3LYP方法是量子化学中广泛使用的一种计算方法，用于计算分子的结构和性质。
药物设计的原理和方法
药物设计的原理和方法药物是指可以治疗疾病的化合物，药物的作用方式是通过与生物大分子相互作用来影响生物系统的功能。
然而，药物因其特异性和效应持续时间等特性而可能对生物系统产生负面影响。
因此，药物设计成为了将化学、生物学和物理学等学科知识综合运用的一个领域。
药物设计的原理药物设计的目标是合成有效而安全的化合物，以用于治疗疾病。
对于一种特定的疾病，可能需要设计多种药物并进行比较，以选择出最有效的药物。
药物的效果取决于药物与它所作用的靶标之间的相互作用。
因此，药物设计不仅要考虑药物的特性，还要考虑靶标的性质。
药物设计的一个基本原理是最优作用理论（Optimum effect theory）。
这个理论认为，在药物治疗中，药物和受体（或靶标）的结合应该遵循“最佳反应”的原则。
这意味着药物应该与靶标相互作用，但不应该对其他分子产生影响。
药物和靶标的相互作用是通过一系列物理和化学过程完成的。
因此，药物设计需要综合考虑分子结构、能量、热力学和动力学等多种因素。
药物设计的方法药物设计的方法有多种，包括传统方法和计算机辅助设计方法。
传统方法包括构建小分子库、分子变异（molecular variation）、受体片段分析（receptor fragment analysis）和高通量药物筛选等。
这些方法可以在无需计算机辅助的情况下进行，因此在早期的药物研发中广泛应用。
随着计算机技术的进步和高分子化学的发展，计算机辅助设计方法也成为了药物设计中不可或缺的一部分。
计算机辅助设计方法可以通过分子模拟和分子对接等技术预测分子间相互作用和性质，以指导实验室合成和测试的药物。
药物设计的一些常见计算机辅助方法包括分子动力学模拟（molecular dynamics simulation）、量子化学计算（quantum chemistry calculation）、分子对接（molecular docking）和分子机器学习（molecular machine learning）等。
1_量子化学计算方法简介
• 量子化学方法的局限性：对象为平衡态、单分子
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2013-8-10
分子模拟将原子、分子按经典粒子处理，可提供 微观结构、运动过程以及它们与宏观性质相关的 数据和直观图象
结果精度取决于所采用的粒子间作用势的 合理、精确程度。又称为“计算机实验”， 是理论与真实实验之间的桥梁
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2013-8-10
分子力学法(MM)用于预测大分子的几何构型，其势 函数可用于分子动力学模拟(MD)
原理
• •
原子视为经典粒子，原子间作用力用经验势函数 表示 体系的平衡几何结构由能量最低原理确定
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2013-8-10
作用在粒子上的瞬时合力
•
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2013-8-10
MD处理用于单个分子 (无周期边界)
• 用途 — 预测：
⑴ 复杂有机分子可能的稳定异构体 ⑵ 分子量和元素成分已确定的未知化合物的可能分子 结构
• 办法 ：
⑴ 将分子用计算机“加热”至高温（~1000K）例 ⑵ 进行“逐步退火” MD 计算，在不同温度下取样作 为初始构型 ⑶ 用 MM 法作构型优化
经典模型的局限 — 未涉及化学行为的物理本质
化合物的性质 电子结构
化学反应 核与电子运动状态的变化
•
伴随有电子跃迁、转移、变价的过程，经典的分子模 拟不能处理
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2013-8-10
几种半经验方法(Semi-empirical)
• 1、HMO (Hü ckel Mocular Orbital) 30年代
量子化学计算方法及应用
量子化学计算方法及应用马建华华侨大学材料学院2009级研究生班学号0900202003摘要：文章概括地介绍了从头算法及一些半经验的量子化学计算方法, 同时简要介绍了国际理论界近年发展起来的组合方法、遗传算法、神经网络等计算方法及其在材料学、生物学、药物学以及配位化学中的应用。
关键词：量子化学；计算方法；应用1、量子化学计算方法简介量子力学是20世纪最重要的科学发现之一。
在量子力学基础上发展起来的理论物理、量子化学及相关的计算, 为我们开辟了通向微观世界的又一个途径。
量子化学研究的电子- 原子核体系可用相应的Schrdinger 方程解的波函数来描述。
原则上,Schrdinger方程的全部解保证了多电子体系中电子结构与相互作用的全面描述。
然而, 由于数学处理的复杂性, 在实践中, 总希望发展和运用量子力学的近似方法, 从而无需进行很繁杂的计算就可以说明复杂原子体系的主要特性, 这就必须在原始量子化学方程中引进一些重要的简化, 以便得到一定程度的近似解。
量子化学发展到现在, 根据为解Schrdinger方程而引入近似程度的不同,大致可分为以下几种方法:1.1、从头计算方法(ab initio calculation)[1- 2]从头计算方法, 即进行全电子体系非相对论的量子力学方程计算。
这种方法仅仅在非相对论近似、Born-Oppenheimer近似、轨道近似这三个基本近似的基础上利用Planck常数、电子质量和电量三个基本物理常数以及元素的原子序数, 对分子的全部积分严格进行计算,不借助任何经验或半经验参数,达到求解量子力学Schrdinger方程的目的。
Roothaan方程是多电子体系Schrdinger方程引入三个基本近似后的基本表达。
原则上,只要合适地选择基函数,自洽迭代的次数足够多,Roothaan方程就一定能得到接近自洽场极限的精确解。
因此这种计算方法在理论和方法上都是比较严格的, 其计算结果的精确性和可靠性都大大优于半经验的一些计算方法。
BCN体系的第一性原理研究
ｐ田ａｎｄ ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｔｈｅｏｒｙ
ｉｔｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ ｆｎ＿ｓｔ－ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ
ｍａｔｔｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ＯＲ ＤＦＴ ｈａｓ ｂｃｃｏｎ＇ｔｅ ａｒｏｕｔｉｎｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ
ｐｈｙｓｉｃｓ．
ｅｘｃｈａｎｇｅ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｏｆ Ｐｅｒｄｅｗ－Ｗａｎｇ（ＰＷ９１）ｗａｓ ｕｓｅｄ．Ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｆｔ
ｐｓｅｕｄｏｐｏｔｅｎｔｉａｌⅥ毽ｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｕｓｅｄ ａｌｌ ｅｉｇｈｔ－ａｔｏｍ
ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｍ．Ａｌｌ ＢＣｅＮ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｗｎｅｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｙ
ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅｉｒ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｓｔａｔｅ ｃｕｒｖｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｉｒｓｔ－ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ；Ｔｏｔห้องสมุดไป่ตู้ｌ ｅｎｅｒｇｙ；Ｈａｒｄｎｅｓｓ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ；
山东大学硕士学位论文
进行分析，所有的ＢＣ２Ｎ结构都存在着带隙，具有半导体特性。 关键词：第一性原理；总能量；硬度：能带结构；Ｂ—ｃ－Ｎ；弹性模量
ｎ
山东大学硕士学位论文
Ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｏｆｐｒｉＩｎａｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｉｎ ｍｏｄｅｒｎ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｓｕｐｅｒ ｈａｒｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｓ ａｌｌ ｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｕｂｊｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ
离子液体超分子凝胶制备及其性能的研究
华中科技大学硕士学位论文摘要离子液体超分子凝胶具有高的电导率、良好机械性能、热稳定性和出色的安全性，是一种具有应用前景的新型电解质材料，其性能受凝胶因子与离子液体结构的影响。
本文通过分子设计合成了三类结构不同的凝胶因子，研究了所合成的凝胶因子在不同结构的离子液体中的凝胶化性能、热稳定性、凝胶强度、电化学性能，辅以量子化学计算，探讨了凝胶因子的结构和离子液体的结构对离子液体超分子凝胶性能的影响。
所得结果如下：1、合成了不同碳链长度的二苯甲烷类（G1）、二苯醚类（G2）两类6种凝胶因子。
G1与G2无需助溶剂能使所试验的离子液体凝胶；G2类凝胶因子的凝胶化性能优于G1，这是由于G2中的醚氧键更有利于形成分子间的氢键。
G1与G2在离子液体中的凝胶化能力随碳链长度增加而增强，这与长链烷基亲溶剂作用增强，更易发生自组装有关。
量子化学计算结果表明，凝胶因子在自组装的过程形成氢键；随碳链长度增加，凝胶因子二聚体结合能降低，表明凝胶因子自组装能力更强，理论计算结果与实验结果一致。
2、离子液体超分子凝胶的相转变温度（T GS）随凝胶因子浓度和碳链长度的增加而增大，这是因为碳链长度增加凝胶因子的自组装能力增加，需要更高温度来解缔凝胶所致。
凝胶强度随着凝胶因子碳链长度增加而减弱，这是由于凝胶因子自组装的有序度随碳链长度增加而降低，承受外力的能力减弱。
离子液体凝胶的电导率随着凝胶因子碳链长度的增加而下降，但仍与纯离子液体的电导率在同一个数量级；离子液体凝胶的电化学窗口不受凝胶因子碳链的长度影响，表明离子液体形成超分子凝胶并不影响其氧化还原性能。
3、离子液体的结构对G2-7凝胶因子的凝胶化性能产生影响。
咪唑环上阳离子体积越小，凝胶因子在其中的凝胶化能力越强。
T GS随凝胶因子浓度增大而增加，但随咪唑环上取代基的增大而降低。
量子化学计算表明随咪唑环上取代基的增大，离子液体的二聚体结合能升高，从而使其与凝胶因子间的作用增强，导致凝胶因子在其中的自组装能力降低，与T GS随取代基体积变化的结果一致。
数值模拟在物理实验中的应用方法简介
数值模拟在物理实验中的应用方法简介物理实验一直是科学研究的重要手段之一，它可以通过实际观察和测量来验证理论模型，并为理论模型提供数据支持。
然而，传统的物理实验有其局限性，比如实验成本高、实验过程复杂、有时难以精确控制等。
而数值模拟则可以克服这些困难，成为一种重要的物理实验辅助工具。
数值模拟是利用计算机模拟物理实验过程和结果的方法。
它基于物理方程和数值计算方法，通过将实验对象所遵循的物理规律以数学形式表达出来，并使用数值计算方法求解相应的数学模型，从而得到模拟结果。
下面将介绍数值模拟在物理实验中的几种常用方法。
第一种方法是有限元法（Finite Element Method，FEM）。
有限元法是一种将实际物体离散化为有限数量的元素，再分别对每个元素进行计算和模拟的方法。
它适用于复杂的三维物体模拟，如机械结构的强度和振动分析。
有限元法可以将物理模型划分为许多小的有限元，通过求解每个元素的位移、应力和应变等物理量的方程，最终得到整个物体的力学性能和应力分布。
有限元法具有计算精度高、适用范围广等优点，因此在工程领域得到了广泛应用。
第二种方法是蒙特卡罗方法（Monte Carlo method）。
蒙特卡罗方法是一种基于随机数统计的数值计算方法，它模拟了随机现象的特性，如粒子碰撞、随机游走等。
蒙特卡罗方法常用于模拟粒子的输运过程，比如在核能领域用于计算辐射剂量分布。
蒙特卡罗方法通过生成大量的随机数来模拟概率过程，通过统计随机数的频率分布，从而得到物理系统的统计特性。
第三种方法是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）。
计算流体力学是研究流体动力学和传热传质问题的数值模拟方法。
它基于质量、动量和能量守恒方程，通过将流体领域离散化为网格单元，再通过数值计算和迭代求解，模拟流体的运动和传热传质过程。
计算流体力学广泛应用于气体、液体以及其他复杂流体体系的模拟，比如风洞实验、气动优化设计等。
levine的quantum chemistry 中文 -回复
levine的quantum chemistry 中文-回复Levine的《量子化学》是一本非常经典的量子化学教材，在化学学习中起着重要的作用。
本文将以这本教材为主题，一步一步回答有关《Levine的量子化学》的问题。
首先，我们来看一看这本教材的作者Levine。
Levine的全名是Ira N. Levine，他是美国波士顿学院的化学教授。
他在普林斯顿大学获得了化学博士学位，并于1965年进入波士顿学院。
Levine是一位杰出的理论化学家，他的研究领域涉及量子化学、分子光谱学和分子动力学等方面。
他对化学教育有着浓厚的兴趣，因此撰写了一系列的化学教材，其中包括了《Levine的量子化学》这本经典之作。
那么，《Levine的量子化学》是如何组织和编写的呢？这本教材分为17个章节，内容涵盖了量子化学的基本原理和应用。
首先，Levine在第一章介绍了量子化学的基本概念和背景知识，包括波函数、哈密顿算符和薛定谔方程等内容。
随后的几章中，他详细介绍了原子和分子的电子结构、量子力学和电子态、多电子原子和分子的电子结构等内容。
在这些章节中，Levine提供了丰富的图示和例题，以帮助读者更好地理解和应用所学的知识。
在接下来的几个章节中，Levine详细讲解了量子化学的计算方法和工具。
他介绍了Hartree-Fock方法、密度泛函理论和配置相互作用等理论和算法。
此外，Levine还介绍了计算分子的力学性质和光谱性质的方法，如振动、旋转、光谱和动力学等。
这些章节的内容相对较为复杂，但Levine通过清晰的逻辑和实例，帮助读者深入理解和掌握这些方法和技巧。
最后，Levine还在教材的最后几章中介绍了一些量子化学应用的具体案例。
例如，他讲解了分子反应动力学、化学反应速率和平衡常数、溶液和表面的量子化学等内容。
这些应用案例有助于读者将所学的理论知识应用到实际问题中，并且展示了量子化学在化学研究和工程中的重要性。
总体而言，《Levine的量子化学》这本教材既深入浅出，又涵盖了量子化学的广泛内容。
量子化学在煤微观结构研究中的应用进展
有效的说明，这样能有效的指导脱硫技术。
３ 量子化学在煤含氮官能团的研究中的应用
崔晓丽［２０］ 等应用 Ｇａｕｓｓｉａｎ０９ 程序包 ＵＢ３ＬＹＰ 和 ＱＣＩＳＤ（ Ｔ）
解过程 中 应 用 了 Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｔｕｄｉｏ４． ０ 中 的 Ｄｍｏｌ ３ ， 计 算 方 法 为
ＧＧＡ。 得到了在煤分子内氢转移反应占有重要的地位，氢转移可
以看出整个反应的速度，也得到了煤中各化合物化学键断裂的
难易程度、位点以及生成物。 张向飞［６］ 等人在研究褐煤分子中
收稿日期：２０２１－０２－０６
等）等分子性质，得出了不同形式的硫生成 ＳＯ２ 的难易程度。 杨
［１１］
彦成 在研究不同含硫模型化合物对外加电场的响应时，首先
对煤样进行了 ＸＰＳ 分析，得到硫在煤中存在形式，以 Ｂ３ＬＹＰ 形
式泛函，基组设定为 ６－３１１Ｇ（ｄ， ｐ），采用闭壳层计算体系，对几
种含硫的化合物模型进行几何优化，得出各原子的电荷分布、总
煤的重要方向。 褐煤中含氧量高的问题可以通量子化学过模拟
脱氧得到解决，并且确认了反应过程中各个过渡态、反应物、中间
体和生成物的能量变化和结构参数。 辛海会［３］ 等人在研究煤的
自燃过程中，应用了量子化学的方法，采用了 Ｇａｕｓｓｉａｎ ０９ 软件并
选择了密度泛函数理论和 Ｂ３ＬＹＰ 杂化密度泛函基对煤结构模型
ｃｏａｌ． Ｉｔ ｉｓ ｉｎｄｉｓｐｅｎｓａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ， ａｎｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ
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后台回复“313”免费获取电子书合集Introduction to Computational ChemistryModern Quantum Chemistry Introduction to Advanced Electronic Structure TheoryQuantum Chemistry An IntroductionNeither physics nor chemistry a history of quantum chemistryOrganic Stereochemistry Experimental and Computational MethodsComputational Chemistry and Molecular Modeling Principles and ApplicationsQuantum Computational Chemistry Modelling and Calculation for Functional MaterialsQuantum Nanochemistry, Volume Four Quantum Solids and OrderabilityThe Quantum Theory Atoms in Molecules - From Solid State to DNA and Drug DesignUnderstanding Organometallic Reaction Mechanisms and Catalysis Computational and Experimental ToolsComprehensive Handbook of Chemical Bond EnergiesChemical Reactivity Theory A Density Functional ViewComputational Organic ChemistryComputational Quantum Chemistry II - The Group Theory CalculatorComputational Quantum Mechanics for Materials EngineersComputational Studies Nanotechnology and Solution Thermodynamics of Polymer SystemsDensity Functional Theory in Quantum ChemistryEssentials of Computational Chemistry Theories and ModelsFrontiers of Quantum ChemistryFundamentals of Quantum Chemistry Molecular Spectroscopy and Modern Electronic Structure ComputationsHigh Performance Computing in Chemistry《量子化学基础教程》《量子化学理论基础》Quantum Chemistry (Fifth Ed.) Ira N. Levine Prentice Hall, Inc. 2000Handbook Of Computational Quantum ChemistryComputational Chemistry Using the PCComputational Chemistry：Reviews of Current TrendsA New Dimension to Quantum Chemistry_ Analytic Derivative Methods in Ab Initio Molecular Electronic Structure TheoryA introduction to Quantum ChemistryComputational Modeling of Homogeneous CatalysisChemical Bonding at Surfaces and InterfacesAn Introduction to Computational BiochemistryAb Initio Organic Chemistry A survey of ground and excited states and aromaticityAb initio study of interface states at metal contacts to III-IV semiconductorsAb initio study of the work functions of elemental metal crystalsAccurate Condensed-Phase Quantum Chemistry (Computation in Chemistry)Advanced Computer Simulation_ Approaches for Soft Matter Sciences IAdvanced_Particle_Physics_Volume_I_Particles,_Fields,_and_ Quantum_ElectrodynamicsComputational Chemistry of Solid State Materials_ A Guide for Materials Scientists, Chemists, Physicists and others Advanced_Particle_Physics_Volume_II_The_Standard_Model_ and_BeyondAnnual Reports in Computational ChemistryAtomistic Approaches in Modern Biology_ From Quantum Chemistry to Molecular SimulationsChemical bonding and molecular geometryChemical Engineering Dynamics_ An Introduction to Modelling and Computer SimulationComputational Chemistry A Practical Guide for ApplyingTechniques to Real-World ProblemsComputational Materials Chemistry Methods and ApplicationsComputational Methods in PhotochemistryComputational Methods in Surface and Colloid ScienceComputational Organometallic ChemistryComputational Quantum Chemistry_ An Interactive Introduction to Basis Set TheoryIdeas of Quantum ChemistryComputational Many-Particle PhysicsComputer Simulations of Liquid Crystals and PolymersComputing Methods in Quantum Organic ChemistryConceptual and Computational DFT in the Study of AromaticityElectron correlation in molecules -- ab initio beyond Gaussian quantum chemistryElectronic Structure basic theory and practical methods_Richard.MartinElectronic Structure of Matter – Wave Functions and Density FunctionalsElectronic Structure Calculations for Solids and Molecules Theory and Computational MethodsElements of Quantum ChemistryEncyclopedia of computational chemistryExperimental Quantum ChemistryExplorer Chemistry with Electronic Structure MethodFrontiers in Computational Chemistry_ Volume 1_ Computer Applications for Drug Design and Biomolecular Systems Hightly accurate Calculations of Electronic structureComputational Studies in Organometallic ChemistryIntroduction to quantum mechanics with applications to chemistryIntroduction to Quantum Mechanics_ in Chemistry, Materials Science, and BiologyIntroduction to Relativistic Quantum ChemistryIntroductory quantum chemistryLocalization and Delocalization in Quantum Chemistry_ Volume I Atoms and Molecules in the Ground StateMathematical Challenges from Theoretical-Computational ChemistryMetal Surface Electron PhysicsModern Methods and Algorithms of Quantum Chemistry - Moecular Dynamics TheoryMolecular Modelling Principles And ApplicationsMonte Carlo Methods In Ab Initio Quantum ChemistryMulti-scale quantum models for biocatalysis_ modern techniques and applicationsOrganic Quantum Chemistry ProblemsParallel Computing in Quantum ChemistryModem Modelling of the Chemical Bond (Theoretical and Computational Chemistry )Principles and Applications of Quantum ChemistryQuantum Chemistry The Challenge of Transition Metals and Coordination ChemistryPrinciples of Quantum Mechanics_ As Applied to Chemistry and Chemical PhysicsProblems and Solutions in Quantum Chemistry and Physics Quantum Chemical Models(诺奖得主Pople报告)Quantum Chemistry and ReactionQuantum chemistry and spectroscopyQuantum Chemistry Lecture NotesQuantum Chemistry of Organic Compounds_ Mechanisms of ReactionsQuantum chemistry of solids_ the LCAO first principles treatment of crystalsQuantum Chemistry. An IntroductionQuantum Chemistry_ Fundamentals to ApplicationsQuantum chemistry_ Methods and applicationsQuantum Chemistry_ The Development of Ab Initio Methods in Molecular Electronic Structure TheoryQuantum dynamics in low-temperature chemistryQuantum Mechanics In chemistryQuantum Medicinal ChemistryReviews in Computational ChemistrySolvation Effects on Molecules and Biomolecules_ Computational Methods and Applications (Challenges and Advances in Computational Chemistry and Physics)Strategies and Applications in Quantum ChemistryThe Meaning of Quantum Theory_ A Guide for Students of Chemistry and PhysicsThe Quantum in Chemistry An Experimentalist's ViewTheoretical and Computational Inorganic ChemistryVaritional principles and methods in the theoretical physics and chemistry【课程】中科院计算量子化学视频教程-27讲【课程】南开大学计算量子化学视频教程-44讲【课程】计算化学及其应用-25讲《大分子体系的量子化学》《半导体中得键和能带》《对称性、轨道和光谱》《对称性原理（一）对称图象的群论原理》《对称性原理（二）有限对称群的表象及其群论原理》《多面体分子轨道》《分子反应动力学》《分子反应动力学基础》《分子反应动态学》《分子光谱理论》《分子振动和振动光谱》《图解量子化学》《固体量子化学》《宏观反应动力学及其解析方法》《化学反应动力学》《化学反应对称规则轨道拓扑学和基元过程》《化学键的本质》《现代分子结构研究方法》《基础量子化学原理》《计算化学——从理论到分子模拟》《计算量子化学讲义》《赖文(I.N.Levine)－量子化学》《镧系化合物电子结构计算》《理论化学原理与应用》《量化重要文献汇集》《量化砖头——量子计算必须读懂的资料- 单斌》《量子化学基本原理和从头计算法上、中、下册》《量子化学-基本原理和从头计算法题解》《量子化学唐敖庆》《量子化学基本原理和从头计算法》《量子化学从头计算方法》《量子化学-分子的电子结构理论中从头算方法的进展》《量子化学基础及其应用》《量子化学基础》《量子化学计算方法与应用》《量子化学原理》《量子化学中的群论方法》《没有化学键的分子（“化学拓扑论”概要）》《群论及其在分子结构中的应用》《现代分子结构研究方法》《应用量子化学》《原子簇的结构规则和化学键》《周公度-结构化学基础(第二版)》。
用HMO法探讨O3分子的结构和性质
用HMO法探讨O3分子的结构和性质林和成;张琨;赵光平【摘要】Huckel分子轨道法（HMO）是量子化学近似计算方法之一,对共轭分子的结构和性质的预测方面有广泛的应用。
O3分子能够在大气中稳定存在,具有较强的氧化活性、反磁性和极性。
本文采用HMO法对O3分子的结构和性质进行了解释和探讨。
%Huckel molecular orbital method （HMO） is one of the approximate calculation method of quantum chemistry, Forecasting on the structure and properties of Conjugated molecules have the wide range of applications by using HMO.The O3 molecules can exist stably in the atmosphere, Has strong oxidation, anti-magnetic and molecular polarity. In this paper, the molecular structure and properties of O3 were explained and discussed by using HMO theory.【期刊名称】《湖南科技学院学报》【年(卷),期】2011(032)012【总页数】3页(P27-29)【关键词】HMO;O3;共轭分子【作者】林和成;张琨;赵光平【作者单位】湖南科技学院生命科学与化学工程系,湖南永州425100;湖南科技学院生命科学与化学工程系,湖南永州425100;湖南科技学院生命科学与化学工程系,湖南永州425100【正文语种】中文【中图分类】O641.12Huckel分子轨道法（HMO）是量子化学近似计算方法之一，其计算简便迅速，适用于有离域π分子轨道的共轭分子，在预测分子的结构、性质等方面有广泛的应用[1-2]。
levine的quantum chemistry 中文 -回复
levine的quantum chemistry 中文-回复Levine的《量子化学》分为两个部分，第一部分为理论与应用，第二部分为计算化学。
本文将以中括号内的内容为主题，逐步解答。
首先，我们来了解一下Levine的《量子化学》。
该书是一本非常全面的量子化学教材，已经成为该领域的经典之作。
它涵盖了量子力学的基本原理和方法，并介绍了如何应用这些原理和方法来解决化学问题。
[什么是量子化学？]量子化学是一种研究化学现象的理论和方法，其中涉及到量子力学的原理和技术。
通过对原子和分子的电子结构进行描述，量子化学可以解释化学键的形成、反应机理等。
[为什么要学习量子化学？]了解量子化学对于理解化学现象和设计新的化学反应非常重要。
由于化学反应的终极目标是改变分子内的电子结构，因此量子化学提供了必要的工具和框架，以便我们深入研究这些过程。
[Levine的《量子化学》的内容有哪些？]Levine的《量子化学》分为两个主要部分：理论与应用以及计算化学。
在理论与应用部分，书籍首先介绍了量子化学的基本原理和方法，包括薛定谔方程、确定电子结构的哈密顿量等。
接下来，书中详细介绍了一系列的近似处理方法，如Hartree-Fock方法、密度泛函理论等。
此外，书中还涵盖了分子光谱学、静电势与分子应力、化学反应动力学等方面的内容。
在计算化学部分，书中介绍了常见的计算方法，如量子力学计算方法、分子力学计算方法等，并详细讲解了如何使用这些方法进行实际计算。
[Levine的《量子化学》的特点有哪些？]Levine的《量子化学》凭借其全面而详细的内容、清晰易懂的讲解和丰富的实例而受到了广大读者的赞誉。
这本书既适合初学者入门学习，也适合有一定基础的专业人士深入学习。
另外，书中的内容与实际应用相结合，帮助读者深入理解理论，并将其应用到实际问题中。
[学习Levine的《量子化学》有什么困难？]由于量子化学涉及到复杂的数学和物理概念，初学者可能会遇到一些困难。
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收稿:1998年8月,收修改稿:1998年12月 3国家杰出人才基金和“863”高科技项目基金资助项目33通讯联系人分子间相互作用的量子化学研究方法3朱维良 蒋华良33 陈凯先33 嵇汝运(中国科学院上海药物研究所 上海200031)曹 阳(苏州大学化学系 苏州215006)摘 要 分子间相互作用是一类十分重要的作用,这类作用的实验和理论研究越来越受到化学家、生物学家、材料科学家等的重视。
本文综述了这种相互作用的量子化学研究现状和特点,主要集中于常见的3种量子化学方法。
并对该领域的研究前景作了展望。
关键词 分子间相互作用 超分子 量子化学Quan tu m Chem istry Ca lcula tion M ethods of theI n term olecular I n teraction sZ hu W eiliang J iang H ua liang Chen K a ix ian J i R uy un(State Key L abo rato ry of D rug R esearch ,Shanghai In stitu te of M ateria M edica ,Ch inese A cadem y of Sciences ,Shanghai 200031,Ch ina )Cao Y ang(D ep artm en t of Chem istry ,Suzhou U n iversity ,Suzhou 215006)Abstract T he in term o lecu lar in teracti on is of i m po rtance in chem istry ,b i o logy and m aterials science .Chem ists ,b i o logists ,m aterials scien tists now p ay m o re atten ti on to the exp eri m en tal and theo retical investigati on s of th is k ind of in teracti on .In th is review ,the characteristics and featu res of the investigati on fo r in term o lecu lar in teracti on s w ere in troduced ,m ain ly focu sing on th ree p ractical com p u tati onal m ethods ,and a p ersp ective in th is research field w as also discu ssed .Key words in term o lecu lar in teracti on s ;sup erm o lecu les ;quan tum chem istry一、引 言对于化学家来说,分子间的相互作用(也称弱相互作用)问题不是一个新课题。
本世纪初,人们就发现,许多化学及物理化学现象与分子间的弱相互作用有关[1],其中氢键作用是第11卷第3期1999年8月化 学 进 展PRO GR ESS I N CH E M ISTR Y V o l .11N o.3A ug .,1999人们研究得最早的分子间弱相互作用。
1935年X 射线晶体结构分析证明了氢键的存在[2]。
到1939年,Pau ling 编著了《化学键的本质》一书,使得氢键的概念被广为接受[3]。
1951年蛋白质的A 螺旋和B 折叠结构的发现[4]以及1953年DNA 双螺旋结构中碱基对堆积作用的确认[5],使得人们进一步认识到了分子间弱相互作用在生物大分子体系和生命过程中的作用,人们对氢键的兴趣也越来越浓厚,几十年来方兴未艾。
美国《化学文摘》摘录的有关氢键研究的文献逐年呈线性增加[6],从中可见一斑。
研究发现,分子间的相互作用相当复杂并有多种形式,除了氢键这种最常见和最重要的形式以外,R …P 相互作用是另一类重要的作用形式,这就是:X —H …P 体系的作用方式。
X 为电负性较大的重原子,如:O 、N 、F 等原子;P 体系包括普通的双键和芳香体系。
另外还包括阳离子2P 相互作用。
在生物分子体系中,弱相互作用是一类普遍存在的重要作用。
通过弱相互作用,可以形成生物超分子体系(sup erm o lecu le )[7]。
所谓超分子体系是指由两个或两个以上的分子单元通过分子间作用力而不是化学键结合的复合体系,如DNA 的双螺旋结构,酶与底物的复合物及药物与受体的复合物等。
1930年,L ondon 把这种作用能分为4个组成部分:静电相互作用能、诱导能、色散能和交换能[8]。
现在,随着分子间弱相互作用研究的深入,已经形成了一门新的分支学科——超分子化学(sup erm o lecu lar chem istry )。
有关超分子体系的理论和实验研究现已成为化学、生命科学、材料科学和信息科学等科学领域的研究热点[9]。
以生命科学为例,DNA 和RNA 中碱基对的堆积作用及生物大分子二级、三级和四级结构的稳定作用,蛋白质的折叠,酶与底物的识别及底物对酶的激活作用,药物和受体的结合等等都与这种相互作用有关。
分子间这种相互作用的理论研究相对来说是比较困难的。
研究表明,高精度量子化学方法可以在电子结构的水平上准确地研究分子间相互作用。
因此,分子间相互作用的量子化学研究可望在深层次的理论水平上揭示基因的遗传与变异、酶的催化作用及药物与受体之间的作用等生命现象的本质。
本文就分子间相互作用的量子化学研究方法作一综述,主要集中于ab in itio H F SCF 、微扰M P 2和密度泛函等3种方法。
这3种方法的精确度已比较好,而其他的更精确的方法由于需要的计算机资源十分庞大,所能实现的研究体系很小,故不作详细论述。
二、ab in itio Hartree -Fock (HF )SCF 方法[10-22]11方法的特点H F 方法计算相互作用能($E int )的公式为:$E int H F =E T H F -6i E i H F (1) 其中,E T 为超分子体系的总能量,E i 为子体系的能量。
由于普通的H F 方法没有考虑电子相关,而电子相关对弱相互作用来说是不能忽略的,再加上基函数迭加误差(basis set sup erpo siti on erro r ,B SSE )和大小一致性误差(size 2con sistency erro r ,SCE ),所以该方法在计算弱相互作用能时往往有较大的误差。
如果进行电子相关误差、基函数迭加误差和大小一致性误差的校正,则需很大的计算机资源,因此实际计算,特别是进行大分子计算时是有困难的。
超分子体系构型的H F 优化方法是将整个体系作为一个整体进行优化,寻找位能面上的极小点。
由于存在弱相互作用,体系能量的微小改变将导致超分子构型的较大的变化,故・842・化 学 进 展第11卷H F 方法优化得到的几何构型不稳定,往往随基组的变化而发生较大的改变[16]。
80年代,ab in itio H F SCF 方法还被用来研究超分子体系的振动光谱[10,12,15,16,19,21,22]。
同样,由于ab in itio H F SCF 方法不考虑电子相关,加之基函数不足和体系非谐振动的忽略,导致该方法的计算结果与实验值之间有一个系统误差,这个误差有时甚至可达30%,这时,往往人为地乘上一个修正因子以弥补这一误差。
21研究的体系在80年代,由于受计算条件的限制,关于弱相互作用的ab in itio H F SCF 的研究主要集中在小分子的二聚体和三聚体如:(H 2O )2、(H 2O )3、(N H 3)2、(H F )2、(H F )3等和无机小分子间如:H 2O …N H 3、H 2O …H F 、N H 3…H F 等的弱相互作用,研究内容包括超分子的构型优化、弱相互作用的强度和振动光谱等[10-22]。
特别是在早期的研究工作,为了把计算工作量减少到可接受程度,在不同目的的计算工作中使用不同级别的基组,如构型优化所要求的基组不一定适合用来研究弱相互作用能和振动频率的计算,使得研究工作之间不匹配[23]。
普通的ab in itio H artree 2Fock 方法在研究弱相互作用时,由于存在方法自身难以克服的缺点,导致计算结果不可靠,使得人们转而寻找其它的方法来研究分子间的弱相互作用。
90年代开始,随着计算机硬件和软件技术的发展,越来越多的研究者开始运用M P 方法来解决这个问题。
三、M <ller -Plesset (M P )方法11方法的特点由于M P 的能量包括电子相关能,这就克服了ab in itio H F 方法在研究弱相互作用时的弱点。
M P 方法计算弱相互作用能也采用如(1)式的计算公式:$E int M P =E T M P -6iE i M P (2)这里的能量为M P 方法计算的能量值。
为了得到准确的弱相互作用能,微扰展开中所取的项数越多越好。
如M P 4可包含单、双、三和四激发,这样就充分地考虑了电子相关。
但这会极大地增加计算机时和存储空间,在计算即使是稍大的体系时也难以实现。
从现有的文献资料看,M P 方法中M P 2是用得最多的方法[24—38]。
M P 方法优化超分子体系的构型也是寻找势能面上的极小点,和普通的H F 方法相比,它所需要的时间要长得多。
M P 方法计算超分子体系的振动频率、熵和热能所需的时间同样也比普通的H F 方法多得多。
21研究的体系(1)稀有气体元素2小分子复合体系 这种作用力的强度往往要比普通氢键还要小一个数量级,因此普通的H F 方法难以准确地研究这些体系。
有关这类体系的M P 方法报道很多[39—49],如Chalasin sk i 等研究了A r 2HC l 体系的相互作用[26],M P 2sp df (b 2ex t )计算结果为2.2522kJ m o l [35],而实验估算值为2.1042±0.0368kJ m o l ,绝对误差约为0.1254kJ m o l 。
b 2ex t 表示在计算时使用了键轨道。
(2)含氢键的复合体系 在分子间弱相互作用中,相对来说,氢键作用是一种强作用,能量约为8.36—29.26kJ m o l 。
H F 、H 2O 和N H 3分子形成的超分子是这种作用的代表体系,人们对这些体系作了大量的计算研究。
R acine 和D avidson 在1993年对H F 二聚体体系・942・第3期朱维良等 分子间相互作用的量子化学研究方法的M P 计算研究作过小结[49]。