计算化学分子力学

课程主要内容
一、有限尺度体系(分子、团簇等)电子结构计算 方法－G03程序的使用
二、无限周期体系(一维链状化合物、二维层状 化合物或固体表面、三维固体体相)电子结 构计算方法－VASP/CASTEP程序的使用
主要参考资料: G03用户手册或G03的帮助文件 VASP程序用户手册
相应网址:
简介
量子化学软件目的在于将量子化学复杂计算 过程程序化，从而便于人们的使用、提高计算 效率并具有较强的普适性。
调研
• 你了解哪些化学软件 • 你对那类化学软件感兴趣 • 你正在使用那类化学软件 • 你认为那类软件比较实用 • 你对软件知识的了解程度如何 • 你的软件应用熟练程度
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。
采用基于原子轨道线性组合的从头算方法来研究
来自百度文库固体及表面的电子结构；
VASP: 该软件由奥地利维也纳大学开发，采用基于平面波
基组的密度泛函理论来研究固体及表面的构型以及
动力学过程；
CASTEP： MS软件模块之一，与VASP程序类似；
Dmol:
MS软件模块之一，主要用于有限尺度体系电子结
构研究；
计算过程
绝多数量子化学程序是采用Fortran语言编 写的(Fortran 77或Fortran 90)，通常由上万行 语句组成。
计算原理
基于从头算或第一性原理方法
(ab initio/first principles) Gaussian、ADF、Dalton、Gamess、 Crystal、VASP、Wien、Dmol等
❖分子力学从本质上说上是能量最小值方法，即 在原子间相互作用势的作用下, 通过改变粒子 分布的几何位型, 以能量最小为判据, 从而获得 体系的最佳结构。
分子力场
• 分子力场根据量子力学的波恩-奥本海默近似，一个分 子的能量可以近似看作构成分子的各个原子的空间坐 标的函数，简单地讲就是分子的能量随分子构型的变 化而变化，而描述这种分子能量和分子结构之间关系 的就是分子力场函数。分子力场函数为来自实验结果 的经验公式，可以讲对分子能量的模拟比较粗糙，但 是相比于精确的量子力学从头计算方法，分子力场方 法的计算量要小数十倍，而且在适当的范围内，分子 力场方法的计算精度与量子化学计算相差无几，因此 对大分子复杂体系而言，分子力场方法是一套行之有 效的方法。以分子力场为基础的分子力学计算方法在 分子动力学、蒙特卡罗方法、分子对接等分子模拟方 法中有着广泛的应用。
方法得到的计算结果作为参照，该方法主要用于系列化合物 的研究：如对A1, A2, A3，先用大模型和基组对A1进行研究， 然后以该结果为参照，确定计算量适中的模型和方法并应用 于A1,A2,A3。
计算化学 分子力学
❖分 子 力 学 ， 又 叫 力 场 方 法 （ force field method），目前广泛地用于计算分子的构象和 能量。
Gaussian 98/03: 由Pople等人编写，经过几十年的发展和完善，
该软件已成为国际上公认的、计算结果具有较高
可靠性的量子化学软件，它包含从头算、半经验
以及分子力学等多种方法，可适用于不同尺度的
有限体系，除了部分稀土和放射性元素外，它可
处理周期表中其它元素形成的各种化合物；
Crystal 98/03： 该软件由意大利都灵大学理论化学研究所开发，
化学数据库 体
化学人工智能
系
数
分子 (材料)
据
CAD
分子结构建模
和
与图象显示
性
分子力学
质
计 算 化
计算机 分子模拟
( MM )
的
综
分子动力学 合
(MD & MC) 分
合成路线 CAD
学
量子化学计算
析
数据采集、统计 分析及其它应用
化学 CAI
计算化学的主要 研究内容
计算方面
如何进行计算化学
化学中 的问题
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
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
计算模型和方法的选取是保证计算结果可靠性的关键， 理想的情况是：1.所选取的计算模型与实际情形一致；2.采用 高级别的计算方法。但是，由于受到计算软硬件的限制，在多数 情况下，很难同时做到上述两点要求，实际操作中，当计算模 型较大时，只能选择精确度较低的计算方法，只有对较小的模 型才能选取高级的计算方法。
因此，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。假设当前的研究对象是化合物A， 可通过下列途径进行验证： 1. 与A化合物现有实验结果之间的比较； 2. 若无实验方面的报道，可对与A类似的化合物B进行研究，此
时以B的实验结果作为参照； 3. 当上述方法行不通时，可以采用较大模型和较为高级的计算
软件分类
研究对象
基于半经验或分子力学方法 MOPAC、EHMO、NNEW3等
有限尺度体系(分子、簇合物等) Gaussian、ADF、Dalton、 Gamess、MOPAC、EHMO等
无限周期重复体系(晶体、固体 表面、链状聚合物等) Crystal、NNEW3、VASP、 Wien等
目前常用的量化软件：
试算分析 输出结果
物理模型 数学模型
公式算法
调试
编程
分子模拟
如何进行计算化学
化学中 的问题
试算分析 输出结果
构建 分子模型
寻找过渡态 方法
几何优化 构象分析
能量优化 方法
能量优化方法
• 单纯形法 • 最速下降法 • 共轭梯度法 • Newton-Raphson
寻找过渡态的方法
• 极大-极小逼近法 • 线性内坐标途径法（LICP)
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 4 .计 算 方 法 和 程 序 的 选 取 5 .计 算 结 果 的 分 析 和 整 理
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