计算化学概述及qchem程序简介 于建国

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计算化学的发展与应用

计算化学的发展与应用

计算化学的发展与应用计算化学是最近几十年发展起来的一门新型学科,它强调将计算机技术与化学相结合,借助计算机程序来模拟传统实验室方法难以解决的一些问题。

计算化学是应用数学、物理、化学和计算机科学等学科成果,利用模型和计算方法在分子结构与性质的研究中发挥作用的一门学科。

在计算机的广泛应用背景下,计算化学正逐渐得到人们的认可和重视,它在化学研究中的应用越来越广泛,已成为化学科学研究的重要手段之一。

那么,计算化学究竟是如何发展起来的呢?随着计算机技术的快速发展,人们对于计算方法有了更多的期望。

自20世纪50年代以来,出现了一批以分子轨道、分子结构等为基础的量子化学计算方法,如自洽场方法(HF)、密度泛函理论(DFT)、多体微扰(MP)方法、配置相互作用(CI)等等,一时风靡科学界。

自此之后,计算化学和高性能计算在越来越广泛的范畴应用领域中发挥着巨大的作用。

计算化学发展起来后,人们发现在很多情况下,计算机模拟的结果比实验结果更加接近真实情况,特别是当实验结果容易受环境或者其他因素的影响时。

因此,人们越来越多地利用计算机来进行化学研究。

计算化学可以提供我们大量的信息,不仅可以提供物质分子的结构、能量、振动谱、电子光谱等实验测量难以获得的信息,同时还可以预测物质的性质、反应机理和反应动力学等,被广泛地应用于化学反应、材料科学、医药、环境科学、生命科学和新能源等领域的研究。

比如计算机模拟可以帮助人们预测一些药物对人体的影响,同时还可以预测一些反应中间体和反应能量,从而更好地了解机理。

此外,计算机模拟还可以帮助人们开发更加环境友好的新材料和减少生产成本。

计算化学在各方面的应用,都极大地丰富了我们对于物质的认识,为人们提供了更多探究自然的角度和途径。

同时,也为各个行业的研究和发展提供了有力的支撑。

计算化学综述

计算化学综述

计算化学是根据基本的物理化学理论及大量的数值运算方式研究分子、团簇的性质及化学反应的一门学科,它以量子化学理论和计算、分子反应动力学理论等来解释实验中各种化学现象,帮助化学家以较具体的概念来了解、分析观察到的结果,并预测未知的化学系统。

除此之外,计算化学也常被用来验证、测试、修正或发展较高层次的化学理论。

化学的进步必须依靠实验、理论和计算方法的支撑,精确计算纠正实验的错误、考察实验难以确认的中间微观过程,合理定量而有效地解释隐藏在现象背后的原因从而揭示其本质、在总结规律的基础上做出预示甚至设计新的分子或功能材料,已经成为现实。

自从量子化学计算方法的建立,理论和计算方法的应用将大大加强,理论和实验更加密切结合。

今后在该领域的研究应该是向应用领域开拓,在不断开拓其应用领域的过程中逐步改善其方法。

目前,计算机的飞速发展,使计算化学在各行各业得到广泛的应用,逐渐与各相关学科形成了一些崭新的边缘或交叉学科,如微观反应动力学、量子催化、量子电化学和量子生物化学等。

与生命科学、材料科学的结合将会更加有力地推动分子生物学、药物设计、新材料的“分子设计”向纵深发展。

同时,随着学科之间的交叉和相互渗透,也将启发我们参考、借鉴其他学科的研究方法,使其相互结合,扬长避短,走向一个新的高度。

由于计算化学主要是依靠计算机作为硬件载体和实施手段的一门学科,因此,计算机技术的发展将对其起到一定的促进作用。

长远而言,或许光学计算机甚至于量子计算机将会提供现今无法想象的计算速率。

然而,计算化学要有真正突破性的发展,除了硬件的进步外,理论上的研究似乎更为重要。

目前对于大分子的计算限于理论的复杂性只能使用分子力学或半经验法;而且就算计算机功能上能有1000倍的提升,距离准确的量子仿真仍有一段距离。

目前的理论方法,仅能对大约小于十个原子的系统达到化学误差(1-2 kcal/mo1)内的准确度;而且这些准确的计算方法的计算量大约是跟系统大小的七次方成正比。

天津大学《量子化学》 计算化学简介

天津大学《量子化学》 计算化学简介
-Dirac本人对量子力学在化学上的应用 前景十分悲观。
-1952年H. Schull等三人用手摇计算机花 两年才完成一个N2分子的从头算。
-有人断言:用尽世界上的纸张恐亦无 法完成一个Fe原子的计算。
➢ 除了最简单的分子外,在有限的计算资源下, 对一般化学系统应用上需要做太大的简化, 所以通常最多也只能提供定性的预测,而且 在使用上需要非常专业的量化训练及计算能 力,因此量化计算在80年代以前只是非常少 数理论物理化学家的研究工具。
这就有可能恢复理论、实验和简单概念、模 型之间的物理清晰度。
二.计算化学的计算类别
计算化学有四种主要的计算类别:分子力学 (MM)、半经验算法、密度泛函理论(DFT) 和从头算(Ab initio)。
➢ 分子力学(MM)并不基于量子力学原理。
➢ 半经验算法、密度泛函理论和从头算的 理论基础都是量子力学。
从头算方法 (Ab initio)
一.什么是从头算(Ab initio) 1. 从头算的定义 a) “从头算”译自拉丁文“Ab initio”,即 进行全电子体系非相对论的量子力学方 程计算,对分子的全部积分严格进行计 算,不作任何近似处理,也不借助任何 经验或半经验参数。
b) 又称为“Hatree-Fock计算”,物理上常 称为“第一性原理(First principles)”计算。
2. 对基组要求是: a)能反映有意义的化学结果的真实波函数; b)预测的能量能够达到化学精度; c)在实际计算中的所耗用的时间比较适中; d)可移植性强,即能够适用不同的成键环境。
➢一般讲基组越大越好,越接近真实,但对计算 的困难也越大(积分数目与N4成正比),所以 要在二者之间取一。
3. 基组的类型
c) 从头算法是分子轨道法的主流。较之更 加精确的“Post-Hatree-Fock”处理,或各 种较粗略的半经验量子化学计算方法, 都是由从头算法派生出来的。

计算化学概述

计算化学概述

设计
量子化学的研究对象
• 主要:分子、团簇等孤立体系 • 常规处理的体系规模:几个至几百个原子(半经验房卡可到上万) • 能解决的问题:计算反应的快慢和难易、计算各类化学过程的能
量变化、探究反应的机理、预测和解释各类光谱、预测分子结构、 预测分子各种性质(如稳定性、极化率、反应活性、芳香性反应 位点、结合位点)、探究成键与电荷分布等 • 第一性原理研究领域侧重于固体与表面问题,和材料关系密切。 如计算不同晶型的稳定性、声子谱、晶格常数、掺杂和缺陷的影 响、固体表面吸附和催化、材料的导电性、温度和压力的影响。
计算化学解决问题的思想:模型化
➢建立合理的假想模型,或将复杂的实际问题忽略掉次要因素后 简化成有限计算能力下易于求解的简单模型。栗:固体性质计 算简化成单个晶胞、溶液的光谱计算简化为单个分子+溶剂环 境、酶催化计算只考虑活性位点及其附近原子。
➢在有限的计算能力下,针对体系规模和具体问题,采取最合 适的计算方法去研究,eg
• 微观性质、特征、结构
• 原子的空间分布、运动轨迹 • 构象、构型分布(玻尔兹曼分布) • 体系柔性、结构波动程度 • 氢键、盐键、水桥、π-π堆积等 • 非平衡过程中结构变化过程、扩散/吸附等
过程 • 。。。。
• 热容
• pKa
• 。。。。
研究体系可自由搭建,环境模拟(温度、压力、外场
等)可自由设定,体系中的一切信息尽在掌握
蒙特卡罗模拟:。。。。。
可视化、建模程序
• GaussView、Chem3D、Multiwfn、VMD、Avogadro、ChemCraft、 Gabedit、Molekel、Chimera、Molden、很多很 多、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、 、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、 、、、、、、、、、、、、、

计算化学论文

计算化学论文

计算化学论文一、引言计算化学是一门应用计算机来解决化学问题的学科,它通过构建和模拟分子的模型,预测化学物质的性质和反应机理。

计算化学在现代化学研究中起着至关重要的作用,可以加速实验设计和减少实验成本,为化学研究提供重要的理论指导。

本文综述了计算化学的发展历程、常用的计算方法和应用在各个领域的案例研究,以期为读者提供对计算化学的全面了解和深入认识。

二、发展历程2.1 早期计算化学方法最早的计算化学方法可以追溯到20世纪40年代,当时由于计算机技术的限制,研究人员主要使用经验方法,如半经验力场和经验量子化学方法。

这些方法能够对分子进行简单的近似计算,但在描述分子复杂性和准确性方面存在局限性。

2.2 理论计算方法的发展随着计算机技术的进步,理论计算方法开始得到广泛应用。

量子化学方法成为计算化学的核心。

量子化学方法基于量子力学原理,通过求解薛定谔方程来计算分子的能量、结构和其他性质。

常用的量子化学方法包括密度泛函理论(DFT)、Hartree-Fock方法和多体微扰理论等。

2.3 分子模拟和机器学习方法的兴起随着计算机技术的不断发展,分子模拟和机器学习方法在计算化学中起到越来越重要的作用。

分子模拟方法通过模拟分子运动,预测分子的结构、动力学和热力学性质。

机器学习方法则通过建立分子性质和结构的定量模型,通过学习和推断来预测未知分子的性质。

三、常用的计算方法3.1 密度泛函理论密度泛函理论是计算化学中最常用的方法之一,它基于电子密度来描述分子的性质。

密度泛函理论的优势在于具有较高的计算效率和较好的精度,在计算电子结构、化学反应和材料性质等方面有广泛应用。

3.2 分子力场方法分子力场方法是一类经验力场方法,通过定义原子之间的势能函数来描述分子的力学性质。

分子力场方法主要用于分子模拟和分子动力学研究,可以预测分子的构象变化、能量变化和动力学行为。

3.3 量子化学方法量子化学方法基于量子力学原理,通过求解薛定谔方程来计算分子的能量、结构和其他性质。

计算化学在化学化工中的应用综述

计算化学在化学化工中的应用综述

计算化学在化学化工中的应用综述摘要:计算化学在最近十年中是发展最快的化学研究领域之一,通过对具体的分子系统进行理论分析和计算,能比较准确地回答有关稳定性、反应机理等基本化学问题。

如今计算化学已被广泛用于材料、催化和生物化学等研究领域。

本文主要就计算化学的背景、计算化学常用的方法及其在化学化工中的应用等几个方面作一简单介绍。

关键词:计算化学原理材料催化应用引言计算化学是根据基本的物理化学理论(通常指量子化学、统计热力学及经典力学)及大量的数值运算方式,应用计算机技术,通过理论计算研究化学反应的机制和速率,总结和预见化学物质结构和性能关系的规律的学科。

计算化学是化学、计算机科学、物理学、生命科学、材料科学以及药学等多学科交叉融合的产物,而化学则是其中的核心学科[1]。

可以用来解释实验中各种化学现象,了解、分析实验结果,预测化学反应方向,还可以用来验证、测试、修正或发展较高层次的化学理论。

准确高效的理论计算方法也是计算化学领域中非常重要的一部分。

近二十年来,计算机技术的飞速发展和理论计算方法的进步使理论与计算化学逐渐成为一门新兴的学科[2]。

今天,理论化学计算和实验研究的紧密结合大大改变了化学作为纯实验科学的传统印象,有力地推动了化学各个分支学科的发展。

随着人们对“化学不再是纯实验科学”论断认识的不断提高,计算化学将在各个化学研究领域和交叉学科领域发挥作用。

特别是随着当前世界学科前沿的发展趋势,材料、生命、医药、环境等学科越来越被政府和科学家们重视,计算化学也将在这几个方面发挥重大作用[3]。

1 计算化学常用的方法及其介绍下面对计算化学中常用的几种理论计算方法作一个简单的介绍:1.1 从头算方法从头算方法仅使用一些最基本的物理常数(如光速、普朗克常数等)作为已知参数,完全利用数学工具来求解薛定锷方程,而不引入任何经验性质的化学参数。

由于绝大多数化学体系的薛定锷方程没有严格的解析解,只能在求解的过程中引入各种数学近似,使用数值解法得到结果。

《计算化学简介》课件

《计算化学简介》课件

3 分子模拟在纳米材料研究中的应用 4 计算机辅助药物设计
通过模拟纳米材料的结构和性质,提供设 计和优化纳米材料的指导。
利用计算方法筛选药物分子,加速新药开 发和优化过程。
计算化学未来的发展方向与挑战
大数据和人 工智的应用
利用大数据和人工 智能技术,提高计 算化学的速度和准 确性。
宏观化学过 程的计算模 拟
发展能够模拟宏观 化学过程的计算方 法,如催化剂反应 和材料合成。
多尺度计算 的发展
将不同尺度的计算 方法结合,实现对 分子和材料性质的 准确预测。
挑战与机遇
面临着大规模计算、 能源和环境问题等 挑战,同时也具备 推动计算化学发展 的巨大机遇。
通过计算和分析分子的轨道来预测和解释其性 质和反应。
常用的计算化学软件工具
如Gaussian、VASP和GAMESS等,提供各种计算 化学方法和模拟工具。
计算化学在化学研究中的应用
1 结构优化和反应动力学模拟
2 化学反应机制的研究
通过计算方法优化分子结构,模拟和预测 化学反应的速率和机理。
揭示化学反应的过程和机理,为实验设计 和化学品的合成提供指导。
2
发展历程
经过半个多世纪的快速发展,在理论、方法和应用方面都取得了重大突破和进展。
3
应用领域
被广泛应用于药物设计、材料科学、反应机制研究等领域,对推动化学发展起到了积 极作用。
计算化学所需的数学和物理基础知识
量子力学基础
研究微观粒子的行为和性质,是计算化学的 基石。
统计力学
研究集合中的微观粒子的统计性质,为模拟 和预测宏观行为提供基础。
《计算化学简介》
计算化学是研究如何运用计算方法解决化学问题的学科。本PPT课件将介绍计 算化学的概念、发展历史、基本方法和常用软件工具、应用领域以及未来发 展方向和挑战。

计算化学在化学研究中的应用及发展趋势

计算化学在化学研究中的应用及发展趋势

计算化学在化学研究中的应用及发展趋势计算化学是应用计算机方法解决化学问题的学科,它包括了从基础的量子化学到分子模拟的广泛领域。

作为一门交叉学科,计算化学在当前化学研究中扮演着极其重要的角色,其应用范围涉及药物设计、材料研究、环保治理、化学分析等多个领域。

本文将从计算化学的基础原理、应用场景和未来发展趋势三方面介绍计算化学在化学研究中的应用及发展趋势。

一、计算化学的基础原理:计算化学的核心是运用量子力学原理及其数学表述来描述化学反应,最终达到预测性化学反应信息的目的。

在化学中,一个化学反应可以描述为原子(或分子)之间的电子转移。

在计算化学中,电子被视为运动在特定位置上的波,可以使用量子力学方程式(如Schrodinger方程式)来描述波函数。

因此,计算化学可以被认为是一种使用计算机对这个波函数进行解析的学科。

二、计算化学的应用场景:2.1 药物设计:药物研究是计算化学应用的重要领域之一。

目前,新药研究的首要问题是如何通过有效的途径获得更多的化合物的相互作用信息。

计算化学可以模拟蛋白质识别、药物毒性等方面的计算模型,为药物研究提供技术支持,帮助研发人员在预测化合物结果,优化药物分子构象,减少药物开发成本和时间等方面提供帮助。

2.2 材料研究:材料科学对于新能源、新材料等领域的发展具有至关重要的作用,计算化学可以用来预测材料的性能和动力学,为理解材料的结构和特性提供支持。

例如,在生物材料研究中,计算化学在开发介孔材料、功能材料等方面的应用发挥了积极的作用。

2.3 环保治理:环境问题越来越受到人们的关注,计算化学在解决环境污染方面也发挥着重要的作用。

例如,可以通过计算模拟物质传输、反应等过程,对环境污染动力学进行预测和控制。

此外,在空气污染和水污染等方面,计算化学都可以提供有效的解决方案。

2.4 化学分析:计算化学还可以用于化学分析中。

计算化学方法可以辅助实验室测定,例如在核磁共振(NMR)光谱数据分析方面。

第11章 计算化学简介

第11章 计算化学简介

从头计算也分不同的层次,最基本的是Hartree-Fock
(HF)方法,包括限制性Hartree-Fock(RHF)和非限制
性Hartree-Fock(UHF)。RHF主要用于闭壳层体系,UHF 主要用于开壳层体系。为了某些目的,开壳层体系也用限制 性Hartree-Fock计算,称为ROHF。 超越Hartree-Fock水平的方法统称为Post-SCF,有许多
求解。 如果正交归一函数系是算符的本征函数系, 算符的矩阵为对角 阵,对角元是本征值:
反过来,若能使矩阵对角化,就意味着算符进入了自身表 象;对Hamilton算符,矩阵对角化就意味着进入能量表象,对
角元就是能量本征值。
包括n个本征矢量和n个本征值的本征方程,不仅算符是方 阵,本征(列)矢量也集合成一个方阵:
“当接近90年代快结束的时候,我们看到化学理论和计算的
研究有了很大的进展,其结果使整个化学正在经历着一场革命性 的变化。” “这项突破被广泛地公认为最近一二十年来化学学科中最重 要的成果之一。” “Pople已经将量子化学发展成为广大化学家所使用的工具, 将化学带入一个新时代,在这个新时代里,实验和理论能够共同 协力探讨分子体系的性质。化学不再是纯实验科学了。”
P.A.M.Dirac的名言是这一境况的真实写照:“大部分物理学和全
部化学的定律之数学基础,我们已完全了解,而唯一的困难仅仅 是正确应用这些定律时所导出的方程,解起来太困难”。分子轨
道理论的奠基人R. S. Mulliken在1958年表示,对精确的量子化学
计算不抱希望。当时,持这种观点的化学家不在少数。
一预言在以后的岁月里逐步变为现实。
分子轨道对称性守恒原理的发现和应用,使量子化学由面向 静态发展到面向动态,福井谦一和R. Hoffmann因这项里程碑式

计算化学简介

计算化学简介

计算化学基本概念分子模拟(Molecular Modeling)泛指用于模拟分子或分子体系性质的方法,定位于表述和处理基于三维结构的分子结构和性质。

Quantum Mechanics (QM) 量子力学Molecular Mechanics (MM) 分子力学Theoretical Chemistry 理论化学Computational Chemistry 计算化学Computer Chemistry 计算机化学Molecular Modeling 分子模拟量子化学简介量子化学的研究范围和内容9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9分子和分子之间的相互作用9分子和分子之间的相互碰撞和相互反应等问题计算与预测各种分子性质(如分子几何构型、偶极矩、分子内旋势能、NMR、振动频率与光谱强度)预测化学反应过程中的过渡态及中间体、研究反应机理理解分子间作用力及溶液、固体中的分子行为计算热力学性质(熵、Gibbs函数、热容等)量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。

在量子力学中,粒子的状态用波函数来描述,它是坐标和时间的复函数。

为了描述粒子状态变化的规律,就需要找出波函数所满足的运动方程。

这个方程是薛定谔在1926年首先提出的,被称为薛定谔方程。

求解薛定谔方程,即可从电子结构层面来阐明分子的能量、性质及分子间相互作用的本质。

Schrödinger 方程The ab initio Molecular Orbital TheoryThe Hartree-Fock EquationThe Self-Consistent Field TheoryLinear Combination of Atomic OrbitalsBasis Sets: Slater-Type Orbitals(STO) and Gaussian-Type Orbitals(GTO) 当我们决定由原子轨道线性组合成分子轨道时,就要考虑采取什么数学形式来表示原子轨道。

计算化学总结(1)

计算化学总结(1)

计算化学课程纲要绪论•什么是计算化学(定义)计算化学是根据基本的物理化学理论(通常是量子化学)以大量的数值运算方式来探讨化学系统的性质。

广义上讲,计算化学是一门涉及多种学科的边缘学科,在更广泛的意义上又可称作“计算机化学”。

它是化学、数学、计算机科学等学科交叉的新兴学科。

计算化学是化学的一个分支,但不属于真正意义上的化学,它是利用数学、统计学和计算机科学的方法,进行化学、化工的实验设计、数据与信息的处理、分类、解析和预测。

所以:计算化学是用于化学研究的一种方法学,是一种越来越重要的工具。

计算化学这个名词有时也用来表示计算机科学与化学的交叉学科。

•计算化学的地位(整理)计算化学促进化学界的研究方法和工业界的生产方式不断革新,是绿色化学和绿色化工的基础,是联系化学化工为国民经济可持续性发展服务的桥梁。

中科院院士徐光宪先生在其报告中称“理论化学和计算化学的基础及应用研究”是21世纪化学的11个突破口之一。

1998年诺贝尔化学奖授予W.Kohn和J.A.Pople。

颁奖公告说:“量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具,将化学带入一个新时代,在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。

化学不再是纯粹的实验科学了。

”•计算化学的过去、现在和未来(了解)发展:计算化学是连接化学、化工与数学、统计学、计算机科学、物理学、药物学、材料科学等学科高度交叉、相互渗透的新的生长点,是许多实用技术的基础,并深受当今计算机与网络通讯技术飞速发展的影响,而处在迅速发展和不断演变之中。

以量子化学计算为代表的计算化学发展史以化工过程计算机控制为代表的化工过程自动化发展史计算数学与分析化学相结合的发展史计算机网络技术在化学信息收集方面的应用计算机模拟技术在化学化工模拟中的应用•计算化学主要研究内容(方法、过程等概括)包括化学数据库、化学人工智能、分子结构建模与图像显示、计算机分子模拟(分子力学和分子动力学)和量子化学计算的体系数据和性质的综合分析,从而设计分子和合成路线,数据采集、统计分析及其他应用,化学CAI。

化学计算程序设计

化学计算程序设计

化学计算程序设计在现代科技的发展中,计算机程序设计在各个领域都扮演着重要的角色。

而在化学领域,化学计算程序设计则是一项非常关键的技术。

化学计算程序设计的主要目的是利用计算机算法来解决化学计算问题,提供精确、高效的计算结果。

本文将介绍化学计算程序设计的基本原理和应用。

一、化学计算程序设计的基本原理化学计算程序设计的基本原理是建立在量子力学的基础上的。

量子力学是一种研究微观粒子行为的理论,通过数学模型来模拟原子和分子的结构和性质。

在化学计算程序设计中,我们通过对原子核和电子的运动轨迹进行数值计算,来预测和分析化学反应、化学性质等方面的问题。

化学计算程序设计的关键是选择合适的计算方法和算法。

常用的方法包括分子力场方法、半经验方法和量子力学方法等。

分子力场方法主要是通过建立分子力场参数来模拟分子的电荷和键能等物理性质。

半经验方法则是结合实验数据和理论模型来计算分子的各种物理性质。

而量子力学方法则是通过求解薛定谔方程,来获得原子和分子系统的精确波函数和能级信息。

二、化学计算程序设计的应用化学计算程序设计在化学领域的应用非常广泛。

以下是其中的几个典型应用案例:1. 化学反应机理研究:通过计算分子的结构能量、反应活化能等参数,来模拟和预测化学反应的机理和速率。

通过这种计算方法,可以为新材料的设计和催化剂的优化提供理论指导。

2. 药物设计和筛选:通过计算分子的结构和性质,来预测药物分子与靶标蛋白的相互作用。

这种计算方法可以加速药物研发的进程,减少实验成本,并且提高药物的疗效和安全性。

3. 材料科学研究:通过计算模拟材料的结构和物理性质,来指导新型材料的设计和合成。

这种计算方法可以帮助研究人员理解材料的性能和行为,提高材料的性能和可控性。

4. 环境污染物预测:通过计算污染物在大气、水体和土壤中的分布和转化规律,来预测污染物的扩散路径和影响范围。

这种计算方法可以帮助环境科学家快速、准确地评估环境风险,提供科学依据。

什么是计算化学

什么是计算化学

什么是计算化学计算化学是一种通过数学和计算机科学方法研究分子结构、化学反应、物理性质和化学现象的学科。

它主要涵盖量子化学、分子动力学和分子模拟等领域,基于化学、物理、数学和计算机科学的交叉学科,因其涉及到大量数学计算和模拟而得名。

计算化学的发展始于上世纪60年代。

当时,计算机技术和量子化学理论的发展使得计算化学成为可能。

计算化学在化学研究中具有广泛应用,可以为实验提供有益补充和指导,为化学理论带来新的认识和发展方向。

在过去的数十年中,计算化学已经成为化学领域不可或缺的重要分支之一。

在计算化学中,量子化学是其中的一个核心领域。

它主要研究分子中电子结构和电子运动规律,利用其中的基本原理对分子的反应和性质进行计算。

量子化学理论主要基于薛定谔方程,但是由于其计算量过大,往往需要使用近似方法来降低计算复杂性。

另外,分子动力学模拟也是计算化学的一个重要研究方向。

它主要研究分子在时空中的运动规律和相互作用,通过大规模计算模拟分子和宏观系统的运动和性质等,可以预测分子的死亡、其物理性质和运动轨迹等等。

除此之外,计算化学还在许多领域应用,如药物研发、材料科学、环境研究等。

在药物研发方面,计算化学可以用于模拟药物与受体之间的相互作用,预测药物的活性、选择性和稳定性等参数,从而优化药物设计。

在材料科学中,计算化学可以用于研究材料的结构和性质,优化材料性能,发现新的材料。

在环境研究中,计算化学可以用于预测污染对环境的影响,设计环保化学品和减少污染物排放等。

虽然计算化学在化学研究中具有重要意义,但它还存在一些问题和局限性。

首先,由于计算化学需要进行大量的计算和模拟,它对计算机硬件和软件的要求很高,需要大量的计算资源和软件支持。

其次,由于实验和计算结果之间存在一定差异,计算结果的真实性需要进一步验证。

最后,由于计算化学法还存在着一些缺陷和不足,需要不断改进和完善。

总之,计算化学作为一种研究方法和工具,在化学研究中具有不可替代的作用。

计算化学

计算化学
密度泛函理论(DFT)的许多常用泛函均包含由实验数据拟合而来的参数。但在解决分子的电子结构问题时 也常将密度泛函理论被当做第一原理方法。密度泛函理论使用电子密度而不是波函数来表述体系能量。
在玻恩-奥本海默近似下对原子核坐标变量与电子变量进行分离后,与核自由度相关的波包通过与含时薛定谔 方程全哈密顿量相关的演化算符进行传播。而在以能量本征态为基础的另一套方法中,含时薛定谔方程则通过散 射理论进行求解。原子间相互作用势由势能面描述,一般情况下,势能面之间通过振动耦合项相互耦合。
经验方法是对半经验方法的进一步近似。经验方法并没有包括哈密顿量的双电子部分。经典方法包括埃里 克·休克尔提出的应用于π电子体系的Huckel方法和Roald·霍夫曼提出的扩展Huckel方法。
半经验计算比第一原理计算快很多。但是如果计算的分子与参数化该方法时使用的分子结构不相近时,半经 验方法可能给出完全错误的结果。
进行参数化的化合物库对分子力学方法的计算成功与否至关重要。针对某类分子优化的力场只有在应用于同 类分子时才可保证得到可信的结果。
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用于求解波包在分子中的传播的主要方法包括
分子动力学使用牛顿运动定律研究系统的含时特性,包括振动或布朗运动。大部分情况经常加入一些经典力 学的描述。分子动力学与密度泛函理论的结合称作Car-Parrinello方法。
半经验方法
半经验方法省略或近似处理了Hartree-Fock计算中的一些项(例如双电子积分)。为了修正这些近似方法带 来的误差,半经验方法计算使用了一系列由实验结果拟合的参数。有时,这些参数是根据第一原理计算结果进行 拟合的。
半经验方法在有机化学领域应用最为广泛,因为有机分子的大小适中并主要由少数几种原子构成。
与经验方法类似,半经验方法也可分为两大类:

计算化学简介

计算化学简介

无机、有机化学在19世纪率先建立
冶金、建材工业推动了无机 元素周期表奠定无机化学基础 药物、染料、酿酒工业推动了有机 经典价键理论、苯结构奠定有机化学基础
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
Arrhenius 化学动力学
理 (First Principle) 计算(即从头算)只
需用普适物理常数,如普朗克常数、玻
耳兹曼常数、光速等而不依赖任何经验
参数即可合理预测微观体系的状态和性

20世纪人类光彩夺目的科技
成就大多与量子力学有关。 量子理论不仅有力地促进了
社会的物质文明,且改变了
人类的思维方式
量子力学的建立和发展促进了:
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
一个新的交叉领域 计算化学已形成。 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
个自洽、完备、严密的理论体系
基本运动方程 — Schrödinger方程
微观粒子或体系的性质由状态波函数 唯一 确定, 服从Schrö dinger方程
Schrö dinger方程:
H ˆ i t
N i 1
ˆ Hamilton算符: H
2 2 U ( r , r ,, r ; t ) 2 i 1 2 N i
这是几代杰出理论化学家不懈努力的结果,并得 益与计算机和计算技术的巨大进步

化学式计算方法在有机化学中的应用

化学式计算方法在有机化学中的应用

化学式计算方法在有机化学中的应用有机化学是化学中非常重要的一个分支,其研究的主要内容是碳氢化合物及其衍生物的化学性质以及它们的合成方法。

在有机化学的研究中,化学式计算方法扮演了非常重要的角色。

本文将从化学式计算方法的概述、有机化学中的应用等方面进行探讨。

一、化学式计算方法的概述化学式计算方法是指通过各种化学公式来描述化学物质的方法。

对于有机化合物而言,我们通常采用的是分子式、结构式、电子式等不同的表示方式。

分子式是用元素符号表示化合物中各元素的种类和原子数,并在符号右下角加以索引,表示每种元素在分子中的原子数。

例如,甲醇的分子式为CH3OH。

结构式指化合物分子中原子之间的连接关系,它可以用来表达化合物的构型和立体化学信息,不仅能够反映元素相对位置,还可以反映它们之间的共价键和孤立电子对等详细信息。

例如,苯的结构式为C6H6。

电子式是一种简化的结构式,它只是描绘出化合物中不相邻原子间的键以及孤对电子的数量和位置。

例如,以氨为例,其电子式为H3N。

化学式计算方法可以根据实验数据进行计算,从而得到不同的化学物质结构的描述。

二、化学式计算方法在有机化学中有着广泛的应用,下面主要从分子式、结构式以及电子式三个方面进行阐述。

1、分子式在有机化学中的应用有机分子式是代表有机化合物的概括性符号,是有机化学研究的非常重要的工具。

在有机化合物中,数量巨大的原子种类和其他结构单位的组合每天都在不断变化,这些复杂的变化需要一个简单的描述方法,分子式的应用就解决了这个问题。

例如,丙酮的分子式为C3H6O,可以从元素组成、分子式中各元素的个数等方面基本反映其结构特征。

2、结构式在有机化学中的应用有机分子是碳氢化合物,有着丰富的立体化学信息,结构式能够反映出分子中原子之间的连接方式以及原子的立体构型。

有机化学中结构式的应用非常广泛,我们可以从其结构式中推断出其化学性质等信息。

例如,乙酰胺的结构式为CH3CONH2,可以反映出其中酰基(CH3CO)与氨基(NH2)的位置关系。

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Ψ ( r1 , r2 ,..., rn ) = ψ 1 (r1 )ψ 2 (r2 )... ψ n (rn )
From Quantum Mechanism to Computational Chemistry ‘Orbital’ Approximation (single-electronic Approximation): • The Pauli principle needs that the total electronic wave function must be antisymmetric. • The wave function in Slater determination is antisymmetric. ψ (r )ψ (r )...ψ (r )
Pµν =
OCC i =1
∑ 2Cµ Cν
i
i
S µν = < φµ | φν >
Ab Initio
Hartree-Fock-Rootheen Equation
ε = 2∑ H ii + ∑ ∑ (2 J ij − K ij )
i i j n n n
= 2∑ ε i − ∑ ∑ (2 J ij − K ij )
HeΨi = EeΨi
Zα Z β Zα 1 1 2 H e =− ∑ ∇i + ∑ ∑ + ∑∑ − ∑∑ 2 i α β >α Rαβ α i i> j r i r ij iα
From Quantum Mechanism to Computational Chemistry ‘Orbital’ Approximation (single-electronic Approximation): • Consider each electron to move in some sort of "average potential" which incorporates the interactions with all the nuclei and an "averaged interaction" with the other electrons. • The wavefunction is taken to be a product of one electron wavefunctions (Molecular Orbital, MO):
– The Møller-Plesset Perturbation Theory (MP) – Configuration Interaction (CI) – Coupled Claser (CC)
Take into consideration electron correlation
Ab Initio
µ
Ab Initio
Hartree-Fock-Rootheen Equation
FC = SCE
1 Fµν = H µν + ∑ Pλσ ( µν | λσ ) − ( µλ | νσ ) 2 λσ
ˆ |φ 〉 〈φµ | h H µν = ν ZC 1 2 = 〈φµ | − ∇ | φν 〉 + 〈φµ | −∑ | φν 〉 2 C rC
1 1 2 1 N 1
Ψ SD
1 ψ 1 (r2 )ψ 2 (r2 )...ψ N (r2 ) = N ! ................................ ψ 1 (rN )ψ 2 (rN )...ψ N (rN )
Ab Initio
Hartree-FockTheory Or self-consistent field method (SCF)
From Quantum Mechanism to Computational Chemistry Time-independent Schrödinger Equation HΨ = EΨ Relativistic Approximation
Born-Oppenheimer Approximation
Ab Initio
Møller-Plesset Perturbation Theory
• Adding electron correlation effects by means of Rayleigh– Schrödinger perturbation theory (RS-PT). • Usually to second (MP2), third (MP3) or fourth (MP4) order. • The unperturbed Hamilton operator is taken as a sum over Fock operators. Then
• Assumes that the exact, N-body wave function of the system can be approximated by a single Slater determinant. • MO’s were assumed to be a linear combination of a finite number of basis functions. (LCAO)
i i j
n
n
n
=
( ε ∑ii+ H ii )
2.0∑ P µν ( H µν + Fµν )
µ ,ν
Solve HFR equation iteratively
Ab Initio
Closed Shell and Open Shell
• Closed
Shell: RHF • Open Shell: UHF, ROHF
• MP0 = E(MP0) =
∑ε
i =1
N
i
• MP1 = MP0 + E(MP1) = E(HF)
• E ( MP 2)
= ∑∑
i < j a <b
occ vir
[< φiφ j | φaφb > − < φiφ j | φbφa >]2
εi + ε j − εa − εb
Ab Initio
α β
RHF singlet
UHF doublet
Based on Hartree-Fock-Roothaan Equation
SE
Post SCF
FC=SCE
VB MM
DFT
Ab Initio
Ab Initio
• Ab initio translated from Latin means “from first principles.” This refers to the fact that no experimental data is used and computations are based on quantum mechanics. • Different Levels of Ab Initio Calculations
Electronic Correlation
• The interaction between electrons in the electronic structure of a quantum system. • Correlation Energy
Ab Initio
Electronic Correlation
Configuration Interaction
• Configuration, for example, (1s)2(2s)2(2p)1... • Generally, using the linear combination of Slater determinants descripts configuration wave function. (For the closed shell grounded state, one SD is enough.) • Interaction means the mixing (interaction) of different electronic configurations (states). • CI wave function:
Computational Chemistry and Software
Computational chemistry: A branch of chemistry that uses principles of computer science to assist in solving chemical problems. • Use the results of theoretical chemistry • Incorporate into efficient computer programs • Calculate the structures and properties of molecules and solids. --- Wikipedia (维基百科)
• Coulomb correlation: Because single determinant wavefunction • Fermi correlation: Preventing two parallel-spin electrons from being found at the same point in space • Dynamic correlation: is the correlation of the movement of electrons (CI) • Static correlation: is important for molecules where the ground state is well described only with more than one (nearly-)degenerate determinant (MCSCF)
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