计算机化学计算机辅助分子设计.pptx
计算机辅助药物分子设计
青光眼
白血病
药物设计目标： 设计一个与受体结合能力强的化合物
依据酶催化反应物的结构设计
计算受体与配体相互作用的方法
• 量子化学法QM
• 分子力学MM • 量子化学与分子力学结合方法QM/MM
分子力学方法
分子力学优缺点
• 优点： 计算速度快 概念清楚，便于理解及应用 • 缺点： 不能处理电荷的极化现象 不能很好处理金属原子 不能处理化学键的断裂
受体蛋白与配体的相互作用能
判断配体与受体的结合能力强弱
FKBP12与抑制剂的复合物
the binding pocket of FKBP12
FKBP12与抑制剂的复合物 DFT结果
FKBP12与抑制剂的复合物 Autodock结果
基于奥塞米韦(Oseltamivir)的 抑制剂设计
• 已设计了5个化合物，其活性约为奥
• • • • 天然产物的获得( 先导药物主要来源) ; 现有药物的开发( 包括部分结构改造) ; 生理学机理研究( 包括代谢研究) ; 90年代诞生了组合化学( Combinatorial Chemistry ) ； • 偶然发现与随机筛选 • 药物合理设计与高通量筛选( Mass Screening or High Throughput Screening )
0.5~1.0
类药5规则
• 类药五原则，是辉瑞公司资深药物化学家Christopher A. Lipinski在1997年提出的筛选类药分子的五条基本法则， 符合Lipinski规则的化合物会有更好的药代动力学性质， 在生物体内代谢过程中会有更高的生物利用度，因而也更 有可能成为口服药物。类药五原则（rule of five）也称为 Lipinski规则，其内容如下：一个小分子药物中要具备以 下性质 1.分子量小于500； 2.氢键给体数目小于5； 3.氢键受体数目小于10； 4.脂水分配系数小于5； 5.可旋转键的数量不超过10个。
计算机辅助药物分子设计
计算机辅助药物分子设计计算机辅助药物分子设计的方法开始于20世纪80年代早期。
当今，随着人类基因组计划的完成、蛋白组学的迅猛发展，以及大量与人类疾病相关基因的发现，药物作用的靶标分子急剧增加；同时，在计算机技术推动下，计算机药物辅助设计在近几年取得了巨大的进展。
计算机辅助药物设计（computer aided drug design）是以计算机化学为基础，通过计算机的模拟、计算与预算药物与受体生物大分子之间的关系，设计与优化先导化合物的方法。
计算机辅助药物设计实际上就是通过模拟与计算受体与配体的这种相互作用，进行先导化合物的优化与设计，从而达到防治疾病、纠正失调的机体内环境的目的。
那么，要做好药物分子设计，需要掌握哪些知识呢？（1）理论基础的学习，主要来自书籍与文献。
（2）软件的学习与使用，主要来自各个软件的说明书或者使用手册。
（3）来自与相关方向研究者的交流，另外还需要掌握一些生物学方面的知识。
原理: 计算机辅助药物设计的一般原理是，首先通过X－单晶衍射等技术获得受体大分子结合部位的结构，并且采用分子模拟软件分析结合部位的结构性质，如静电场、疏水场、氢键作用位点分布等信息。
然后再运用数据库搜寻或者全新药物分子设计技术，识别得到分子形状与理化性质与受体作用位点相匹配的分子，合成并测试这些分子的生物活性，经过几轮循环，即可以发现新的先导化合物。
因此，计算机辅助药物分子设计大致包括活性位点分析法、数据库搜寻、全新药物设计。
1．活性位点分析法该方法可以用来探测与生物大分子的活性位点较好地相互作用的原子或者基团。
用于分析的探针可以是一些简单的分子或者碎片，例如水或者苯环，通过分析探针与活性位点的相互作用情况，最终可以找到这些分子或碎片在活性部位中的可能结合位置。
由活性位点分析得到的有关受体结合的信息对于全新药物的设计具有指导性。
目前，活性位点分析软件有DRID、GREEN、HSITE等。
另外还有一些基于蒙特卡罗、模拟退火技术的软件如MCSS、HINT、BUCKETS 等。
计算机化学PPT课件
2．选对话框中其中一种方法。共有六种： (1)Stick(棍模型)；(2)Balls(球模型)； (3)Ball and Cylinders(球棍模型)； (4)Overlapping Spheres(重叠球模型)； (5)Dot(点模型)；(6)Sticks & Dot(棍和点 模型)
第40页/共45页
量子 化学计算
• 方法选择 • 计算(几何优化和单点计算) • 性质计算
第41页/共45页
计算结果的显示
• 文本 • 图形
分子轨道图 静电势图 电荷密度图
第42页/共45页
光谱性质的模拟
振动及振动光谱
第43页/共45页
定量构效关系(QSAR)
• 结构描述符的计算 • 定量构效关系的建立 • 根据定量构效关系预测分子的性质 • 根据定量构效关系进行分子设计
• 3. 在Edit菜单选择Clear。 • 4. 在提示框中选择Yes 。
第37页/共45页
键长、键角或二面角的设置
• 键长的设置： • (1)选择化学键； • (2)选择“Build”菜单中的“Constrain Bond Length” 命令； • (3)输入所需的键长； • (4)单击“OK”。
• 可打开的如Chemoffice等程序建立的分子结构，文件类型有：Hin, ent, skc, yz, hdf, mol, zmt,ml2, chm
第30页/共45页
一、画原子及原子的性质
• 1. 打开Element Table对话框：在Build菜 单中选择Default Element，或者双击 Drawing工具。
第6页/共45页
计算机辅助药物设计(1)PPT1
碎片连接法首先要有储存各种碎片的碎片库和各种连接子的连接子库。
机辅助药物设计。
计算机辅助药物设计从理论上避免以前研 究中一定程度的盲目性，大大加快了研制 新药的速度，节省了开发新药工作的人力、 物力和财力。如比利时的杨森公司大规模 地以计算机辅助进行新药设计，使成功率 从以往的万分之一提高到三千分之一。
方面都能很好地与靶标分子“结合口袋”相匹配的药物分子。
子，从而引导设计走向合理化。由此设计出的 由Mashall于1979年提出，又称共同模板假设（common template hypothesis）或共同构象假设。
蛋白质组学很适合用于确定靶标蛋白质在信号传导路径中所起的作用。
药物往往活性强，作用专一，副作用较低，故 错误的结论可能使以后的所有工作努力付之东流。
三、靶标有效性的验证
仅仅确定疾病特异蛋白并不足以开展药 物筛选工作，还必须确定蛋白质功能并 确证蛋白质确实对疾病过程起关键作用。 提出一个候选药物作用靶标通常并不是 很困难的事情，目前主要的瓶颈是验证 靶标的有效性。错误的结论可能使以后 的所有工作努力付之东流。
1、基因组学方法
针对特定基因的“敲除(knockout)”技术或 转基因动物模型是最成熟的验证靶标有效性 提出一个候选药物作用靶标通常并不是很困难的事情，目前主要的瓶颈是验证靶标的有效性。
1、基于靶点结构直接药物设计
根据如
Mvon Itzstein等人应用唾液酸酶晶体结 构设计抗病毒药物。唾液酸酶在微生物的 感染和传播中起重要作用，其抑制剂的研 究是抗病毒尤其是抗流感病毒研究的新领 域。
早期发现2去氧2,3双去氢DN乙酰神经氨酸 （Neu5Ac2en）对唾液酸酶有抑制作用，但 在动物模型中效果不佳。
计算机辅助药物分子设计
青霉素的发现
1928年的一天，弗莱明和往常一样，一到 实验室，便观察培养皿里的葡萄球菌的生 长情况。突然，他发现一个培养皿里生长 了一团青绿色的霉。 他注意到，青霉周围呈现出一片清澈。弗 莱明立刻意识到，这是葡萄球菌被杀死的 迹象。 为了证实自己的判断，弗莱明用吸管从培 养皿中吸取了一滴溶液，涂在干净的玻璃 上，然后放在高倍显微镜下观察。结果， 溶液里一个葡萄球菌也没有。 发现，青霉所分泌的物质，对白喉菌、炭 疽菌等，都有强效的杀菌效果。
• 新型流感病毒抑制剂的必要性：
抗药性的新变异病毒的出现；提高药 效。
研究方法
蛋白质三维晶体结构 蛋白质三维晶体结构 （PDB code:1FKG） （PDB:1FKG）
受体蛋白质模型 （~400个原子）
DFT方法优化各项构型
（蛋白质模型，配体，蛋白质-配体复合体）
配 体 设 计
计算各项的能量 计算各项能量
• 分子力学MM • 量子化学与分子力学结合方法QM/MM
分子力学方法
分子力学优缺点
• 优点： 计算速度快 概念清楚，便于理解及应用 • 缺点： 不能处理电荷的极化现象 不能很好处理金属原子 不能处理化学键的断裂
0.5~1.0
类药5规则
• 类药五原则，是辉瑞公司资深药物化学家Christopher A. Lipinski在1997年提出的筛选类药分子的五条基本法则， 符合Lipinski规则的化合物会有更好的药代动力学性质， 在生物体内代谢过程中会有更高的生物利用度，因而也更 有可能成为口服药物。类药五原则（rule of five）也称为 Lipinski规则，其内容如下：一个小分子药物中要具备以 下性质 1.分子量小于500； 2.氢键给体数目小于5； 3.氢键受体数目小于10； 4.脂水分配系数小于5； 5.可旋转键的数量不超过10个。
计算机辅助工艺设计课件
11
2021/3/11
6.1 计算机辅助工艺规程设计 6.1.1 CAPP的基本概念
Anhui University of Technology
零件分类编码：
是建立在成组技术（Group Technology ,简称GT）基础上的 一种方法。利用成组技术编码来描述一个零件，其实质是用 数字描述零件的几何形状、尺寸大小、材料和工艺特征，也 就是零件特征数字化。
8
2021/3/11
6.1 计算机辅助工艺规程设计 6.1.1 CAPP的基本概念
Anhui University of Technology
假如计算机读取的零件信息中部分信息超出了计算机能识别处 理的范围，即找不到零件对应的零件族，或不能用预先确定 的逻辑生成工艺时，则计算机将无能为力，只能报错。
工序图、填写工艺卡片及表格。 ‧不足之处：
人工编制，劳动强度大，效率低； 设计周期长； 经验性很强； 工艺设计优化、标准化很差。
5
Байду номын сангаас
2021/3/11
6.1 计算机辅助工艺规程设计 6.1.1 CAPP的基本概念 3.现代制造的特点
Anhui University of Technology
多品种、少批量
所以，计算机只能按CAPP软件规定的方式生成工艺过程，而 不能创造新的工艺方法和新的加工参数。一旦新的工艺方法 或新的加工参数出现，就必须修改CAPP系统中的某些部分， 使之适应新的加工制造环境。
实际上，这也是目前CAPP系统难以做到通用的主要原因。
9
2021/3/11
6.1 计算机辅助工艺规程设计 6.1.1 CAPP的基本概念
最优化制造方案
CAPP
计算机辅助药物设计(完整版)
计算机辅助药物设计完整版第1章概论一、药物发现一般过程新药的研究有三个决定阶段：先导化合物的发现，新药物的优化研究，临床与开发研究。
计算机辅助药物设计的主要任务就是先导化合物的发现与优化。
二、合理药物设计1、合理药物设计（rational drug design）是依据与药物作用的靶点，即广义上的受体，如酶、受体、离子通道、病毒、核酸、多糖等，寻找和设计合理的药物分子。
通过对药物和受体的结构在分子水平甚至电子水平的全面准确了解进行基于结构的药物设计和通过对靶点的结构、功能、与药物作用方式及产生生理活性的机理的认识基于机理的药物设计。
CADD通过内源性物质或外源性小分子作为效应子作用于机体的靶点，考察其形状互补，性质互补（包括氢键、疏水性、静电等），溶剂效应及运动协调性等进行分子设计。
2、方法分类（1）合理药物设计有基于靶点结构的三维结构搜索和全新药物设计等方法。
后者分为模板定位法、原子生长法、分子碎片法。
（2）根据受体是否已知分为直接药物设计和间接药物设计。
前者即通过结构测定已知受体或受体-配体复合物的三维结构，根据受体的三维结构要求设计新药的结构。
受体结构测定方法：同源模建（知道氨基酸序列不知道空间结构时），X射线衍射（可结晶并得到晶体时），多维核磁共振技术（在体液即在水溶液环境中）。
后者通过一些配体的结构知识（SAR，计算机图形显示等）推测受体的图像，提出假想受体，采用建立药效团模型或3D-QSAR和基于药效团模型的三维结构搜索等方法，间接进行药物设计。
三、计算化学计算化学包括分子模型、计算方法、计算机辅助分子设计（CAMD）、化学数据库及有机合成设计。
计算方法基本上可分为两大类：分子力学（采用经典的物理学定律只考虑分子的核而忽略外围的电子）和量子力学（采用薛定谔方程考虑外围电子的影响，分为从头计算方法和半经验方法）。
常用的计算应用有：（1）单点能计算：根据模型中原子的空间位置给出相应原子坐标的势能；（2）几何优化：系统的修改原子坐标使原子的三维构象能量最小化；（3）性质计算：预测某些物理化学性质，如电荷、偶极矩、生成热等；（4）构象搜索：寻找能量最低的构象；（5）分子动力学模拟：模拟分子的构象变化。
计算机辅助工艺设计课件(PPT 61页)
1. 集成化趋势 2. 通用化趋势 3. 智能化趋势
第三节 CAPP系统零件信息描述、输入和输出
一、 图纸信息的描述与人机交互式输入 1。分类编码描述法（GT法）与输入 2。语言描述与输入法 3。知识表示描述法 4。基于形状特征或表面元素的描述与输
（2） 产品具有更高的可靠性要求，零件具有 更高的加工质量。
（3） 需要加工的零件材料品种更为繁多。
（4） 要求进一步提高生产率、降低废品率和 降低材料消耗。
（5） 进一步加强设计、制造等所有生产环节 的联系。
2． 成组技术的基本原理
成组技术的基本原理是对相似的零件进 行识别和分组，相似的零件归入一个零 件组或零件族，并在设计和制造中充分 利用它们的相似点，以获得所期望的经 济效益
一般来说形状相似的工件，工艺也相似 。
解决成组问题的三个方法
（1）人工识别分组法（也称视检法）。 （2）零件分类和编码分组法。 （ 3 ） 生 产 流 程 分 析 （ Production flow
analysis，简称PFA）分组法。
三、 零件分类编码系统
1. 零件分类编码系统的基本类型 零件分类编码系统主要可分为三类：
3. OPITZ分类编码系统
4。JLBM-1零件分类编码系统
第二节 CAPP系统的发展概况和工作原理 一、工作原理
(1) 派生式（Variant）：根据成组技术的原 理将零件划分为相似零件组，按零件组编制出 标准工艺规程以及相应的检索方法与逻辑，并 以文件的形式贮存在计算机中。当要为新零件 设计工艺规程时，输入该零件的成组技术代码， 由计算机判别零件属于哪一个零件组，检索出 该零件组的标准设计工艺规程。对标准工艺规 程进行增删、修改以及编辑后，形成该零件具 体的工艺规程。通常调用标准工艺文件，确定 加工顺序，计算切削参数、加工时间或加工费 用都是由计算机自动进行的。
5.计算机辅助药物分子设计-a
全新药物分子设计
基本原理：以配体与受体活性中心的表面及它 们之间重要基团的相互作用作为产生配体分子 的根据。配体分子在受体活性部位的定位，是 其原子或基团与受体的重要基团相结合。配体 的结合点一旦确定后，设计产生结构的原子或 基团应对应于受体的结合点，并且与受体活性 部位的形状和功能基分布呈互补性。由于产生 的分子不限于已存在化合物，也不限于配体的 类似物，因而会有新型和完全新颖的结构。此 外，根据限制的程度，可以产生数量不同的先 导结构。这样，凡是能够与受体部位结合的分 子都可能生成，因而可满足分子多样性的要求。
基 于 受 体 结 构 的 全 新 药 物 设 计
在活性部位填充不同 直径的球以生成活性 部位的"负片"
在数据库中搜寻 获取配体候选物
量取并比兑球心和 配体原子间距离
将配体置于活性部位, 用评分函数评价相互 作用, 变换配体的方向 计算得分, 每个化合物 重复一万次, 高评分的 化合物为候选物
对接与评分
2D-QSAR---Hansch-藤田分析
反馈
化合物 1 活性 1
π 1 σ1 π2 σ2
计算机
Es 1 Es 2 Es3
化合物 2
活性2
化合物 3
活性 3
π3 σ3 πn σn
构效方程
化合物 n
活性 n
Es n
新化合物
lg 1/C = a lg P – b (lg P)2 + mσ + nEs + C
三维定量构效关系(CoMFA)
▲ 三维定量构效关系：比较分子场分析法 (CoMFA) 在受体结构未知情况下，根据系列化合物的三维结构的空间 结构和电性特征所引起的势能场的分布同活性的定量变化规律， 经统计学处理，得出决定活性的势能场的分布图，本质上反映了 受体对药物结合的空间和电性状况，用以指导并预测新化合物的 活性 ▲ 定量构效关系综合了药物结构的相似性和药物与受体结合的 结构互补性两种策略方法
计算机辅助药物分子设计研究
计算机辅助药物分子设计研究一、绪论近年来，随着计算机技术、化学信息学等新兴技术的不断发展，计算机辅助药物分子设计作为新的药物研发工具已经引起越来越多的关注。
计算机辅助药物分子设计是利用计算机计算方法来模拟和预测药物分子与靶标分子之间的相互作用，从而筛选出具有理想药效和不良反应少的化合物，缩短药物研发时间，节约研发成本，为药物研发提供了新的思路和方法。
二、计算机辅助药物分子设计流程计算机辅助药物分子设计是一个涉及到生物、化学、计算机等多个领域的综合性学科。
流程包括药物分子数据库的建立、药物分子结构特征分析、针对药物分子靶点的分子模拟和虚拟筛选、高通量药物筛选及结构优化等环节。
下面对这些环节进行详细介绍。
1.药物分子数据库的建立药物分子数据库是计算机辅助药物分子设计的基础，可以在其中收录已有的药物分子、药效成分及其分类信息等。
药物分子数据库的建立需要涉及到药效成分的筛选、药效数据的采集和处理以及数据标准化等工作。
2.药物分子结构特征分析药物分子结构特征分析是对已有药物分子数据库进行分析和归类的过程，是计算机辅助药物分子设计的第一步。
在这一步骤中，需要涉及到已有药物分子的物化性质、构象稳定性和药效活性等多个方面的分析，以便对其进行更深入的研究。
3.针对药物分子靶点的分子模拟和虚拟筛选针对药物分子靶点的分子模拟和虚拟筛选是计算机辅助药物分子设计的重要环节之一。
该环节主要通过分子动力学模拟或分子对接等方法来研究药物分子与靶标分子间的相互作用，同时通过虚拟筛选方法来优选出具有理想药效和不良反应少的化合物。
4.高通量药物筛选高通量药物筛选是指在一个较短时间内同时检测多个小分子药物与靶分子结合的科学研究技术，通过高通量药物筛选技术，可以筛选出更多更准确的可能药效成分、考核靶点结合性的小分子工具分子和潜在药物，为药物的快速研发提供了有力支持。
5.结构优化结构优化是计算机辅助药物分子设计的最后阶段，通过对筛选出的药物分子进行结构优化，进一步提高药效，同时可以避免药物分子毒性过高或药效不佳等问题。
第七讲 计算机辅助分子设计方法
Vol.45No.1Feb.2020上海化工Shanghai Chemical Industry图1经验型分子设计工作流程示意图众所周知，一个化合物的性质与其化学结构式关系密切。
通常做的分子设计或化合物设计，本质上是要设计一个具有某种特定功能/性能的化合物。
人们关注的目标是化合物的功能/性能，而非化合物的几何结构。
国际纯粹与应用化学联合会(International Unionof Pure and Applied Chemistry ，（IUPAC ）是世界化学命名、术语（包括周期表中新元素的命名）、标准化测量方法、原子量和许多其他重要评估数据的权威机构，并为全球化学界提出开发和维护创造共同语言的建议。
在IUPAC 出版的化学术语概略（Com 原pendium of Chemical Terminology ）[1]书中，分子设计的定义如下所述：所谓分子设计，即采用各种技术去发现具有潜在应用所需的特定性质的新化学实体。
计算机辅助分子设计的定义为：所谓计算机辅助分子设计，即采用各种计算机辅助技术，开展发现、设计和优化具有特定结构和性质的化合物的工作。
本文将介绍用于分子设计的计算机辅助方法。
1经验型分子设计经验型分子设计是以设计者的经验及相关理论为依据，设计具有特定功能/性能的化合物，其工作流程如图1所示。
图1所示的经验型分子设计工作流程表明，工作人员根据灵感和经验，以及已有的研究报道，提出一个可能具有某种功能/特性，且未见报道的化合物结构。
采用合成方法获得该化合物后，用对应的实验方法，测试该化合物的相关功能/特性。
如果实验测试结果符合设计要求，那么该化合物的分子设计工作即完成。
如果实验测试结果不符合设计要求，设计者则根据经验和灵感，修改化合物的化学结构，然后进行合成、实验测试。
如果实验测试结果仍不符合设计要求，则重复前一过程，直到获得符合设计要求的化合物。
2计算机辅助分子设计IUPAC 关于计算机辅助分子设计的内容包含三部分：化合物发现、设计和化合物结构优化。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1957
Planck Einstein Bohr de Broglie Heisenberg Schrödinger Dirac Fermi Pauli Yukawa Born Bothe T.D. Lee C.N. Yang
1962 1963 1965
1967 1969 1972 1979
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。
12
量子力学是演绎法最成功的实例
• Heisenberg、Schrödinger、Dirac、Born等于
1925~1926创建
• 30年代初由von Neumann完成形式理论体系
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
14
• 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。
15
• 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” (First Principle) 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
16
• 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
17
• 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
1919 1921 1922 1929 1932 1933
归纳法 演绎法
依据
目标
实验事实
经验公式、规律 唯象理论
正确普适的 公理和假设
形式理论
数学工具
较简单
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
4
运用数学的多 少是一门科学成熟 程度的标志。
马克思
5
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。
现代化学前沿问题
讲座
1
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。
13
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Schrödinger方程
Schrödinger方程：
i
t
Hˆ
Hamilton算符：
Hˆ
N i1
பைடு நூலகம்
2
2 i
i2
U
(r1,
r2
,,
rN
;
t
)
• 在10-13 m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
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
19
• 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
与化学相关的新领域不断涌现
20
• 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
2
⑴ 归纳法 ( F. Bacon, 1561-1626 )
数据拟合
设计实验
实验数据
唯象理论 检验
“预测”
⑵ 演绎法 ( R. Decartes, 1596-1650 )
公理假设
模型 形式理论
二次形式化、 近似、计算 和模拟
预测
实验 检验
3
归纳法(Reduction)与演绎法(Deduction)的比较
恩格斯
6
• 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
7
8
• 无机、有机化学在19世纪率先建立
元冶素金周、期建表材奠工定业无推机动化了学无基机础 经药典物价、键染理料论、、酿苯酒结工构业奠推定动有了机有化机学基础
9
• 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
反应速率常数：
k
A eEa RT
10
• 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
11
上世纪初理论物理两项重大突破
⑴ Einstein广义和狭义相对论（1905） ⑵ 量子力学的创建（1925~1926）
Landau Wigner Tomonaga Schwinger Feyman Bethe Gell-Mann Cooper Weinberg Salam Glashow
近20年理论物理领域未见再获
奖。表明物理学科的高度成18 熟
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