计算机化学与分子设计 ppt
计算机在化学中的应用 (原创)
计算机在化学中的应用计算机化学是将计算机科学、数学应用于化学的一门新兴的交叉学科,是化学领域的一个重要分支。
计算机化学的英文叫法有多种,如Computers&Chemistry、Computers in Chemistry及Computers on Chemistry。
有时文献中亦会出现Computer Chemistry,但应用较少。
计算化学(Computational Chemistry)通常指分子力学及量子化学计算等,与计算机化学有较大区别。
计算机与化学的联姻始于60年代。
其首先应用领域是分析化学。
因为分析化学的最本征特征是借助于诸种手段收集数据及其数据处理。
到了70年代,计算机化学得以突飞猛进的发展,几乎在化学的每一分支领域都结满了丰硕的成果。
当今的化学几乎无处不用计算机。
计算机(包括数学)已是化学的重要工具,同时计算机化学作为一个学科分支也在迅速发展。
本文拟就如下几个方面作一简单介绍。
一、数据库技术数据库是计算机科学领域中70年代出现的新技术。
化学中的许多数据库正是在70年代历经了由起步、发展,直至成熟的过程。
其中,最具代表性的是用于化合物结构解析的谱图数据库。
目前,几乎所有的大型分析测试仪器均带有数据库及其检索系统。
各种谱学手段的广泛应用对当代有机化学的发展起到了很大促进作用,因为这些物理方法和手段使人们能较精确地了解化合物的结构。
但是,谱图的解释是一较为繁琐,极为费时的工作。
然而,随着计算机技术的发展极大地推进了这一领域的革新。
计算机辅助谱图解析方法可粗略地分为两大类:直接谱图库手段,即谱图检索，间接谱图库手段,包括波谱模拟、模式识别和人工智能。
目前,应用最广泛的是谱图库检索。
此处顺便提及:数据库,英文一般用database或databank表示,而数据库检索却常用librarysearching一词。
所谓谱图库,目前用于结构解析的主要是指质谱、核磁谱和红外光谱。
二、有机化合物结构自动解析该类研究属于人工智能的范畴。
《chemsketch简介》ppt课件
chemsketch界面简洁直观 ，易于学习和使用，支持 Windows、Mac和Linux 等多个操作系统平台。
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chemsketch软件安装步骤
准备安装
确保计算机满足系统要求
chemsketch软件需要特定的操作系统和硬件配置，确保计算机满 足要求是成功安装的前提。
关闭防火墙和杀毒软件
在安装软件前，最好关闭防火墙和杀毒软件，以避免阻止软件的正 确安装。
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总结
总结
软件介绍
ChemSketch是一款功能强大的化学信息学软件，广泛应 用于化学、生物、制药等领域。它提供了全面的化学信息 处理、分析和可视化工具，帮ห้องสมุดไป่ตู้科学家们更有效地进行化 学研究和数据挖掘。
主要功能
ChemSketch主要包括分子结构绘制、化学反应模拟、分 子模型构建、光谱解析等功能。它支持多种数据格式，并 与其他化学信息学软件进行无缝集成。
2013年，chemsketch软件推出最新版本，进一步扩展了 分子结构绘制的分析功能，并增加了更多智能化和自动化 的工具。
chemsketch软件特点
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强大的分子结构 绘制功能
丰富的分子分析 和计算工具
灵活的文件导入 和导出功能
高效的批量处理 能力
用户友好的界面 设计
chemsketch能够绘制高质 量的分子结构图，支持多 种绘图元素和符号，包括 原子、键、环、箭头等， 并可自动调整结构和布局 。
chemsketch提供了多种分 子分析和计算工具，包括 分子量计算、质谱分析、 药代动力学预测等，方便 用户进行药物设计和研发 。
chemsketch支持多种文件 格式导入和导出，包括SDF 、MOL、PDB等，方便与 其他软件进行数据交互。
计算机化学
计算机化学计算机化学是一门涉及化学、计算机科学和数学等学科知识的交叉学科。
它主要研究的是如何利用计算机技术来模拟和预测分子结构、反应机制、性质等化学问题。
随着计算机技术的不断发展和计算能力的提高，计算机化学在化学研究中的应用越来越广泛，成为了化学研究中不可或缺的一部分。
计算机化学的基础是量子化学。
量子化学是一种研究分子结构、性质和反应机制等化学问题的理论方法。
它基于量子力学的原理，利用数学模型和计算方法来描述分子的电子结构和运动规律。
量子化学理论的发展和应用，为计算机化学的发展提供了坚实的理论基础。
计算机化学的基本方法是计算化学。
计算化学是一种利用计算机技术来解决化学问题的方法。
它包括分子模拟、分子设计、分子动力学模拟、量子化学计算、化学信息学等多种方法。
计算化学的主要目标是预测分子的结构、性质和反应机制，为分子设计和化学合成提供指导。
在计算机化学中，分子模拟是一种重要的方法。
分子模拟是利用计算机模拟分子的结构和性质，包括分子动力学模拟、分子静态模拟等。
分子模拟可以预测分子的几何结构、能量、振动频率、光谱等性质，为化学研究提供有力的工具。
分子设计是计算机化学的另一种重要方法。
分子设计是利用计算机模拟和计算方法设计新型分子，包括药物分子设计、催化剂设计、材料分子设计等。
分子设计可以快速预测分子的性质和反应机制，为新材料、新药物的设计和合成提供指导。
化学信息学是计算机化学的另一重要领域。
化学信息学主要研究化学数据的存储、管理、分析和挖掘，包括化合物数据库、反应数据库、结构预测、化学信息检索等。
化学信息学为化学研究提供了丰富的数据资源和分析工具，促进了化学研究的进展。
总之，计算机化学是一门涵盖化学、计算机科学和数学等多种学科的交叉学科。
它利用计算机技术和数学方法来模拟和预测分子的结构、性质和反应机制，为化学研究提供了有力的工具和方法。
随着计算机技术的不断发展和计算能力的提高，计算机化学在化学研究中的应用前景将更加广阔。
分子模拟PPT—第二章 力场
2. 蒙特卡罗随机采样法
分子内能
分子的能量
Etot Eele Evib Erot Etrans
分子的振动自由度 = 3N-6 = 3N-6 分子的振动能 非线性 线性
Evib Ebonds Eangles Etorsions Ecross
分子间相互作用能
1. 范德华能
AMBER
• / • "Amber" refers to two things: a set of molecular mechanical force fields for the simulation of biomolecules ;and a package of molecular simulation programs which includes source code and demos. The current version of the code is Amber version 10, which is distributed by UCSF subject to a licensing agreement described below. • Amber is now distributed in two parts: AmberTools and Amber10. AmberTools 1.2 & Amber 10 is now available! • Amber was originally developed under the leadership of Peter Kollman, and Version 9 is dedicated to his memory.
第二代力场
• 第二代力场的形式远较上述的经典力场复杂，需 要大量的力常数。其设计的目的为能精确地计算 分子的各种性质、结构、光谱、热力学特性、晶 体特性等资料。其力常数的推导除引用大量的实 验数据外，还参照精确的量子计算的结果。尤其 适用于有机分子或不含过渡金属元素的分子系统。 • 第二代力场因其参数的不同，包括CFF91、 CFF95、PCFF与MMFF93等。
计算机化学
计算机化学
计算机化学是一门交叉学科，它将计算机科学和化学相结合，利用计算机技术来解决化学问题。
计算机化学的应用范围广泛，包括分子设计、反应动力学、分子模拟、化学信息学等领域。
在分子设计方面，计算机化学可以用来预测化合物的性质，如溶解度、毒性、活性等。
这些信息可以帮助研究人员更好地设计新的化合物，从而提高药物的效果。
此外，计算机化学还可以用来设计新的材料，如催化剂、电池材料等。
反应动力学是研究化学反应速率和机理的学科，计算机化学可以用来模拟化学反应的过程，从而预测反应的速率和产物。
这对于化学工业的生产和控制具有重要意义，可以帮助工程师更好地设计反应器和优化反应条件。
分子模拟是通过计算机模拟来研究分子的结构和性质的方法。
计算机化学可以用来模拟分子的结构和动力学行为，从而帮助研究人员更好地理解分子的性质和反应机制。
分子模拟在材料科学、生物医学等领域有着广泛的应用。
化学信息学是将计算机技术应用于化学信息处理和管理的学科。
计算机化学可以用来处理大量的化学信息，如化合物的结构、性质、反应等。
这些信息可以帮助研究人员更好地理解化学现象，从而提高化学研究的效率和准确性。
总之，计算机化学是一门非常重要的学科，它为化学研究提供了强有力的支持。
随着计算机技术的不断发展，计算机化学的应用范围
将会更加广泛，为化学研究带来更多的可能性和机会。
化学分子模拟与分子设计
化学分子模拟与分子设计一直是化学领域的重要研究方向，它是指通过计算机模拟方法对分子结构、性质、反应机理等进行分析与预测。
化学分子模拟和分子设计的应用范围非常广泛，涉及药物研发、材料科学、化学领域的前沿研究等多个方面。
一、化学分子模拟的基本原理化学分子模拟是指利用计算机和数值计算方法对分子作出描述，使用化学模型计算出分子的结构、性质和反应动力学等，并进行分析和预测。
其中，最主要的就是计算分子的三维空间结构。
化学分子模拟的基本原理是量子力学原理和分子力学原理。
量子力学原理是基于量子力学理论，对分子的电子状态和分子中的化学键进行描述。
分子力学原理是基于经典力学，将分子看作一系列质点，通过分子内的键长、角度、扭曲和非键相互作用来计算分子的势能面。
二、分子设计的基本方法分子设计是指根据需要设计出能够具有特定功能的分子结构。
其基本方法包括理论分子设计和合成分子设计两种。
理论分子设计主要是通过计算机模拟，基于一定的理论模型和计算方法，预测出一系列具有所需特性的分子结构。
这种方法的优点是可大大缩短实验周期和降低实验成本，在很大程度上提高了设计效率。
同时，有助于促进对一些新材料和新催化剂的研究。
合成分子设计主要是通过碳链延伸、环化、有机官能团的合成方法来制备出能够具有特定功能的分子。
这种方法需要进行大量的实验，但可以准确的控制分子的结构和化学性质，能够充分挖掘合成化学的潜力。
三、分子模拟在材料科学中的应用分子模拟在材料科学中应用广泛，从纳米材料的结构设计到复杂多组分系燃料燃烧反应机理的计算，都离不开分子模拟的方法。
其中，最为热门的领域就是二维材料和催化材料的研究。
在二维材料的研究中，分子模拟可以通过计算预测出二维材料的稳定结构，研究其力学性质和电学性质，并对其光学性质进行预测。
另外，分子模拟还可以预测二维材料与其他材料的相互作用，进而探索一系列新材料的结构和性能，提高材料的应用性能。
在催化材料的研究中，分子模拟可以通过计算预测催化机理，研究反应机理和动力学，进而优化催化剂的配比和结构。
物理化学中的分子模拟与分子设计研究
物理化学中的分子模拟与分子设计研究随着科技的不断发展，分子模拟和分子设计已经成为物理化学研究的重点。
分子模拟技术通过模拟分子的运动和相互作用，可以帮助研究人员预测化学反应、物质性质以及分子动力学行为等。
而分子设计则是通过计算机模拟来设计具有特定性质的分子，以满足人类社会的需求。
本文将围绕这两个研究领域展开探讨。
一、分子模拟分子模拟是一种利用计算机进行的数值计算方法，通过精确地模拟分子之间的相互作用，以预测它们的物理和化学性质。
分子模拟领域中的最常见方法是分子动力学模拟(MD)和蒙特卡罗模拟(MC)。
分子动力学模拟可以用来研究分子的结构和动态行为。
通过运用牛顿运动定律和分子之间的相互作用力学，可以得出分子的运动轨迹。
这种方法可以用于研究分子之间的相互作用、反应的发生机理以及溶液中的扩散行为等。
蒙特卡罗模拟则更多地用于研究静态性质，包括分子在不同温度和压力下的稳定性以及相变行为。
通过改变系统中粒子的位置或状态，可以观察分子之间的相互作用并制定计算模型。
目前，分子模拟技术广泛应用于药物设计、材料科学、纳米技术和环境科学等领域。
到目前为止，一些重要的科学成果已得到勘定并成功运用于现实中，如创造新型药物、发展新型材料和测量环境污染物排放量等。
二、分子设计分子设计是一种通过计算机模拟来设计复杂分子及其相互作用的方法。
分子设计可以操纵分子的结构，并帮助制定新的分子结构以满足特定的物理或化学性质。
分子描述的主要方法是基于量子力学的密度泛函理论或半经验方法。
这些方法对于描述分子中原子之间的电子密度和电子运动以及分子的振动模式有着很高的准确性。
但是，对于大分子的计算仍具有很高的时间复杂度。
在分子设计研究中，常常使用的是药物分子设计。
该方法的作用是通过使用分子模型来预测分子药物和分子道具(inhibitor)的相互作用性质，以促进研究和发现新的药物分子并且通过调整分子结构，也可以制定具有特定作用的分子道具来进行疾病治疗。
《分子模拟教程》课件
人工智能和机器学习技术将在分子模拟中发挥越 来越重要的作用，例如用于优化模拟参数、预测 性质等。
多尺度模拟
目前分子模拟主要集中在原子或分子级别，未来 将进一步发展多尺度模拟方法，将微观尺度和宏 观尺度相结合，以更全面地理解物质性质和行为 。
跨学科融合
分子模拟将与生物学、医学、材料科学等更多学 科领域进行交叉融合，为解决实际问题提供更多 可能性。
环境科学
在环境科学领域，分子模拟可用于研究污 染物在环境中的迁移转化机制，为环境保 护提供理论依据。
THANKS.
分子动力学模拟的常见算法
Verlet算法
一种基于离散时间步长的算法，用于计算分子位置和速度。
leapfrog算法
一种常用的分子动力学模拟算法，具有数值稳定性和计算效率高的特 点。
Parrinello-Rahman算法
一种基于分子力场的算法，可以用于模拟大尺度分子体系的运动。
Langevin动力学算法
材料科学
通过模拟材料中分子的运动和相互作 用，可以研究材料的力学、热学和电 学等性质，为材料设计和优化提供依 据。
03
Monte Carlo模拟
Monte Carlo模拟的基本概念
随机抽样
Monte Carlo模拟基于随 机抽样的方法，通过大量 随机样本的统计结果来逼 近真实结果。
概率模型
Monte Carlo模拟建立概 率模型，模拟系统的状态 变化和行为。
通过模拟药物分子与靶点分子的相互作用，预测 药物活性并优化药物设计。
材料科学
研究材料中分子的结构和性质，预测材料的物理 和化学性质。
生物大分子模拟
模拟生物大分子的结构和动力学行为，如蛋白质 、核酸等，有助于理解其功能和性质。
计算机化学计算机辅助分子设计
计算机化学计算机辅助分子设计计算机化学计算机辅助分子设计是一种结合计算机科学和化学的方法，旨在利用计算机技术来加速和优化新药物、新材料等分子的设计和开发过程。
这一领域涉及到计算机模拟、数据挖掘、机器学习等技术的应用，对于提高分子设计的效率和成功率具有重要意义。
本文将介绍计算机化学计算机辅助分子设计的原理、方法和应用。
一、计算机化学计算机辅助分子设计的原理计算机化学计算机辅助分子设计的原理是基于化学原理和计算机算法相结合。
它主要分为两个阶段：计算机模拟和机器学习。
1.1 计算机模拟计算机模拟是计算机化学计算机辅助分子设计的核心部分。
它利用计算机算法对分子进行模拟和计算，以预测其性质、结构和反应等信息。
常用的计算方法包括分子力场、量子力学等。
分子力场可以用于快速估计分子的力学性质，如力场能量最小化、分子力学模拟等。
而量子力学方法能够更准确地计算分子的电子结构和反应性质，可以用于预测分子的光谱性质、键合性质等。
1.2 机器学习机器学习是计算机化学计算机辅助分子设计的重要组成部分。
它利用已有的分子数据和计算结果，通过统计学和数学模型的方法建立预测模型和评价指标，以预测分子的性质和反应。
常用的机器学习方法包括支持向量机、神经网络、随机森林等。
二、计算机化学计算机辅助分子设计的方法计算机化学计算机辅助分子设计的方法多种多样，具体选择哪种方法取决于需要解决的问题和可用的数据。
2.1 拓扑方法拓扑方法是计算机化学计算机辅助分子设计的一种常用方法。
它通过分析分子的拓扑结构和拓扑指标来预测其性质和反应。
常用的拓扑指标包括无重原子最短路径、平均路径长度、拓扑极性指数等。
利用这些指标，可以预测化合物的溶解度、毒性、活性等。
2.2 数量化构效关系（QSAR）数量化构效关系（QSAR）是一种基于统计学和数学模型的方法。
它通过分析分子结构和性质之间的关系，建立预测模型和评价指标。
常用的QSAR模型包括线性回归模型、支持向量机模型等。
化学信息学计算机化学
2006-2007化学信息学(计算机化学)学科发展报告随着化学信息的大量积累与计算机与网络技术的飞速发展, “化学信息学”已成为化学学科的重要分支之一。
尽管尚缺乏被广泛接受的严格定义, 但其精髓可描述为“从数据到信息然后到知识”的说法已得到普遍认可, 其具体研究内容包括: 计算化学、分子模拟与设计、化学计量学、数据挖掘与知识发现与的利用[16-1,2]。
(一)化学信息学在社会与经济可持续发展中的地位与重要性门捷列夫可被认为是最早的化学信息学家, 他通过对化学元素结构与性质的总结建立了化学元素周期表。
近年来, 化学信息学在功能材料与分子设计、产品质量评价与控制、环境检测与控制、生命与健康、疾病诊断、各类“组学”的数据挖掘、复杂体系分析、智能分析仪器与新产品开发等研究领域中均发挥了重要作用, 为社会与经济的可持续发展奠定了理论与技术基础[16-3,4]。
例如, 虚拟筛选()和定量构效关系()等化学信息学技术的引入不仅明显缩短了新药研发周期而且大幅度降低了开发成本；“指纹图谱”的提出与应用为中草药的质量评价与控制提供了关键技术。
(二)近两年化学信息学的研究进展化学信息学在理论化学、分子模拟与设计、化学计量学、数据挖掘以与资源的利用等方面均取得了重要进展[16-5]。
分子模拟研究为药物分子的筛选建立了快速的虚拟高通量筛选()方法[16-6]、为药物的全新设计( )提供了研究方法和手段[16-7]、为蛋白质-配体之间的相互作用研究建立了新的计算方法[16-8]、为小分子化合物的与其它理化性质发展了理论预测方法[16-9]。
理论化学计算与实验科学相互结合用于合成化学和材料设计, 实验结果与计算结果得到了相互印证和补充[16-10,11]。
分子动力学、模拟在化学、生物、材料等领域得到应用[16-12,13]。
基于分子力学的优化方法被广泛关注, 新的优化算法不断涌现[16-14]。
为了扩展微观的分子力学与分子动力学方法的时空尺度, “粗粒化”力场的方法被重视和发展, 多尺度的模拟方法被关注[16-15]。
分子力学简介课件PPT
基本假设：
Born-Oppenheimer近似下对势能面的经验性拟合。
量子力学中的薛定谔方程 （非相对论和无时间依赖的情况下）：
2021/3/10
(R,r) E(R,r)
体系的哈密顿算符e(r与; R原)子核（ER）(和r电; R子)（r）位置相关的波函数 n(R) E(R)
2021/3/10
莫斯函数（Morse Function）
E s D e[e x p ( A (l l0)) 1 ]2
•TRIPOS, Cherm-X, CHARMM和AMBER采用谐振 子函数形式
•CVFF, DRIEDING和UFF既支持莫斯函数也支持谐 振子模型
•MM2和MMX用二阶泰勒展开的莫斯函数
核运动方程： (Tˆ Eel ) N (R) E N (R)
②
核运动的波函数
13
ke 0
ke 0
电子运动方程： (Hˆ el VNN )e (R, r) Eele (R, r) ①
核运动方程： (Tˆ Eel ) N (R) E N (R)
②
方程①中的能量Eel(势能面)仅仅是原子核坐标有关。相应的，方程 ②所表示的为在核势能面E(R)上的核运动方程。
2021/3/10
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二面角扭转能 Torsion Rotation
ET
N Vn[1cos(n)]
n0 2
• V n 为势垒高度（barrier height），定量描述了二面角旋转的难易程度；
• N 为多重度（multiplicity），指键从0°到360°旋转过程中能量极小点的个 数；
新药研制的分子设计和化学策略
新药研制的分子设计和化学策略随着科学技术的不断发展，新药研制已成为医学领域的热点问题之一。
在新药研制的过程中，分子设计和化学策略起到了至关重要的作用。
本文将从分子设计和化学策略两个方面探讨新药研制的关键技术。
一、分子设计分子设计是指根据已知的药物作用机制和分子结构信息，在计算机模拟中设计新的分子结构，从中筛选出有望成为新药的分子，并最终通过实验验证。
这种方法可以大大缩短新药研制的时间和降低成本，并避免一些不必要的药物试验。
分子设计主要有以下几种方法：1. 三维结构-活性关系（3D-QSAR）方法这是一种最为常用的分子设计方法，它基于配体与受体之间的作用力，结合三维分子结构信息，建立药效团-三维空间结构(Pharmacophore-3D)关系模型，以此来预测药物分子的生物活性。
3D-QSAR 方法将能量场作为能量表达形式之一，从而使得药物分子的生物活性和分子结构之间建立起了联系。
通过该方法，研究人员可以对候选分子中的高效药物进行大规模筛选，找出最有潜力的分子结构。
2. 分子对接（Molecular Docking）方法分子对接方法主要是针对受体与配体结合的问题进行研究，通过计算机模拟预测药物分子与受体之间的相互作用方式，进而预测药物分子的生物活性。
分子对接的过程就像一次“锁定”配对的游戏，要求设计者在配体和受体的局部部位进行多次模拟，预测药物分子在受体上的配位状态，以求最终获得最佳的分子设计。
3. 分子混合（Molecular Hybridization）方法利用各类已知的药物结构和功能关系，通过对于化合物中各个片段进行合理调整，设计合成具有目标结构和生物活性的能效化合物。
通过这种方法，可以在原有药物分子中提取出特定的活性团而得到新的分子结构，从而提高药物分子的结构活性。
二、化学策略在新药研制的过程中，化学策略也是一个非常重要的方面。
它涵盖了药物分子的化学结构创新、拉开了天然物质和高效合成的鸿沟，并不断发展着先进的合成和分析技术。
《化学信息学资料》课件
通过数据挖掘和分析，化学信息学能够发现潜在的化学规律和现象 ，为新材料的开发、药物设计等领域提供支持。
解决实际问题
化学信息学在环境保护、食品安全、医疗诊断等领域有广泛的应用 ，为解决实际问题提供技术支持。
化学信息学的发展历程
起源
01
化学信息学作为一门学科，起源于20世纪80年代，随着计算机
技术的快速发展和化学数据库的建立。
发展阶段
02
进入21世纪，随着大数据和人工智能技术的兴起，化学信息学
得到了快速发展，广泛应用于各个领域。
未来展望
03
未来，化学信息学将继续融合新的技术和方法，在数据获取、
处理和分析方面取得更大的突破和应用。
02
化学信息学基础知识
分子结构与性质
分子结构
分子中的原子通过化学键相互连 接，形成特定的空间排列。
原子或分子的电子在空间 中的分布状态，决定了分 子的电子结构和化学性质 。
分子轨道理论
通过分子轨道理论可以描 述分子中电子的分布和运 动状态，解释分子的化学 键合和反应机理。
分子光谱与波函数
分子光谱
分子吸收或发射光时产生的光谱，包括红外光谱 、紫外光谱、拉曼光谱等。
波函数
描述电子在原子或分子中运动的量子力学函数， 可以用来描述分子的电子结构和化学性质。
通过化学信息学方法，可以分析环境样品中的污染物成分和浓度，预测污染物的迁移转化规律，为污染 控制和环境治理提供科学依据。
化学信息学还可以应用于生态毒理学研究中，通过分析生物体内外的化学物质及其对生物体的影响，揭 示环境污染对生态系统和人体健康的潜在危害。
材料科学与工程
材料科学与工程是化学信息学的又一应用领域。在现代材料科学研究中，化学信息 学方法被广泛应用于材料的设计、合成、表征和性能预测等方面。
化学家如何研究化学分子计算机的制作与应用
化学家如何研究化学分子计算机的制作与应用化学分子计算机，是指利用化学分子与其它分子的相互作用和自组装行为来构建计算机。
与传统的硅基计算机不同，化学分子计算机具有体积小、能耗低、容错性强等优势，是未来计算技术的一个重要方向。
那么，化学家如何研究化学分子计算机的制作与应用呢？一、研究化学分子的基本原理要研究化学分子计算机的制作与应用，首先需要了解化学分子的基本原理。
化学分子是由原子构成的，原子之间通过原子间力相互作用相连成分子。
化学分子有很多种类，不同种类的分子具有不同的形状和性质，可以通过合成、自组装等方法进行控制和调节。
二、制作化学分子计算机的方法化学家通过制作化学分子计算机来实现计算机功能。
一个简单的化学分子计算机可以由输入模块、处理模块和输出模块构成。
输入模块用于接收输入信号，处理模块用于进行计算，并将结果存储到输出模块中，输出模块用于输出结果。
实现化学分子计算机的一个重要方法是自组装。
化学家可以通过调整分子的结构和相互作用，使得分子之间自组装成为具有计算功能的结构。
例如，将具有反应性的分子在一定条件下混合后，可以在溶液中形成具有特定形状和功能的分子结构。
此外，化学家还可以利用DNA分子的特性来制作分子计算机。
DNA分子的碱基对之间具有非常稳定的氢键结构，因此可以通过DNA碱基对间的相互作用来构建分子计算机。
三、化学分子计算机的应用化学分子计算机虽然体积小、能耗低，但其计算速度比不上传统的硅基计算机，因此其应用范围相对较窄。
目前化学分子计算机的主要应用领域是在生物学和医学方面，例如模拟生物分子间的相互作用、设计药物分子等。
化学分子计算机还可以用于制造纳米机器人、纳米储存器等纳米器件。
总之，化学家通过研究化学分子的基本原理和制作方法，创造出了化学分子计算机这样一种新型计算机。
虽然化学分子计算机的应用范围相对较窄，但其具有体积小、能耗低、容错性强等优势，是未来计算技术的一个重要方向。
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二、化学CAD
• 计算机辅助有机分子和生物分子设计 • 计算机辅助药物设计 • 计算机辅助材料设计
例1
(1,2,4)-4-(1,1-e 二 甲 乙 基 )-2- 烃 基 环戊羰基酰胺晶体
依 据 归纳法 演绎法 实验事实 正确普适的 公理和假设 目 标 经验公式、 规律 唯象理论 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
运用数学的多 少是一门科学成熟
程度的标志。
马克思
总作用力：
三、有效作用势近似
粒子的势能 Ei 及梯度 Ei 借助经验势函数计算
• 经验作用势 二体及三体以上作用势的叠加
一、MD法原理
• 将微观粒子视为经典粒子，服从
定律 或
Newton 第二
• 若各粒子的瞬时受力已知，可用数值积分求出
运动的经典轨迹
二、粒子 i 在时间 t 内的位移 ri
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。
恩格斯
• 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
• •
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
• 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。
• 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
中心 原胞
N≮10
2
三维周期边界实例—苏氨酸水溶液模拟
111nm 的立方原胞 含 1 个苏氨酸 ( threonine )
分子和 24 个水分子
•
原子总数 88 分子总数 25
粒子数取得过少是为求 显示的直观
•
欲得合理的模拟结果，
原胞体积至少应增大10 倍！
四、 MD处理用于单个分子 (无周期边界)
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
• 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
• 在合适选定的时间步长 t 内，粒子可视作匀加
速直线运动
加速度：
位 移：
• 步长取值： t＝0.01~0.0001 ps
三、MD法基本假定
假定1： 有效作用势近似 — 同 MM 法
假定2： 周期性边界条件
(Periodical Boudary Condition)
• 困难
— 欲重现实际体系的统计行为，模拟体 系应有足够数量的粒子
• 化学人工智能（需借助数据库）
计算机辅助分子结构解释 化学模式识别 结构－活性关系分析 结构－性质关系分析 神经网络算法与神经网络计算机
• 分子结构建模与图形显示
结构建模 确定各原子的初始空间排布 这是用计算机处理分子大多数作业的起点 综合的计算机化学软件包，主程序应提供 建模的友好界面，同时具有分子图形显示 与结构参数分析功能
• 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
• 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…
量子力学是演绎法最成功的实例
• •
Heisenberg、Schrö dinger、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
1dm3水 31027个H2O 计算机只能处理 102 ~ 104 个粒子！
• 解决办法 — 赝无限大近似
取较小的模拟体系作中心原胞，令其在空间 重复排列
二维周期性边界条件示意图
•
8 个近邻重复单元 包围着中心原胞， 为其提供合理的边 界条件近似 计算机实际处理 的是原胞内数量 较少的粒子
•
实验测定与 MD 模拟结果的比较
W. Linert, and F. Renz, J. Chem. Inf. Comput. Sci., 33, 776(1993)
Experimentally Determined
MD-predicted
例2
GnRH ( gonadotrophin-releaing hormon, 促性腺释放激素 ) 分子构象理论预测
1967 1969 1972 1979
近20年理论物理领域未见再 获奖。表明物理学科的高度成
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
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
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)
一、原理
• 忽略分子振、转、平动运动。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
二、作用在粒子上的瞬时合力
原子 i 在其它原子的作用势场 Ei (ri) 中运动
在平衡位置
Gibbs 化学热力学
Arrhenius 化学动力学
反应速率常数：
k Ae
Ea
RT
•
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
•
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 1938 1945 1949 1954 1957 Planck Einstein Bohr de Broglie Heisenberg Schrö dinger Dirac Fermi Pauli Yukawa Born Bothe T.D. Lee C.N. Yang 1962 1963 1965 Landau Wigner Tomonaga Schwinger Feyman Bethe Gell-Mann Cooper Weinberg Salam Glashow
为何进行分子计算机模拟?
• 宏观化学现象是~1024 个分子（原子）的
集体行为，固有统计属性
• 化学统计力学的局限性：通常仅适用于
“理想体系” 理想气体、完美晶体、 稀溶液等
• 量子力学方法的局限性：对象为平衡态、
单分子或几个分子组成的体系；不适用于 动力学过程和有温度压力变化的体系
• 分子模拟将原子、分子按经典粒子处理，可
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
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）
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。
MD法 —
原子初速不为零，给 出分子内部热运动的经 典图象
一、物质和大分子的结构和性质
MD + MM
Hale Waihona Puke • 根据体系的化学成分推断微观结构计算 • 计算机辅助结构分析与静态性质计算
复杂有机分子 高分子 晶体 液晶态 非晶态 溶液 熔盐 界面和表面 气体 热力学性质 材料力学性质
• 与动态过程有关性质的计算
Hü ckel分子轨道理论（1932）
Roothaan方程（1952） 计算量子化学发展
• 化学科学的体系和结构发生深刻变化
对象： 方法学： 宏观现象 微观本质 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 渗透
• 化学各分支学科的交叉；与其他学科相互
现代化学前沿问题 讲座
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。
可采用二维或三维建模。程序可自动将二 维图形转换为三维
什么是分子 计算机模拟?
• 用计算机模拟化学体系
的微观结构和运动，并 用数值运算、统计求和 方法对系统的平衡热力 学、动力学、非平衡输 运等性质进行理论预测
What is
• 分子模拟是化学CAD的