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。

具体过程：

计算方面：遇到化学问题，首先选择合适的物理模型，若没有相应的物理模型，则选择合适的数学模型。之后进行公式算法，编程，对程序进行调试，试算分析，最终输出结果。

分子模拟：遇到化学问题，首先构建分子模型，进行几何优化构象分析，能量优化，然后寻找过渡态方法，试算分析，最后输出结果。

计算化学课程目标（理解）

介绍当前计算化学领域常用的基本方法；

学会使用各种计算化学软件包, 特别是Gaussian03, materials studio，ADF等。

掌握计算化学领域的基础理论和计算方法, 并且使用它们分析和解释一定的化学问题。

计算化学在化学中的应用（包括哪几方面）

化学数据的挖掘化学结构与化学反应的计算机处理技术

计算机辅助合成路线的设计

计算机化学过程综合与开发

计算机辅助分子设计和模拟

第一章理论概述

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。

计算化学的研究内容

狭义：量子结构计算——量子化学和结构化学范畴；

物理化学参数的计算——统计热力学范畴

化学过程模拟和化工过程计算等

广义：化学数据挖掘(Data mining)；

化学结构与化学反应的计算机处理技术；

计算机辅助分子设计；

计算机辅助合成路线设计；

计算机辅助化学过程综合与开发；

化学中的人工智能方法等。

能量优化方法主要包括（单纯形法、最速下降法、共轭梯度法、Newton-Raphson法）

寻找过渡态的方法（极大-极小逼近法、线性内坐标途径法（LICP））

简述下列各方法的使用对象及各自优缺点、计算过程

适用对象优点缺点计算过程

分子力学原子及其化学键

——十万个原子

左右的大体系，

结构得到分子稳定结

构，计算变形时

的相对能量，计

算成本低

需很多仔细测试

和校准后的经验

参数，只能得到

粗略几何结构，

无法得到电子相

互作用信息、分

子性质和反应性

能的信息，不能

研究包含成键和

断键的反应

把分子用硬球和

弹簧的方式来表

示

半经验方法原子实和价电子

——中等体系，

粗略性质可对价电子进行

近似的描写，可

以半定量地描写

电子分布, 分子

结构, 性质和相

对能量，计算快

不够准确很多积分用含参

数的经验式子来

近似，通过解简

化Schrödinger

方程而得到

完全从头算原子核及其电子

——小体系，准得到更精确的电

子分布，可以系

计算成本高使用完全的

Schrödinger 方

确性质统地进行改进,

直至达到化学精

度，不需要参数,

也不用实验来校

准

可以准确描写结

构, 性质, 能量

和反应性能

程

密度泛函电子密度——中

等体系，特别是

含过渡金属体

系，准确性质原理上可以得到

准确的电子分布

，可以很容易达

到很高的精度,

可以描写结构,

性质, 能量和反

应性能，计算成

本中等

无法系统地改进

到化学精度，需

要一些猜测泛函

和参数, 体系的

适用性必须用实

验来校准

使用完全的

Schrödinger 方

程

第二章化学软件与网络资源

计算化学常用软件（举例说明分类、应用及各自优缺点）

应用举例

分子结构绘图软件描绘化合物的结构式、化学

反应方程式、化工流程图、

简单的实验装置图等化学

常用的平面图形的绘制

ChemDraw(Chemoffice), ChemWindow，

ISISDraw, ChemSketch，

能够以线图(wire frame), 球

棍(ball and stick), CPK及丝

带(ribbon)等模式显示化合

物的三维结构。

Chem3D (Chemoffice) 、WebLab Viewer Pro,

RasWin、RasMol,ArgusLab,ChemBuilder 3D,

ChemSite, HyperChem等

科学计算和数据处理软件通用型对实验数据进行数学

处理、统计分析、付立叶变

换、t-试验、线性及非线性

拟合；绘制二维及三维图形

如：散点图、条形图、折线

图、饼图、面积图、曲面图、

等高线图等。

Origin、SigmaPlot

核磁数

据处理

处理一维至三维核磁数据，NUTS、MestRe-C、Gifa

色谱及

红外、

Raman

实验数

据的处

理

色谱及红外、Raman等实验

数据的处理

GRAMS/32