计算化学概述

其他程序
• 分子对接：AutoDock、GOLD、Dock、FlexX、Hex • 分子设计：MOE、Schrodinger Suite、Sybyl、、、 • 同源建模：Modeller、Rosetta、各种在线服务器 • 反应速率计算：Polyrate、ChemRate、KISTheIP、 MESMER、、、、 • 结构数据库：CCDC、ICSD • 构象搜索：Molclus。。。 • 其他 ：不说了
主流量子化学程序
• Gaussian ORCA GAMESS-US ADF • Dalton Molpro Q-chem MOPAC
小众量子化学程序
不说了
NWChem
第一性原理程序
• CASTEP VASP CPMD OpenMX • ONETEP ABINIT…… CP2K ATK Pwmat
3. 分子对接 （ Molecular docking） 4. 其他：蛋白质结构预测、分子虚拟筛选、构象搜索、分子
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。
几个分子动力学研究的栗子
大肠杆菌酪氨 酸激酶活性位 点打开过程
蛋白质自发进入碳纳米管过程
• 外电场下冰的生长
计算化学的意义和优势
• 能对实验现象进行深入解释 • 能考察实验无法研究的问题（计算化学不是仅为了 支持实验化学而存在的！） • 能廉价的对物质性质、现象进行有效的预测，从而 指导实验和生产
• 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 • 。。。。
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
计算化学的一种分类方式
• • 量子化学 第一性原理：物理研究者对量子化学研究周期性体系的称呼。“第一性”意指理论方法 不依赖于经验参数。
1. 分子动力学 （ Molecular dynamics）
2. 蒙特卡罗 （Monte Carlo）
分子模拟 Molecular modelling Molecular simulation
经典力学分子动力学程序
• 生物体系模拟四大家：GROMACS、NAMD、Amber、 CHARMM • 其他生物体系模拟程序：GROMOS、Discovery Studio、 YASARA、ACEMD、GENESIS 、Desmond • 材料模拟：Lammps、DL-POLY-Classic、GULP 、XMD 介关动力学模拟:。。。。。
一些量子化学研究的栗子
Baidu Nhomakorabea 马兜铃酸的静电势定量分布
水分子二聚体的范德华表面穿透程度
通过独立梯度模性(IGM)考察分子内和分子间的弱相互作 用
C180 的理论计算的红外光谱
几种并苯取代物的理 论预测UV-Vis光谱
拉曼光谱
振动圆二色谱(VCD)
电子圆二色谱(ECD)
量子化学VS分子动力学
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、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、 、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、 、、、、、、、、、、、、、
• 量子化学：基于量子理论，精确、静态的研究单个或少量分子的 性质、特征、反应 • 分子动力学：一般基于经典力学，相对粗糙的 模拟研究 大量 分 子的 动态行为 或 宏观性质
分子动力学能研究的性质与问题
• 宏观可观测性质
• • • • • • • • • 密度 溶解性 熔点沸点 蒸发焓、升华焓 介电常数 表面张力 热容 pKa 。。。。
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