计算化学简介

计算化学的过去、现在和未来
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
狭义：量子化学
什么是计算化学
广义：计算化学是一门涉及多种学科的边缘学科
无Hale Waihona Puke 化学有机化学 分析化学 物理化学 结构化学
软件 硬件
化学 计算机科学
数学
计算化学
工程
数值分析 统计 运筹学
拓扑学
石油化工 生化 药物
有机合成 选矿 高温冶金 材料科学
计算化学
计算化学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。
❖ 从事计算化学研究与开发的 机构和公司遍地开花，从业 人数直线上升，行业中强强 联手打造行业巨舰。
❖ 计算机在化学中的应用不再 局限于分子模拟，而是涉及 到化学的方方面面。
量子化学计算发展史
❖ 20世纪20年代，三个人的出现，改变了历史。
❖ 薛定鄂、Heisenberg、Dirac三人创建了“量 子力学体系”： 薛定鄂的波动方程、Heisenberg的矩阵力学、 含相对论的Dirac方程
计算化学的主要领域
1.模式识别在化学中的应用 2.计算机模拟在化学中的应用 3.量子化学计算方法 4.化学数据库
计算化学的影响
1.促进了理论化学的发展 2.测试仪器的改进 3.化学情报的检索 4.数据库的建立 5.智能模型的发展 6.实验室成果的工业化 7.化学教学的应用 8.实验数据的处理
计算化学的地位
❖ Cyrus Levinthal, et. al. publish paper on the use of molecular graphics and computer simulation (Levinthal, C.; Scientific American, 1966, 214: 42).
计算化学的历史和涉及
1979年,Levitt等人采用了分子动力学方法揭示了X射线 晶体衍射B因子的起源；
1989年,Allinger等人发布了分子力学与分子动力学模拟 程序MM3；
1998年 美国化学家库恩(Walter Kohn)和英国科学家波 普尔(John A. Pople)因为对量子化学的贡献获得诺贝尔 化学奖； 同年,IBM投资10亿美元，研制速度为1000万 亿次/每秒的超级计算机"蓝色基因"，用于生物分子的 模拟研究；
矩阵力学
❖ 矩阵力学是在对Bohr的旧量子论的批判中产生的。 海森伯 等人，一方面继承了早期量子论中合理的内核：如分立能级、 定态、量子跃迁、频率条件等概念，另一方面，又摒弃了一 些没有实验根据的传统概念：如绝对精确轨道的概念。 海 森伯、波恩(Born)、约当(Jordan)的矩阵力学的实质： 从 物理上可观测量出发，赋予每个物理量以一个矩阵，它们的 代数运算规则与经典物理量不相同，遵守乘法不可对易的代 数。量子体系的各力学量（矩阵）之间的关系（矩阵方程）， 形式上与经典力学相似，但运算规则不同。 Heisenberg的 矩阵力学成功地解决了谐振子、转子、氢原子等分立能级、 光谱线频率、强度等问题，引起物理学界的普遍重视。但当 时的物理学家对矩阵代数很陌生，接受矩阵力学是不大容易 的。幸好不久，Schrödinger薛定谔的波动力学也提出来了。 而在波动力学中出现的是大家熟悉的二阶偏微分方程，分立 能级的问题则表现为在一定的边界条件下解微分方程的本征 值问题。对这一点，物理学家（特别是老一辈物理学家）特 别感到欣慰。薛定谔随后还证明了波动力学与矩阵力学的等 价性。
介入计算化学领域，分子模 拟技术有了突破性进展，
❖ Peter Goodford publishes a paper 3D模拟技术出现。
detailing the use of probe-
❖ 依靠模拟技术，科学家发现
interaction grids for SAR studies on 了许多化合物，并对它们的
地位：
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。”
1981—1990
❖ IBM introduces its Personal Computer to❖ IBM率先向市场推出了个人
the market.
电脑，电脑技术趋于普及。
❖ Hypercdbe Inc.founded in Waterloo,❖ 更多的国家机构和个人公司
Canada by Neil Ostlund. Primary product: HyperChem (PC-based molecular modeling).
1933年,Bernal, J. D.和Flowler, R. H提出了水的 原子模型;
1946年,Frank Westheiner完成了第一次分子力 学计算；
1959年,Kauzmann提出疏水作用是稳定蛋白质 结构的主要作用的一种；
1969年,Levitt, M和Lifson, S. J报道了第一次采 用分子力学的方法对蛋白质结构进行优化；
❖ 化学是一门古老的学科， 计算机是新时代的代表， 把计算机运用到化学中 去，解决化学问题，可 以追溯到有史书记载的 二十
世纪六十年代。
1958—1970
❖ The first integrated circuit board is constructed by Jack Kilby at Texas Instruments
develop the Transmission Control Protocol (TCP).
❖ Gordon Crippen, et. al. detail
人类对自身奥秘的兴趣越来 越大。
distance geometry methods for
.. protein structure calculations
❖ 分子结构和化学力场的 计算机模拟，使计算机 在化学领域锋芒初试。
1971—1980
❖ Ray Tomlinson releases details❖ 互联网的出现，E-mail的发
about a new computer program that can send and receive personalized messages. Electronic mail is born!
2000年 第一届国际结构基因组会议召开，美、英、法、 德、加拿大、荷兰、以色列、意大利、日本9个国家开 始结构基因组计划的合作；
2003年 Pengyu Ren和Jay W. Ponder提出了水的 AMOEBA模型，这是一种可极化的水的结构模型；
计算化学的历史和涉及
计算化学这一门边缘科学历史很短，但涉及面很广， 在计算机方面包括——硬件
什么是计算化学
究竟什么是计算化学呢？由于其目前在各种化 学研究中广泛应用，我们并不容易给它一个很明 确的定义。简单的来说，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。最常见到的例 子是以量子化学计算来解释实验上各种化学现象， 帮助化学家以较具体的概念来了解、分析观察到 的结果。除此之外，对于未知或不易观测的化学 系统，计算化学还常扮演着预测的角色,提供进一 步研究的方向。另外，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。
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。
计算化学的历史和涉及
1925年,海森堡 Heisenberg发表了第一篇量子力 学的文章，一个新的学科---“计算化学”诞生了；
软件 语言 计算方法 在化学方面包括——无机化学、有机化学、分析化学、 高分子化学、结构化学、环境化学 所用计算方法包括——线性代数、微积分、数值逼近、 概率统计、最优化、拓扑、数据库
计算化学的类型
1. 以计算机体系为主的计算化学 2. 以计算数学为主要体系的计算化学和化工 3. 以化学应用为主的计算化学 4. 以介绍应用程序为主的计算化学 5. 以介绍在化学分析仪器中使用电子计算机为主 的计算化学
计算化学发展史
退出
A History of Computational
Chemistry
❖ There were several papers detailing the use of computers in chemistry during the 1960s and 1970s, the first companies organized to address the new areas of chemical databases and molecular modeling were molecular design。 As the chart below demonstrates, the market grew and evolved continuously since this period .
明给计算化学注入新的活力， 越来越多的分子结构被模拟， 化学联盟的建立，数据库的
❖ Vint Cerf and Robert Kahn
完善无不说明计算机在化学
develop the concept of connecting networks of
领域的巨大作用。
computers into an "internet" and❖ 蛋白质的研究有了重大突破，
计算化学简介
• 什么是计算化学 • 计算化学的地位 • 计算化学的过去、现在和未来 • 计算化学主要研究内容 • 计算化学课程目标 • 本课程教学安排
一 什么是计算化学 二 计算化学的历史和涉及 三 计算化学的类型 四 计算化学的主要领域 五 计算化学的影响
计算化学
由于化学、数学、计算机科学之 间的相互渗透和交叉，以及新的实验 手段和计算机的广泛使用，产生的一 门新科学——计算化学。
fields derived from 3D geometries . 结构进行了推测。
1991—2005
❖ Partek Inc.is formed in St. Louis, Missouri by Tom Downey. Primary product is Partek Pro, a data visualization and analysis program.
❖ Pharmacopeia combines Molecular Simulations, Synopsys Scientific Systems, and Oxford Molecular Group into a new subsidiary.
❖ 国际互联网和国家级大型数 据库的建立标志着信息时代 的到来，计算化学从中收益 匪浅。
❖ Warshel and Lifson publish a description of the Consistent Force Field (Warshal, A.; Lifson, S.; J. Chem. Phys., 1970, 53: 582-594).
❖ 计算化学以计算机为基 础。集成电路板的出现 有着划时代的作用。从 此计算化学的发展一发 不可收拾。