计算化学在化学教学中的应用_

1计算化学概述

1计算化学概述 计算化学在最近十年中可以说是发展最快的化学研究领域之一。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的应用, 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指量子化学、统计热力学及经典力学及大量的数值运算方式研究分子、团簇的性质及化学反应的一门科学。最常见到的例子是以量子化学理论和计算、分子反应动力学理论和计算、分子力学及分子动力学理论和计算等等来解释实验中各种化学现象,帮助化学家以较具体的概念来了解、分析观察到的结果。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。除此之外, 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。同时准确或有效率计算方法的开发创新也是计算化学领域中非常重要的一部分。简言之, 计算化学是一门应用计算机技术, 通过理论计算研究化学反应的机制和速率, 总结和预见化学物质结构和性能关系的规律的学科。如果说物理化学是化学和物理学相互交叉融合的产物, 那么计算化学则是化学、计算机科学、物理学、生命科学、材料科学以及药学等多学科交叉融合的产物, 而化学则是其中的核心学科。近二十年来, 计算机技术的飞速发展和理论方法的进步使理论与计算化学逐渐成为一门新兴的学科。今天、理论化学计算和实验研究的紧密结合大大改变了化学作为纯实验科学的传统印象, 有力地推动了化学各个分支学科的发展。而且, 理论与计算化学的发展也对相关的学科如纳米科学和分子生物学的发展起到了巨大的推动作用。 2计算化学的产生、发展、现状和未来 2.1计算化学的产生 计算化学是随着量子化学理论的产生而发展起来的, 有着悠久历史的一门新兴学科。自上个世纪年代量子力学理论建立以来, 许多科学家曾尝试以各种数值计算方法来深人了解原子与分子之各种化学性质。然而在数值计算机广泛使用之前, 此类的计算由于其复杂性而只能应用在简单的系统与高度简化的理论模型之中, 所以, 即使是在此后的数十年里, 计算化学仍是一门需具有高度量子力学与数值分析素养的人从事的研究, 而且由于其庞大的计算量, 绝大部分的

计算化学学习指南

计算化学学习指南 计算化学学习基本要求： 在学习了化学系列基础课程之后，通过本课程的学习，掌握化学中常用的数值计算方法，并能利用计算方法来解决化学中和部分工程实践中的实际问题，学习中坚持理论与实践相结合，才能更深刻的理解与运用理论，并在解决实际问题中，掌握理论和方法，培养学习能力、实践能力和创新能力。 计算化学学习的难点： 学生学习计算化学时由于受原有化学、数学、计算机基础的制约，感到课程涉及知识面广，入门较慢。尤其是对各种化学、化工知识的综合应用及编程需要有一个熟悉的过程。 计算化学的研究方法： 传统意义上的计算化学要完成的任务一般包括以下几个方面： 1．量子结构计算，分子从头计算（Schrodinger方程的精确解）、半经验计算（Schrodinger方程的估计解）和分子力学计算（根据分子参数计算），属于量子化学和结构化学范畴； 2．物理化学参数的计算，包括反应焓、偶极矩、振动频率、反应自由能、反应速率等的理论计算，一般属于统计热力学范畴； 3．化学过程模拟和化工过程计算等。 但是随着科学的发展，要界定计算化学的范围是很困难的，因为它是化学学科现代化过程中新的生长点，它与迅速崛起的高科技关系密切，深受当今计算机及其网络技术飞速发展的影响，正处在迅速发展和不断演变之中，研究的侧重点也因研究者及其所处的学术环境、原有基础和人员的知识背景而异。在今后的一段时期内，计算机辅助结构解析、分子设计和合成路线设计将是计算化学的主题。尽管实际上计算化学覆盖的面还要广得多，比较公认的研究领域至少有：1．化学数据挖掘(Data mining)；

2．化学结构与化学反应的计算机处理技术； 3．计算机辅助分子设计； 4．计算机辅助合成路线设计； 5．计算机辅助化学过程综合与开发； 6．化学中的人工智能方法等。 无论计算化学涉及的内容多么广泛，其核心依然是数值计算问题。 本课程主要学习利用用计算机解化学中的数值计算问题，一般包括以下几个步骤： 1．对所要解决的问题进行分析，将化学问题转变为数学模型，选择所需的计算方法； 问题分析是完成计算任务的基础，包括对问题所含物理化学意义的清楚认识。在进行数值计算时要量纲明确，保证计算步骤分解准确。采用的数学理论正确、计算方法合理有效。 2．写出解决问题的程序框图 根据分析结果给出程序框图是编写程序的基础和关键。写出清晰、流畅、准确的程序框图是任何计算机语言编写程序的必要步骤。程序框图的绘制要根据计算机运算的特点和编写代码程序的需要。 3．代码程序的编写 选择一种合适的计算机语言，运用该种语言将上述程序框图写成计算机程序（高级程序）。由于一种计算机语言往往有不同版本，适合于不同的编译平台，彩的程序代码要符合该编译平台的规范。 4．程序的调试和编译 一个计算机程序编写完成后，一般需要通过编译、调试和修改步骤，构成计算机可以识别的代码集，并找出问题，加以完善。编译和高度的方法依据不同的程序编译平台会略有不同。 5．试算分析，输出结果 调试得到执行程序后，用已知的算例去试算检查，分析结果正确无误码，才能用于未知的算例。

计算化学学习指南

《计算化学》课程学习指南 计算化学学习基本要求： 在学习了化学系列基础课程之后，通过本课程的学习，掌握化学中常用的数值计算方法，并能利用计算方法来解决化学中和部分工程实践中的实际问题，学习中坚持理论与实践相结合，才能更深刻的理解与运用理论，并在解决实际问题中，掌握理论和方法，培养学习能力、实践能力和创新能力。 计算化学学习的难点： 学生学习计算化学时由于受原有化学、数学、计算机基础的制约，感到课程涉及知识面广，入门较慢。尤其是对各种化学、化工知识的综合应用及编程需要有一个熟悉的过程。坚持一定会有收获！ 计算化学的研究方法： 传统意义上的计算化学要完成的任务一般包括以下几个方面： 1．量子结构计算，分子从头计算（Schrodinger方程的精确解）、半经验计算（Schrodinger方程的估计解）和分子力学计算（根据分子参数计算），属于量子化学和结构化学范畴； 2．物理化学参数的计算，包括反应焓、偶极矩、振动频率、反应自由能、反应速率等的理论计算，一般属于统计热力学范畴； 3．化学过程模拟和化工过程计算等。 但是随着科学的发展，要界定计算化学的范围是很困难的，因为它是化学学科现代化过程中新的生长点，它与迅速崛起的高科技关系密切，深受当今计算机及其网络技术飞速发展的影响，正处在迅速发展和不断演变之中，研究的侧重点也因研究者及其所处的学术环境、原有基础和人员的知识背景而异。在今后的一段时期内，计算机辅助结构解析、分子设计和合成路线设计将是计算化学的主题。尽管实际上计算化学覆盖的面还要广得多，比较公认的研究领域至少有：1．化学数据挖掘(Data mining)；

2．化学结构与化学反应的计算机处理技术； 3．计算机辅助分子设计； 4．计算机辅助合成路线设计； 5．计算机辅助化学过程综合与开发； 6．化学中的人工智能方法等。 无论计算化学涉及的内容多么广泛，其核心依然是数值计算问题。 本课程主要学习利用计算机解化学中的数值计算问题，一般包括以下几个步骤： 1．对所要解决的问题进行分析，将化学问题转变为数学模型，选择所需的计算方法； 问题分析是完成计算任务的基础，包括对问题所含物理化学意义的清楚认识。在进行数值计算时要量纲明确，保证计算步骤分解准确。采用的数学理论正确、计算方法合理有效。 2．写出解决问题的程序框图 根据分析结果给出程序框图是编写程序的基础和关键。写出清晰、流畅、准确的程序框图是任何计算机语言编写程序的必要步骤。程序框图的绘制要根据计算机运算的特点和编写代码程序的需要。 3．代码程序的编写 选择一种合适的计算机语言，运用该种语言将上述程序框图写成计算机程序（高级程序）。由于一种计算机语言往往有不同版本，适合于不同的编译平台，彩的程序代码要符合该编译平台的规范。 4．程序的调试和编译 一个计算机程序编写完成后，一般需要通过编译、调试和修改步骤，构成计算机可以识别的代码集，并找出问题，加以完善。编译和高度的方法依据不同的程序编译平台会略有不同。 5．试算分析，输出结果 调试得到执行程序后，用已知的算例去试算检查，分析结果正确无误码，才能用于未知的算例。

现代分子理论与计算化学导论作业

《现代分子理论与计算化学导论》 ——课程大作业班级：xxxxxxx 姓名：小签牛学号：xxxxxxxxxx 题目：在T*=1.5条件下，分别用分子模拟方法和微扰理论方法计算ρ*=0.02和0.85的体系的压力，并比较两种方法计算 的结果。 Ⅰ.当T*=1.5、ρ*=0.02时的情况 ①由Monte Carlo模拟获得体系的内能、径向分布函数和压力，流 体参数及模拟条件见contrifile文件； 此时的contrifile文件为： ---------------ENTER THE FOLLOWING IN LENNARD-JONES UNITS-------------------- 0.02 # Enter The Density 1.5 # Enter The Temperature 8.0 # Enter The Potential Cutoff Distance 108 # Enter The Intial Molecular Number ---------------ENTER THE SIMULATION STEP CONTROLLING PARAMETES--------------- 200000 # Enter Number Of Cycles 400 # Enter Number Of Steps Between Output Lines 400 # Enter Number Of Steps Between Data Saves 400 # Enter Interval For Update Of Max. Displ. .False. # Whether Read config. From Old Simulation Run config.dat # Enter The Configuration File Name ---------------ENTER THE RADIAL DISTRIBUTION FUNCTION PARAMETES-------------- .True. # Whether Calculate The Radial Distribution Function 0.01 # Enter The Radial Distribution Distance 100000 # Enter Number Of Cycles Of Start Calculating The Radial Distribution gr0.02.dat # Enter The Radial Distribution File Name （运行程序见附件1） 所得“result.dat”文件中的结果为： A VERAGES = -0.149649

= 0.028542

计算化学复习题

计算化学复习题 第一章 1.请列举计算化学的基本任务 答：几何结构优化，电子结构分析，频率计算，蛋白质的计算，电子和电荷分布的计算，势能面搜索，化学反应速率常数的计算，热力学计算。 2.量子力学、量子化学、分子力学、分子动力学模拟的英文 答：Quantum Mechanics Quantum Chemistry Molecular Mechanics Molecular Dynamics Modelling 3.计算化学的基本方法有哪些 答：（1）ab initio methods从头算方法：是量子力学非参数化分子轨道处理方法。它建立在非相对论近似、Born-oppenheimer近似、轨道近似的基础上，采用原子轨道线性组合和Hartree-Fock自洽场方法，方法中的全部积分均做精确的计算，不使用任何计算方法的任何实验资料。包括HF,MP2(MPX),DFT。 (2)Semi-empirical techniques半经验方法：应用来自于实验或半经验的近似值作为数学计算 模型的初始参数。 (3)Molecular mechanics 分子力学方法：是应用经典物理去解释和说明原子和分子的行为 （4）QM和MM的混合方法—QM/MM：QM/MM方法是将系统分成两个区域，对需了解详细化学过程的区域用量子力学（QM）方法处理，其他区域用分子力学（MM）方法处理。 4.简要描述计算化学的基本过程 答：构建分子结构模型，选择计算方法，几何结构优化，性质计算，结果分析。 第二章和第三章 5.分子力场方法中，请写出分子体系的势能的一般表达方式。 答：E FF=E str+E bend+E tor+E vdw+E el+E cross 6.分子力学的基本思想 答：在分子内部，化学键都有“自然”的键长值和键角值。分子要调整它的几何形状（构像），以使其键长值键角值尽可能接近自然值，同时也使非键作用处于最小的状态吗，给出原子核位置的最佳排布。 7.分子力学的基本假设 答：(1)Born-oppenheimer近似：原子核的运动和电子的运动可以看成是独立的。 (2)体系中原子和分子的运动服从经典力学，即服从牛顿运动定律而不是薛定谔方程。8.力场是什么？ 答：势能函数以及它的有关参数、常数和表达式通常称为力场。由于分子内部的作用力比较复杂，作用类型也较多；对于不同类型的体系作用力的情况也有差别。力场的完备与否决定计算的正确程度。 9.了解分子力学的主要应用和局限性。 答：应用：分子力学宜用于对大分子进行构象分析、研究与空间效应密切相关的有机反应机理、反应活性、有机物的稳定性及生物活性分子的构象与活性的关系。 局限性：当研究对象与所用的分子力学力场参数化基于的分子集合相差甚远时不宜使用，当然也不能用于人们感兴趣但没有足够多的实验数据的新类型的分子。对于化合物的电子结构、光谱性质、反应能力等涉及电子运动的研究，不能用分子力学的计算方法。 10.了解分子动力学的方法原理。了解常用的系综及应用：

计算化学论文综述上交版

2012年秋季学期《计算化学》综述 分子模拟在化学领域的应用进展 班号：10907401 学号：1090740112 姓名：贺绍飞 2012年哈尔滨工业大学

分子模拟在化学领域的应用进展 摘要:分子模拟作为一种全新的研究手段已经在化学、化工、材料、生物等领域受到了广泛的关注。本文首先对分子模拟进行了简单的介绍，然后举例详细阐述了分子模拟在石油化工领域、超临界流体领域、分子筛吸附、高分子领域以及气体膜分离领域的应用发展，最后展望了分子模拟技术的发展方向。 关键词：分子模拟、问题及发展趋势、应用发展 1.引言 分子模拟技术是随着计算机在科研中的应用而发展起来的一门新的科学，是计算机科学和基础科学相结合的产物。 20世纪80年代以来，随着计算机性能的提高以及各种计算化学方法的改进，分子模拟技术日渐成熟，并逐步发展成为人们进行科学研究的一项新的有效的工具，在化学、制药、材料等相关的工业上发挥着越来越重要的作用。 分子模拟之所以受到这样的重视，与它自身的特点和相关学科的发展是密不可分的。以前，采取的都是实验室人工合成一种新型化合物，但是有一些化合物的合成繁琐而复杂，例如具有多种旋光性的药物，每一种新的药物合成都是一个工作量巨大的实验过程，以往只能采用实验手段研究时，新药的实验过程经常持续数十年，其间经历了许多失败的实验，耗费大量的人力物力。但是，在采用分子模拟的方法后，可以通过计算机模拟的手段对实验进行大量的预先筛选，大大加快了这一研究的进程。又如在对超临界流体的研究中，分子模拟和传统的实验相比有着巨大的经济优势。 2.分子模拟简介 2.1 分子模拟的定义 分子模拟是一个广泛的概念，其包括基于量子力学的模拟和基于统计力学的模拟。前者为计算量子化学(computational quantum chemistry，简称CQC)，后者主要分为两个方法，分别是分子动力学模拟(molecular dynamics，MD)和蒙特卡洛模拟(Monte Carlo，MC)[1]。三者中以计算量子化学的结果最为可靠，但是其计算量也是最大的，通常处理的体系也是比较小的.MC和MD都是基于位能函数的模拟，不同之处在于MD模拟过程与时间相关，除了和MC一样可以处理平衡性质以外，在处理传递性质等与时间相关的问题时有天然的优势，当然MD 和MC相比程序的复杂程度要高，计算的难度要大一些。 2.2 分子模拟的方法[2-7] 分子模拟的方法主要有四种：分子力学方法，分子动力学方法、蒙特卡洛方法、量子力学方法。 2.2.1 分子力学方法 分子力学法又称Force Field方法，是在分子水平上解决问题的非量子力学技术。其原理是，分子内部应力在一定程度上反映被计算分子结构的相对位能大小。分子力学法是依据经典力学的计算方法，即依据Born-Oppenheimer原理，计算中将电子的运动忽略，而将系统的能量视为原子核种类和位置的函数，这些势能函数被称为力场。分子的力场含有许多参数，这些参数可由量子力学计算或实验方法得到。该法可用来确定分子结构的相对稳定性，广泛地用于计算各类化合物的分子构象、热力学参数和谱学参数。 2.2.2 分子动力学方法 分子动力学模拟是一种用来计算一个经典多体系的平衡和传递性质的方法。

计算化学在化学中的应用

计算化学在化学方面的应用 摘要：计算化学在最近十年中是发展最快的化学研究领域之一，通过对具体的分子系统进行理论分析和计算，能比较准确地回答有关稳定性、反应机理等基本化学问题。如今计算化学已被广泛用于材料、催化和生物化学等研究领域。本文主要就计算化学的背景、计算化学常用的方法及其在化学化工中的应用等几个方面作一简单介绍。 关键词计算化学材料催化应用 Abstract: Computational chemistry is one of the fastest growing areas of chemical research in the last decade.Through theoretical analysis and calculations to a specific molecular system, one can accurately answer the basic chemical problems, for example, the stability and the reaction mechanism, etc. Today, computational chemistry has been widely used in materials, catalysis and biochemistry research. In this paper, the background of computational chemistry, the commonly used methods in computational chemistry and its application in chemistry and chemical industry have been briefed respectively. Key words:Computational chemistry; Materials; Catalysis; Application 1、计算化学的背景介绍 计算化学（Computational Chemistry）在最近10年是发展最快的化学研究领域之一。它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。最常见的例子是以量子化学计算来解释实验上的各种化学现象，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。同时，更为准确或高效的计算方法的开发创新也是计算化学领域中非常重要的一部分。 量子化学，作为量子力学的一个分支，是将量子力学的基本原理和方法，应用于研究化学问题的一门基础科学，其核心问题就是通过一系列近似，求解薛

计算化学

计算化学实验三异构体和构象的计算 一、实验目的 1.掌握异构体的计算 2.掌握过渡态的优化 3.学会计算单分子反应速度常数 二、实验原理 1.在有机化学当中，很多的同分异构体可以进行构型之间的相互转化，例如电子互变异构体，烯醇和酮式结构就可以进行互变异构，在结构比较简单的情况下，酮式结构能量更低，更加稳定，是主要构型。但是，很多构象异构在较高的温度（例如室温）当中可以很快的自由转换，主要是它们之间的能量差别不大，室温足以提供这种异构体相互转化的能量。虽然他们在室温下可以相互转化，但是我们依然可以通过计算化学方法模拟得到他们的能量差，并且比较他们之间的相同和不同点。 2.过渡态的形象表示方法（马鞍点）：过渡态的力常数矩阵有且仅有一个小于0 的本征值（即将矩阵完成对角化之后，其对角线上的所有数值当中只有一个为负）。势能等值线曲线上，势能值是相等的。此图很像一幅山区地图，在两边陡峭的山间有一条小路，称为最小能途径，因为它是能量最低点的连线。在反应物区和产物区的最小能途径之间有一小的凸起区，称为势垒，势垒的顶点称为鞍点，此处的势能图呈马鞍形。沿最小能途径走向反应物区和产物区，势能均急剧下降；沿着最小能途径的垂直方向，则势能急剧上升。过渡态则处于马鞍的中心，如图： 3.过渡态的寻找方法： 可以使用逐点优化法或者估计一个可能接近的几何构型，进行优化。 4.反应速率常数的计算 当n=1 的时候，这个公式代表的结果表示单分子反应速率常数； 当n=2 的时候，这个公式代表的结果表示双分子反应速率常数。

5.单分子反应速率常数 如上述公式所示，取n=1， 式中， k B为波尔兹曼常数，其值为1.381*10?23 J/K ；h为普朗克常数，其值为6.626*10-34 J·s。 三、实验内容 1.打开电脑当中的G09W 软件，新建任务。 2.建设任务，进行计算方法（route section）、标题、分子所带电荷及自旋多重度、分子坐标的输入，然后保存为输入文件。 3.从本次实验开始，分子的左边逐渐比较难以书写，可以使用CHEMCRAFT 软件将几何构型画出，使用此软件获得该分子的坐标。 4.选择RUN 并保存输出文件的位置。 5.等待计算完成后，打开输出文件，分析所得到的数据。 6.可以使用CHEMCRAFT 软件读取OUT 文件，获得相关数据。 四、实验结果 1. 反式1,3-丁二烯和顺式1,3-丁二烯结构的优化 （1）反式1,3-丁二烯 输入信息： % Section: %MEM = 300MB Route section: #p b3lyp/6-31G** freq opt=z-matrix scfcon=7 optcyc=200 标题: fanshi 静电荷&自旋度: 0 1 分子坐标 6 6 1 R12 6 2 R23 1 A123 6 3 R34 2 A234 1 D1234 0 1 1 R15 2 A215 3 D3215 0 1 1 R16 2 A216 3 D3216 0

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

计算化学及其应用

计算化学及其应用 摘要：随着计算化学方法不断完善和计算机技术迅猛发展，计算化学在化学研究中占有越来越重要的地位。本文着重介绍了从头算方法，MΦller Plemet{MP)方法，密度泛函理论等计算方法的特点，并论述了计算化学的应用和前景，以及由计算化学带来的深远影响。 关键词：计算化学；量子化学，计算方法，应用 计算化学（computational chemistry）是理论化学的一个分支。计算化学的主要目标是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性质（例如总能量，偶极矩，四极矩，振动频率，反应活性等）并用以解释一些具体的化学问题。 理论化学泛指采用数学方法来表述化学问题，而计算化学作为理论化学的一个分支，常特指那些可以用电脑程序实现的数学方法。计算化学并不追求完美无缺或者分毫不差，因为只有很少的化学体系可以进行精确计算。不过，几乎所有种类的化学问题都可以并且已经采用近似的算法来表述。理论上讲，对任何分子都可以采用相当精确的理论方法进行计算。很多计算软件中也已经包括了这些精确的方法，但由于这些方法的计算量随电子数的增加成指数或更快的速度增长，所以他们只能应用于很小的分子。对更大的体系，往往需要采取其他一些更大程度近似的方法，以在计算量和结果的精确度之间寻求平衡。 计算化学的主要有从头算方法，MΦller Plemet{MP)方法，密度泛函理论等。 从头算方法(Ab initio methods)[1]，是指基于量子力学理论的，完全由理论推导而得，不使用基本物理常数和原子量以外的实验数据、以及经验或者半经验参数的求解薛定谔方程的方法。大多数情况下这些第一原理方法包括一定的近似，而这些近似常由基本数学推导产生，例如换用更简单的函数形式或采用近似的积分方法。大多数从头算方法都使用波恩-奥本海默近似，将电子运动和原子核运动分离以简化薛定谔方程。计算经常分两个步骤进行：(1)电子结构计算，(2)化学动力学计算。 MΦller Plemet{MP)方法[2]，是一种以Hartree-Fock波函数为微扰波函数的处理原子和分子体系的微扰理论方法，亦称对称性匹配的微扰方法。所谓对称性匹配是指在微扰展开中要考虑波函数的反对称化，也就是考虑了Pauli原理。由于考虑了电子相关作用，可以准确地计算分子聚集体中的弱相互作用能，因此，MP方法常被用于研究含氢键的复合体系和稀有气体元素小分子复合体系。对于一些生物分子复合物现在也已能够得到比较精确的稳定化能，尤其是一些小的超

计算化学基础及其应用(精)

计算化学基础及其应用 第一章绪论 §1.1 现代化学发展的特征之一：计算化学的蓬勃发展 1、国际科学界的共识和认同， 1998年度的诺贝尔化学奖，授予了在计算化学领域做出杰出贡献的P o p l e，和K o h n； WATOC（World Association of Theoretical Oriented Chemists）founed in 1982； 2、各类量子化学、理论化学、计算化学等学术机构不断出现，人力、物力、财力向计算化学领域转移集中；中国化学学科的教研基地，几乎都成立了理论和计算化学研究中心：北大、南大、吉大、夏大、武大、山东大学、等等。 3、计算化学相关学术刊物的创刊 美国化学会, 英国皇家化学会, Elsevier, Springer等出版社； 4、论文数量的剧增、研究工作的广泛深入和应用领域的拓宽 5、学术交流频繁 2003.7 第一届国际理论化学、分子模拟和生命科学研讨会（中国科学院，北京） 6、可行性、通用性，正在成为一种常规研究方法：第三种科研方法 在过去，分子模拟/计算化学常常局限于那些能够接触到必要的计算机软硬件的少数科学家。操作者自己编写程序，自己维护计算机系统，自己修复崩溃的系统。今天，情况则发生了巨变：(1) 个人计算机/计算机工作站甚至较仅仅几年前的大型计算机的功能都要强大的多，而且能够相对便宜地买到；(2) 由于软件可以从商业公司或科研实验室得到，人们不必再自己编写程序。现在，分子模拟可以在任何实验室或教室实施。 作为一个迅猛发展的学科，计算化学极大地得益于近年来计算机软硬件的飞速发展。相当一部分计算工作可以由个人电脑/PC机完成。 第三种科研方法：实验研究，理论研究，计算模拟。 §1.2 计算化学概览 1、几个概念的区别与联系 常见的一些名称术语及其关系：相互渗透，相互依赖，部分重叠 ?物理化学物理理论→化学（四部分） ?量子化学（量子力学→化学） ?理论化学量子化学＋统计热力学 ?计算化学理论化学＝计算化学？ ?化学信息学化学－信息－计算机（CIC） ?分子模拟分子模拟＝计算化学？量子化学－分子力学 ?化学计量学∈化学信息学

计算化学在生物大分子研究中的应用

计算化学及其在生物大分子研究中的应用 摘要：生物分子动态模拟技术是运用计算机对生物大分子的结构、功能、质子 运动轨迹以及生物分子间的相互作用进行预测,是研究生物分子结构和功能的重要手段。本文综述了近年来报道的研究生物大分子体系的量子化学计算方法(HF、MP、DFT等),简单介绍分子动态模拟技术在生物大分子研究中的应用和研究进展,分析了目前存在的问题,并展望了该领域的研究前景。 关键词：生物大分子；计算化学；分子动态模拟 引言 理论与计算化学是一门应用量子力学和统计力学研究化学问题的化学分支学科。以1998年沃尔特·库恩(Walter Kohn)和约翰·波普尔(John Pople)获得诺贝尔化学奖为标志,化学这一传统实验科学进一步走向严密科学的趋势越加明朗。理论与计算化学在其中的重要作用,也愈加为人们所重视。作为一门独立的学科，它和物理化学、化学物理、分子物理、生物物理、计算科学等相关学科有很强的交叉和渗透。理论化学的重要性在于，它研究的是化学学科最核心和普遍的规律。 大分子体系的理论计算一直是具有挑战性的研究领域,尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究,是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等,都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问,这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变,使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药,等等。可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。 随着理论的发展与计算机技术的提高,目前量子化学计算方法和计算程序已能对由几个甚至几十个原子组成的中小分子的性质进行十分精确的理论研究。特别是分子的总能量,许多计算方法(如MP、DFT、QCISD等方法)的计算结果都能与精确实验结果很好地吻合。J.A.Pople小组创建的Gaussian-1(G1)、Gaussian-2(G2)、G2(MP2)和G2(MP3)理论,其能量方面的计算值与精确实验结果的差异在2kcal/mol范围以内,而所需的计算机资源相对较小,计算结果甚至可以用来评判有关实验测定结果的可靠性。然而,到目前为止,还没有一种成熟的理论和普遍可接受的计算程序用于对由数以千计乃至数以万计个原子组成的大分子体系(如核酸、蛋白质和固体材料等)进行量子化学计算研究。这主要是由于计算量与分子大小呈指数(电子数的3次方或更高)关系。因此,大分子体系的量子化学计算方法的研究便成为当今计算化学领域中极具挑战性的研究热点之一。 1.计算化学方法与应用 1.1 Abinitio Hartree-Fock (HF) SCF方法 从头算法在上个世纪70年代被逐渐开展,是求解多电子体系问题的量子理论

计算化学的发展、优势及应用

1计算化学概念及发展 对于计算化学这门学科包括哪些内容，国内外不同的 学者有着不同的理解和说法，但从相关的刊物，丛书内容可以看出他们一致显示了计算化学的主线，就是用第一性原理为基本方法，通过计算来解决化学学科的核心问题. 1998年，诺贝尔化学奖颁给了美国科学家Kohn 和英 国科学家Pople.他们的成果及其获奖对整个化学学科是一个标志性的事件.瑞典皇家科学院在颁奖公报中说:量子化学已经发展成为广大化学家使用的工具，他将化学带入一个新时代，化学不再是纯实验科学.20世纪90年代快结束是我们看到化学理论和计算的研究有了很大的发展，其结果使整个化学正经历着一场革命性的变化，这一变化的核心是化学界对计算化学学科地位的重新认识，宣告了化学的三大支柱(实验，形式理论和计算)的时代已经来临，计算化学融形式与计算于一身，成为创造科学概念的新途径. 随着化学理论的发展，化学计算(大型程序化)的发展，特别是计算机性能的迅猛发展，计算化学实验作为集理论与计算化学于一身的一门新课程，其应运而生的时机已经成熟，它不需要传统化学实验的仪器，设备，试剂和药品，是纯粹的电脑模拟，建立在理论的演绎思维的基础上，通过对涵盖若干公理的一个系统方程的求解，解决化学的所有问题，它不仅可以独立地促进化学学科的发展，其对传统化学实验的指导与结合，更会起到事半功倍的作用. 我们凭什么相信计算?什么是计算所依据的”第一原理”呢?尽管人们依然认定科学理论最后肯定离不开实验的检验，但是，当今人们已经不再把实验当作科学新思想，新概念的唯一来源.第一原理具有公理结构，从很少几条公理假设出发，经过数学和逻辑演绎而得到关于物质的形式理论体系，再从形式理论出发利用物理假设出发，利用物理模型近似，二次形式化和计算，得到理论预计值，最后在再去 与实验结果核对.结果，以量子力学，统计力学为核心的第一原理已经在最近100年来经受了各种领域实验事实的检验.量子力学，统计学所经受实验检验的程度之深，领域之广是任何自然科学学科中其他理论所远远不能相比的，所以，以物质世界为对象的计算化学必然要尽可能地依据第一原理，凭第一原理来处理物理模型，这样的计算结果人们才会相信. 计算化学的目的在于理解，预言和发现新的化学现象及其物理本质.世界上无论哪个化学物质都是由电子和不同电荷的原子核组成的.物质世界的”统一性”就在于此，所以科学家对”统一性”的追求并不是主观的臆想，而是在实践中不断修正，不断接近和符合客观实际的结果.20世纪物理学和化学的最大成功之处就在于此.理论化学就是化学领域的第一原理.科学理论具有强大的预见能力，它能动地启发我们获得科学的新思想，新概念，这种强大的预见能力远远超出人们的想象. 2Gaussian 程序 化学计算的宗旨是，在运用第一原理的时候，选用适当 的模型才能执行计算.这里必须强调，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.目前有许多很好的计算化学的程序，Gaussian 程序是一个最普及的程序，它最早的版本是1970年的 Gaussian70，最新的版本是Gaussian09，它可以进行各种类 型的从头算，半经验和密度泛函(DFT)计算，而且有PC 机的版本，很容易使用. Gaussian 程序可以预言分子和化学反应的许多性质，如 分子能量和结构，电子密度分布，热力学性质，振动频率，红外和拉曼光谱，NMR 化学位移，极化率和静电势等. 3GaussianView GaussianView 是专为Gaussian 用户开发，帮助建立输 浅议计算化学的发展、优势及应用 石 磊 （贵州大学 化学与化工学院，贵州贵阳 550025） 摘要：随着计算机科学及量子化学计算的迅猛发展，计算机已成为所有分支领域化学家的必备工具，量子化学已经发 展成为广大化学家的使用工具，它将化学带入一个新时代，化学不再是纯实验科学.本文对计算化学发展的历程，宗旨和目的，以及所用计算软件与分子模型计算应用，做一简要论述，希望能为对计算化学感兴趣的朋友提供帮助，同时希望不了解计算化学的朋友对此方法有重新的认识. 关键词：计算化学；第一性原理；Gaussian 程序；GaussianView 程序；模型构建；几何优化中图分类号：O6-1 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３－２６０Ｘ（2012）01-0085-02 Vol.28No.1 Jan.2012 第28卷第1期（下） 2012年1月赤峰学院学报（自然科学版）Journal of Chifeng University （Natural Science Edition ）８５－－

计算机在化学中的应用

中国海洋大学本科生课程大纲 课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修 一、课程介绍 1.课程描述： 计算机目前已经成为各行各业的重要工具，随着计算机科学与技术的高速发展及其与传统化学、化工学科的不断交叉、渗透与整合，现代计算机技术正在化学、化工专业的科研、生产和教学中起到日益重要的作用。计算机在化学、化工专业的应用已不仅局限于传统的办公、图形处理等范围，在化学品开发、反应机理研究、设备设计、过程控制、工艺优化、辅助教学等领域，计算化学和计算化学工程的重要作用日益凸显。本课程主要介绍应用计算机软件解决化学、化工领域一些常见的问题，主要包括文献检索与管理类软件，化学化工图形与图像处理类软件，科研绘图及数据分析类软件，化学化工计算类软件和地理信息系统软件等。 2.设计思路： 计算机在化学中的应用已经有几十年的历史，在化学学科的发展过程中计算机起到了非常重要的作用，在学习其它化学课程的同时掌握必要的计算机知识显得非常迫切。对于化学、化工专业的学生来说，熟练应用计算机解决学习及科研中面临的各种问题已经成为必备的基本技能。 本课程是在具备一定计算机软件知识的基础上，结合部分化学专业知识，从化学类相关的软件角度学习并掌握计算机在化学领域中的应用手段和最新方法，理论教学与上机实践相结合，使学生基本具备借助计算机解决化学问题的能力。 3. 课程与其他课程的关系： 本课程在大学二年级开设。先修课程包括无机化学、有机化学、计算机基础等， - 1 -

本课程学习效果对后续化学课程的学习尤其是化学基础实验、毕业设计等起着重要作用。 二、课程目标 作为化学类专业的本科生，修习本课程后应基本具备借助计算机解决化学问题的能力。包括化学类文档处理、常规数据处理、科技工作汇报以及专业流程图的绘制；分子类图形的绘制以及分子结构的常规优化方法；对实验数据进一步处理和分析以及二维图形绘制的方法；实验数据的初步统计学处理方法；掌握网络化学资源尤其是文献数据库的使用方法等。 三、学习要求 要完成所有的课程任务，学生必须： （1）按时上课，上课认真听讲，积极参与课堂讨论、随堂练习和测试。 （2）按要求完成上机习题作业并按时提交。 （3）积极参加与课程知识相关的的学习活动和讲座。 四、参考教材与主要参考书 1、选用教材：本课程自拟讲义。 2、主要参考书： 1.EndNote & Word文献管理与论文写作(第二版)，作者:童国伦、程丽华、张楷焄编 著出版社:化学工业出版社； 2.基于AutoCAD2007软件平台--化学工程CAD技术应用及实例，作者:杨松林，于栾 峰主编出版社:化学工业出版社； 3.化工AutoCAD应用基础(第二版)，作者:张秋利，周军主编出版社:化学工业出版 社； 4.计算机在化学化工中的应用(第二版)，作者:李谦等主编出版社:化学工业出版 - 1 -

大连理工大学本科生《计算化学及其应用》期末大作业

《计算化学及其应用》期末大作业 姓名: 学号： 班级： 完成时间： 大连理工大学

一、(10分)分别举一例说明基于牛顿力学方程和薛定谔方程的计算化学方法及其优缺点。基于牛顿力学方程的计算化学方法：分子力学方法 优点：1.把分子用硬球和弹簧的方式来表示 2.相对于初步搭建的分子模型, 可以更好地得到其稳定结构 3.可以计算形变的相对能量 4.计算成本低 缺点：1.需要很多经验参数, 这些参数需要仔细测试和校准 2.只能得到稳定几何结构 3.无法得到电子相互作用的信息 4.无法得到分子性质和反应性能的信息 5.不能研究包含成键和断键的反应 基于薛定谔方程的计算化学方法：密度泛函理论 优点：1.使用完全的Schr?dinger 方程, 原理上可以得到准确的电子分布 2.可以很容易达到很高的精度 3.可描述结构, 性质, 能量和反应性能 4.可计算较大体系，计算成本中等 缺点：1.需要泛函和参数, 体系的适用性必须以实验结果为依据 2.对较小体系的试用性有限 二、(30分)选择适当的基组和量子化学方法，分别优化一种简单有机阳离子和一种有机阴离子的几何结构。要求分别给出(1)各输入文件中使用的基组和计算方法;(2)各结构所使用的电荷和自旋多重度；(3)各稳定结构的能量及优化的几何结构(附主要几何参数和各碳原子上的Milliken电荷)。 1.选择阴离子：OCH3— (1)输入文件中使用的基组：Hartree-fock 计算方法：6-31G d (2)使用的电荷：-1 自旋多重度：Singlet

(3)稳定结构 ○ 1能量： ○ 2优化的几何结构： 频率均为正值，已优化到稳定结构： 主要的几何参数： 稳定的几何结构：