計算機化學及分子設(shè)計課件

1、計算機化學與分子設(shè)計Computational Chemistry& Molecular CAD現(xiàn)代化學前沿問題講座.1二十世紀八十年代以來，先進的分析儀器的應用、量子化學計算方法的進展和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，對化學科學的發(fā)展產(chǎn)生了沖擊性的影響。其研究內(nèi)容、方法、乃至學科的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都在發(fā)生深刻的變化。長期以來，化學一直被科學界公認為一門純實驗科學。其理由要追溯到人類認識自然的兩種科學方法。.2歸納法 ( F. Bacon, 1561-1626 )演繹法 ( R. Decartes, 1596-1650 )設(shè)計實驗實驗數(shù)據(jù)唯象理論“預測”數(shù)據(jù)擬合檢驗公理假設(shè)形式理論二次形式化、近似、計算和模擬

2、預 測模 型實驗檢驗.3迄80年代，歸納法是多數(shù)化學家采用的唯一科學方法；演繹法在化學界從未得到普遍承認原因：對象復雜；習慣觀念歸納法(Reduction)與演繹法(Deduction)的比較.4運用數(shù)學的多少是一門科學成熟程度的標志。馬克思.5數(shù)學的應用：在剛體力學中是絕對的，在氣體力學中是近似的，在液體力學中就已經(jīng)比較困難了；在物理學中是試驗性的和相對的；在化學中是最簡單的一次方程式；在生物學中等于零。恩格斯.6恩格斯的論斷反映了19世紀中葉自然科學各學科的“成熟程度”。表明各學科研究對象 物質(zhì)運動形式與規(guī)律 其復雜程度的差異然而，百年來科技的發(fā)展使各學科的“成熟程度”發(fā)生了巨大變化.7化

3、學科學發(fā)展簡要回顧.8冶金、建材工業(yè)推動了無機藥物、染料、釀酒工業(yè)推動了有機 經(jīng)典價鍵理論、苯結(jié)構(gòu)奠定有機化學基礎(chǔ) 元素周期表奠定無機化學基礎(chǔ)無機、有機化學在19世紀率先建立.9物理化學在20世紀初形成。旨在揭示化學反應的普遍規(guī)律 反應進行的方向、程度和速度Gibbs 化學熱力學Gibbs自由能：G = H TS 反應速率常數(shù)：Arrhenius 化學動力學.10物理化學的建立使化學科學開始擁有了理論。高等數(shù)學首次派上了用場 雖然僅是一階的常、偏微分方程而已（以后在經(jīng)典統(tǒng)計熱力學中用到了概率論）經(jīng)典物理化學的理論是唯象的，是有限的地球空間內(nèi)宏觀化學反應規(guī)律的經(jīng)驗總結(jié)30年代量子化學和量子統(tǒng)計力

4、學分支的形成使化學科學開始與演繹法“沾上了邊”。但在80年代前進展十分緩慢.11Einstein廣義和狹義相對論（1905）量子力學的創(chuàng)建（19251926）上世紀初理論物理兩項重大突破對廿世紀人類科技和物質(zhì)文明進步產(chǎn)生巨大影響。其中，量子力學的影響更為直接和廣泛。.12Heisenberg、Schrdinger、Dirac、Born等于19251926創(chuàng)建30年代初由von Neumann完成形式理論體系量子力學是演繹法最成功的實例量子力學的建立未依據(jù)任何實驗事實或經(jīng)驗規(guī)律。它用少數(shù)幾條基本假定作為公理，由此出發(fā)，通過嚴格的邏輯演繹，迅速地建成一個自洽、完備、嚴密的理論體系.13微觀粒子或體

5、系的性質(zhì)由狀態(tài)波函數(shù) 唯一確定， 服從Schrdinger方程基本運動方程 Schrdinger方程Schrdinger方程：Hamilton算符：在10-13 m的微觀層次，方程放之四海而皆準方程建立容易，困難在于求解.14歷70余年，量子力學經(jīng)受物質(zhì)世界不同領(lǐng)域 (原子、分子、各種凝聚態(tài)、基本粒子、宇宙物質(zhì)等) 實驗事實的檢驗，其正確性無一例外。任何唯象理論無法與之同日而語。.15用完備的形式理論體系統(tǒng)一理論解釋和預測不同科學領(lǐng)域的實驗結(jié)果。量子力學的“第一原理” (First Principle) 計算（從頭算）只采用5 個基本物理常數(shù)：0、e、h、c、k 而不依賴任何經(jīng)驗參數(shù)即可正確預

6、測微觀體系的狀態(tài)和性質(zhì).1620世紀人類光彩奪目的科技成就大都與量子力學有關(guān)。量子理論不僅有力地促進了社會的物質(zhì)文明改觀，且改變了人類的思維方式.17量子力學的輝煌使理論物理學家18次共25人榮獲諾貝爾物理獎1919Planck1921Einstein1922Bohr1929de Broglie1932Heisenberg1933SchrdingerDirac1938Fermi1945Pauli1949Yukawa1954BornBothe1957T.D. LeeC.N. Yang近20年理論物理領(lǐng)域未見再獲獎。表明物理學科的高度成熟1962Landau1963Wigner1965Tomona

7、gaSchwingerFeyman1967Bethe1969Gell-Mann1972Cooper1979WeinbergSalamGlashow.18量子力學的建立和發(fā)展促進了： 現(xiàn)代化學鍵理論奠基（1930）Pauling是杰出代表Slater、Mulliken、Hund、Heitler-London分別作出貢獻 量子力學引入化學，促進量子化學、量子統(tǒng)計力學形成Einstein-Bose、Fermi-Dirac兩種統(tǒng)計理論Hckel分子軌道理論（1932）Roothaan方程（1952） 計算量子化學發(fā)展.19化學科學的體系和結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化對象：宏觀現(xiàn)象 微觀本質(zhì)方法學：描述、歸納 演繹

8、、推理理論層次：定性 定量化學與物理學的界限在模糊，在理論上趨于統(tǒng)一化學各分支學科的交叉；與其他學科相互滲透帶動生物、材料科學進入分子水平與化學相關(guān)的新領(lǐng)域不斷涌現(xiàn).20化學及交叉學科的發(fā)展促進了數(shù)學向化學的滲透眾多的數(shù)學工具應用于物理化學領(lǐng)域：矩陣代數(shù) 復變函數(shù) 數(shù)理方程 數(shù)理統(tǒng)計 數(shù)值方法 群論 不可約張量法 李代數(shù) 非線性數(shù)學 模糊數(shù)學 分型理論與方法 數(shù)學與物理化學的交叉使有關(guān)的數(shù)學知識在其他各化學分支亦得以應用.21一門新的交叉學科計算機化學已形成。它將幫助化學家在原子、分子水平上闡明化學問題的本質(zhì)，在創(chuàng)造特殊性能的新材料、新物質(zhì)方面發(fā)揮重大的作用。.22計算機化學是化學與多個學科的

9、交叉化 學物理學計算機科 學材料科學生命科學數(shù) 學計算機化 學環(huán)境科學.23體系數(shù)據(jù)和性質(zhì)的綜合分析分子 (材料)CAD合成路線CAD化學 CAI數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析及其它應用化學數(shù)據(jù)庫量子化學計算計 算 機分 子 模 擬分子結(jié)構(gòu)建模與圖象顯示化學人工智能分子力學( MM )分子動力學(MD & MC)計算機化學計算機化學的主要內(nèi)容.24化學數(shù)據(jù)庫（Data base）分子結(jié)構(gòu)庫 晶體庫 熱力學數(shù)據(jù)庫 藥物庫高分子庫 分子光譜、波譜圖譜庫 生物數(shù)據(jù)庫（蛋白質(zhì)、核酸、多糖庫）化學文獻庫化學人工智能（需借助數(shù)據(jù)庫）計算機輔助分子結(jié)構(gòu)解釋 化學模式識別 結(jié)構(gòu)活性關(guān)系分析 結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系分析 神經(jīng)網(wǎng)絡算法

10、與神經(jīng)網(wǎng)絡計算機.25分子結(jié)構(gòu)建模與圖形顯示結(jié)構(gòu)建模 確定各原子的初始空間排布這是用計算機處理分子大多數(shù)作業(yè)的起點綜合的計算機化學軟件包，主程序應提供建模的友好界面，同時具有分子圖形顯示與結(jié)構(gòu)參數(shù)分析功能可采用二維或三維建模。程序可自動將二維圖形轉(zhuǎn)換為三維.26分子的計算機模擬 Molecular Modeling .27What isMolecular Modeling ?用計算機模擬化學體系的微觀結(jié)構(gòu)和運動，并用數(shù)值運算、統(tǒng)計求和方法對系統(tǒng)的平衡熱力學、動力學、非平衡輸運等性質(zhì)進行理論預測分子模擬是化學CAD的重要部分什么是分子計算機模擬?.28為何進行分子計算機模擬?宏觀化學現(xiàn)象是102

11、4個分子（原子）的集體行為，固有統(tǒng)計屬性化學統(tǒng)計力學的局限性：通常僅適用于 “理想體系” 理想氣體、完美晶體、稀溶液等量子力學方法的局限性：對象為平衡態(tài)、單分子或幾個分子組成的體系；不適用于動力學過程和有溫度壓力變化的體系.29分子模擬將原子、分子按經(jīng)典粒子處理，可提供微觀結(jié)構(gòu)、運動過程以及它們與宏觀性質(zhì)相關(guān)的數(shù)據(jù)和直觀圖象分子模擬結(jié)果取決于所采用的粒子間作用勢的合理、精確程度。又稱為“計算機實驗”，是理論與真實實驗之間的橋梁分子模擬的兩種主要方法：分子動力學法 (MD ， Molecular Dynamics) 基于粒子運動的經(jīng)典軌跡Monte Carlo法 (MC) 基于統(tǒng)計力學.30分子

12、力學法Molecular Mechanics Method一、原理忽略分子振、轉(zhuǎn)、平動運動。原子視為經(jīng)典粒子，原子間作用力用經(jīng)驗勢函數(shù)表示體系的平衡幾何結(jié)構(gòu)由能量最低原理確定分子力學法(MM)用于預測大分子的幾何構(gòu)型，其勢函數(shù)可用于分子動力學模擬(MD).31二、作用在粒子上的瞬時合力原子 i 在其它原子的作用勢場 Ei (ri) 中運動在平衡位置總作用力：.32三、有效作用勢近似粒子的勢能 Ei 及梯度 Ei 借助經(jīng)驗勢函數(shù)計算經(jīng)驗作用勢 二體及三體以上作用勢的疊加.33分子動力學法Molecular Dynamics Method一、MD法原理將微觀粒子視為經(jīng)典粒子，服從 Newton 第

13、二定律或若各粒子的瞬時受力已知，可用數(shù)值積分求出運動的經(jīng)典軌跡.34在合適選定的時間步長 t 內(nèi)，粒子可視作勻加速直線運動加速度：位 移：二、粒子 i 在時間 t 內(nèi)的位移 ri步長取值： t0.010.0001 ps.35假定1：有效作用勢近似 同 MM 法假定2：周期性邊界條件 (Periodical Boudary Condition)三、MD法基本假定困難 欲重現(xiàn)實際體系的統(tǒng)計行為，模擬體系應有足夠數(shù)量的粒子1dm3水 31027個H2O計算機只能處理 102 104 個粒子！解決辦法 贗無限大近似取較小的模擬體系作中心原胞，令其在空間重復排列.36二維周期性邊界條件示意圖8 個近鄰重

14、復單元包圍著中心原胞，為其提供合理的邊界條件近似中心原胞N102計算機實際處理的是原胞內(nèi)數(shù)量較少的粒子 .37三維周期邊界實例蘇氨酸水溶液模擬111nm 的立方原胞含 1 個蘇氨酸 ( threonine ) 分子和 24 個水分子原子總數(shù) 88分子總數(shù) 25粒子數(shù)取得過少是為求顯示的直觀欲得合理的模擬結(jié)果，原胞體積至少應增大10倍！.38用途 預測：復雜有機分子可能的穩(wěn)定異構(gòu)體分子量和元素成分已確定的未知化合物的可能分子結(jié)構(gòu)四、 MD處理用于單個分子 (無周期邊界)辦法 ：將分子用計算機“加熱”至高溫（1000K）進行“逐步退火” MD 計算，在不同溫度下取樣作為初始構(gòu)型用 MM 法作構(gòu)型優(yōu)

15、化.39MM和MD的比較MM法 每步原子初速均為零，粒子位移趨于無限小MD法 原子初速不為零，給出分子內(nèi)部熱運動的經(jīng)典圖象.40計算機分子模擬的應用一、物質(zhì)和大分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)根據(jù)體系的化學成分推斷微觀結(jié)構(gòu)計算MD + MM計算機輔助結(jié)構(gòu)分析與靜態(tài)性質(zhì)計算復雜有機分子 高分子 晶體 液晶態(tài) 非晶態(tài) 溶液熔鹽 界面和表面 氣體 熱力學性質(zhì) 材料力學性質(zhì)與動態(tài)過程有關(guān)性質(zhì)的計算分子內(nèi)和分子間的相互作用擴散 吸附與解附 熔融 結(jié)晶 相變 分子散射 分子適配材料應力應變 蠕變與斷裂.41計算機分子模擬的應用二、化學CAD計算機輔助有機分子和生物分子設(shè)計計算機輔助藥物設(shè)計計算機輔助材料設(shè)計.42若干應用

16、實例MD模擬.43(1,2,4)-4-(1,1-e二甲乙基)-2-烴基環(huán)戊羰基酰胺晶體實驗測定與 MD 模擬結(jié)果的比較W. Linert, and F. Renz, J. Chem. Inf. Comput. Sci., 33, 776(1993)Experimentally DeterminedMD-predicted.44GnRH ( gonadotrophin-releaing hormon, 促性腺釋放激素 ) 分子構(gòu)象理論預測D.G. Hangauer, in Computer Aided Drug Design, T.J. Perun & C.L. Propst ed., Marc

17、el Dekker Inc., New York, p253, 1989.分子式：pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu-Arg-Pro-Gly-NH用MD中的“模板強制法” ( Template-forcing ) 確定一對柔性分子相應功能團可能的空間取向起始取向為線型的兩個分子逐步轉(zhuǎn)化為能量較低的環(huán)型構(gòu)象模 板加模板.45MD預測的順磁性和反磁性冰晶體結(jié)構(gòu)O.A Karim & A.D.J. Haymet, J.Chem. Phys., 89, 6889(1988)Ferromagnetic iceAntiferromagnetic ice.46MD法模擬的熔鹽體系 T

18、*V * 相圖D.A. Young & B.J. Alder, J. Chem. Phys., 73, 2434(1980).47Ru-Al 合金斷裂過程動態(tài)模擬C.S. Becquart , D. Kim, J.A, Rifkin, and P.C.Clapp, Mat. Sci. Engin., A170, 87(1993)斷裂點周圍的損壞區(qū)域.48兩塊晶體界面結(jié)構(gòu)的模擬FCC單晶硅，13(150)晶界，晶面傾角 67.38.49較小晶面傾角 ( = 9.53)下單晶硅晶界的一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu).50計算量子化學Computational Quantum Chemistry經(jīng)典模型的局限 未涉及化

19、學行為的物理本質(zhì)化合物的性質(zhì) 電子結(jié)構(gòu)化學反應 核與電子運動狀態(tài)的變化伴隨有電子躍遷、轉(zhuǎn)移、變價的過程，經(jīng)典的分子模擬不能處理.51分子軌道法簡介.52一、量子力學第一原理 多體Shrdinger方程物理模型：分子中電子和原子核均在運動中粒子間存在著相互作用定態(tài)Shrdinger方程：rPirQjrijRPQ.53原子單位：三個基本物理常數(shù) 單電子近似 每個電子行為視為獨立，用單電子波函數(shù) i (ri) 描述 (MO)二、物理模型的三個基本近似非相對論近似： i = 0 Born-Oppenheimer 近似： 電子與核運動分離電子 哈密頓：.54三、 LCAO -MO近似為尋找試探波函數(shù)的合

20、理形式，將分子軌道表示為原子軌道i的線性組合優(yōu)點：利于建立化學鍵理論的電子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)Molecular Obital expressed as a Linear Combination of Atomic Orbitals.55四、Roothaan 方程 (1952)對 Hartree-Fock 方程引入 LCAO-MO 近似在以AO集 i為基的線性空間中，F(xiàn)ock算符的表示為Fock矩陣MO組合系數(shù)表示為列矢量電子總能量變分要求 , c 滿足 Roothaan 方程F c = S c S 為 AO 重疊矩陣:.561927年Heitler和London用變分法求解了氫分子的波函數(shù)實驗值RAB/

21、a01.518E首次在形式理論的水平上解釋了化學鍵本質(zhì)，開創(chuàng)了量子化學分支學科.57量子力學為在原子分子水平上揭示化學問題的本質(zhì)奠定了牢固的理論基礎(chǔ)。因為，化學反應基本過程是伴隨著反應體系原子核的重排而發(fā)生的電子運動狀態(tài)的改變，這些微觀運動均服從薛定諤方程。量子力學的統(tǒng)一理論 (United theory) 使化學與物理學在原子、分子水平上會師，兩學科的界限趨于模糊.58量子力學奠基人之一的 Dirac 在 1929說:The fundamental laws necessary for the mathematical treatment of large parts of physics

22、and the whole of chemistry are thus fully known, and the difficulty lies only in the fact that application of these laws leads to equations that are too complex to be solved.59因處理實際分子在數(shù)學上的困難。Dirac本人對量子力學在化學上的應用前景是悲觀的。1952年H. Schull等三人用手搖計算機花兩年才完成一個N2分子的從頭算。有人斷言：用盡世界上的紙張恐亦無法完成一個Fe原子的計算50年代末，大型計算機的浮點運

23、算速度為0.01Mflops，僅及PIII 的 1/5000 ！.60量子化學從二十世紀30年代初的理論奠基到90年代末在計算技術(shù)與應用上的成熟，經(jīng)歷了漫長的將近七十年這是幾代杰出理論化學家不懈努力的結(jié)果，并得益與計算機和計算技術(shù)的巨大進步1998年諾貝爾化學獎的頒布是計算量子化學在化學和整個自然科學中的重要地位被確立和獲得普遍承認的重要標志.61The Laureates of 1998 Nobel Prize in ChemistryWalter Kohn & John A. Pople瑞典皇家科學院10月13日宣布將1998年度諾貝爾化學獎授予兩位年邁的量子化學家 Kohn和Pople,

24、 表彰他們在開拓用于分子性質(zhì)及其參與化學過程研究的理論和方法上的杰出貢獻。.62（瑞典皇家科學院在Web上發(fā)表的新聞公告）.63頒獎公告稱：The development did not really started until the beginning of the 1960s, when two events became decisive: To develop of an entirely new theory for describing the spatial distribution of electronsTo use of the increasing potential

25、offered by the computerWalter Kohn and John Pople are the two most prominent figures in this process.64對1998 年諾貝爾化學獎劃 時 代 的 評 價“ 量子化學已發(fā)展成為廣大化學家都能使用的工具，將化學帶入一個新時代 實驗與理論能攜手協(xié)力揭示分子體系的性質(zhì)。化學不再是一門純實驗科學了”.65“卅年前，如果說并非大多數(shù)化學家，那末至少是有許多化學家嘲笑量子化學研究，認為這些工作對化學用處不大，甚至幾乎完全無用?，F(xiàn)在的情況卻是完全兩樣了。當90年代行將結(jié)束之際，我們看到化學理論和計算研究的巨大

26、進展，導致整個化學正在經(jīng)歷一場革命性的變化。Kohn和Pople是其中的兩位最優(yōu)秀代表”“這項突破被廣泛地公認為近一、二十年來化學學科中最重要的成果之一”.66John Poples ContributionsJohn Pople has developed quantum chemistry into a tool that can be used by the general chemist and has thereby brought chemistry into a new era where experiment and theory can work together in th

27、e exploration of the properties of molecular systems. Chemistry is no longer a purely experimental science.瑞典皇家科學院頒獎文件評價:化學不再是一門純實驗科學了！.67Pople 最輝煌的貢獻是 Gaussian 程序頒獎文件稱:The creation, constant improvement, and the extension of the functionality of GAUSSIAN is an outstanding achievement. It is the exa

28、mple for the success of the field and its impact on chemistry and neighboring fields like physics, astrophysics, biochemistry, material sciences, etc. GAUSSIAN is today used by thousands of scientists all over the world .68密度泛函法簡介.69Walter Kohns Contributions瑞典皇家科學院頒獎文件評價:Walter Kohns theoretical wo

29、rk has formed the basis for simp-lifying the mathematics in descriptions of the bonding of atoms, the density-functional theory (DFT). The simplicity of the method makes it possible to study very large molecules. .70Walter Kohn showed that it is not necessary to consider the motion of each individua

30、l electron: it suffices to know the average number of electrons located at any one point in space.1964年，理論證明多電子體系的基態(tài)能量是電子密度的單變量函數(shù)T, J, Vxc 分別為動能、庫侖能和交換-相關(guān)能P. Hohenberg & W. Kohn, Phys. Rev. B, 136, 864 (1964).711965年，運用變分原理導出 Kohn-Sham 自洽場方程 ( DFT的基礎(chǔ)方程 )求解方程可得使體系能量最小的電子密度 (r)W. Kohn & L.J. Sham, Phy

31、s. Rev. A, 140, 1133 (1965)DFT的關(guān)鍵是找到依賴電子密度的能量函數(shù)借用早年Thomas-Fermi-Dirac“均勻電子氣”的能量函數(shù)，計算晶體的電子結(jié)構(gòu)當年即取得成功（但分子計算結(jié)果不佳）沈呂九 (香港).72DFT法用于分子的成功是眾多科學家多年不懈努力的結(jié)果，但首先歸功于理論奠基人Kohn“It has taken more than thirty years for a large number of researchers to render these calculations practicable, and the method is now one

32、 of the most widely used in quantum chemistry.”“DFT has resulted in a second revolution in quantum chemistry, which would not have been possible without the pioneering work of Walter Kohn.”DFT已被引入Gaussian 94/98 程序?？商幚砗瑪?shù)百個原子的分子體系.73Applications of Quantum ChemistryThe equilibrium structures of molecu

33、les; transition states and reaction paths.Molecular properties: Electrical, Magnetic, Optical, etc.Spectroscopy, from NMR to X-ray.Reaction mechanisms in chemistry and bio-chemistry.Intermolecular interactions giving potentials which may be used to study macromolecules, solvent effects, crystal pack

34、ing, etc.74若干應用實例量子化學計算演示和.75分子軌道法計算演示分子幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化；能量、波函數(shù)和電子結(jié)構(gòu)計算分子的性質(zhì)、偶極矩分子的振動光譜及紫外可見光譜；簡正振動分析.76一些化合物紅外光譜計算結(jié)果（從頭算法，6-31G(d) ）.77反應途徑及過渡態(tài)計算基元反應：反應物配合物 1過渡態(tài)配合物 2產(chǎn)物鞍點.78勢能面和反應途徑勢能面無法實驗測定。由量子化學計算給出二維等能量線圖二維勢能曲面鞍點T(ABC).79The energy surface (in two dimensions) for a hypothetical chemical reaction from one e

35、quilibrium over a barrier (transition state) to the second equilibrium .80如何進行反應途徑和過渡態(tài)搜索？反應活化能計算精度取決于高檔次 (level) 的計算方法準確地確定鞍點及分子的過渡結(jié)構(gòu)鞍點的條件十分苛刻。處理手續(xù)復雜，計算量大 需采用較高級的專業(yè)量子化學軟件Gaussian 92, 94 & 98 (for Unix or Windows)Mulliken for IBM / RS-6000MOPAC for Windows v2.0均配備了反應途徑和過渡態(tài)自動搜索的功能！.81反應物F- + CH3Cl能量極小

36、點 1F-CH3Cl過渡態(tài)( F-CH3Cl )-能量極小點 2 FCH3Cl-產(chǎn) 物FCH3 + Cl-實例：一個SN2 反應的反應途徑和過渡態(tài)計算.82Electron density in the amino acid system calculated using a quantum-chemistry computer program. The picture shows the surface where the electron density is 0.002 electrons/3 (meaning that nearly all electrons are inside t

37、he surface). The grey scale shows the electrostatic potential at this surface, darker portions representing negative potential. 半胱胺酸分子等電子密度面.83High up in the atmosphere, CF2Cl2 (freon) are destroyed by ultraviolet light. Free Cl atoms are formed, which react with O3 (ozone) and destroy them. The pro

38、cess can be studied using quantum-chemical calculations.FreonOzone氟利昂分子破壞大氣臭氧層反應機理的理論計算研究.84The electron density around the vitamin C molecule. The colors show the electrostatic potential with the negative areas shaded in red and the positive in blue維生素C分子的電子密度與靜電勢.851986：李遠哲：“ 在十五年前，如果理論結(jié)果與實驗有矛盾，那么

39、經(jīng)常證明是理論結(jié)果錯了。但是最近十年則相反，常常是實驗錯了。量子力學有些結(jié)果是實驗工作者事先未想到的，或者是難以實現(xiàn)的”電子自旋磁矩的理論值和實驗值精確符合到12位有效數(shù)字H2分子的解離能理論計算值為36117.4cm-1實驗值36113.40.3cm-1改進實驗手段后測得36117.31.0cm-1.86常用的量子化學計算方法量子力學理論Born-Oppenheimer近似非相對論近似單電子近似Hartree-Fock方 程Roothaan方 程自洽場從頭算SCF-ab initio密度泛函法DFT超 HFLCMTO-X耦合電子對CEPA組 態(tài)相互作用CI微擾處理MP多組態(tài)自洽場MCSCF價

40、電子從頭算EP(VP)模擬從頭算SAMO分子碎片法MF梯度近似GGA浮動球高斯法FSGOAM1C-EHMOEHMOIT-EHMOMCNDOCNDOMINDOINDOMNDONDDOPM3MSW-XDV-XLCAO-X局域密度近 似LDA從頭算法Ab Initio半從頭算法Slater X半經(jīng)驗法Semi-emperical獨立電子對IEPA第一原理計算.87從1954年起，有6屆諾貝爾化學獎得主8人屬理論化學領(lǐng)域。其中6位是物理學家，1位是數(shù)學家，只有1位 福井謙一 是從化工改行的化學家?；瘜W界應感羞愧。并表明：“學科之間無不可逾越的鴻溝”，“樹挪死，人挪活”.88前沿發(fā)展 QM/MM法Com

41、bined ab initio & Molecular Mechanics將MO法或DFT與分子力學法相結(jié)合，取QM與MM兩者之長。解決大分子參與的化學反應的計算反應的活性部位（active site）采用QM計算。其它基團的相互作用及與活性部位的作用采用MM處理QM/MM使計算酶催化、蛋白質(zhì)等參與的生物化學反應成為可能.89發(fā)展QM/MM法的兩位杰出華人青年化學家Weitao Yang（楊偉濤）Duke University, DurhamJiali Gao（高嘉立）State University of New York at Burffalo.90烯醇酶活性部位催化兩步反應的計算.91烯

42、醇酶之谷氨酸和賴氨酸殘基協(xié)同催化磷酰甘油酯（PDA）的兩步脫水反應PDA谷氨酸賴氨酸.92兩步催化歷程分子總能量相對值的變化HF/3-21G QM/MMHF/6-31G QM/MMDFT/3-21G QM/MM.93烯醇酶催化活性部位之殘基及水分子位置.94烯醇酶催化活性部位之殘基及水分子位置.95.96材料設(shè)計（materials design） 是指通過理論與計算預報新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者說，通過理論設(shè)計來“訂做”具有特定性能的新材料。這當然說的是人們所追求的長遠目標，并非目前就能充分實現(xiàn)的。 .97 盡管如此，由于凝聚態(tài)物理學、量子化學等相關(guān)基礎(chǔ)學科的深人發(fā)展，以及計算機能力的空

43、前提高，使得材料研制過程中理論和計算的作用越來越大，直至變得不可缺少。 .98 1995年美國國家科學研究委員會（NRC）邀請眾多專家經(jīng)過調(diào)查分析，編寫了以上報告，其中說：“materials by design”（設(shè)計材料）一詞正在變?yōu)楝F(xiàn)實，它意味著在材料研制與應用過程中理論的份量不斷增長，研究者今天已處在應用理論和計算來“設(shè)計”材料的初期階段。材料科學的計算與理論技術(shù).99 關(guān)于材料設(shè)計，或者設(shè)計材料這類研究，迄今在國際上還沒有統(tǒng)一的流行術(shù)語或提法。日本 1985年 “材料設(shè)計學”一詞俄國 材料設(shè)計包括在“材料學”中美國 90年代材料科學與工程報告中稱這類工作為材料“計算機分析與模型化”我

44、國 1986年 “材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能預測” 開始實施“863計劃”時，對新材料領(lǐng)域提出了探索不同層次微觀理論指導下的材料設(shè)計這一要求，因此，從那時起在“863”材料領(lǐng)域便設(shè)立了“材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能預測”研究專題。.100微觀設(shè)計層次，空間尺度在約1nm量級，是原子、電子層次的設(shè)計；連續(xù)模型層次，典型尺度在約 lm量級，這時材料被看成連續(xù)介質(zhì)，不考慮其中單個原子、分子的行為；工程設(shè)計層次，尺度對應于宏觀材料，涉及大塊材料的加工和使用性能的設(shè)計研究。 從廣義來說，材料設(shè)計可按研究對象的空間尺度不同而劃分為三個層次：.101 “材料設(shè)計”設(shè)想始于 20世紀 50年代。 在 50年代初期，前蘇

45、聯(lián)便開展了關(guān)于合金設(shè)計以及無機化合物的計算機預報等早期工作。那時前蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，說明其使用的材料是先進的。蘇聯(lián)人于1962年便在理論上提出人工半導體超晶格概念，不過當時他們沒有提出如何在技術(shù)上加以實現(xiàn)的建議。后來到1969年，才正式從理論和實踐結(jié)合上提出了通過改變組分或摻雜來獲得人工超晶格。 材料設(shè)計的發(fā)展概況.10280年代中期日本材料界提出了用三大材料在分子原子水平上混合，構(gòu)成雜化材料的設(shè)想。 1985年日本出版了新材料開發(fā)與材料設(shè)計學一書，首次提出了“材料設(shè)計學”這一專門方向。書中介紹了早期的研究與應用情況，并在大學材料系開設(shè)材料設(shè)計課程。1988年由日本科學技術(shù)廳組織功能性梯度材料（f

46、unctionally gradient materials）的研究任務，提出將設(shè)計一合成一評估三者緊密結(jié)合起來，按預定要求做出材料。 .1031989年美國編寫出版了90年代的材料科學與工程報告 由若干個專業(yè)委員會在調(diào)查分析美國8個工業(yè)部門（航天、汽車、生物材料、化學、電子學、能源、金屬和通信）對材料的需求之后，編寫以上報告，對材料的計算機分析與模型化作了比較充分的論述。該報告認為，現(xiàn)代理論和計算機技術(shù)的進步，使得材料科學與工程的性質(zhì)正在發(fā)生變化計算機分析與模型化的進展，將使材料科學從定性描述逐漸進人定量描述的階段。 .104 近10年來，材料設(shè)計或材料的計算機分析與模型化日益受到重視，究其

47、原因主要有以下幾點。 （1）固體物理、量子化學、統(tǒng)計力學、計算數(shù)學等相關(guān)學科在理 論概念和方法上有很大發(fā)展，為材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。 （2）現(xiàn)代計算機的速度、容量和易操作性空前提高。幾年前在數(shù)學計算、數(shù)據(jù)分析中還認為無法解決的問題，現(xiàn)在已有可能加以解決；而且計算機能力還將進一步發(fā)展和提高。.105（3）科學測試儀器的進步，提高了定量測量的水平，并提供了豐富的實驗數(shù)據(jù)，為理論設(shè)計提供了條件。在這種情況下更需要借助計算機技術(shù)溝通理論與實驗資料。 （4）材料研究和制備過程的復雜性增加，許多復雜的物理、化學過程需要用計算機進行模擬和計算，這樣可以部分地或全部地替代既耗資又費時的復雜實驗過程，節(jié)省人力物力。更有甚者，有些