計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算和化學(xué)過(guò)程模擬

計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算和化學(xué)過(guò)程模擬第1頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算的目的和意義計(jì)算目標(biāo)：獲得分子的電子云數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)、熱力學(xué)數(shù)據(jù)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算的意義：建立理論化學(xué)基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證已有相關(guān)理論和結(jié)論獲得構(gòu)效關(guān)系。計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算方法*從頭計(jì)算(abinitiocalculation),*半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算(semiexpiricalcalculation),*分子力學(xué)計(jì)算(molecularmechanicscalculation)，其中后者還可以分成靜態(tài)計(jì)算、動(dòng)態(tài)計(jì)算和MonteCarlo計(jì)算。第2頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)：結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算常用結(jié)構(gòu)化學(xué)軟件1.Hyperchem*：美國(guó)Hypercube公司，是優(yōu)秀的分子模擬軟件。3D建模動(dòng)畫(huà)、可提供量子化學(xué)、分子結(jié)構(gòu)、分子動(dòng)力學(xué)等方面計(jì)算。

/down/soft/1376.htm

2.Gaussian是做半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算使用最廣泛的量子化學(xué)軟件，可以研究分子能量和結(jié)構(gòu)，過(guò)渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量，分子軌道，偶極矩和多極矩，原子電荷和電勢(shì)，振動(dòng)頻率，紅外和拉曼光譜，NMR，極化率和超極化率，熱力學(xué)性質(zhì)，反應(yīng)路徑。

/

3.WinMOPAC為著名的半經(jīng)驗(yàn)分子軌道計(jì)算程序MOPAC的商業(yè)版本，同共享版相比，界面更友好，方法更多。計(jì)算出的分子軌道及電荷密度等可以用三維圖形表示出來(lái)。/

4.Spartan04圖形界面的量子化學(xué)從頭計(jì)算程序。理論方法：Hartree-Fork，密度泛函，MPn，相關(guān)能計(jì)算半經(jīng)驗(yàn)方法，蒙特卡羅和分子力學(xué)。計(jì)算類(lèi)型：?jiǎn)吸c(diǎn)能計(jì)算，幾何優(yōu)化，組態(tài)分析。全部計(jì)算和結(jié)果的顯示都在圖形界面下完成。/Spartan.htm5.AccuModel*：簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的分子力學(xué)計(jì)算軟件，可以進(jìn)行能量最低化，分項(xiàng)能量計(jì)算，各種結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算等第3頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AccuModel軟件的性能和使用AccuModel軟件的性能和對(duì)系統(tǒng)的要求：AccuModel軟件的操作界面和基本操作：AccuModel軟件的基本應(yīng)用方法第4頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AccuModel軟件的性能和對(duì)系統(tǒng)的要求系統(tǒng)要求：windows操作系統(tǒng)，CPU486以上，內(nèi)存16Mb以上，彩色顯示器，適當(dāng)高標(biāo)準(zhǔn)顯卡。功能：能夠建立并演示準(zhǔn)確的分子結(jié)構(gòu)模型提供計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)的手段基于優(yōu)化計(jì)算對(duì)分子模型能夠進(jìn)行幾何和構(gòu)象處理利用能量計(jì)算方法對(duì)分子進(jìn)行構(gòu)象分析第5頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AccuModel軟件的操作界面和基本操作程序操作界面：下拉菜單：位于頂部，共9組71條指令，包含所有操作指令。工具按鈕：位于菜單下面，共計(jì)26個(gè)。主要用于常規(guī)模型控制與計(jì)算操作。工具板：位于窗口左側(cè)，共計(jì)48項(xiàng)，主要用于建立準(zhǔn)確的分子模型。模型顯示窗口：在屏幕中央，用于顯示建立的準(zhǔn)確分子模型的三維圖形。文字信息顯示窗口：用于顯示用文字表述的計(jì)算結(jié)果。曲線圖形顯示窗口：以曲線圖形式表述在計(jì)算過(guò)程中熱力學(xué)參數(shù)的變化趨勢(shì)。第6頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AccuModel軟件的基本應(yīng)用方法建立準(zhǔn)確的分子模型并進(jìn)行多種格式顯示對(duì)分子模型進(jìn)行能量最低化計(jì)算和優(yōu)化分子能量參數(shù)的計(jì)算分子基本參數(shù)的測(cè)定和計(jì)算分子的構(gòu)效分析第7頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月建立準(zhǔn)確的分子模型并進(jìn)行多種格式顯示啟動(dòng)軟件，并進(jìn)入分子模型構(gòu)筑狀態(tài)選擇分子模板或者相應(yīng)工具按鈕在窗口中初步建立分子模型骨架。對(duì)分子模型中的原子和化學(xué)鍵根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整和修改。對(duì)分子模型進(jìn)行能量最低化計(jì)算和優(yōu)化，得到準(zhǔn)確的分子模型。采用三維多格式顯示。第8頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)分子模型進(jìn)行能量最低化計(jì)算和優(yōu)化建立或輸入一個(gè)符合要求的分子模型打開(kāi)能量最低化參數(shù)設(shè)定窗口，進(jìn)行計(jì)算參數(shù)設(shè)定，包括選擇計(jì)算方法、力場(chǎng)選擇、優(yōu)化和顯示參數(shù)選擇。通過(guò)computation指令或按鈕進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，運(yùn)算過(guò)程中分子模型結(jié)構(gòu)不斷隨之進(jìn)行調(diào)整。打開(kāi)文字信息窗口可以顯示計(jì)算過(guò)程得到的所有數(shù)據(jù)。打開(kāi)曲線圖形窗口后進(jìn)行能量最低化可以看到動(dòng)態(tài)的能量曲線變化。第9頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分子能量參數(shù)的計(jì)算建立或者輸入一個(gè)符合要求的分子模型啟動(dòng)菜單中computation/calculateenergy指令進(jìn)行能量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示在文字信息顯示窗口中。計(jì)算的能量包括分子的總能量、伸展能、彎曲能、扭曲能、電子能和其他組合能量如果要獲得更詳細(xì)的能量數(shù)據(jù)，需要啟動(dòng)Computation/outputenergydetail指令，計(jì)算結(jié)果作為一個(gè)獨(dú)立的文件存儲(chǔ)，除了上述能量外還增加了其他類(lèi)型的能量值分子模型窗口、文字信息窗口和曲線圖形窗口可以單獨(dú)打印和輸出。第10頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分子基本參數(shù)的測(cè)定和計(jì)算輸入或者建立一個(gè)合理的分子模型，最好事先經(jīng)過(guò)能量最低化處理。啟動(dòng)analyze/calculatemolecularproperties指令進(jìn)行計(jì)算，可以得到以下數(shù)據(jù)：分子組成式，分子量、分子外型尺寸、分子體積、偶極矩、對(duì)稱(chēng)度、環(huán)指數(shù)、分子密度、中心分支度、分子柔性等。測(cè)定結(jié)果顯示在文字信息窗口中。對(duì)其他幾何信息也可以利用測(cè)定工具進(jìn)行直接測(cè)定。第11頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分子的構(gòu)效分析構(gòu)效關(guān)系的定義：通過(guò)理論分析或數(shù)學(xué)計(jì)算得到化合物分子結(jié)構(gòu)與相應(yīng)性質(zhì)之間定量或定性關(guān)系的過(guò)程。測(cè)定方法是對(duì)輸入或建立的分子模型，通過(guò)analyze/calculatemolecularproperties/logP指令來(lái)進(jìn)行。然后將得到的logP與實(shí)際測(cè)得得性質(zhì)進(jìn)行比較進(jìn)行構(gòu)效分析。第12頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Hyperchem軟件的特征和使用方法Heperchem軟件的性能：本軟件提供四種結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算方法：分子力學(xué)法，半經(jīng)驗(yàn)法，從頭計(jì)算法和密度函數(shù)法。本軟件能夠進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)優(yōu)化，振動(dòng)參數(shù)分析，電子光譜計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)分析，蒙特卡羅計(jì)算，分子反應(yīng)過(guò)渡態(tài)研究，勢(shì)能曲線繪制，電磁場(chǎng)影響研究等。Hyperchem軟件的特點(diǎn)：操作界面簡(jiǎn)潔，功能全面，不同方法獲得數(shù)據(jù)可以進(jìn)行對(duì)比，光譜應(yīng)用特點(diǎn)突出。第13頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Hyperchem軟件的操作工具和菜單指令含義操作窗口：含有Windows軟件的一切特征，采用鼠標(biāo)操作，含有10組下拉式菜單，八個(gè)分子模型操作工具和即點(diǎn)即現(xiàn)對(duì)話框等構(gòu)件操作工具：DrawingTool，SelectionTool，XYRotationTool，ZRotationTool，XYTranslation，ZTranslation，Zoom，Z-Clipping下拉菜單包括：File操作菜單，Edit操作菜單，Build操作菜單，Select操作菜單，Display操作菜單，Databases操作菜單，Setup操作菜單（選擇計(jì)算方法和參數(shù)），Compute操作菜單，Annotations操作菜單，Scrips操作菜單，Help菜單等，上述全部?jī)?nèi)容內(nèi)容采用演示軟件完成第14頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月軟件的基本功能和操作搭建一個(gè)分子模型：繪制原子，化學(xué)鍵，添加氫原子繪制具有特殊結(jié)構(gòu)的分子：二氟乙烯的順?lè)唇Y(jié)構(gòu)，吡啶結(jié)構(gòu)和環(huán)己烷的椅式和船式結(jié)構(gòu)。根據(jù)特定參數(shù)確定分子模型，（設(shè)定幾何參數(shù)）液態(tài)分子模型的處理方法聚合物的處理方法第15頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月操縱和分析分子模型分子模型的平移和旋轉(zhuǎn)，分子模型的排列，分子模型的標(biāo)定等，分子構(gòu)象研究：扭曲勢(shì)，張力，構(gòu)象分析等研究。第16頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算方法介紹分子力學(xué)計(jì)算法（MoleculerMechanics)半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法（Semi-empirical)

從頭計(jì)算法(Ab-initio)密度函數(shù)法(DensityFunctinal)第17頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算研究方法幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究分子振動(dòng)分析研究(IR光譜）電子光譜研究(UV-VIS)分子動(dòng)力學(xué)研究（化學(xué)反應(yīng)過(guò)程）MonteCarlo計(jì)算研究分子過(guò)渡態(tài)研究勢(shì)能曲線的繪制電場(chǎng)和磁場(chǎng)影響研究第18頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)化學(xué)過(guò)程的數(shù)值模擬--

計(jì)算機(jī)化學(xué)過(guò)程模擬計(jì)算機(jī)化學(xué)模擬的意義和目的計(jì)算機(jī)的化學(xué)過(guò)程模擬方法：采用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和邏輯推理等功能模擬化學(xué)真實(shí)過(guò)程。包括仿真模擬和數(shù)值模擬。后者在科學(xué)領(lǐng)域更重要。化學(xué)過(guò)程模擬的目的：研究化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，推測(cè)反應(yīng)結(jié)果，模擬反應(yīng)過(guò)程，獲得反應(yīng)參數(shù)，指導(dǎo)科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)?；瘜W(xué)工程模擬的意義：減少風(fēng)險(xiǎn)，降低費(fèi)用，擴(kuò)大研究范圍，提高研究速度第19頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)過(guò)程模擬的種類(lèi)：化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬、化學(xué)熱力學(xué)模擬、化工過(guò)程模擬?；瘜W(xué)過(guò)程模擬得目的和意義：降低風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用、提高速度和效率、探索反應(yīng)機(jī)理化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究方法：代數(shù)分析法和數(shù)值模擬法。數(shù)值模擬法的研究方法：數(shù)值積分法和隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模擬法。隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模擬法的基本原理：根據(jù)分子碰撞反應(yīng)理論，利用有限數(shù)目的粒子代替分子作為計(jì)算基礎(chǔ)，計(jì)算參與化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度與時(shí)間等函數(shù)之間的關(guān)系。第20頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ChemicalKineticsSimulator1.0CKS軟件的性能和特點(diǎn)：CKS軟件的使用環(huán)境：CKS軟件的界面窗口介紹：CKS軟件的使用方法：CKS軟件的應(yīng)用事例：CKS軟件的適用范圍：第21頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CKS軟件的性能和特點(diǎn)可以在產(chǎn)物并不清楚的條件下使用，反應(yīng)物和產(chǎn)物可以用代碼表示。處理范圍寬泛，濃度和速率數(shù)值范圍可達(dá)8個(gè)數(shù)量級(jí)。除了能夠處理常規(guī)均相反應(yīng)之外，還可以處理諸如界面吸附、膜形成、物質(zhì)交換等化學(xué)和物理過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。軟件的使用需要事先了解必要的反應(yīng)機(jī)理、速率常數(shù)、反應(yīng)條件、相關(guān)熱力學(xué)常數(shù)、物質(zhì)的物理狀態(tài)、等信息。模擬結(jié)果以關(guān)系曲線圖和數(shù)據(jù)表格形式給出。第22頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CKS軟件的使用環(huán)境硬件環(huán)境：CPU486以上，內(nèi)存8Mb以上，VGA彩顯、配置繪圖儀或圖形打印機(jī)。軟件環(huán)境：Windows或OS/2操作系統(tǒng)。該軟件為典型的Windows應(yīng)用軟件，具有其一切特點(diǎn)。軟件壓縮在兩張高密度軟盤(pán)上面，包括一個(gè)模擬器、一組動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，一個(gè)文件轉(zhuǎn)換器和一個(gè)模擬樣本庫(kù)。第23頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CKS軟件的界面窗口介紹本軟件的窗口形式多樣，根據(jù)不同階段和要求給出不同式樣的窗口。軟件的主窗口（在啟動(dòng)運(yùn)行后給出）：標(biāo)題區(qū)，下拉菜單區(qū)，運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)，化學(xué)反應(yīng)顯示區(qū)，操作按鈕區(qū)和在線幫助提示顯示區(qū)。一般執(zhí)行下拉菜單后都會(huì)給出相應(yīng)的對(duì)話選擇窗口，用于填寫(xiě)或選擇操作參數(shù)。第24頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CKS軟件的使用方法建立化學(xué)反應(yīng)文件：點(diǎn)擊菜單File/Create,在給出的對(duì)話框中輸入文件名和路徑等參數(shù)。確認(rèn)后在出現(xiàn)的初始化窗口選擇物理量綱，確認(rèn)?；瘜W(xué)基元反應(yīng)的輸入：在出現(xiàn)的基元反應(yīng)輸入窗口中輸入基元反應(yīng)式，選擇速率常數(shù)形式，并輸入相應(yīng)的Arrhenius相關(guān)常數(shù)（活化能、指前因子和溫度指數(shù)。確認(rèn)后進(jìn)行其他基元反應(yīng)的輸入，直到完成。輸入反應(yīng)條件：包括化學(xué)物質(zhì)的初始濃度，物理狀態(tài)、反應(yīng)狀態(tài)（恒溫、恒壓、恒容等）輸入計(jì)算機(jī)模擬參數(shù)：模擬樣本數(shù)、模擬限制參數(shù)、平衡監(jiān)測(cè)參數(shù)等。執(zhí)行模擬運(yùn)算：Start顯示和輸出模擬計(jì)算結(jié)果：output模擬結(jié)果分析解釋。第25頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五章思考題

1．結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算有三種方法，分別稱(chēng)從頭計(jì)算法，半經(jīng)驗(yàn)法和分子力學(xué)計(jì)算法，它們分別有哪些特點(diǎn)？計(jì)算依據(jù)有哪些？適用的領(lǐng)域有什么不同？

2．分子結(jié)構(gòu)主要有三種表示方式，分別為棒型結(jié)構(gòu)、球棒結(jié)構(gòu)和CPK結(jié)構(gòu)。討論三種結(jié)構(gòu)分別表達(dá)哪些信息，各有哪些特點(diǎn)？從結(jié)構(gòu)化學(xué)角度講，建立三種結(jié)構(gòu)的化學(xué)依據(jù)是什么？

3．使用化學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件能夠?qū)⒔⒌姆肿咏Y(jié)構(gòu)利用能量最低化程序進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的基本原理是先小步調(diào)整分子結(jié)構(gòu)，再計(jì)算其能量，與調(diào)整前的能量相比較，如果后者小于前者，則繼續(xù)沿該方向調(diào)整，如果大于后者，則改變調(diào)整方向。使用這種方法很容易陷于局部最優(yōu)結(jié)構(gòu)，而不是全結(jié)構(gòu)最優(yōu)。如環(huán)己烷的船式構(gòu)象（椅式構(gòu)象最優(yōu)）。探討如何通過(guò)程序解決上述問(wèn)題，或者通過(guò)手工調(diào)整分子結(jié)構(gòu)解決。

4．隨機(jī)模擬化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中需要選擇數(shù)量足夠的微粒數(shù)（模擬分子總數(shù)），用以代表參與反應(yīng)的分子。當(dāng)分子數(shù)目不足時(shí)有可能造成模擬結(jié)果錯(cuò)誤，根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法解釋為什么？

5．在CKS1.0中反應(yīng)條件的設(shè)定有一定要求，比如壓力、溫度、體積三者的設(shè)定不