计算化学绪论ppt课件.ppt
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1、我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物计算化学是计算化学是理论化学理论化学的一个分支。是计算的一个分支。是计算机科学与化学的交叉学科。机科学与化学的交叉学科。1.1.利用计算机程序解利用计算机程序解量子化学量子化学方程来计算方程来
2、计算物质的性质(如能量,偶极距,振动频率物质的性质(如能量,偶极距,振动频率等),用以解释一些具体的等),用以解释一些具体的化学问题化学问题。2.2.利用计算机程序做利用计算机程序做分子力学分子力学和和分子动力分子动力学学模拟。简称模拟。简称分子模拟分子模拟。1.1.计算化学的概念计算化学的概念我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物几个概念的区别与联系几个概念的区别与联系常见的一些名称术语及其关系:常见的一些名称术语及其关系:相互渗透,相互相互渗透,相互依赖,部分重叠依赖,部分重叠 量子化学:量子
3、力学量子化学:量子力学化学化学 理论化学:量子化学理论化学:量子化学+ +动力学统计力学动力学统计力学 计算化学:量子化学计算化学:量子化学- -分子力学分子力学- -分子动力学分子动力学 理论化学计算化学?理论化学计算化学? 计算机化学计算化学?计算机化学计算化学? 分子模拟:分子力学分子动力学分子模拟:分子力学分子动力学 分子模拟计算化学?分子模拟计算化学?长期以来,化学一直被科学界公认为一门长期以来,化学一直被科学界公认为一门纯实验科学纯实验科学。其理由要追溯到人类认识自然的两种科学其理由要追溯到人类认识自然的两种科学方法。方法。2.计算化学的建立计算化学的建立 归纳法归纳法 ( F.
4、Bacon, 1561-1626 ) 演绎法演绎法 ( R. Decartes, 1596-1650 )公理假设公理假设模模 型型实验实验检验检验形式理论形式理论二次形式化、二次形式化、近似、计算近似、计算和模拟和模拟预预 测测设计实验设计实验实验数据实验数据唯象理论唯象理论“预测预测”数据拟合数据拟合检验检验 依 据 目 标 数学工具 归纳法 实验事实 经验公式、 规律 唯象理论 较简单 演绎法 正确普适的 公理和假设 形式理论 较高级、 复杂 迄迄80年代,归纳法是多数化学家采用的唯一科年代,归纳法是多数化学家采用的唯一科学方法;演绎法在化学界从未得到普遍承认学方法;演绎法在化学界从未得到
5、普遍承认原因:原因:对象复杂;对象复杂;习惯观念习惯观念归纳法归纳法(Reduction)与演绎法与演绎法(Deduction)的比较的比较运用数学的多少是一门学科成熟程度的标志。马克思马克思数学的应用:在刚体力学中是绝对的,在气体力学中是近似的,在液体力学中就已经比较困难了;在物理学中是试验性的和相对的;在化学中是最简单的一次方程式;在生物学中等于零。恩格斯恩格斯恩格斯的论断反映了恩格斯的论断反映了19世纪中叶自然科学各学科的世纪中叶自然科学各学科的“成成熟程度熟程度”。表明各学科研究对象。表明各学科研究对象 物质运动形式与规物质运动形式与规律律 其复杂程度的差异其复杂程度的差异然而,一百多
6、年来科技的发展使各学科的然而,一百多年来科技的发展使各学科的“成熟程度成熟程度”发生了巨大变化发生了巨大变化二十世纪八十年代以来,先进的分析仪器的应用、量子二十世纪八十年代以来,先进的分析仪器的应用、量子化学计算方法的进展和计算机技术的飞速发展,对化学化学计算方法的进展和计算机技术的飞速发展,对化学科学的发展产生了冲击性的影响。其研究内容、方法、科学的发展产生了冲击性的影响。其研究内容、方法、乃至学科的结构和性质都在发生深刻的变化。乃至学科的结构和性质都在发生深刻的变化。冶金、建材工业推动了无机药物、染料、酿酒工业推动了有机 经典价键理论、苯结构奠定有机化学基础经典价键理论、苯结构奠定有机化学
7、基础 元素周期表奠定无机化学基础元素周期表奠定无机化学基础 无机、有机化学在19世纪率先建立物理化学在20世纪初形成。旨在揭示化学反应的普遍规律 反应进行的方向、程度和速度Gibbs 化学热力学Gibbs自由能:G = H TS 反应速率常数:RTEaeAk Arrhenius 化学动力学物理化学的建立使化学科学开始拥有了理论。高等数学首次派上了用场 虽然仅是一阶的常、偏微分方程而已(以后在经典统计热力学中用到了概率论)经典物理化学的理论是唯象的,是有限的地球空间内宏观化学反应规律的经验总结30年代量子化学和量子统计力学分支的形成使化学科学开始与演绎法“沾上了边”。但在80年代前进展十分缓慢二
8、十世纪初理论物理两项重大突破二十世纪初理论物理两项重大突破量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。 Einstein广义和狭义相对论(1905) 量子力学的创建量子力学的创建(19251926)计算化学的理论背景计算化学的理论背景Heisenberg、Schrdinger、Dirac、Born等于19251926创建30年代初由von Neumann完成形式理论体系量子力学量子力学的建立未依据任何实验事实或经验规律。它用少数几条基本假定作为公理,由此出发,通过严格的逻辑演绎,迅速地建成一个自洽、完备、严密
9、的理论体系是演绎法最成功的实例微观粒子或体系的性质由状态波函数微观粒子或体系的性质由状态波函数 唯一唯一确定,确定, 服从服从Schrdinger方程方程基本运动方程Hti Schrdinger方程:方程:Hamilton算符:算符:在在 10-13 m的微观层次,方程放之四海而皆准的微观层次,方程放之四海而皆准方程建立容易,困难在于求解方程建立容易,困难在于求解 Schrdinger方程我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物量子力学量子力学为计算化学的为计算化学的形成奠定了理论基础,形成奠定了理
10、论基础,计算计算机科学机科学的发展促进了计算化的发展促进了计算化学的迅速发展。它帮助化学学的迅速发展。它帮助化学家在原子、分子水平上阐明家在原子、分子水平上阐明化学问题的本质,在创造特化学问题的本质,在创造特殊性能的新材料、新物质方殊性能的新材料、新物质方面发挥重大的作用。面发挥重大的作用。我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物现代现代化学发展的特征之一:计算化学的化学发展的特征之一:计算化学的蓬勃发展蓬勃发展 (1 1)国际科学界的共识和认同)国际科学界的共识和认同 19981998年度的诺贝尔
11、化学奖,授予了在计算化学领域做出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杰出贡献的和和3. 计算化学的发展现状计算化学的发展现状我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物(2 2)各类量子化学、理论化学、计算化学等学各类量子化学、理论化学、计算化学等学术机构不断出现,术机构不断出现,人力、物力、财力向计算化人力、物力、财力向计算化学领域转移集中;学领域转
12、移集中;中国化学学科的教研基地,几乎都成立了中国化学学科的教研基地,几乎都成立了理论理论和计算化学研究中心和计算化学研究中心:北大、南大、吉大、夏:北大、南大、吉大、夏大、武大、山东大学等等。大、武大、山东大学等等。 我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物(3 3)计算化学相关学术刊物的创刊)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,美国化学会,英国皇家化学会,Elsevier, Springer 等等出版社;出版社;(4 4)论文数量的剧增、研究工作的广泛深入)论文数量的剧增、研究工
13、作的广泛深入和应用领域的拓宽和应用领域的拓宽( 5 5)学术交流频繁学术交流频繁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)讨会(中国科学院,北京)我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物(6 6)可行性、通用性,正在成为一种常规研究方)可行性、通用性,正在成为一种常规研究方法:法:第三种科研方法第三种科研方法在过去,分子模拟在过去,分子模拟/ /计算化学常常局限于那些能够接触到必计算化学常常局限于那些能够接触到必要的计算机软
14、硬件的少数科学家。操作者自己编写程序,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:则发生了巨变:1)1)个人计算机个人计算机/ /计算机工作站甚至较仅仅几年前的大型计算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;机的功能都要强大的多,而且能够相对便宜地买到;2)2)由于软件可以从商业公司或科研实验室得到,人们不必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再自己编写程序。现在,分子模
15、拟可以在任何实验室或教室实施。室实施。我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物作为一个迅猛发展的学科,计算化学作为一个迅猛发展的学科,计算化学极大地极大地得益于近年来计算机软硬件的飞速发展得益于近年来计算机软硬件的飞速发展。相。相当一部分计算工作可以由个人电脑当一部分计算工作可以由个人电脑/ /PC机完成。机完成。第三种科研方法第三种科研方法:实验研究,理论研究,:实验研究,理论研究,计计算模拟算模拟。我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证
16、实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物计算化学的渗透领域:计算化学的渗透领域:无机、有机分子的结构、性质、反应;无机、有机分子的结构、性质、反应;反应途径、机理的研究;反应途径、机理的研究;结构性能构效关系(结构性能构效关系(QSAR,QSPR););分子设计、药物设计;分子设计、药物设计;生命过程的研究(蛋白质、生命过程的研究(蛋白质、DNA等);等);化学领域无不涉及。化学领域无不涉及。计算化学是化学与多个学科的交叉化 学物理学计算机科 学材料科学生命科学数 学计 算化 学环境科学我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没
17、有错:表里边有一个活的生物计算化学的研究内容计算化学的研究内容q一类是一类是理论化学家理论化学家,主要致力,主要致力计算化学方法计算化学方法的的研究。这些人需要对某个范围内的理论问题具研究。这些人需要对某个范围内的理论问题具有精深的理解,同时还需要有相当的有精深的理解,同时还需要有相当的数学和计数学和计算机编程算机编程能力。能力。q另一类人是在计算化学领域中从事另一类人是在计算化学领域中从事应用研究应用研究的的人,他们应用已成熟的理论、方法和编写好的人,他们应用已成熟的理论、方法和编写好的软件进行软件进行具体体系具体体系的研究。的研究。4. 计算化学研究简介计算化学研究简介我吓了一跳,蝎子是多
18、么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物计算化学的研究范围计算化学的研究范围我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物计算化学研究的发展趋势和方向计算化学研究的发展趋势和方向静态(结构与性能关系)结构与性能关系)动态(分子分子间的相互作用、相互碰撞与相互反应等)间的相互作用、相互碰撞与相互反应等)小分子体系纳米尺度计算方法的改进和融合我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快
19、,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物计算化学研究一般包括三个阶段:计算化学研究一般包括三个阶段:选择方法:选择描述体系中分子内和分子间相互作用的选择方法:选择描述体系中分子内和分子间相互作用的模型,一般采用模型,一般采用量子力学量子力学和和分子力学分子力学。计算体系中各种。计算体系中各种原子、分子排布的能量,并能得到系统能量随原子分子原子、分子排布的能量,并能得到系统能量随原子分子位置改变的相应变化。位置改变的相应变化。计算过程。如能量最小化,分子动力学或蒙特卡洛模拟,计算过程。如能量最小化,分子动力学或蒙特卡洛模拟,构象搜索。构象搜索。(1) 结果结果分析分析和误差评价。分析计算数据,
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