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

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Pople，和Kohn；

WATOC（World Association of Theoretical Oriented Chemists） founed in 1982；

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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。

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美国化学会英国皇家化学会Elsevier, Springer等出版社；

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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） 

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：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；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

Theoretical chemistry is a major ranch of physical chemistry, where the emphasis is on the properties of molecules and systems, and which use the techniques of quantum mechanics and statistical thermo-dynamics.

- McGraw-Hill Encyclopedia of Chemistry, 1993

2、大多数的计算化学研究包括三个阶段：(1) 理论模型的选择。所谓模型，一般是指(通常)用数学语言对一个体系或过程的简化的或理想化的描述，构建模型的目的是为了计算和预测。计算化学的理论模型描述体系中分子内和分子间的相互作用。最常用的两种模型是量子力学和分子力学。它们能够计算体系中原子和分子在任何排布方式下的能量，以及随着原子和分子位置的改变体系能量是如何变化的。(2) 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。(3) 结果分析和误差评价。分析计算数据，从中提取相关的分子性质；检查计算的实施是否正确无误，以及结果误差的评价。

3、计算化学所能处理的体系范围是非常广泛的，从孤立分子到简单的原子、分子液体，再到聚合物、生物大分子(蛋白质、DNA)，直到固体。

计算化学的渗透领域：

无机、有机分子的结构、性质、反应； 反应途径、机理的研究；

结构－性能构效关系（QSAR，QSPR）； 分子设计、药物设计；

生命过程的研究（蛋白质、DNA等）； ……化学领域无不涉及。

§1.3 本课程的主要任务

主要的计算化学方法的理论背景/基础及其应用 (1) 量子化学从头算方法 (2) 半经验方法 (3) 密度泛函方法 (4) 分子力学方法 (5) 分子动力学模拟

必要的量子力学、统计力学、数学基础：有前续课程基础

课程目标：

拓展知识，开阔视野 认知方法，理解原理 简单应用，提高档次

§1.4本课程的教学和考核方法 教学方法： 1、课堂讲授； 2、小型专题讨论；

3、上机实践；

考核方法：

1、平时成绩+结业成绩； 2、卷面成绩+实践成绩； 3、出勤；

§1.5主要参考书

1、徐光宪，黎乐民，王德民，量子化学基本原理和从头计算法(中册)，1985，科学出版社； 2、林梦海，量子化学计算方法与应用，2004，科学出版社； 3、杨频，高飞，生物无机化学原理，2002，科学出版社；

所资料室有书；

4、J. A. Pople等，江元生译，分子轨道近似方法理论，1976，科学出版社； 5、王志中，李向东，半经验分子轨道理论与实践，1981，科学出版社； 6、廖沐真等，量子化学从头计算法，1984，清华大学出版社；

7、肖慎修等，密度泛函理论的离散变分方法在化学和材料物理中的应用，1998，科学出版

社；

8、陈凯先等，计算机辅助药物设计：原理、方法及应用，2000，上海科学技术出版社； 9、杨小震，分子模拟与高分子材料，2002，科学出版社；

10、Frenkel & Smit, 汪文川等译，分子模拟：从算法到应用，2002，化学工业出版社； 11、Leach, A. R., Molecular modeling: principles and applications (2nd ed.), 2001, Longman,

London; 12、Norman L. Allinger et al., Molecular mechanics, 1982, American chemical society, monograph

177;

13、Errol Lewars, Computational chemistry: introduction to the theory and applications of

molecular and quantum mechanics, Kluwer academic publishers, New York; 14、分子所学位论文：郝鸣鸿，张士国，韩大雄，熊振海，吴艳波等；