水污染防治论文

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

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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。

从计算化学到生物学_计算生物学的起源

从计算化学到生物学 杨金才 1501110432 尽管我是生物背景，但我所用的分子模拟方法却多是由计算化学家所建立的，然 后被应用于生物学领域。在计算化学领域主要荣获两次诺贝尓化学奖，第一次是1998年，用于表彰WalterKohn发展了密度泛函理论和John Pople发展了量子化学（QM）计算方法；第二次是2013年，授予Martin Karplus， Michael Levitt 和AriehWarshel，获奖理由 是“为复杂化学系统创立了多尺度模型”。如果说1998年获奖的量子化学计算方法使计算小分子化学体系成为可能，那2013年获奖的分子动力学计算方法则为计算生物大分子的行为提供了有力的工具，并且真正应用于揭示生物大分子功能和药物设计等实际应用 中来，理论化学终于走向了应用。 毫无疑问，量子力学计算方法的发展是极其重要的，但由于其计算量巨大，难以 应用于生物学大分子。因为如果采用量子力学计算方法算蛋白的运动轨迹，或许算100 年也不一定能算出来，对于生物大分子的计算，我们需要的是能在可以接受的时间内获 得有意义的结果。这就要求对体系作一定的近似以减少计算量，同时又最大可能地揭示 其生物学特性。而Martin Karplus在这方面做出了重要的工作，并开辟了用分子模拟解 决生物问题这一全新领域。 时间回到1950年，20岁的Martin Karplus，刚从哈佛大学毕业，当时他有两个选择，学化学或者学生物。经过美国理论物理学家、美国“原子弹之父” Robert Oppenheimer的推荐，他最终选择了生物学。于是Karplus到了西海岸的加州大学攻读生 物博士学位，师从Linus Carl Pauling。Pauling是著名美国化学奖，是量子化学和结构生 物学的先驱之一。他是唯一的一位两次独自获得诺贝尔奖的人。一次是1954年的诺贝尔化学奖，表彰其将量子力学应用于化学键的研究，深刻改变了我们对化学键的认识。于1935年出版了《量子力学导论——及其在化学中的应用》，这是历史上第一本以化学家 为读者的量子力学教科书。另一次则因参与反战反核获得1964年诺贝尔和平奖。Pauling还根据晶体衍射图，于1951年最早提出了蛋白质α螺旋结构模型。有科学史学 者认为沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构模型就是受到了鲍林的影响。Pauling在量 子化学和结构生物学上的成就深刻影响了Karplus，“我的导师鲍林对我的科学研究产生了非常大的影响。”他说。正是在这样的学术背景下，Karplus开创了自己的领域。

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

计算化学软件在大学有机化学教学中的应用_孙林

TECHNOLOGY WIND ［摘要］随着我国新课程改革体制的不断推广，我国教育界在教学方面已经发生了极大的转变，这为我国教育事业的发展奠定了坚实的基础。 加之近年来计算机技术的发展，在教育中的应用，我国教育事业日益提升。在大学有机化学教学当中，为了能够更加有效的反应其机理，巩固其稳定性，计算机化学得到了快速的发展。本文主要针对计算化学软件在大学有机化学教学中的应用展开相应的研究，其目的在于通过在大学有机化学教学中，应用计算机化学软件来提升化学教学效率，最终实现提升大学整体教学效果的目的。［关键词］大学；计算化学软件；有机化学教学 计算化学软件在大学有机化学教学中的应用 孙林 王素玲 （宣化科技职业学院，河北张家口０７５１００） 众所周知，当前计算机技术的发展给我国很多领域发展带来了一定的机遇。为此，在化学研究领域计算机软件也被广泛的应用。应用计算机软件可将化学符号以及化学结构等表达的淋漓尽致，不仅能够吸引学生在课堂上的注意力，还能够让学生更容易理解与应用化学知识点。为此，当前计算机软件不仅被广泛的应用在科研界，还被当成重要的教学工具被教育界广泛使用。 计算机软件在化学教学中的使用，改变了传统的化学教学方式，而是以幻灯片以及挂图等形式进行教学，不仅弥补了传统教学的缺点，还能够丰富学生的想象力，提升化学课堂教学效率。 1计算机化学软件在分析立体模型显示方面的分析 纵观以往的有机化学教学而言，在分子立体结构降解方面，很多教师仅仅依靠分子结构进行展示，但是这种展示方式一般缺少形象直观因素作支撑，为此对于学生而言学生依旧很难懂得分析立体结构知识，导致学生无法想象出分子结构，无法深入理解，更加无法达到学以致用的目的［１］。可在化学教学中，有机化合物分子结构是化学整体教学的重点，它的立体几何构成与化学分子反应机理与物理、化学性质等之间存在着极大的关联。 伴随计算机技术的发展，已经有很多软件能够对分子结构展开模拟演示，教师也能够利用这些软件进行教学，从而使得学生能够更加清楚的认识到化学分子结构模式，使学生能够真正理解分子结构，应用这部分知识。 例如ＣｈｅｍＯｆｆｉｃｅ等相关化学辅助教学软件，都能够利用３Ｄ技术完成分子立体结构模拟演示操作，并且对化学分子中各种模型结构都能够完成模拟，例如球棍模型等，都能够提升学生对分子结构的理解，也能够提升学生的想象力等。 例如在对乙烷分子构象教学过程中，教师可以应用Ｇａｕｓｓｉａｎ０３软件进行教学，通过对该软件的操作来完成分子构成，将其和分子能量展开关联。 具体做法为：首先需要建立乙烷分子模型，之后优化分子模型［２］。其次，为了能够有效的完成３６０度旋转Ｃ－Ｃ，就需要改变Ｈ４－Ｃ３－Ｃ２－Ｈ１二面角，将Ｓｃａｎ输入其中，扫描所有旋转过程中的势能曲线。最后，对Ｃ－Ｃ旋转曲线先开分析，同时研究分子势能构象变化规律，最终和势能曲线最低点对应的构象便为稳定构象，也可以被称之为交叉型构象。 2计算化学软件对分子光学模拟的分析 在有机化合物分子光谱学习中，对其特征的学习能够使得学生更加灵活的应用相应的化学知识来分析物质世界。在现代社会发展中，科学家们要真正的完成对分子光谱的分析与了解工作，一般需要现代仪器对有机物的分子结构展开分析，但是这些仪器却不能在实际教学课堂上应用。 但是Ｇａｕｓｓｉａｎ０３软件却与之不同，该软件能够被应用在实际混血教学课堂当中，在课堂上完成对分子光谱的模拟和预测操作。例如在对有机分子红外光谱与振动模式学习的过程中便可利用这款软件，引导学生分析与观察模型演示，从而使得学生更加直观的学习其知识，并且 理解与运用化学知识。 另外在化学教学课堂上利用软件ＣｈｅｍＯｆｆｉｃｅ也可以对有机化物的质荷比与核磁共振谱图实施预测与模拟工作。例如，可以对苯内酮模拟测试等。 除此之外，计算机软件也可以对化学反应机理展开演示。在相应有机化学教学过程中，化合物的有机反应是教学的一个重点［３］，同时也是教学难点，由于机理反应后所带来的影响一般较为复杂，并且具有较多的种类，过于抽象，因此学生在学习这部分知识的过程中感觉到很吃力，对知识点也是很难理解，无法深入的把我与研究。可实际上掌握这部分的知识，能够帮助学生对日后学习合成工艺与合理选择等有着极大的帮助，具有提升学生科研能力的作用。 为此，我们可以认为有机反应教学能够对学生的学习带来较大的意义，能够推动学生的发展。实践表明，Ｇａｕｓｓｉａｎ０３软件在这部分知识教学中能够有效的解决其中的问题，不仅可以让学生理解其中的知识，还能够让学生较为轻松的掌握与了解这一理论。例如，在学习双分子亲核反应的过程中，具体操作可为： 第一，需要建立起相应的模型，如ＣＨ３ＣＬ＋ＢＲ－等等，并且对所建模型进行优化；第二，利用相应程序将相关反应形态表现出来，并且对其包含的关键词展开深入的计算与设计；第三，通过相应的计算，将分子结构与能量在化学反应过程中将其变化规律展现出来，并且通过软件对该反应的演示，学生更容易观察亲核试剂以及离去基团等之间的演变过程［４］，从而使得学生更轻松的理解该部分的知识，在仔细观察之下，学生对反应过程中呈现的状态有所了解，这有利于学生在实际应用该部分知识的时候灵活思考与使用，最终实现大学有机化学教学效率提升的目的。 3总结 本文主要针对计算化学软件在大学有机化学教学中的实际应用进行分析，通过对计算机化学软件在分析立体模型显示方面的分析以及计算化学软件对分子光学模拟的分析等，明确在大学有机化学教学中，计算机软件占据着极为重要的位置。 它的应用不仅有利于协助教师的化学教学任务的完成，还有利于学生理解其化学知识，通过计算机软件模拟演示的观察，对化学分子知识进行深入理解，从而提升化学课堂教学效率，更加提升学生的知识运用能力等。 [参考文献］ ［１］郑燕，孙文新．计算机化学软件在大学有机化学教学中的应用研究［Ｊ］．石家庄学院学报，２０１４． ［２］莫倩，郑燕升．计算化学软件在高等有机化学研究性教学中的应用［Ｊ］．广东化工，２０１３． ［３］付婧婧，黄丹，廖奕等．计算化学软件在高中化学教学中的应用［Ｊ］．中国校外教育（下旬刊），２０１４． ［４］裴克梅．Ｇａｕｓｓｉａｎ软件在环境化学教学中的应用［Ｊ］．大学化学，２０１２． 应用科技 １１７

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

关于计算化学的粗浅看法

关于计算化学的粗浅看法 肖俊钊2013化学萃英班 我从一年级开始接触计算化学，当时纯粹是出于好奇，觉得好玩而已。事实上主要是大致了解计算化学的原理，一些概念，学了一点Gaussian、Gamess、Hyperchem的基本操作。我在和其他同学讨 论的过程发现，很多人对计算化学是有偏见的，是存在极端看法的。我在学习计算化学的过程也有过类似的看法和疑问。主要是两点，一是计算化学没用；二是任何东西只要用计算化学软件算算就可以了。具体来说则体现在不同层次不同角度上。例如这些观点：计算化学只能用来发文章，计算化学结果没有实验靠谱，计算化学必须用性能很高的计算机，计算化学在药物设计上可能有用在有机合成上没用，理论是理论实验是实验，计算化学太费时间，实验结果和计算不一样实验有问题，算出来哪个稳定哪个就是主要产物等等。通过这几年我对计算化学的了解，这些观点是片面的也是带有主观性的。 很多人对计算化学带有排斥感的原因在于，计算化学的原理太过复杂，冗长的公式和方程，难以理解。其实关于计算化学我们完全不必知道每个方程究竟是怎么解的。但是一些基本概念是必须知道的，明白这些概念计算化学看起来就不那么可怕了。比如从头算、半经验、分子力学，如果搞明白这三个概念那么很容易对这三种方法的优缺点、精度、耗时有个大概的把握。有些人认为计算化学算起来特别麻烦，“要跑很长时间”“会把电脑烧掉”“PC不能做计算”，一方面其实现在的电

脑性能越来越好，当然性能越好越有利于我们计算，另一方面事实上这时候我们有必要去了解基组的概念，我们要解决的问题是不同，我们的计算目标是不同的，计算要求的精度是不同的。基组的选择不是越精确越好，而是要根据我们的需求和体系的性质来合理选择，判断是否要考虑共轭，是否要考虑体系中的金属其他重原子，方法是否对体系中的元素适用等等，在不影响结果的情况下尽可能快地完成计算。除此之外计算化学想要算得快还有许多方法，比如同样配置下windows系统比linux系统计算得慢，但是两种系统操作界面的体验是不一样的；再比如2013年诺贝尔化学奖使用的方法就是对不同区域采用不同精度的计算，在关键位置准确计算，而体系其他部分可以不太精确甚至用经典力学计算，这就比精确计算整个体系节约时间得多。所以关键是要明白我的需求是什么我的目标是什么，在选用合适的方法和基组进行计算。 大二期间我们开设了分子模拟设计这样一门课程，课程中我们除了介绍计算化学的基本原理还介绍了计算化学在药物设计，药物模拟，药物筛选中的应用。有些人认为，计算化学只能干这些事，化学真正的发展还是靠我们有机化学家无机化学家做实验，确实计算化学的文章发表可能更多地集中在这一领域，但是在相对传统的二级学科中计算化学也是有很大用处的。事实上我们看到最近发表的高水平有机合成方法学的文章中经常附上一些计算化学结果，来证明机理假设的合理性。兰州大学著名校友吴云东院士也是搞理论计算的，他的研究方向就包括对反应机理的阐释。2015年我在台湾中兴大学交换，我的

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