计算机化学与分子设计【精选】课件

现代化学前沿问题讲座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。长期以来，化学一直被科学界公认为一门纯实验科学。其理由要追溯到人类认识自然的两种科学方法。归纳法归纳法 (F.Bacon,1561-1626)演绎法演绎法 (R.Decartes,1596-1650)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公理假设公理假设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 测测模模 型型实验实验检验检验依 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科学成熟程度的标志。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19世纪中叶自然科学各学科的“成熟程度”。表明各学科研究对象 物质运动形式与规律 其复杂程度的差异然而，百年来科技的发展使各学科的“成熟程度”发生了巨大变化冶金、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 Einstein广义和狭义相对论（1905）量子力学的创建（19251926）上世纪初理论物理两项重大突破对廿世纪人类科技和物质文明进步产生巨大影响。其中，量子力学的影响更为直接和广泛。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是演绎法最成功的实例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、严密的理论体系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 Schrdinger方程Hti );,(2 21122trrrUHNNiiiSchrdinger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，困难在于求解历70余年，量子力学经受物质世界不同领域(原子、分子、各种凝聚态、基本粒子、宇宙物质等)实验事实的检验，其正确性无一例外。任何唯象理论无法与之同日而语。用完备的形式理论体系统一理论解释和预测不同科学领域的实验结果。量子力学的“第一原理”(First Principle)计算（从头算）只采用5 个基本物理常数：0、e、h、c、k 而不依赖任何经验参数即可正确预测微观体系的状态和性质20世纪人类光彩夺目的科技成世纪人类光彩夺目的科技成就大都与量子力学有关。量子就大都与量子力学有关。量子理论不仅有力地促进了社会的理论不仅有力地促进了社会的物质文明改观，且改变了人类物质文明改观，且改变了人类的思维方式的思维方式量子力学的辉煌使理论物理学家量子力学的辉煌使理论物理学家18次共次共25人荣人荣获诺贝尔物理奖获诺贝尔物理奖1919Planck1921Einstein1922Bohr1929de Broglie1932Heisenberg1933SchrdingerDirac1938Fermi1945Pauli1949Yukawa1954BornBothe1957T.D.LeeC.N.Yang近近20年理论物理领域未见再年理论物理领域未见再获奖。表明物理学科的高度成获奖。表明物理学科的高度成熟熟1962Landau1963Wigner1965TomonagaSchwingerFeyman1967Bethe1969Gell-Mann1972Cooper1979WeinbergSalamGlashow量子力学的建立和发展促进了：现代化学键理论奠基（现代化学键理论奠基（1930）Pauling是杰出代表是杰出代表Slater、Mulliken、Hund、Heitler-London分分别作出贡献别作出贡献 量子力学引入化学，促进量子化学、量子统量子力学引入化学，促进量子化学、量子统计力学形成计力学形成Einstein-Bose、Fermi-Dirac两种统计理论两种统计理论Hckel分子轨道理论（分子轨道理论（1932）Roothaan方程（方程（1952）计算量子化学发展计算量子化学发展化学科学的体系和结构发生深刻变化对象：宏观现象宏观现象 微观本质微观本质方法学：描述、归纳描述、归纳 演绎、推理演绎、推理理论层次：定性定性 定量定量化学与物理学的界限在模糊，在理论上趋于统一化学各分支学科的交叉；与其他学科相互渗透带动生物、材料科学进入分子水平带动生物、材料科学进入分子水平与化学相关的新领域不断涌现与化学相关的新领域不断涌现化学及交叉学科的发展促进了数学向化学的渗透 众多的数学工具应用于物理化学领域：矩阵代数矩阵代数 复变函数复变函数 数理方程数理方程 数理统计数理统计 数值方法数值方法 群论群论 不可约张量法不可约张量法 李代数李代数 非线性数学非线性数学 模糊数学模糊数学 分型理论与方法分型理论与方法 数学与物理化学的交叉使有关的数学知识在其他各化学分支亦得以应用一门新的交叉学科计算机化学已形成。它将帮助化学家在原子、分子水平上阐明化学问题的本质，在创造特殊性能的新材料、新物质方面发挥重大的作用。计算机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 学计算机化 学环境科学体系数据和性质的综合分析分子(材料)CAD合成路线CAD化学 CAI数据采集、统计分析及其它应用化学数据库量子化学计算计 算 机分 子 模 拟分子结构建模与图象显示化学人工智能分子力学(MM)分子动力学(MD&MC)计算机化学计算机化学的主要内容化学数据库（Data base）分子结构库 晶体库 热力学数据库 药物库高分子库 分子光谱、波谱图谱库 生物数据库（蛋白质、核酸、多糖库）化学文献库化学人工智能（需借助数据库）（需借助数据库）计算机辅助分子结构解释 化学模式识别 结构活性关系分析 结构性质关系分析 神经网络算法与神经网络计算机分子结构建模与图形显示结构建模 确定各原子的初始空间排布 这是用计算机处理分子大多数作业的起点 综合的计算机化学软件包，主程序应提供建模的友好界面，同时具有分子图形显示与结构参数分析功能 可采用二维或三维建模。程序可自动将二维图形转换为三维What isMolecular Modeling?用计算机模拟化学体系的微观结构和运动，并用数值运算、统计求和方法对系统的平衡热力学、动力学、非平衡输运等性质进行理论预测分子模拟是化学CAD的重要部分什么是分子计算机模拟?为何进行分子计算机模拟?宏观化学现象是宏观化学现象是1024个分子（原子）的个分子（原子）的集体行为，固有统计属性集体行为，固有统计属性化学统计力学的局限性：化学统计力学的局限性：通常仅适用于通常仅适用于“理想体系理想体系”理想气体、完美晶体、理想气体、完美晶体、稀溶液等稀溶液等量子力学方法的局限性：量子力学方法的局限性：对象为平衡态、对象为平衡态、单分子或几个分子组成的体系；不适用于单分子或几个分子组成的体系；不适用于动力学过程和有温度压力变化的体系动力学过程和有温度压力变化的体系分子模拟将原子、分子按经典粒子处理，可提供微观结构、运动过程以及它们与宏观性质相关的数据和直观图象分子模拟结果取决于所采用的粒子间作用势的合理、精确程度。又称为“计算机实验”，是理论与真实实验之间的桥梁分子模拟的两种主要方法：分子动力学法分子动力学法(MD，Molecular Dynamics)基于粒子运动的经典轨迹 Monte Carlo法(MC)基于统计力学一、原理忽略分子振、转、平动运动。原子视为经典粒子，原子间作用力用经验势函数表示体系的平衡几何结构由能量最低原理确定分子力学法(MM)用于预测大分子的几何构型，其势函数可用于分子动力学模拟(MD)二、作用在粒子上的瞬时合力原子 i 在其它原子的作用势场 Ei(ri)中运动在平衡位置总作用力：三、有效作用势近似粒子的势能 Ei 及梯度 Ei 借助经验势函数计算经验作用势经验作用势 二体及三体以上作用势的叠加二体及三体以上作用势的叠加一、MD法原理将微观粒子视为经典粒子，服从将微观粒子视为经典粒子，服从 Newton 第二第二定律定律或若各粒子的瞬时受力已知，可用数值积分求出若各粒子的瞬时受力已知，可用数值积分求出运动的经典轨迹运动的经典轨迹在合适选定的时间步长在合适选定的时间步长 t 内，粒子可视作匀加内，粒子可视作匀加速直线运动速直线运动加速度：加速度：位位 移：移：二、粒子 i 在时间 t 内的位移 ri步长取值：步长取值：t0.010.0001 ps假定1：有效作用势近似 同 MM 法假定2：周期性边界条件(Periodical Boudary Condition)三、MD法基本假定困难困难 欲重现实际体系的统计行为，模拟体欲重现实际体系的统计行为，模拟体系应有足够数量的粒子系应有足够数量的粒子1dm3水水 3 1027个个H2O计算机只能处理计算机只能处理 102 104 个粒子！个粒子！解决办法解决办法 赝无限大近似赝无限大近似取较小的模拟体系作中心原胞，令其在空间取较小的模拟体系作中心原胞，令其在空间重复排列重复排列二维周期性边界条件示意图8 个近邻重复单元个近邻重复单元包围着中心原胞，包围着中心原胞，为其提供合理的边为其提供合理的边界条件近似界条件近似中心原胞N 102计算机实际处理计算机实际处理的是原胞内数量的是原胞内数量较少的粒子较少的粒子 三维周期边界实例苏氨酸水溶液模拟1 1 1nm 的立方原胞含 1 个苏氨酸(threonine)分子和 24 个水分子F原子总数原子总数 88分子总数分子总数 25粒子数取得过少是为求粒子数取得过少是为求显示的直观显示的直观欲得合理的模拟结果，原胞体积至少应增大10倍！用途用途 预测：预测：复杂有机分子可能的稳定异构体复杂有机分子可能的稳定异构体 分子量和元素成分已确定的未知化合物的可分子量和元素成分已确定的未知化合物的可能分子结构能分子结构四、MD处理用于单个分子(无周期边界)办法办法：将分子用计算机将分子用计算机“加热加热”至高温（至高温（1000K）进行进行“逐步退火逐步退火”MD 计算，在不同温度下计算，在不同温度下取取 样作为初始构型样作为初始构型 用用 MM 法作构型优化法作构型优化MM和MD的比较MM法法 每步原子初速均为零，每步原子初速均为零，粒子位移趋于无限小粒子位移趋于无限小MD法法 原子初速不为零，给原子初速不为零，给出分子内部热运动的经出分子内部热运动的经典图象典图象一、物质和大分子的结构和性质根据体系的化学成分推断微观结构计算MD+MM计算机辅助结构分析与静态性质计算复杂有机分子复杂有机分子 高分子高分子 晶体晶体 液晶态液晶态 非晶态非晶态 溶液溶液熔盐熔盐 界面和表面界面和表面 气体气体 热力学性质热力学性质 材料力学性质材料力学性质与动态过程有关性质的计算分子内和分子间的相互作用分子内和分子间的相互作用扩散扩散 吸附与解附吸附与解附 熔融熔融 结晶结晶 相变相变 分子散射分子散射 分子适配分子适配材料应力应变材料应力应变 蠕变与断裂蠕变与断裂二、化学CAD计算机辅助有机分子和生物分子设计计算机辅助药物设计计算机辅助材料设计(1,2,4)-4-(1,1-e二甲乙基)-2-烃基环戊羰基酰胺晶体实验测定与实验测定与 MD 模拟结果的比较模拟结果的比较W.Linert,and F.Renz,J.Chem.Inf.Comput.Sci.,33,776(1993)Experimentally DeterminedMD-predicted例 1GnRH(gonadotrophin-releaing hormon,促性腺释放激素)分子构象理论预测D.G.Hangauer,in Computer Aided Drug Design,T.J.Perun&C.L.Propst ed.,Marcel Dekker Inc.,New York,p253,1989.例 2分子式：分子式：pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu-Arg-Pro-Gly-NH用MD中的“模板强制法”(Template-forcing)确定一对柔性分子相应功能团可能的空间取向起始取向为线型的两个分子逐步转化为能量较低的环型构象模 板加模板MD预测的顺磁性和反磁性冰晶体结构O.A Karim&A.D.J.Haymet,J.Chem.Phys.,89,6889(1988)例 3Ferromagnetic iceAntiferromagnetic iceMD法模拟的熔盐体系 T*V*相图D.A.Young&B.J.Alder,J.Chem.Phys.,73,2434(1980)例 41.0 1.2 1.4 1.6 1.8V*T*Liquid-Vapor2.52.01.51.00.50FluidFCCFCCFCC-FCCFCCFCC-FluidHCP-FCCHCC-FluidHCC-VaporRu-Al 合金断裂过程动态模拟C.S.Becquart,D.Kim,J.A,Rifkin,and P.C.Clapp,Mat.Sci.Engin.,A170,87(1993)例 5断裂点周围的损坏区域两块晶体界面结构的模拟FCC单晶硅单晶硅，13(150)晶界晶界，晶面倾角晶面倾角 67.38例 6较小晶面倾角(=9.53)下单晶硅晶界的一种稳定结构例 7经典模型的局限 未涉及化学行为的物理本质化合物的性质 电子结构化学反应 核与电子运动状态的变化伴随有电子跃迁、转移、变价的过程，经典的分子模拟不能处理ABCPQC1324ij一、量子力学第一原理 多体Shrdinger方程物理模型：分子中电子和原子分子中电子和原子核均在运动中核均在运动中粒子间存在着相互粒子间存在着相互作用作用定态Shrdinger方程：rPirQjrijRPQ原子单位：原子单位：三个基本物理常数三个基本物理常数 单电子近似单电子近似 每个电子行为视为独立，用单电子波函每个电子行为视为独立，用单电子波函数数 i(ri)描述描述 (MO)二、物理模型的三个基本近似 非相对论近似：非相对论近似：i=0 Born-Oppenheimer 近似近似：电子与核运动分离电子与核运动分离电子电子 哈密顿：三、LCAO-MO近似为寻找试探波函数的合理形式，将分子轨道表示为原子轨道i的线性组合优点：优点：利于建立化学键理论的电子结构基础利于建立化学键理论的电子结构基础Molecular Obital expressed as a Linear Combination of Atomic Orbitals四、Roothaan 方程(1952)对 Hartree-Fock 方程引入方程引入 LCAO-MO 近似近似在以在以AO集 i为基的线性空间中，为基的线性空间中，Fock算符的表示为算符的表示为Fock矩阵矩阵MO组合系数表组合系数表示为列矢量示为列矢量电子总能量变分要求电子总能量变分要求 ,c 满足满足 Roothaan 方程方程F c=S c S 为为 AO 重叠矩阵重叠矩阵:1927年年Heitler和和London用变分法求解了氢分子用变分法求解了氢分子的波函数的波函数实验值实验值RAB/a01.518ER0/a0解解离离能能/eV计计算算值值1.5183.14实实验验值值1.4014.48首次在形式理论的水平首次在形式理论的水平上解释了化学键本质，开创上解释了化学键本质，开创了量子化学分支学科了量子化学分支学科量子力学为在原子分子水平上揭示化学量子力学为在原子分子水平上揭示化学问题的本质奠定了牢固的理论基础。因为，问题的本质奠定了牢固的理论基础。因为，化学反应基本过程是伴随着反应体系原子化学反应基本过程是伴随着反应体系原子核的重排而发生的电子运动状态的改变，核的重排而发生的电子运动状态的改变，这些微观运动均服从薛定谔方程。这些微观运动均服从薛定谔方程。量子力学的统一理论量子力学的统一理论(United theory)使化使化学与物理学在原子、分子水平上会师，两学与物理学在原子、分子水平上会师，两学科的界限趋于模糊学科的界限趋于模糊量子力学奠基人之一的量子力学奠基人之一的 Dirac 在在 1929说说:The fundamental laws necessary for the mathematical treatment of large parts of physics 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因处理实际分子在数学上的困难。因处理实际分子在数学上的困难。Dirac本本人对量子力学在化学上的应用前景是悲观的。人对量子力学在化学上的应用前景是悲观的。1952年年H.Schull等三人用手摇计算机花两年等三人用手摇计算机花两年才完成一个才完成一个N2分子的从头算。分子的从头算。有人断言：用尽世界上的纸张恐亦无法完成有人断言：用尽世界上的纸张恐亦无法完成一个一个Fe原子的计算原子的计算50年代末，大型计算机的浮点运算速度为年代末，大型计算机的浮点运算速度为0.01Mflops，仅及，仅及PIII 的的 1/5000！量子化学从二十世纪量子化学从二十世纪30年代初的理论奠年代初的理论奠基到基到90年代末在计算技术与应用上的成熟，年代末在计算技术与应用上的成熟，经历了漫长的将近七十年经历了漫长的将近七十年这是几代杰出理论化学家不懈努力的结这是几代杰出理论化学家不懈努力的结果，并得益与计算机和计算技术的巨大进步果，并得益与计算机和计算技术的巨大进步1998年诺贝尔化学奖的颁布是计算量子年诺贝尔化学奖的颁布是计算量子化学在化学和整个自然科学中的重要地位被化学在化学和整个自然科学中的重要地位被确立和获得普遍承认的重要标志确立和获得普遍承认的重要标志瑞典皇家科学院10月13日宣布将1998年度诺贝尔化学奖授予两位年迈的量子化学家 Kohn和Pople,表彰他们在开拓用于分子性质及其参与化学过程研究的理论和方法上的杰出贡献。（瑞典皇家科学院在（瑞典皇家科学院在Web上发表的新闻公告）上发表的新闻公告）颁奖公告称：颁奖公告称：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 offered by the computerWalter Kohn and John Pople are the two most prominent figures in this process.65对1998 年诺贝尔化学奖划 时 代 的 评 价“量子化学已发展成为广大化学家都能使量子化学已发展成为广大化学家都能使用的工具，将化学带入一个新时代用的工具，将化学带入一个新时代 实验与实验与理论能携手协力揭示分子体系的性质。理论能携手协力揭示分子体系的性质。化学化学不再是一门纯实验科学了不再是一门纯实验科学了”66“卅年前，如果说并非大多数化学家，那末至少是有许多化学家嘲笑量子化学研究，认为这些工作对化学用处不大，甚至几乎完全无用。现在的情况却是完全两样了。当90年代行将结束之际，我们看到化学理论和计算研究的巨大进展，导致整个化学正在经历一场革命性的变化。Kohn和Pople是其中的两位最优秀代表”“这项突破被广泛地公认为近一、二十年来化学学科中最重要的成果之一”John 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 the exploration of the properties of molecular systems.Chemistry is no longer a purely experimental science.瑞典皇家科学院颁奖文件评价瑞典皇家科学院颁奖文件评价:化学不再是一门纯实验科学了！Pople 最辉煌的贡献是最辉煌的贡献是 Gaussian 程序程序颁奖文件称颁奖文件称:The creation,constant improvement,and the extension of the functionality of GAUSSIAN is an outstanding achievement.It is the example 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.Walter Kohns Contributions瑞典皇家科学院颁奖文件评价瑞典皇家科学院颁奖文件评价:Walter Kohns theoretical work 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.Walter Kohn showed that it is not necessary to consider the motion of each individual electron:it suffices to know the average number of electrons located at any one point in space.1964年，理论证明多电子体系的基态能量是电年，理论证明多电子体系的基态能量是电子密度的单变量函数子密度的单变量函数rrrrrdVJTEVJTExcxc)()()()()()()()(T,J,Vxc 分别为分别为动能动能、库仑能库仑能和和交换交换-相关能相关能P.Hohenberg&W.Kohn,Phys.Rev.B,136,864(1964)1965年，运用变分原理导出年，运用变分原理导出 Kohn-Sham 自洽自洽场方程场方程(DFT的基础方程的基础方程)()()()()(rrrrrxcvjt 求解方程可得求解方程可得使体系能量最小的电子密度使体系能量最小的电子密度 (r)W.Kohn&L.J.Sham,Phys.Rev.A,140,1133(1965)DFT的关键是找到的关键是找到依赖电子密度的能量函数依赖电子密度的能量函数)()()()(xcvjt借用早年借用早年Thomas-Fermi-Dirac“均匀电子气均匀电子气”的能量函数，的能量函数，计算晶体的电子结构当年即取得成计算晶体的电子结构当年即取得成功功（但分子计算结果不佳）（但分子计算结果不佳）沈吕九(香港)DFT法用于分子的成功是众多科学家多年不懈法用于分子的成功是众多科学家多年不懈努力的结果，但首先归功于理论奠基人努力的结果，但首先归功于理论奠基人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 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已被引入已被引入Gaussian 94/98 程序。可处理含程序。可处理含数百个原子的分子体系数百个原子的分子体系Applications of Quantum ChemistryThe equilibrium structures of molecules;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 packing,etc.分子轨道法计算演示分子轨道法计算演示 分子几何结构优化；能量、波函数和电子结构计算 分子的性质、偶极矩 分子的振动光谱及紫外可见光谱；简正振动分析IR 频率/cm-1体 系计算值刻度值实验值对称性强度326629062955B190.3321228592916B267.2322328682933A159.8环丁烯 (C2v)726647635B143.9321828642933B2U136.9322428702933B3U190.7327529152966B1U171.1二环(2,2,0)1(4)己烯 (D2h)136212121226B2U17.0328529232976A2150.3328229212973E92.6二环(1,1,1)戊烷 (D3h)322328682878E90.4624556611A2192.0332229563020E32.0(1,1,1)Propellane (D3h)340630323079E16.7一些化合物红外光谱计算结果（从头算法，（从头算法，6-31G(d)）能 量反应坐标A贩 贩 B贩 贩 CA贩 贩 BCA+BCAB贩 贩 CAB+CE1E2反应途径及过渡态计算基元反应：A +BCAB +C反应物配合物 1过渡态配合物 2产物鞍点A +BCAB +C势能面和反应途径势能面无法实验测定。由量子化学计算给出二维等能量线图二维势能曲面鞍点T(ABC)The energy surface(in two dimensions)for a hypothetical chemical reaction from one equilibrium over a barrier(transition state)to the second equilibrium 如何进行反应途径和过渡态搜索？反应活化能计算精度取决于 高档次高档次(level)的计算方法的计算方法 准确地确定鞍点及分子的过渡结构准确地确定鞍点及分子的过渡结构鞍点的条件十分苛刻。处理手续复杂，计算量大 需采用较高级的专业量子化学软件Gaussian 92,94&98(for Unix or Windows)Mulliken for IBM/RS-6000MOPAC for Windows v2.0均配备了反应途径和过渡态自动搜索的功能！均配备了反应途径和过渡态自动搜索的功能！相对能量/kJmol-1反应坐标(IRC)3002001000反应物F-+CH3Cl能量极小点 1F-CH3Cl过渡态(F-CH3Cl)-能量极小点 2 FCH3Cl-产 物FCH3+Cl-实例：一个一个SN2 反应的反应途径和过渡态计算反应的反应途径和过渡态计算Electron 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 the surface).The grey scale shows the electrostatic potential at this surface,darker portions representing negative potential.半胱胺酸分子等电子密度面High 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 process can be studied using quantum-chemical calculations.FreonOzone氟利昂分子破坏大气臭氧层反应机理的理论计算研究The 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维生素C分子的电子密度与静电势1986：李远哲：“在十五年前，如果理论结果与实验有矛盾，那么经常证明是理论结果错了。但是最近十年则相反，常常是实验错了。量子力学有些结果是实验工作者事先未想到的，或者是难以实现的”电子自旋磁矩的理论值和实验值精确符合到12位有效数字H2分子的解离能理论计算值为 36117.4cm-1实验值36113.40.3cm-1改进实验手段后测得36117.31.0cm-1常用的量子化学计算方法量子力学理论Born-Oppenheimer近似非相对论近似单电子近似Hartree-Fock方方 程程Roothaan方方 程程自洽场从头算SCF-ab initio密度泛函法DFT超 HFLCMTO-X耦合电子对CEPA组 态相互作用CI微扰处理MP多组态自洽场MCSCF价电子从头算EP(VP)模拟从头算SAMO分子碎片法MF梯度近似GGA浮动球高斯法FSGOAM1C-EHMOEHMOIT-EHMOMCNDOCNDOMINDOINDOMNDONDDOPM3MSW-XDV-XLCAO-X局域密度近 似LDA从头算法Ab Initio半从头算法Slater X半经验法Semi-emperical独立电子对IEPA第一原理计算从1954年起，有6届诺贝尔化学奖得主8人属理论化学领域。其中6位是物理学家，1位是数学家，只有1位 福井谦一 是从化工改行的化学家。化学界应感羞愧。并表明：“学科之间无不可逾越的鸿沟”，“树挪死，人挪活”前沿发展前沿发展 QM/MM法法Combined ab initio&Molecular Mechanics将MO法或DFT与分子力学法相结合，取QM与MM两者之长。解决大分子参与的化学反应的计算反应的活性部位（active site）采用QM计算。其它基团的相互作用及与活性部位的作用采用MM处理QM/MM使计算酶催化、蛋白质等参与的生物化学反应成为可能发展发展QM/MM法的法的两位杰出华人青年化学家两位杰出华人青年化学家1.Weitao Yang（杨伟涛）Duke University,Durham2.Jiali Gao（高嘉立）State University of New York at Burffalo烯醇酶活性部位催化两步反应的计算烯醇酶活性部位催化两步反应的计算烯醇酶之谷氨酸和赖氨酸残基协同催化磷酰甘油酯（PDA）的两步脱水反应PDA谷氨酸赖氨酸两步催化历程分子总能量相对值的变化HF/3-21G QM/MMHF/6-31G QM/MMDFT/3-21G QM/MM烯醇酶催化活性部位之残基及水分子位置烯醇酶催化活性部位之残基及水分子位置97u材料设计（材料设计（materials design）是指通过理论与计算预报新材料是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来理论设计来“订做订做”具有特定性能的具有特定性能的新材料。这当然说的是人们所追求的新材料。这当然说的是人们所追求的长远目标，并非目前就能充分实现的。长远目标，并非目前就能充分实现的。98 尽管如此，由于凝聚态物理学、尽管如此，由于凝聚态物理学、量子化学等相关基础学科的深人发量子化学等相关基础学科的深人发展，以及计算机能力的空前提高，展，以及计算机能力的空前提高，使得材料研制过程中理论和计算的使得材料研制过程中理论和计算的作用越来越大，直至变得不可缺少。作用越来越大，直至变得不可缺少。99 1995年美国国家科学研究委员会年美国国家科学研究委员会（NRC）邀请众多专家经过调查分析，）邀请众多专家经过调查分析，编写了以上报告，其中说：编写了以上报告，其中说：“materials by design”（设计材料）一词正在变为现（设计材料）一词正在变为现实，它意味着在材料研制与应用过程中理实，它意味着在材料研制与应用过程中理论的份量不断增长，研究者今天已处在应论的份量不断增长，研究者今天已处在应用理论和计算来用理论和计算来“设计设计”材料的初期阶段。材料的初期阶段。材料科学的计算与理论技术材料科学的计算与理论技术100 关于材料设计，或者设计材料这类研究，迄关于材料设计，或者设计材料这类研究，迄今在国际上还没有统一的流行术语或提法。今在国际上还没有统一的流行术语或提法。日本日本 1985年年 “材料设计学材料设计学”一词一词 俄国俄国 材料设计包括在材料设计包括在“材料学材料学”中中 美国美国 90年代材料科学与工程年代材料科学与工程报告中报告中称这类工作为材料称这类工作为材料“计算机分析与模型计算机分析与模型化化”我国我国 1986年年“材料微观结构设计与性能材料微观结构设计与性能预测预测”开始实施开始实施“863计划计划”时，对新材料领域提出了时，对新材料领域提出了探索不同层次微观理论指导下的材料设计这一要求，探索不同层次微观理论指导下的材料设计这一要求，因此，从那时起在因此，从那时起在“863”材料领域便设立了材料领域便设立了“材料微材料微观结构设计与性能预测观结构设计与性能预测”研究专题。研究专题。101微观设计层次，空间尺度在约微观设计层次，空间尺度在约1nm量级，是原子、量级，是原子、电子层次的设计；电子层次的设计；连续模型层次，典型尺度在约连续模型层次，典型尺度在约 lm量级，这时材量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；的行为；工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。材料的加工和使用性能的设计研究。从广义来说，材料设计可按研究对象从广义来说，材料设计可按研究对象的空间尺度不同而划分为三个层次：的空间尺度不同而划分为三个层次：102 “材料设计材料设计”设想始于设想始于 20世纪世纪 50年代。年代。在在 50年代初期，前苏联便开展了关于合金设计年代初期，前苏联便开展了关于合金设计以及无机化合物的计算机预报等早期工作。那时前以及无机化合物的计算机预报等早期工作。那时前苏联卫星上天，说明其使用的材料是先进的。苏联苏联卫星上天，说明其使用的材料是先进的。苏联人于人于1962年便在理论上提出人工半导体超晶格概念，年便在理论上提出人工半导体超晶格概念，不过当时他们没有提出如何在技术上加以实现的建不过当时他们没有提出如何在技术上加以实现的建议。后来到议。后来到1969年，才正式从理论和实践结合上提年，才正式从理论和实践结合上提出了通过改变组分或掺杂来获得人工超晶格。出了通过改变组分或掺杂来获得人工超晶格。材料设计的发展概况材料设计的发展概况103 80年代中期日本材料界提出了用三大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，构成杂材料在分子原子水平上混合，构成杂化材料的设想。化材料的设想。1985年日本出版了年日本出版了新材料开发与材料设计新材料开发与材料设计学学一书，首次提出了一书，首次提出了“材料设计学材料设计学”这一专门这一专门方向。书中介绍了早期的研究与应用情况，并在方向。书中介绍了早期的研究与应用情况，并在大学材料系开设材料设计课程。大学材料系开设材料设计课程。1988年由日本科年由日本科学技术厅组织功能性梯度材料（学技术厅组织功能性梯度材料（functionally gradient materials）的研究任务，提出将设计一）的研究任务，提出将设计一合成一评估三者紧密结合起来，按预定要求做出合成一评估三者紧密结合起来，按预定要求做出材料。材料。104 1989年美国编写出版了年美国编写出版了90年代的材年代的材料科学与工程料科学与工程报告报告 由若干个专业委员会在调查分析美国由若干个专业委员会在调查分析美国8个工个工业部门（航天、汽车、生物材料、化学、电子业部门（航天、汽车、生物材料、化学、电子学、能源、金属和通信）对材料的需求之后，学、能源、金属和通信）对材料的需求之后，编写以上报告，对材料的计算机分析与模型化编写以上报告，对材料的计算机分析与模型化作了比较充分的论述。该报告认为，现代理论作了比较充分的论述。该报告认为，现代理论和计算机技术的进步，使得材料科学与工程的和计算机技术的进步，使得材料科学与工程的性质正在发生变化计算机分析与模型化的进展，性质正在发生变化计算机分析与模型化的进展，将使材料科学从定性描述逐渐进人定量描述的将使材料科学从定性描述逐渐进人定量描述的阶段。阶段。105 近近10年来，材料设计或材料的计算机分年来，材料设计或材料的计算机分析与模型化日益受到重视，究其原因主析与模型化日益受到重视，究其原因主要有以下几点。要有以下几点。（1）固体物理、量子化学、统计力学、计算数学等）固体物理、量子化学、统计力学、计算数学等相关学科在理相关学科在理 论概念和方法上有很大发展，为材料论概念和方法上有很大发展，为材料微观结构设计提供了理论基础。微观结构设计提供了理论基础。（2）现代计算机的速度、容量和易操作性空前提高。）现代计算机的速度、容量和易操作性空前提高。几年前在数学计算、数据分析中还认为无法解决的几年前在数学计算、数据分析中还认为无法解决的问题，现在已有可能加以解决；而且计算机能力还问题，现在已有可能加以解决；而且计算机能力还将进一步发展和提高。将进一步发展和提高。106（3）科学测试仪器的进步，提高了定量测量的水平，）科学测试仪器的进步，提高了定量测量的水平，并提供了丰富的实验数据，为理论设计提供了条件。并提供了丰富的实验数据，为理论设计提供了条件。在这种情况下更需要借助计算机技术沟通理论与实验在这种情况下更需要借助计算机技术沟通理论与实验资料。资料。（4）材料研究和制备过程的复杂性增加，许多复）材料研究和制备过程的复杂性增加，许多复杂的物理、化学过程需要用计算机进行模拟和计算，杂的物理、化学过程需要用计算机进行模拟和计算，这样可以部分地或全部地替代既耗资又费时的复杂实这样可以部分地或全部地替代既耗资又费时的复杂实验过程，节省人力物力。更有甚者，有些实验在现实验过程，节省人力物力。更有甚者，有些实验在现实条件下是难以实施的或无法实施的，但理论分析和模条件下是难以实施的或无法实施的，但理论分析和模拟计算却可以在无实物消耗的情况下提供信息。拟计算却可以在无实物消耗的情况下提供信息。（5）以原子、分子为起始物进行材料合成，并在微）以原子、分子为起始物进行材料合成，并在微观尺度上控制其结构，是现代先进材料合成技术的重观尺度上控制其结构，是现代先进材料合成技术的重要发展方向，例如分子束外延、纳米粒子组合、胶体要发展方向，例如分子束外延、纳米粒子组合、胶体化学方法等。对于这类研究对象，材料微观设计显然化学方法等。对于这类研究对象，材料微观设计显然是不可缺少的并且是大有用武之地的。是不可缺少的并且是大有用武之地的。107 目前材料设计方法的主要途径可分为目前材料设计方法的主要途径可分为如下几类。如下几类。1、材料知识库和数据库技术、材料知识库和数据库技术 2、材料设计专家系统、材料设计专家系统 3、材料设计中的计算机模拟、材料设计中的计算机模拟材料设计的主要途径材料设计的主要途径108 材料设计专家系统是指具有相当数量材料设计专家系统是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。机程序系统。它能为某些特定性能材料的制备提供它能为某些特定性能材料的制备提供指导，以帮助研究人员进行新材料的开发。指导，以帮助研究人员进行新材料的开发。专家系统的研究始于专家系统的研究始于20世纪世纪60年代中年代中期，近年来应用范围越来越广。期，近年来应用范围越来越广。材料设计专家系统材料设计专家系统109 最理想的专家系统是从基最理想的专家系统是从基本理论出发，通过计算和逻辑推本理论出发，通过计算和逻辑推理，预测未知材料的性能和制备理，预测未知材料的性能和制备方法。方法。1101）以知识检索、简单计算和推理为）以知识检索、简单计算和推理为基础的专家系统基础的专家系统 2）以计算机模拟和运算为基础的材）以计算机模拟和运算为基础的材料设计专家系统料设计专家系统 3）以模式识别和人工神经网络为基础）以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统的专家系统 材料设计专家系统大致有以下几类。材料设计专家系统大致有以下几类。111 利用计算机对真实的系统进行利用计算机对真实的系统进行模拟模拟“实验实验”、提供实验结果、指导、提供实验结果、指导新材料研究，是材料设计的有效方法新材料研究，是材料设计的有效方法之一。之一。材料设计中的计算机模拟材料设计中的计算机模拟112原子尺度模拟计算原子尺度模拟计算 分子动力学方法、蒙特卡洛方法等分子动力学方法、蒙特卡洛方法等显微尺度模拟计算显微尺度模拟计算 这类计算以连续介质概念为基础这类计算以连续介质概念为基础宏观尺度模拟计算宏观尺度模拟计算 此法一般与材料或材料部件的工业生产有关此法一般与材料或材料部件的工业生产有关按模拟尺度可以分为：按模拟尺度可以分为：113 例：例：功能梯度材料是物相或化学组成功能梯度材料是物相或化学组成从一方向另一方向连续过渡的复合材料，从一方向另一方向连续过渡的复合材料，其最大优点是温度梯度大时热应力分散，其最大优点是温度梯度大时热应力分散，适于在航天等领域中用作结构材料。适于在航天等领域中用作结构材料。在研制梯度材料过程中可用计算机在研制梯度材料过程中可用计算机模拟方法计算热应力分布，为寻找合理模拟方法计算热应力分布，为寻找合理的结构提供依据。此外，用热力学方法的结构提供依据。此外，用热力学方法预测材料的相变过程及相变产物的显微预测材料的相变过程及相变产物的显微结构，也属于此类方法研究范畴。结构，也属于此类方法研究范畴。114 非晶态合金一般用液态合金经急冷而成。在生非晶态合金一般用液态合金经急冷而成。在生产非晶态合金宽带时，必须保证宽带中没有晶化产非晶态合金宽带时，必须保证宽带中没有晶化“缺陷缺陷”，这就要求所用设备和工艺条件能保证获，这就要求所用设备和工艺条件能保证获得均匀高速的冷却条件。采用计算机模拟计算液体得均匀高速的冷却条件。采用计算机模拟计算液体合金快冷时的传热传质过程，有助于设计合理的设合金快冷时的传热传质过程，有助于设计合理的设备和工艺，以保证产品质量备和工艺，以保证产品质量115模式识别模式识别-人工神经网络方法人工神经网络方法 作为人工智能的一种方法作为人工智能的一种方法,模式模式识别识别-人工神经网络方法自人工神经网络方法自80年代以年代以来已被广泛地应用于化学、工程和来已被广泛地应用于化学、工程和材料等学科中。材料等学科中。116模式识别模式识别 在科学研究中在科学研究中,常常遇到要确定或预常常遇到要确定或预报一事物或事件的某一隐含特征问题。如报一事物或事件的某一隐含特征问题。如果这种隐含特征和测定方法的理论关系还果这种隐含特征和测定方法的理论关系还不是完全已知不是完全已知,那么就有可能使用一套数那么就有可能使用一套数据描述方法。据描述方法。在这种方法中在这种方法中,从已知特征和间接测从已知特征和间接测定方法的收集目标中导出经验关系。这一定方法的收集目标中导出经验关系。这一经验关系可用于预报未知目标的隐含特征。经验关系可用于预报未知目标的隐含特征。117 用于描述一个的一套间接测定用于描述一个的一套间接测定方法称为方法称为模式模式。隐含特征的确定通。隐含特征的确定通常是一种模式归属类别的常是一种模式归属类别的识别识别。在。在科学和人类的许多方面科学和人类的许多方面,模式的分类模式的分类是一个基本过程是一个基本过程,因此模式识别的数因此模式识别的数学方