计算机化学与分子设计课件

现代化学前沿问题现代化学前沿问题讲座讲座1计算机化学与分子设计Computational Chemis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。2二十世纪八十年代以来，先进的分析仪器的应用、量子化学计算方法 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3归纳法 (F.Bacon,1561-1626)迄迄80年年代代，归归纳纳法法是是多多数数化化学学家家采采用用的的唯唯一一科科学方法；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4迄80年代，归纳法是多数化学家采用的唯一科学方法；演绎法在化运运用用数数学学的的多多少少是是一一门门科科学学成成熟熟程度的标志。程度的标志。马克思马克思马克思马克思5运用数学的多少是一门科学成熟程度的标志。马克思5数数学学的的应应用用：在在刚刚体体力力学学中中是是绝绝对对的的，在在气气体体力力学学中中是是近近似似的的，在在液液体体力力学学中中就就已已经经比比较较困困难难了了；在在物物理理学学中中是是试试验验性性的的和和相相对对的的；在在化化学学中中是是最最简简单单的的一一次次方方程程式式；在在生生物物学中等于零。学中等于零。恩格斯恩格斯恩格斯恩格斯6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7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”。8化学科学发展简要回顾8冶金、建材工业推动了无机冶金、建材工业推动了无机药物、染料、酿酒工业推动了有机药物、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9冶金、建材工业推动了无机 经典价键理论、苯结构奠定物理化学在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：Arrhenius 化学动力学10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11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 EinsteinEinstein广义和狭义相对论广义和狭义相对论（19051905）量子力学的创建量子力学的创建（1925192619251926）上世纪初理论物理两项重大突破上世纪初理论物理两项重大突破对对廿廿世世纪纪人人类类科科技技和和物物质质文文明明进进步步产产生生巨巨大大影影响响。其其中中，量量子子力力学学的的影影响响更更为为直接和广泛。直接和广泛。12Einstein广义和狭义相对论（1905）上世纪初理论 HeisenbergHeisenberg、SchrdingerSchrdinger、DiracDirac、BornBorn等等于于1925192619251926创建创建 3030年代初由年代初由von Neumannvon Neumann完成形式理论体系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是演绎法最成功的实例量量子子力力学学的的建建立立未未依依据据任任何何实实验验事事实实或或经经验验规规律律。它它用用少少数数几几条条基基本本假假定定作作为为公公理理，由由此此出出发发，通通过过严严格格的的逻逻辑辑演演绎绎，迅迅速速地地建建成成一一个自洽、完备、严密的理论体系个自洽、完备、严密的理论体系13Heisenberg、Schrdinger、Dirac、B 微微微微观观观观粒粒粒粒子子子子或或或或体体体体系系系系的的的的性性性性质质质质由由由由状状状状态态态态波波波波函函函函数数数数 唯唯唯唯一一一一确定，确定，确定，确定，服从服从服从服从SchrdingerSchrdinger方程方程方程方程基本运动方程基本运动方程 Schrdinger Schrdinger方程方程Schrdinger方程：方程：Hamilton算符：算符：在在在在 1010-13-13 m 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，困难在于求解方程建立容易，困难在于求解方程建立容易，困难在于求解14微观粒子或体系的性质由状态波函数 唯一确定，服从Sc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。15历70余年，量子力学经受物质世界不同领域(原子、分子、各种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16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 2020世世世世纪纪纪纪人人人人类类类类光光光光彩彩彩彩夺夺夺夺目目目目的的的的科科科科技技技技成成成成就就就就大大大大都都都都与与与与量量量量子子子子力力力力学学学学有有有有关关关关。量量量量子子子子理理理理论论论论不不不不仅仅仅仅有有有有力力力力地地地地促促促促进进进进了了了了社社社社会会会会的的的的物物物物质质质质文文文文明明明明改改改改观观观观，且且且且改改改改变变变变了了了了人人人人类类类类的思维方式的思维方式的思维方式的思维方式1720世纪人类光彩夺目的科技成就大都与量子力学有关。量子理论不量量子子力力学学的的辉辉煌煌使使理理论论物物理理学学家家18次次共共25人人荣荣获诺贝尔物理奖获诺贝尔物理奖1919Planck1921Einstein1922Bohr1929de Broglie1932Heisenberg1933SchrdingerDirac1938Fermi1945Pauli1949Yukawa1954BornBothe1957T.D.LeeC.N.Yang近近20年年理理论论物物理理领领域域未未见见再再获获奖。表明物理学科的高度成熟奖。表明物理学科的高度成熟1962Landau1963Wigner1965TomonagaSchwingerFeyman1967Bethe1969Gell-Mann1972Cooper1979WeinbergSalamGlashow18量子力学的辉煌使理论物理学家18次共25人荣获诺贝尔物理奖1量子力学的建立和发展促进了：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（现代化学键理论奠基（现代化学键理论奠基（19301930）PaulingPauling是杰出代表是杰出代表是杰出代表是杰出代表SlaterSlater、MullikenMulliken、HundHund、Heitler-LondonHeitler-London分分分分别作出贡献别作出贡献别作出贡献别作出贡献 量量量量子子子子力力力力学学学学引引引引入入入入化化化化学学学学，促促促促进进进进量量量量子子子子化化化化学学学学、量量量量子子子子统统统统计力学形成计力学形成计力学形成计力学形成Einstein-BoseEinstein-Bose、Fermi-DiracFermi-Dirac两种统计理论两种统计理论两种统计理论两种统计理论HckelHckel分子轨道理论（分子轨道理论（分子轨道理论（分子轨道理论（19321932）RoothaanRoothaan方程（方程（方程（方程（19521952）计算量子化学发展计算量子化学发展计算量子化学发展计算量子化学发展19量子力学的建立和发展促进了：19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20化学科学的体系和结构发生深刻变化20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21化学及交叉学科的发展促进了数学向化学的渗透21一一门门新新的的交交叉叉学学科科计计算算机机化化学学已已形形成成。它它将将帮帮助助化化学学家家在在原原子子、分分子子水水平平上上阐阐明明化化学学问问题题的的本本质质，在在创创造造特特殊殊性性能能的的新新材材料料、新新物物质质方面发挥重大的作用。方面发挥重大的作用。22一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、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 学计算机计算机化化 学学环境科学23计算机化学是化学与多个学科的交叉化 学物理学计算机材料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24体系数据和性质的综合分析分子(材料)合成路线化学 CAI数化学数据库（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25化学数据库（Data base）25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26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27分子的计算机模拟 Molecular Modeling 27What 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什么是分子计算机模拟计算机模拟?28What is用计算机模拟化学体系的微观结构和运动，并用数值为何进行分子计算机模拟为何进行分子计算机模拟?宏宏宏宏观观观观化化化化学学学学现现现现象象象象是是是是 10102424个个个个分分分分子子子子（原原原原子子子子）的的的的集集集集体行为，固有统计属性体行为，固有统计属性体行为，固有统计属性体行为，固有统计属性 化化化化学学学学统统统统计计计计力力力力学学学学的的的的局局局局限限限限性性性性：通通通通常常常常仅仅仅仅适适适适用用用用于于于于 “理理理理想想想想体体体体系系系系”理理理理想想想想气气气气体体体体、完完完完美美美美晶晶晶晶体体体体、稀稀稀稀溶液等溶液等溶液等溶液等 量量量量子子子子力力力力学学学学方方方方法法法法的的的的局局局局限限限限性性性性：对对对对象象象象为为为为平平平平衡衡衡衡态态态态、单单单单分分分分子子子子或或或或几几几几个个个个分分分分子子子子组组组组成成成成的的的的体体体体系系系系；不不不不适适适适用用用用于于于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29为何进行分子计算机模拟?宏观化学现象是1024个分子（原子分子模拟将原子、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30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)31分子力学法Molecular Mechanics Metho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：总作用力：32二、作用在粒子上的瞬时合力原子 i 在其它原子的作用势场 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33三、有效作用势近似粒子的势能 Ei 及梯度 Ei 借助经一、MD法原理将将微微观观粒粒子子视视为为经经典典粒粒子子，服服从从 Newton 第第二二定律定律或若若各各粒粒子子的的瞬瞬时时受受力力已已知知，可可用用数数值值积积分分求求出出运动的经典轨迹运动的经典轨迹34分子动力学法Molecular Dynamics Metho在在合合适适选选定定的的时时间间步步长长 t 内内，粒粒子子可可视视作作匀匀加加速直线运动速直线运动加速度：加速度：加速度：加速度：位位位位 移：移：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 ps35在合适选定的时间步长 t 内，粒子可视作匀加速直线运动加速假定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法基本假定困困难难 欲欲重重现现实实际际体体系系的的统统计计行行为为，模模拟拟体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36假定1：有效作用势近似 同 MM 法三、MD法基本假定二维周期性边界条件示意图8 个个近近邻邻重重复复单单元元包包围围着着中中心心原原胞胞，为为其其提提供供合合理理的的边边界条件近似界条件近似中心中心原胞原胞N 102计计算算机机实实际际处处理理的的是是原原胞胞内内数数量量较少的粒子较少的粒子 37二维周期性边界条件示意图8 个近邻重复单元包围着中心原胞，为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粒粒子子数数取取得得过过少少是是为为求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！38三维周期边界实例苏氨酸水溶液模拟111nm 的立方原用途用途 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 分分子子量量和和元元素素成成分分已已确确定定的的未未知知化化合合物物的的可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）进进行行“逐逐步步退退火火”MD 计计算算，在在不不同同温温度度下下取取 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39用途 预测：四、MD处理用于单个分子(无周期边界)办MMMM和和MDMD的比较的比较MM法法 每每步步原原子子初初速速均均为为零零，粒子位移趋于无限小粒子位移趋于无限小MD法法 原原子子初初速速不不为为零零，给给出出分分子子内内部部热热运运动动的的经经典图象典图象40MM和MD的比较MM法 MD法 40一、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41计算机分子模拟的应用一、物质和大分子的结构和性质根据体系的化二、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42计算机分子模拟的应用二、化学CAD计算机辅助有机分子和生物分43若干应用实例MD模拟43(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-predicted44(1,2,4)-4-(1,1-e二甲乙基)-2-烃基GnRH(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.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45GnRH(gonadotrophin-releaing 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)Ferromagnetic iceAntiferromagnetic ice46MD预测的顺磁性和反磁性冰晶体结构O.A Karim&AMD法模拟的熔盐体系 T*V*相图D.A.Young&B.J.Alder,J.Chem.Phys.,73,2434(1980)47MD法模拟的熔盐体系 T*V*相图D.A.YounRu-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)断裂点周围的损坏区域48Ru-Al 合金断裂过程动态模拟C.S.Becquart 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 67.3849两块晶体界面结构的模拟FCC单晶硅，13(150)晶界，晶较小晶面倾角(=9.53)下单晶硅晶界的一种稳定结构50较小晶面倾角(=9.53)下单晶硅晶界的一种稳定结经典模型的局限 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51计算量子化学Computational Quantum Ch52分子轨道法简介52一、量子力学第一原理 多体Shrdinger方程物理模型：分分子子中中电电子子和和原原子子核均在运动中核均在运动中粒粒子子间间存存在在着着相相互互作用作用定态Shrdinger方程：rPirQjrijRPQ53一、量子力学第一原理 多体Shrdinger方程物理模原子单位：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：54原子单位：三个基本物理常数 单电子近似 每个电子行为三、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 Orbitals55三、LCAO-MO近似为寻找试探波函数的合理形式四、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组组合合系系数数表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:56四、Roothaan 方程(1952)对 Hartree 19271927年年年年HeitlerHeitler和和和和LondonLondon用用用用变变变变分分分分法法法法求求求求解解解解了了了了氢氢氢氢分分分分子子子子的波函数的波函数的波函数的波函数实验值实验值RAB/a01.518E首首首首次次次次在在在在形形形形式式式式理理理理论论论论的的的的水水水水平平平平上上上上解解解解释释释释了了了了化化化化学学学学键键键键本本本本质质质质，开开开开创创创创了量子化学分支学科了量子化学分支学科了量子化学分支学科了量子化学分支学科571927年Heitler和London用变分法求解了氢分子的量量子子力力学学为为在在原原子子分分子子水水平平上上揭揭示示化化学学问问题题的的本本质质奠奠定定了了牢牢固固的的理理论论基基础础。因因为为，化化学学反反应应基基本本过过程程是是伴伴随随着着反反应应体体系系原原子子核核的的重重排排而而发发生生的的电电子子运运动动状状态态的的改改变变，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。量量子子力力学学的的统统一一理理论论(United theory)使使化化学学与与物物理理学学在在原原子子、分分子子水水平平上上会会师师，两学科的界限趋于模糊两学科的界限趋于模糊58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 solved59量子力学奠基人之一的 Dirac 在 1929说:The 因因处处理理实实际际分分子子在在数数学学上上的的困困难难。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等等三三人人用用手手摇摇计计算算机机花花两两年年才完成一个才完成一个N2分子的从头算。分子的从头算。有有人人断断言言：用用尽尽世世界界上上的的纸纸张张恐恐亦亦无无法法完完成成一个一个Fe原子的计算原子的计算50年年代代末末，大大型型计计算算机机的的浮浮点点运运算算速速度度为为0.01Mflops，仅及，仅及PIII 的的 1/5000！60因处理实际分子在数学上的困难。Dirac本人对量子力学在化学量量子子化化学学从从二二十十世世纪纪30年年代代初初的的理理论论奠奠基基到到90年年代代末末在在计计算算技技术术与与应应用用上上的的成成熟熟，经历了漫长的将近七十年经历了漫长的将近七十年这这是是几几代代杰杰出出理理论论化化学学家家不不懈懈努努力力的的结结果，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年年诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖的的颁颁布布是是计计算算量量子子化化学学在在化化学学和和整整个个自自然然科科学学中中的的重重要要地地位位被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61量子化学从二十世纪30年代初的理论奠基到90年代末在计算技术瑞瑞典典皇皇家家科科学学院院1010月月1313日日宣宣布布将将19981998年年度度诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖授授予予两两位位年年迈迈的的量量子子化化学学家家 KohnKohn和和PoplePople,表表彰彰他他们们在在开开拓拓用用于于分分子子性性质质及及其其参参与与化化学学过过程程研研究究的的理理论论和和方方法上的杰出贡献法上的杰出贡献。62The Laureates of 1998 Nobel Pr（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）63（瑞典皇家科学院在Web上发表的新闻公告）63颁颁奖奖公公告告称称：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.64颁奖公告称：The development did not 对1998 年诺贝尔化学奖划 时 代 的 评 价“量量子子化化学学已已发发展展成成为为广广大大化化学学家家都都能能使使用用的的工工具具，将将化化学学带带入入一一个个新新时时代代 实实验验与与理理论论能能携携手手协协力力揭揭示示分分子子体体系系的的性性质质。化学不再是一门纯实验科学了化学不再是一门纯实验科学了”65对1998 年诺贝尔化学奖划 时 代 的 评 价“量“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”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John Poples John Poples ContributionsContributionsJohn 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！67John Poples ContributionsJohnPople 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.68Pople 最辉煌的贡献是 Gaussian 程序颁奖文件称69密度泛函法简介69Walter Walter KohnsKohns ContributionsContributions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.70Walter Kohns Contributions瑞典皇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年年，理理论论证证明明多多电电子子体体系系的的基基态态能能量量是是电电子密度的单变量函数子密度的单变量函数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)71Walter Kohn showed that it is 1965年年，运运用用变变分分原原理理导导出出 Kohn-Sham 自自洽洽场方程场方程(DFT的基础方程的基础方程)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借借用用早早年年Thomas-Fermi-Dirac“均均匀匀电电子子气气”的的能能量量函函数数，计计算算晶晶体体的的电电子子结结构构当当年年即即取取得得成成功功（但分子计算结果不佳）（但分子计算结果不佳）沈吕九(香港)721965年，运用变分原理导出 Kohn-Sham 自洽场方程DFT法法用用于于分分子子的的成成功功是是众众多多科科学学家家多多年年不不懈懈努力的结果，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73DFT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.74Applications of Quantum Chemis75若干应用实例量子化学计算演示和75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76分子轨道法计算演示分子几何结构优化；能量、波函数和电子结一些化合物红外光谱计算结果（从头算法，（从头算法，6-31G(d)）77一些化合物红外光谱计算结果（从头算法，6-31G(d)）7反应途径及过渡态计算基元反应：基元反应：反应物配合物 1过渡态配合物 2产物鞍点78反应途径及过渡态计算基元反应：反应物配合物 1过渡态配合物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)79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The energy surface(in two dimensions)for a hypothetical chemical reaction from one equilibrium over a barrier(transition state)to the second equilibrium 80The energy surface(in two dim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！81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81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：实例：一个一个一个一个SNSN2 2 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82反应物能量极小点 1过渡态能量极小点 2 FCH3CElectron 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83Electron density in the amino 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84High up in the atmosphere,CF2The 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85The electron density around th1986：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-1861986：李远哲：“在十五年前，如果理论结果与实验有矛盾，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87常用的量子化学计算方法量子力学理论Born-Oppenhei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89前沿发展 QM/MM法Combined ab init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 Burffalo90发展QM/MM法的两位杰出华人青年化学家Weitao Ya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91烯醇酶活性部位催化两步反应的计算91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92烯醇酶之谷氨酸和赖氨酸残基协同催化PDA谷氨酸赖氨酸92两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/MM93两步催化历程分子总能量相对值的变化HF/3-21G QM/M烯醇酶催化活性部位之残基及水分子位置94烯醇酶催化活性部位之残基及水分子位置94烯醇酶催化活性部位之残基及水分子位置95烯醇酶催化活性部位之残基及水分子位置959696u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。97材料设计（materials design）97 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。98 尽管如此，由于凝聚态物理学、量子化学 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，编）邀请众多专家经过调查分析，编写了以上报告，其中说：写了以上报告，其中说：“materials by design”（设计材料）一词正在变为现实，（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论的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用理份量不断增长，研究者今天已处在应用理论和计算来论和计算来“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99 1995年美国国家科学研究委员会（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报告中年代材料科学与工程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。100 关于材料设计，或者设计材料这类研究，迄今在国微观设计层次，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：101微观设计层次，空间尺度在约1nm量级，是原子、电子层次的设计 “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102 “材料设计”设想始于 20世纪 50年代。材料设计的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年日本出版了新材料开发与材料设计年日本出版了新材料开发与材料设计学一书，首次提出了学一书，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