计算机在分子模拟中的应用 Computer Application in Molecular Modeling By 唐前林

共 2 学分 /32 学时， 16 次课，每周一（第 1-17 周） 7-8 节上 计划： 每 1 次课讲 2 节（主题） 属于选修课，成绩 = 平时考核成绩（ 30% ） + 平时作业 成绩（ 20% ） + 期末考试成绩（ 50% ） 教学方式：师生互动（学生参与课堂教学） 教学安排 上课地点： C-407

1 ）根据这门课的特点，学习时首先要注意掌握分子建模的基 本原理和思想，要注意运用计算方法处理实际问题的技巧及会 使用所学相关商业软件，要重视误差分析 ; 2 ）要通过 ppt 上的例子，学习使用 HF,MP2 和 B3LYP 等分子模 拟方法解决化学问题 ; 3 ）养成自学习惯，课前、课后一定要看课件；每章的作业一 定要做；基于教学现状，组织随堂考试. 几点要求 ： 《计算机在分子模拟中的应用》这门课的基石是量子力学理论， 属于理论化学，主要目的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、极矩、振动频率、激发态 、反应 活性等，并用以解释一些具体的化学问题. 课程特点与要求

各章内容 第 1 章 绪论 第 2 章 分子结构构筑 第 3 章 GaussView 程序建模包 第 4 章 基组 第 5 章 分子模拟方法 第 6 章 高斯（ Gaussian ）程序计算包 鉴于理论化学与计算化学的高度抽象性，每章侧重讲解算例！

参考文献 《量子化学 — 基本原理和从头计算法》徐光宪院士、黎乐 民院士，第 2 版，科学出版社， 2012 上册 : 量子力学基本原理、处理问题的基本方法和数学工具 中册 : 重要的量子化学计算方法 下册 : 量子化学研究的高级理论方法

参考文献 《量子化学》 ( 美 ) 赖文, 第 6 版，世界图书出版公司,2011 学量化，理论基础很重要，看完这本书，基础基本上没问题了！

参考文献 《 Exploring chemistry with Electronic Structure Methods 》 ( 美 )James B. Foresman and Aeleen Frisch, 第 2 版， Gaussian 公司,1996 Gaussian 软件入门级别的书。书中全部的 examples 、 exercises 可以在其官网下载 !

参考文献 《 Gaussview 软件 5 使用手册》 公 司 《高斯软件 09 用户参考手册》 公 司 主页 有超链接！

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第 1 章 绪论

一、计算机在化学中的应用概述 计算机在化学中的应用已经有 40 余年的历史 起初计算机主要用于量子化学（ Quantum Chemistry) 计算方 面，也称其为计算化学 (Computational Chemistry) 随着计算机技术在化学中应用领域的扩大，计算化学显然已 经不能涵盖其所有内容，人们将其列入一个新学科 —“ 计算 机在化学中的应用 ” （ Computer Application in Chemistry ） 或者为 “ 化学中的计算机技术 ” （ Computer in Chemistry ）

（ 1 ）以计算机为主要工具的量子化学、结构化学的从头计算、 不同力场校正的半经验计算等将人类认识分子微观世界的能力大 大提高。计算机的介入为将化学由实验科学向理论化发展做出了 重大贡献．目前计算机的量子化学计算仍然是重要的研究领域之 一． 计算 化学 计算 化学 计算机技术在化学中应用的主要领域 （1）（1）

（ 2 ）计算机的实时监测和交互控制大大提高了化学工业的水平， 为将经典化学工业发展为现代化学工业奠定了基础．计算机化工 控制系统已经成为化学工业结构改造与技术升级的重要内容． 化工 过程 自动 化 化工 过程 自动 化 计算 化学 计算 化学 计算机技术在化学中应用的主要领域 （1）（1）（2）（2）

（ 3 ）计算机化的傅立叶变换技术在红外、质谱和核磁共振波谱 分析中的应用为人们获取分子的微观结构信息打开了方便之门， 大大提高了分析速度和准确性． 化工 过程 自动 化 化工 过程 自动 化 计算 化学 计算 化学 分析 化学 分析 化学 计算机技术在化学中应用的主要领域 （1）（1）（2）（2）（3）（3）

化工 过程 自动 化 化工 过程 自动 化 计算 化学 计算 化学 分析 化学 分析 化学 信息 收集 化学 信息 收集 计算机技术在化学中应用的主要领域 （1）（1）（2）（2）（3）（3）（4）（4） （ 4 ）基于计算机互联网络技术和智能化数据库技术的化学信息 收集与检索体系，以及远程计算机登录技术为化学家与海量化学 信息之间建立了高速有效的桥梁和纽带，正在逐步成为化学家获 取化学信息的主要手段．

化工 过程 自动 化 化工 过程 自动 化 计算 化学 计算 化学 分析 化学 分析 化学 信息 收集 化学 信息 收集 化学 化工 过程 模拟 化学 化工 过程 模拟 计算机技术在化学中应用的主要领域 （1）（1）（2）（2）（3）（3）（4）（4）（5）（5） （ 5 ）基于现代计算机模拟技术的高温、高压、高险等化工过程 模拟技术的发展加快了实验化学学科的发展并使化学科技成果的 产业化过程加速

化工 过程 自动 化 化工 过程 自动 化 数学 模型 计算 化学 计算 化学 分析 化学 分析 化学 信息 收集 化学 信息 收集 化学 化工 过程 模拟 化学 化工 过程 模拟 计算机技术在化学中应用的主要领域 化学 专家 系统 化学 专家 系统 （1）（1）（2）（2）（3）（3）（4）（4）（5）（5）（6）（6） （ 6 ）基于计算机智能化技术发展起来的专家咨询、决策、分析 系统使化学工业知识化，或者知识经济走向化学和化工领域的重 要生长点.

二、理论与计算化学发展史 理论化学发展过程与计算机本身的发展息息相关 理论化学是运用纯理论计算而非实验方法研究化学反应的本 质问题 理论化学的分支主要有： 量子 化学 量子 化学 计算 化学 计算 化学 分子 模拟 分子 模拟 分子 力学 分子 力学 统计 热力 学 统计 热力 学 非平 衡态 热力 学 非平 衡态 热力 学 分子 反应 动力 学 分子 反应 动力 学 ( 从头算或第一性原理 )

罗伯特 · 波义耳（ Robert Boyle ， 1627—1691 ） 英国化学家 《怀疑派化学家 The Sceptical Chemist 》： 元素的定义应是具有相同核电荷数的同一类原子 的总称 希腊唯心主义哲学家柏拉图：万物由火、水、气、 土四种基本元素 元素 定义 1661 时间 / 年 里程碑

元素 定义 1661 时间 / 年 元素 周期表 1869 里程碑 元素的性质随相对原子质量的递增发生周期性的递变 德米特里 · 门捷列夫 (Dmitri Mendeleev, 俄,1834—1907) 《化学原理》：

元素 定义 1661 时间 / 年 元素 周期表 1869 薛定 谔方程 1926 里程碑 埃尔温 · 薛定谔 (Erwin Schrödinger, 1887—1961 ) 奥地利物理学家 量子力学四种表达方式 : 矩阵形式 —1925 年 沃纳 · 海森堡、马克斯 · 玻恩、帕斯库尔 · 约当 波动形式 —1926 年 埃尔温 · 薛定谔 狄拉克符号形式 —1926 年 保罗 · 狄拉克、帕 斯库尔 · 约当 路径积分形式 —1948 年 理查德 · 费曼

元素 定义 1661 元素 周期表 1869 薛定 谔方程 1926 密度泛函 理论与波 函数方法 1998 时间 / 年 里程碑 瓦尔特 · 科恩 (Walter Kohn,1923—) 奥地利裔美国物理学家 密度泛函理论 ( 上世纪 60 年代 ) ： Henberg-Kohn 定理：量子力学体系的能量仅由 其电子密度决定，这个量比薛定谔方程中复杂 的波函数更容易处理得多. Kohn-Shan 方程：基于 Henberg-Kohn 定理，提 供一种方法来建立方程，从其解可得到体系的 电子密度和能量. 密度泛函理论，方法简单，可以应用于较大的分子 !

元素 定义 1661 元素 周期表 1869 薛定 谔方程 1926 密度泛函 理论与波 函数方法 1998 时间 / 年 里程碑 发展的计算方法使人们能夠对分子、分子的性质、分子在化学反 应中如何相互作用进行理论研究 ! 约翰. 包普尔 (John A Pople,1925—) 美国量子化学家 半经验方法： PPP 等方法（上世纪 60 代） 高精度方法：耦合簇等方法（上世纪 70 代） 理论模型化学：一系列近似计算方法，系统地 促进量子化学方程的正确解析 （上世纪 70 代） 高斯计算机程序：

元素 定义 1661 元素 周期表 1869 薛定 谔方程 1926 密度泛函 理论与波 函数方法 1998 时间 / 年 里程碑 量子化学形成 第一个阶段是 1927 年 —20 世纪 50 年代，主要标志是 价键理论：电子两两配对形成定域的化学键（鲍林， Pauling ） 分子轨道理论：分子轨道由原子轨道线性组合，允许电子离 域在整个分子中运动（马利肯,Mulliken ） 配位场理论：起初研究渡金属离子在晶体场中的能级，后与 分子轨道理论结合（贝特,Bethe ） 第二个阶段是 20 世纪 50 年代后，主要标志是 量子化学计算方法的研究

元素 定义 1661 时间 / 年 元素 周期表 1869 薛定 谔方程 1926 密度泛函 理论与波 函数方法 1998 里程碑 2013 复杂 体系的多 尺度模型 量子化学形成 开创性： QM/MM 方法使得量子化学与经典物理学携手 马汀 · 卡普拉斯 （ Martin Karplus ） 亚利耶 · 瓦谢尔 （ Arieh Warshel ） 迈克尔 · 莱维特（ Michael Levitt ）

QM/MM: ONIOM Model

元素 定义 1661 时间 / 年 元素 周期表 1869 薛定 谔方程 1926 密度泛函 理论与波 函数方法 1998 里程碑 2013 复杂 体系的多 尺度模型 量子化学形成 QM/MM 方法模拟药物如何同身体内的目标蛋白耦合 : 计算机会对目标蛋白中与药物相互作用的原子执行量子理论计 算 使用要求不那么高的经典物理学来模拟其余的大蛋白，从而 精确掌握药物发生作用的全过程.

目前常用商业量子化学计算程序包

鄢国森 (SCU), 江元生 (NJU), 刘若庄 (BJNU), 戴树珊 (YNU), 唐敖 庆 (JLU), 张乾二 (XMU), 邓从豪 (SDU), 孙家钟 (JLU), 古正 (SCU) 国内量子化学前辈 唐敖庆与八大弟子（从右至左）：

国内量子化学新生代

三、理论化学优势与特色 量子化学已经发展到成为广大化学家使用的工具，将化学 带入一个新时代，实验和理论能共同协力探讨分子体系的 性质，化学不再是纯实验科学了. 实验化学理论化学 在原子层面上更好地 揭示化学性质的起源

90 年代快结束时，我们看到，化学理论和计算的研究有了 很大的进展，其结果使整个化学领域正在经历着一场革命 性的变化. 理论化学 纯实 验研究 先实验研究 后理论研究 先理论研究 后实验研究 纯理论研究 C-O 键 长 C-O 伸缩频 率 实验值 1.13 Å2143 cm -1 理论计算值 1.14 Å2127 cm -1 三、理论化学优势与特色 量子化学研究 CO 分子：