计算化学课程理论概述名师优质课获奖市赛课一等奖课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。,教学内容,绪论,第一章 理论概述,第二章 化学软件与网络资源,第三章 分子动力学,第四章 分子力学,第五章 量子化学计算方法,第1页,“计算”第三条科学发觉路径,20世纪80年代以来，计算机已经成为全部分支领域化学家必备工具。,“计算化学”不应停留在“计算机辅助”角色。,“计算”已经与试验，形式理论一样能够发觉新科学现象、新科学概念，从而“计算”已经成为第三条科学发觉路径。,第2页,凭什么相信计算,什么是计算所依据“第一原理”,无生命物质世界第一原理框架已经建立,-,量子力学和统计力学（物理上）,客观世界从物质组成而言就是仅仅由电子和原子核组成。正因为这种物质统一性，无生命物质统一理论在物理上适用，在化学上也如此。,自我批判是科学生命力所在，第一原理在不停发展中。,第3页,计算化学宗旨,首先选取物理模型，不得已才选数学模型。,在利用第一原理时候，选取适当模型才能执行计算。必须强调：物理模型比数学模型主要得多，只有在暂时无法构筑物理模型场所才不得已采取数学模型。,物理学是严密科学（,exact science),，化学也正步入严密科学。“严”字指机理正确，“密”字指数值准确。,第4页,计算化学研究内容：,狭义：,量子结构计算,量子化学和结构化学范围；,物理化学参数计算,统计热力学范围,化学过程模拟和化工过程计算等,广义：,化学数据挖掘,(Data mining),；,化学结构与化学反应计算机处理技术；,计算机辅助分子设计；,计算机辅助合成路线设计；,计算机辅助化学过程综合与开发；,化学中人工智能方法等。,第5页,体系数据和性质综合分析,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,化,学,计算化学主要研究内容,第6页,怎样进行计算化学,计算方面,化学中,问题,物理模型,数学模型,公式算法,编程,调试,试算分析,输出结果,第7页,怎样进行计算化学,分子模拟,化学中,问题,构建,分子模型,几何优化,构象分析,能量优化,方法,寻找过渡态,方法,试算分析,输出结果,第8页,能量优化方法,单纯形法,最速下降法,共轭梯度法,Newton-Raphson,第9页,寻找过渡态方法,极大-极小迫近法,线性内坐标路径法（LICP),第10页,计算化学理论概述,第11页,计算化学理论概述,分子力学,(Molecular mechanicsm),半经验方法,(Semiempirical),完全从头算,(,ab initio,calculation),密度泛函,(Density functional),第12页,分子模型适用范围,能够把分子结构,性质和反应性能模型化,能够进行简单定性解释,也能够得到准确定量结果,能够瞬间计算完成,也可能花费超级计算机几个月时间,必须平衡计算成本和模型方法准确度,第13页,简单搭建分子模型,从一些标准结构或部分来搭建,键长和配位都是固定,从一些分子结构来能够得到很好定性模型,便于使用而且很轻易实现,能够对分子三维结构给出直观认识,对于分子性质,能量或反应性能却一无所知,第14页,分子力学方法,把分子用硬球和弹簧方式来表示,相对于初步搭建分子模型,能够更加好地得到其稳定结构,能够计算变形相对能量,计算成本低,需要很多经验参数,这些经验参数需要仔细测试和校准,只能得到稳定几何结构,无法得到电子相互作用信息,无法得到分子性质和反应性能信息,不能研究包含成键和断键反应,第15页,分子动力学,分子动力学,是一套,分子模拟,方法，该方法主要是依靠,牛顿力学,来模拟分子体系运动，以在由分子体系不一样状态组成,系综,中抽取样本，从而计算体系,构型积分,，并以构型积分结果为基础深入计算体系热力学量和其它宏观性质。,第16页,半经验分子轨道理论,对价电子进行近似描写,经过解简化 Schrdinger 方程而得到,其中很多积分用含参数经验式子来近似,能够半定量地描写电子分布,分子结构,性质和相对能量,比从头算电子结构方法计算快,不过没有它准确,第17页,从头算分子轨道方法,使用完全,Schrdinger,方程,得到更准确电子分布,能够系统地进行改进,直至到达化学精度,化学精度,:,键长,0.02A,键角,2,o,键能,2kcal/mol,不需要参数,也不用试验来校准,能够描写结构,性质,能量和反应性能,计算成本高,第18页,密度泛函理论,使用完全 Schrdinger 方程,原理上能够得到准确电子分布,能够很轻易到达很高精度,不过无法系统地改进到化学精度,需要一些猜测泛函和参数,体系适用性必须用试验来校准,能够描写结构,性质,能量和反应性能,计算成本中等,第19页,总结,分子力学,(Molecular mechanicsm),大致系,结构,半经验方法,(Semiempirical),中等体系,粗略性质,完全从头算,(,ab initio,calculation),小体系,准确性质,密度泛函,(Density functional),中等体系,准确性质,第20页,计算化学软件,现在有适合用于各种操作系统很多软件包,大部分都有图形界面,能够很轻易地构建模型和查看结果,我们将使用Gaussian03作为范本,软件使用经验能够很轻易地用于其它类似软件包,第21页,Gaussian03,功效,Gaussian 03,分子力学,半经验、从头算、密度泛函分子轨道计算,可用操作系统版本有,Windows,和,Linux,GaussView,Gaussian,图形界面,第22页,化学中惯用软件,分子结构绘图软件,描绘化合物结构式、化学反应方程式、化工流程图、,简单试验装置图等化学惯用平面图形绘制,二维图形软件：,ChemDraw(Chemoffice),ChemWindow,：,商业软件,Draw,ChemSketch,：,对教育界及家用为无偿软件,:,是,ChemOffice,组成部分，同,ChemDraw,一起协同工作，,ChemDraw,上画出二维结构式能够正确地自动转换为三维结构。,ultra,版本还包含了一个很好半经验量子化学计算程序,MOPAC 97,能够以三维方式显示量子化学计算结果,WebLab Viewer Pro,RasWin:,Lite,版只能显示而无法编辑三维分子模型，为无偿软件,pro,版本表现生物分子和晶体结构能力比较强,下载地址为,frame),球棍,(ball and stick),CPK,及丝带,(ribbon),等模式显示化合物三维结构。,RasMol,ArgusLab,ChemBuilder 3D,ChemSite,HyperChem,等,第24页,化学中惯用软件,科学计算和数据处理软件,通用型,：,对试验数据进行数学处理、统计分析、付立叶变换、,t-,试验、线性及非线性拟合；,绘制二维及三维图形如：散点图、条形图、折线图、饼图、面积图、曲面图、等高线图等。,Origin,：最新版本为,6.0,4,：,Manager 9.5,ProCite 5.0,：,Ultra,版本一个插件，能够用来估算大多数有机物,1,H,、,13,C,化学位移及用线图表示对应图谱,C13 Module for ChemWindow,：,ChemWindow,一个插件，能够用来估算大多数有机物,13,C,化学位移,gNMR,：,则可用来估算任何,NMR,活性核化学位移，并能画出非常逼真图谱,NMR,解析,第28页,化学中惯用软件,红外图谱,IR Mentor Pro,，,IR SearchMaster,：,能对给定红外图谱数据自动分析与处理，或对给定振动谱带给出可能存在功效团。,ftp:/Simulator,：,6.0 Spectroscopy,版本,第29页,化学中惯用软件,计算机辅助教学,CHAOS,：,有机合成路线设计,Organic Chemistry in Action,，能够使用“逆序法”自动寻找目标物合成原料,ChemDraw ultra,版，,Beilstein,企业,AutoNom 4.0,版：,有机化合物命名工具命名软件，给出,IUPAC,名称，,CAS,名称，对立体化学支持。,WIN9X,。能够仿真大多数化学试验。,CHEMLAB,包含东西非常多,滴定、反应动力学，周期表,.,第30页,化学中惯用软件,量子化学计算,WinMOPAC,：,半经验分子轨道,(AM1,PM3,MINDO,MNDO/3,等,),计算程序，计算出分子轨道及电荷密度等能够用三维图形表示出来。最新版本。,Spartan,：,WaveFunction,企业产品，其计算方法包含：,MM2,AM1,AM1 with Solvent,PM3,从头计算等，亦可将分子轨道及电荷密度等用三维图形表示。,Gaussian Client,插件后简化用户操作。,HP,DEC),及,LINUX,操作系统,PC,所设计从头计算及密度泛函计算程序，其速度特快，用户界面普通。,;Chem3D;Chemfinder,ChemDraw,核磁位移估算,Chem3D,提供三维分子结构显示、计算功效，并附带分子力学,MM2,程序，量子力学半经验,MOPAC,程序，提供了,Gaussian,接口。,第35页,网络上化学资源,化学化工综合网站,中国化学化工信息资源：中科院化学所,ChemCenter；美国化学会ACS,www.chemcenter.org,ChemWeb:虚拟化学俱乐部,英国皇家化学会RSC及其ChemSoc,www.rsc.org,;,www.chemsoc.org,Chemdex：英国Sheffied大学化学站点,www.chemdex.org,第36页,网络上化学资源,网上数据库,Cambridgesoft：提供Internet上化合物和化学反应在线数据库。,;,ChemFinder：提供Cambridgesoft企业化学数据库检索服务。无偿查询。,MDL Information Systems：在工业和科学界是公认生命科学和化学信息学先导者。,Chemistry WebBook(,webbook.nist.gov/chemistry,),PubMed(,www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed,),第37页,化学化工信息源,网络上化学资源,文件：,CA,：,www.cas.org,SCI,：,Web of Science(,),化学化工组织与机构：,国际纯粹与应用化学联合会,IUPAC,（,www.iupac.org,）,美国化学会（,www.acs.org,）,英国皇家化学会（,www.rsc.org,）,第38页,Internet,上无偿专利资源,网络上化学资源,IBM,知识产权网：,美国专利商标不足,Web,专利数据库：,(,www.uspto.gov/patft/index.html,),欧洲专利局：,www.epo.co.at,加拿大专利数据库：,patentsl.ic.gc.ca,中国专利摘要数据库：,202.96.4.251:8080,第39页,教育网内无偿化学资源,(,指定,IP),网络上化学资源,Elsevier SPDOS China consortium：,CNKI数据库检索系统全文数据库,Kluwer Online Journals:,第40页,