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分子模拟技术molecular simulation techniques 第10章 分子模拟技术 (补充） 分子模拟技术导论 分子模拟技术的计算方法 从头算法（Ab initio (from first principle) calculation) 半经验方法SE（Semi Empirical method) 密度泛函计算DFT（density functional theory) 分子力学MM (Molecular Mechanics) 分子动力学MD (Molecular Dynamics) Monte Carlo 模拟 分子模拟技术的实际及常用软件介绍 HyperChem 与 CacheSoft 分子模拟技术的应用与实例 化学反应机理的分子动力学模拟 材料设计、煤炭转化、药物设计 1. 分子模拟技术导论 21世纪的化学是研究泛分子的科学 泛分子是泛指21世纪化学的研究对象。它可分为以下十个层次： 原子层次 分子片层次 结构单元层次， 分子层次 超分子层次 高分子层次 生物分子和活性分子层次 纳米分子和纳米聚集体层次 原子和分子的宏观聚集体层次 复杂分子体系及其组装体的层次 1. 分子模拟技术导论 化学的二维定义： 化学是研究X对象的Y内容的科学 化学是研究原子、分子片、结构单元、分子、高分子、原子分子团簇、原子分子的激发态、过渡态、吸附态、超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态，直到分子材料、分子器件和分子机器的合成和反应，制备、剪裁和组装，分离和分析，结构和构象，粒度和形貌，物理和化学性能，生理和生物活性及其输运和调控的作用机制，以及上述各方面的规律，相互关系和应用的自然科学。 1. 分子模拟技术导论 化学的三维定义： 化学是用Z方法研究X对象的Y内容的科学。化学的研究方法和它的研究对象及研究内容一样，也是随时代的前进而发展的。 19世纪，化学主要是实验的科学，研究方法主要是实验方法。 到了20世纪下半叶，随着量子化学在化学中的应用，化学不再是纯粹的实验科学了，它的研究方法有实验和理论。 21世纪将增加第三种方法，即模型和计算机虚拟的方法。 1. 分子模拟技术导论 计算机化学的范畴 分子模拟是应用现代化学理论，用各种模拟方法（包括分子动力学、Monte Carlo法等），重现化学过程的微观进程。通过对微观进程的物理分析得到系统各种静态和动态化学性质的定量预测，包括对平衡或非平衡态系统的线性或非线性化学行为的研究。分子设计是利用计算机化学的各种方法和技术，通过分子建模有目的地寻找具备特定性质的化合物所具有的分子结构。当前分子设计中最活跃的是药物设计、精细化学品和功能材料的设计。其内容既包括对结构－性质（含生物活性）关系进行深入的研究，对分子进行三维动态模拟、定向裁剪及结构设计，又包括分子设计方法及计算机模拟手段的开发研究。 1. 分子模拟技术导论 计算机化学又称为分子模拟技术，是根据理论化学的严密逻辑在计算机上研究化学问题的一系列技术。主要包括： 分子结构与几何尺寸研究 键长、键角、两面角、原子间距等 分子能量计算与过渡态有哪些信誉好的足球投注网站 趋于平衡时那种异构体最稳定， 利用反应态和过程态的能量计算反应速率 揭示反应历程 分子振动波谱分析 计算分子振动波谱，提示未知物质或分子 考察药物分子如何有效与生物酶活性位进行匹配 不同取代基的生物活性进行比较 与其它分子或组成分子间的化学作用研究 结构与性能的关系 QSAR Quantitative Structure Activity Relationships(1960s) 1. 分子模拟技术导论 分子设计应用领域 化学研究 (有机反应机理、性能、合成路线等) 药物设计 (分子对接，多肽生物活性研究等) 材料设计 (固体，表面，晶体，高分子等) 生物大分子设计 (酶，蛋白质等) 宏观现象的模拟（结晶、相分离） 2.分子模拟技术的发展 1860- 首先提出立体分子结构（结构分子式） 1874- vant Hoff 首先发现碳的四面体结构 1953 - Barton 首先引入构型分析的概念 1958 – 利用XRD分析技术部分核甘酸的3D 结构 2.分子模拟技术的发展 2.分子模拟技术的发展 分子模拟正处在这样一个交叉学科的新生长点上，国际上的动向集中在三个方面： 一是用分子模拟技术来“扫荡”大分子计算中以往尚不能解决的理论问题与实验问题； 二是用分子模拟技术来代替以往的化学合成、结构分析、物性检测等实验而进行新材料与分子的设计； 三是分子模拟方法本身的不断发展。 2.分子模拟技术的发展 速度快 成本低 无污染 安全 可对瞬态中问产物或过渡态进行研究 可提供更多更深刻的信息 2.