计算机化学计算机辅助分子设计.pptx

计算机化学与分子设计;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。;⑴ 归纳法 ( F. Bacon, 1561-1626 );迄80年代，归纳法是多数化学家采用的唯一科学方法；演绎法在化学界从未得到普遍承认 原因：①对象复杂；②习惯观念; 运用数学的多???是一门科学成熟程度的标志。; 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;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…;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;⑴ Einstein广义和狭义相对论（1905） ⑵ 量子力学的创建（1925~1926）;Heisenberg、Schr?dinger、Dirac、Born等于1925~1926创建 30年代初由von Neumann完成形式理论体系;微观粒子或体系的性质由状态波函数? 唯一确定， ? 服从Schr?dinger方程;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物质文明改观，且改变了人类的思维方式;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;量子力学的建立和发展促进了： ? 现代化学键理论奠基（1930） Pauling是杰出代表 Slater、Mulliken、Hund、Heitler-London分别作出贡献 ? 量子力学引入化学，促进量子化学、量子统计力学形成 Einstein-Bose、Fermi-Dirac两种统计理论 Hückel分子轨道理论（1932） Roothaan方程（1952） 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 ? 微观本质 方法学： 描述、归纳 ? 演绎、推理 理论层次：定性 ? 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 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 复变函数 数理方程 数理统计 数值方法 群论 不可约张量法 李代数 非线性数学 模糊数学 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;体系数据和性质的综合分析;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） 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;分子的计算机模拟;What is Molecular Modeling ?;;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