1、现代化学前沿问题讲座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。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
2、实验检验检验依 据目 标数学工具归纳法实验事实经验公式、规律 唯象理论较简单演绎法正确普适的公理和假设形式理论较高级、复杂迄迄80年代，归纳法是多数化学家采用的唯一科年代，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)的比较的比较运用数学的多少是一门科学成熟程度的标志。马克思马克思数学的应用：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
3、方程式；在生物学中等于零。恩格斯恩格斯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 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：RTEaeAk Arrh
4、enius 化学动力学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 Einstein广义和狭义相对论（1905）量子力学的创建（19251926）上世纪初理论物理两项重大突破对廿世纪人类科技和物质文明进步产生巨大影响。其中，量子力学的影响更为直接和广泛。Heisenberg、Schrdinger、Dirac、Born等于1925192
5、6创建30年代初由von Neumann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的建立未依据任何实验事实或经验规律。它用少数几条基本假定作为公理，由此出发，通过严格的逻辑演绎，迅速地建成一个自洽、完备、严密的理论体系微观粒子或体系的性质由状态波函数微观粒子或体系的性质由状态波函数 唯一唯一确定，确定，服从服从Schrdinger方程方程基本运动方程 Schrdinger方程Hti );,(2 21122trrrUHNNiiiSchrdinger方程：方程：Hamilton算符：算符：在在 10-13 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方程建立容易，困难在
6、于求解方程建立容易，困难在于求解历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世纪人类光彩夺目的科技成就大都与量子力学有关。量子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，且改变了人类物质
7、文明改观，且改变了人类的思维方式的思维方式量子力学的辉煌使理论物理学家量子力学的辉煌使理论物理学家18次共次共25人荣人荣获诺贝尔物理奖获诺贝尔物理奖1919Planck1921Einstein1922Bohr1929de Broglie1932Heisenberg1933SchrdingerDirac1938Fermi1945Pauli1949Yukawa1954BornBothe1957T.D.LeeC.N.Yang近近20年理论物理领域未见再年理论物理领域未见再获奖。表明物理学科的高度成获奖。表明物理学科的高度成熟熟1962Landau1963Wigner1965TomonagaSchw
8、ingerFeyman1967Bethe1969Gell-Mann1972Cooper1979WeinbergSalamGlashow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（1930）Pauling是杰出代表是杰出代表Slater、Mulliken、Hund、Heitler-London分分别作出贡献别作出贡献 量子力学引入化学，促进量子化学、量子统量子力学引入化学，促进量子化学、量子统计力学形成计力学形成Einstein-Bose、Fermi-Dirac两种统计理论两种统计理论Hckel分子轨道理论（分子轨道理论（1932）Roothaan方程（方程（1952）计
9、算量子化学发展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
10、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化 学物理学计算机科 学材料科学生命科学数 学计算机化 学环境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
11、内容化学数据库（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What isMolecular Modeling?用计算机模
12、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计算机模拟?为何进行分子计算机模拟?宏观化学现象是宏观化学现象是1024个分子（原子）的个分子（原子）的集体行为，固有统计属性集体行为，固有统计属性化学统计力学的局限性：化学统计力学的局限性：通常仅适用于通常仅适用于“理想体系理想体系”理想气体、完美晶体、理想气体、完美晶体、稀溶液等稀溶液等量子力学方法的局限性：量子力学方法的局限性：对象为平衡态、对象为平衡态、单分子或几个分子组成的体系；不适用于单分子或几个分子组成的体系；不适用于动力学过程和有
13、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
14、拟(MD)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：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一、MD法原理将微观粒子视为经典粒子，服从将微观粒子视为经典粒子，服从 Newton 第二第二定律定律或若各粒子的瞬时受力已知，可用数值积分求出若各粒子的瞬时受力已知，可用数值积分求出运动的经典轨迹运动的经典轨迹在合适选定的时间步长在合适选定的时间步长 t 内，粒子可视作匀加内，粒子可视作匀加速直线运动速直线运动加速度：加速度：位位 移：移：二、粒子
15、 i 在时间 t 内的位移 ri步长取值：步长取值：t0.010.0001 ps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法基本假定困难困难 欲重现实际体系的统计行为，模拟体欲重现实际体系的统计行为，模拟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二维周期性边界条件示意图8 个近邻重复
16、单元个近邻重复单元包围着中心原胞，包围着中心原胞，为其提供合理的边为其提供合理的边界条件近似界条件近似中心原胞N 102计算机实际处理计算机实际处理的是原胞内数量的是原胞内数量较少的粒子较少的粒子 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粒子数取得过少是为求粒子数取得过少是为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！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 分子量和元素成分已确定的未知化合物的可分子量和元素成
17、分已确定的未知化合物的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）进行进行“逐步退火逐步退火”MD 计算，在不同温度下计算，在不同温度下取取 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MM和MD的比较MM法法 每步原子初速均为零，每步原子初速均为零，粒子位移趋于无限小粒子位移趋于无限小MD法法 原子初速不为零，给原子初速不为零，给出分子内部热运动的经出分子内部热运动的经典图象典图象一、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
18、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(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
19、W.Linert,and F.Renz,J.Chem.Inf.Comput.Sci.,33,776(1993)Experimentally DeterminedMD-predicted例 1GnRH(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.例 2分子式：分子式：pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu-Arg-Pro-
20、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)例 3Ferromagnetic iceAntiferromagnetic iceMD法模拟的熔盐体系 T*V*相图D.A.Young&B.J.Alder,J.Chem.Phys.,73,2434(1980)例 41.0 1.2 1.4 1.6 1.8V*T*Liquid-Vapor2.52
21、.01.51.00.50FluidFCCFCCFCC-FCCFCCFCC-FluidHCP-FCCHCC-FluidHCC-VaporRu-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)例 5断裂点周围的损坏区域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 67.38例 6较小晶面倾角(=9.53)下单晶硅晶界的一种稳定结构例 7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
22、迁、转移、变价的过程，经典的分子模拟不能处理ABCPQC1324ij一、量子力学第一原理 多体Shrdinger方程物理模型：分子中电子和原子分子中电子和原子核均在运动中核均在运动中粒子间存在着相互粒子间存在着相互作用作用定态Shrdinger方程：rPirQjrijRPQ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
23、 哈密顿：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 Orbitals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组合系数表组合系数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
24、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:1927年年Heitler和和London用变分法求解了氢分子用变分法求解了氢分子的波函数的波函数实验值实验值RAB/a01.518ER0/a0解解离离能能/eV计计算算值值1.5183.14实实验验值值1.4014.48首次在形式理论的水平首次在形式理论的水平上解释了化学键本质，开创上解释了化学键本质，开创了量子化学分支学科了量子化学分支学科量子力学为在原子分子水平上揭示化学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论基础。因为，问题的本质奠定了牢固的理论基础。因为，化学反应基本过
25、程是伴随着反应体系原子化学反应基本过程是伴随着反应体系原子核的重排而发生的电子运动状态的改变，核的重排而发生的电子运动状态的改变，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。量子力学的统一理论量子力学的统一理论(United theory)使化使化学与物理学在原子、分子水平上会师，两学与物理学在原子、分子水平上会师，两学科的界限趋于模糊学科的界限趋于模糊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
26、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 solved因处理实际分子在数学上的困难。因处理实际分子在数学上的困难。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等三人用手摇计算机花两年等三人用手摇计算机花两年才完
27、成一个才完成一个N2分子的从头算。分子的从头算。有人断言：用尽世界上的纸张恐亦无法完成有人断言：用尽世界上的纸张恐亦无法完成一个一个Fe原子的计算原子的计算50年代末，大型计算机的浮点运算速度为年代末，大型计算机的浮点运算速度为0.01Mflops，仅及，仅及PIII 的的 1/5000！量子化学从二十世纪量子化学从二十世纪30年代初的理论奠年代初的理论奠基到基到90年代末在计算技术与应用上的成熟，年代末在计算技术与应用上的成熟，经历了漫长的将近七十年经历了漫长的将近七十年这是几代杰出理论化学家不懈努力的结这是几代杰出理论化学家不懈努力的结果，并得益与计算机和计算技术的巨大进步果，并得益与计算
28、机和计算技术的巨大进步1998年诺贝尔化学奖的颁布是计算量子年诺贝尔化学奖的颁布是计算量子化学在化学和整个自然科学中的重要地位被化学在化学和整个自然科学中的重要地位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瑞典皇家科学院10月13日宣布将1998年度诺贝尔化学奖授予两位年迈的量子化学家 Kohn和Pople,表彰他们在开拓用于分子性质及其参与化学过程研究的理论和方法上的杰出贡献。（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）颁奖公告称：颁奖公告称：The development did not really started until the b
29、eginning 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.65对1998 年诺贝尔化学奖划 时 代
30、的 评 价“量子化学已发展成为广大化学家都能使量子化学已发展成为广大化学家都能使用的工具，将化学带入一个新时代用的工具，将化学带入一个新时代 实验与实验与理论能携手协力揭示分子体系的性质。理论能携手协力揭示分子体系的性质。化学化学不再是一门纯实验科学了不再是一门纯实验科学了”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、
31、二十年来化学学科中最重要的成果之一”John Poples ContributionsJohn 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
32、 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！Pople 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
33、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.Walter Kohns Contributions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 ma
34、thematics 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.Walter Kohn showed that it is not necessary to consider the motion of each individual electron:it suffices to know the average number of e
35、lectrons located at any one point in space.1964年，理论证明多电子体系的基态能量是电年，理论证明多电子体系的基态能量是电子密度的单变量函数子密度的单变量函数rrrrrdVJTEVJTExcxc)()()()()()()()(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)1965年，运用变分原理导出年，运用变分原理导出 Kohn-Sham 自洽自洽场方程场方程(DFT的基础方程的基础方程)()()()()(rrrrrxcvjt 求解方程
36、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)()()()(xcvjt借用早年借用早年Thomas-Fermi-Dirac“均匀电子气均匀电子气”的能量函数，的能量函数，计算晶体的电子结构当年即取得成计算晶体的电子结构当年即取得成功功（但分子计算结果不佳）（但分子计算结果不佳）沈吕九(香港)DFT法用于分子的成功是众多科学家多年不懈法用于分子的成功是众多科学家多年不懈努力的结果，但首先归功于理论奠基人努力的结果，
37、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 with
38、out 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.Reacti
39、on mechanisms in chemistry and bio-chemistry.Intermolecular interactions giving potentials which may be used to study macromolecules,solvent effects,crystal packing,etc.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IR 频率/cm-1体 系计算值刻度值实验值对称性强度326629062955B190.3321228592916B
40、267.2322328682933A159.8环丁烯 (C2v)726647635B143.9321828642933B2U136.9322428702933B3U190.7327529152966B1U171.1二环(2,2,0)1(4)己烯 (D2h)136212121226B2U17.0328529232976A2150.3328229212973E92.6二环(1,1,1)戊烷 (D3h)322328682878E90.4624556611A2192.0332229563020E32.0(1,1,1)Propellane (D3h)340630323079E16.7一些化合物红外光谱计
41、算结果（从头算法，（从头算法，6-31G(d)）能 量反应坐标A贩 贩 B贩 贩 CA贩 贩 BCA+BCAB贩 贩 CAB+CE1E2反应途径及过渡态计算基元反应：A +BCAB +C反应物配合物 1过渡态配合物 2产物鞍点A +BCAB +C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)The energy surface(in two dimensions)for a hypothetical chemical reaction from one equilibrium over a barrier(transition state)to
42、 the second equilibrium 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！相对能量/kJmol-1反应坐标(IRC)3002001000反应
43、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：一个一个SN2 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Electron 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 ele
44、ctrons 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.Th
45、e 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The 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1986：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
46、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-1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
47、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第一原理计算从1954年起，有6届诺贝尔化学奖得主8人属理论化学领域。其中6位是物理学家，1位是数学家，只有1位 福井谦一 是从化工改行的化学家。化学界应感羞愧。并表明：“学科之间无不可逾越的鸿沟”，“树挪死，人挪活”前沿发展前沿发展 QM/MM法法Combi
48、ned 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 Burffalo烯醇酶活性部位催化两步反
49、应的计算烯醇酶活性部位催化两步反应的计算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/MM烯醇酶催化活性部位之残基及水分子位置烯醇酶催化活性部位之残基及水分子位置97u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
50、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。98 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。99 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，）邀请众多专家经过调查分析，编写了以上报告，其中说：编写了以上报告，其中说：“materials by d
