哈工大计算化学总结内含题.docx
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哈工大计算化学总结内含题
绪论
1.计算化学的定义
计算化学是根据基本的物理化学理论（通常是量子化学）以大量的数值运算方式来探讨化学系统的性质
狭义：
量子化学
广义：
计算化学是一门涉及多种学科的边缘学科
2.计算化学的类型
以计算机体系为主的计算化学
以计算数学为主要体系的计算化学和化工
以化学应用为主的计算化学
以介绍应用程序为主的计算化学
以介绍在化学分析仪器中使用电子计算机为主的计算化学
3.计算化学的地位
促进化学界的研究方法和工业界的生产方式不断革新。
是绿色化学和绿色化工的基础，是联系化学化工为国民经济可持续性发展服务的桥梁。
2中科院院士徐光宪先生在其报告中称“理论化学和计算化学的基础及应用研究”是21世纪化学的11个突破口之一。
4.量子化学发展简史
20年代末，Heitler－London使用量子力学处理H原子，H2分子，标志量子化学计算的开始
量子化学，两个流派：
价键理论（VB）、分子轨道理论（MO）
价键理论和分子轨道理论的根本区别在于，价键理论是电子两两配对形成定域的化学键，这里所说的定域，通俗讲就是电子被束缚在某个固定的位置振动，而不会在分子内部的任何地方运动。
而分子轨道理论的本质是假设分子轨道是由原子轨道线性组合而成，允许电子离域在整个分子中运动，而不是在特定的键上。
简单说，价键理论中的电子是固定在某个区域内运动，分子轨道理论中的电子是在分子内部的所有区域内运动。
Gaussian的核心思想：
50年代的时候，使用类氢离子波函数为基函数，后来使用Slater函数（STO）为基函数，后来又采用Gauss函数拟合STO。
80年代，是量子化学计算飞速发展的时期。
赝势是针对重原子体系而提出的。
90年代，以密度泛函理论为基础的DFT方法迅速发展起来。
最大的特点：
轨道波函数为基->密度函数为基。
由此引申出的方法有广义梯度近似（GGA）、密度泛函与分子轨道的杂化方法（B3LYP）。
我国的XIAMEN99采用的VB方法。
有三种方法：
VB价键方法，MO分子轨道方法，DFT密度泛函方法。
从静到动；各种方法的相互渗透。
从小分子到大体系
5.计算化学的研究内容：
狭义：
2量子结构计算——量子化学和结构化学范畴；
2物理化学参数的计算——统计热力学范畴
2化学过程模拟和化工过程计算等
广义：
2化学数据挖掘（Datamining）；
化学结构与化学反应的计算机处理技术；
2计算机辅助分子设计；
2计算机辅助合成路线设计；
2计算机辅助化学过程综合与开发；
2化学中的人工智能方法等。
6.计算化学的课程目标：
介绍当前计算化学领域常用的基本方法；
学会使用各种计算化学软件包,特别是Gaussian03,materialsstudio，ADF等。
掌握计算化学领域的基础理论和计算方法,并且使用它们分析和解释一定的化学问题。
7.计算机在化学中的应用
化学数据的挖掘（datamining）；化学结构和化学反应的计算机处理技术
计算机辅助合成路线设计；计算机辅助过程综合与开发；计算机辅助分子设计和模拟
8.计算化学获诺奖
到了60年代中期，物理学家Kohn的介入使问题的解决崭露新的生机。
他认为，计算时没有必要考虑每个单电子的运动过程，而只需了解空间某一位置的平均电子数即可，这种简化方法即所谓的分布密度理论。
这一理论成为后来大多数数学计算的先决条件。
几乎同时，数学家Pople提出，将理论方法应用到化学中，必须首先明确在给定体系中方法的精度和准确度，更重要的是所建立的方法必须容易掌握。
60年代计算机的大力发展给波普的工作创造了不可缺少的条件，在理论和计算工具充分具备的条件下，Pople设计了计算程序GAUSSIAN，从70年代到80年代，Pople不断地改进计算方法，同时建立了“模型化学”理论。
90年代初期，Pople引入Kohn的分布密度理论，使得复杂分子的分析成为可能。
第一章
1.计算化学的宗旨
首先选用物理模型，不得已才选数学模型。
在运用第一原理的时候，选用适当的模型才能执行计算。
必须强调：
物理模型比数学模型重要得多，只有在暂时无法构筑物理模型的场合才不得已采用数学模型。
物理学是严密科学（exactscience），化学也正步入严密科学。
“严”字指机理正确，“密”字指数值准确。
2.能量优化的方法
单纯形法、最速下降法、共轭梯度法、Newton-Raphson
3、寻找过渡态的方法
极大-极小逼近法、线性内坐标途径法（LICP）
4、理论概述
1）分子力学（Molecularmechanicsm）、
把分子用硬球和弹簧的方式来表示
相对于初步搭建的分子模型,可以更好地得到其稳定结构
可以计算变形的相对能量
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的信息
无法得到分子性质和反应性能的信息
不能研究包含成键和断键的反应
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的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。
2）半经验方法（Semiempirical）、
对价电子进行近似的描写；通过解简化的Schrödinger方程而得到其中的很多积分用含参数的经验式子来近似；
可以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,但是没有它准确
3）完全从头算（abinitiocalculation）、
使用完全的Schrödinger方程,得到更精确的电子分布；可以系统地进行改进,直至达到化学精度；化学精度:
键长±0.02A,键角±2o,键能±2kcal/mol不需要参数,也不用实验来校准；可以描写结构,性质,能量和反应性能；计算成本高
4）密度泛函（Densityfunctional）
使用完全的Schrödinger方程,原理上可以得到准确的电子分布
可以很容易达到很高的精度,但是无法系统地改进到化学精度；需要一些猜测泛函和参数,体系的适用性必须用实验来校准；
可以描写结构,性质,能量和反应性能；计算成本中等
分子力学（Molecularmechanicsm）
大体系,结构
半经验方法（Semiempirical）
中等体系,粗略性质
完全从头算（abinitiocalculation）
小体系,准确性质
密度泛函（Densityfunctional）
中等体系,准确性质
此表很重要！
必记！
5.分子模型的适用范围
可以把分子结构,性质和反应性能模型化
可以进行简单的定性解释,也可以得到精确的定量的结果
可以瞬间计算完成,也可能花费超级计算机几个月的时间
必须平衡计算成本和模型方法的精确度
6.简单搭建的分子模型
从一些标准的结构或部分来搭建；键长和配位都是固定的
从一些分子的结构来可以得到很好的定性模型；便于使用而且很容易实现
可以对分子的三维结构给出直观的认识；对于分子性质,能量或反应性能却一无所知
第二章
1.化学中的常用软件
Gaussian03：
分子力学,半经验、从头算、密度泛函的分子轨道计算
分子结构绘图软件：
描绘化合物的结构式、化学反应方程式、化工流程图、简单的实验装置图等化学常用的平面图形的绘制
ChemDrawISISDraw,ChemSketch、Chem3D
科学计算和数据处理软件：
Origin8.5、
核磁数据处理软件：
NUTS：
处理一维及二维核磁数据，其功能包括付立叶变换、相位校正、差谱、模拟谱、匀场练习等几乎所有核磁仪器操作软件的功能
核磁图谱：
ChemNMR可以用来估算大多数有机物的1H、13C化学位移及用线图表示的相应图谱
计算机辅助教学：
CHAOS：
有机合成路线设计
Chemlab——化学反应模拟软件
虚拟化学实验，交互式地仿真演示化学实验,FORWIN9X。
能够仿真大多数化学实验。
CHEMLAB包含的东西非常多,滴定、反应动力学，周期表...
分子绘图及分子模拟计算软件Chemoffice
量化计算：
Gaussian：
支持常用半经验方法、从头计算法及密度泛函理论，其用户界面不够友好。
可以在Chem3D加入CSGaussianClient插件后简化用户的操作。
2.软件的背景及其主要功能
3.计算化学软件分类
Gaussian98/03:
由Pople等人编写，经过几十年的发展和完善，
该软件已成为国际上公认的、计算结果具有较高
可靠性的量子化学软件，它包含从头算、半经验
以及分子力学等多种方法，可适用于不同尺度的
有限体系，除了部分稀土和放射性元素外，它可
处理周期表中其它元素形成的各种化合物；
Crystal98/03：
该软件由意大利都灵大学理论化学研究所开发，
采用基于原子轨道线性组合的从头算方法来研究
固体及表面的电子结构；
VASP:
该软件由奥地利维也纳大学开发，采用基于平面波
基组的密度泛函理论来研究固体及表面的构型以及
动力学过程；
CASTEP：
MS软件模块之一，与VASP程序类似；
Dmol:
MS软件模块之一，主要用于有限尺度体系电子结
构研究；
MaterialStudio（MS，
化学及材料科学的研究者们能更方便的建立三维分子模型，深入的分析有机、无机晶体、无定形材料以及聚合物。
模拟的内容囊括了催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等材料科学研究领域的主要课题。
第三章分子力学
1.计算化学中模拟计算的整个过程主要包括的步骤及各步骤的主要内容及注意事项
计算模型和方法的选取是保证计算结果可靠性的关键，理想的情况是：
1.所选取的计算模型与实际情形一致；2.采用高级别的计算方法。
但是，由于受到计算软硬件的限制，在多数情况下，很难同时做到上述两点要求，实际操作中，当计算模型较大时，只能选择精确度较低的计算方法，只有对较小的模型才能选取高级的计算方法。
因此，当确定了一种计算模型和方法后，最好对其进行验证，以保证计算结果的可靠性。
假设当前的研究对象是化合物A，可通过下列途径进行验证：
1）.与A化合物现有实验结果之间的比较；
2）.若无实验方面的报道，可对与A类似的化合物B进行研究，此时以B的实验结果作为参照；
3）.当上述方法行不通时，可以采用较大模型和较为高级的计算方法得到的计算结果作为参照，该方法主要用于系列化合物的研究：
如对A1,A2,A3，先用大模型和基组对A1进行研究，然后以该结果为参照，确定计算量适中的模型和方法并应用于A1,A2,A3。
2.描述分子构型的方法：
a.直角坐标系方法：
（适用于全自由度构型优化情况）
说明：
1）元素符号大小写均可，也可直接采用原子序数；
2）有时为了便于区别，可在元素符号后加一整数，如：
O-0.4640.1770.0
H1-0.4641.1370.0
H20.441-0.1430.0
3）x,y,z数值必须以小数格式输入：
O-0.4640.1770（´）
O-0.4640.1770.（Ö）
4）g03的数据输入均为自由格式，即除了用空格来分数据外，也可用逗号或混合使用；
b.内坐标（z-matrix）方法：
（适用于构型的局部优化）
内坐标与直角坐标之间的区别在于，它侧重于从原子之间的
键连角度来描述原子间的相对位置，具体参数包括：
1）.键长：
（需用两个原子描述）2）键角：
（需用三个原子描述）
3）二面角：
（需用四个原子描述）
内坐标的输入格式为：
原子1,原子2,键长,原子3,键角,原子4,二面角
c.直角坐标和内坐标混合输入方法：
对于该方法，只需在采用直角坐标方法输入的原子的元素符号后加一个整数0即可
d.分子构型的输入准确性是保证计算结果可靠性的前提，对
于复杂体系，在计算前均需对所输构型进行检查，具体包
括：
构型的可视化处理，即采用一些分子构型软件（例如Gaussview和Chem3D）观察所给构型是否合理；在g03运行到L2模块，会给出所输入分子所属点群，此时，可检查点群是否合理。
3.分子力学的定义
分子力学，又叫力场方法（forcefieldmethod），目前广泛地用于计算分子的构象和能量。
分子力学从本质上说上是能量最小值方法，即在原子间相互作用势的作用下,通过改变粒子分布的几何位型,以能量最小为判据,从而获得体系的最佳结构。
4.分子力场
分子力场根据量子力学的波恩-奥本海默近似，一个分子的能量可以近似看作构成分子的各个原子的空间坐标的函数，简单地讲就是分子的能量随分子构型的变化而变化，而描述这种分子能量和分子结构之间关系的就是分子力场函数。
分子力场函数为来自实验结果的经验公式，可以讲对分子能量的模拟比较粗糙，但是相比于精确的量子力学从头计算方法，分子力场方法的计算量要小数十倍，而且在适当的范围内，分子力场方法的计算精度与量子化学计算相差无几，因此对大分子复杂体系而言，分子力场方法是一套行之有效的方法。
以分子力场为基础的分子力学计算方法在分子动力学、蒙特卡罗方法、分子对接等分子模拟方法中有着广泛的应用。
5.力场的构成
键伸缩能：
构成分子的各个化学键在键轴方向上的伸缩运动所引起的能量变化
键角弯曲能：
键角变化引起的分子能量变化
二面角扭曲能：
单键旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量变化
非键相互作用：
包括范德华力、静电相互作用等与能量有关的非键相互作用
交叉能量项：
上述作用之间耦合引起的能量变化
构成一套力场函数体系需要有一套联系分子能量和构型的函数，还需要给出各种不同原子在不同成键状况下的物理参数，比如正常的键长、键角、二面角等，这些力场参数多来自实验或者量子化学计算
6.常用力场的函数和分类
不同的分子力场会选取不同的函数形式来描述上述能量与体系构型之间的关系。
传统力场
AMBER力场：
由Kollman课题组开发的力场，是目前使用比较广泛的一种力场，适合处理生物大分子。
CHARMM力场：
由Karplus课题组开发，对小分子体系到溶剂化的大分子体系都有很好的拟合。
CVFF力场：
CVFF力场是一个可以用于无机体系计算的力场
MMX力场：
MMX力场包括MM2和MM3，是目前应用最为广泛的一种力场，主要针对有机小分子
第二代力场
CFF力场CFF力场是一个力场家族，包括了CFF91、PCFF、CFF95等很多力场，可以进行从有机小分子、生物大分子到分子筛等诸多体系的计算
COMPASS力场由MSI公司开发的力场，擅长进行高分子体系的计算
MMF94力场Hagler开发的力场，是目前最准确的力场之一
通用力场
通用力场也叫基于规则的力场，它所应用的力场参数是基于原子性质计算所得，用户可以通过自主设定一系列分子作为训练集来生成合用的力场参数
ESFF力场MSI公司开发的力场，可以进行有机、无机分子的计算
UFF力场可以计算周期表上所有元素的参数
Dreiding力场适用于有机小分子、大分子、主族元素的计算
7.分子力学的基本思想
在分子内部，化学键都有“自然”的键长值和键角值。
分子要调整它的几何形状（构象），以使其键长值和键角值尽可能接近自然值，同时也使非键作用（vanderWaals力）处于最小的状态，给出原子核位置的最佳排布。
在某些有张力的分子体系中，分子的张力可以计算出来。
8.分子力学如何演示分子的空间能？
分子力学从位能函数来表示当键长、键角、二面角等结构参数以及非键作用等偏离“理想”值时分子能量（称为空间能，spaceenergy）的变化。
采用优化的方法，寻找分子空间能处于极小值状态时分子的构型。
对于某个分子来说，空间能是分子构象的函数。
分子的空间能Es可表示为：
Es=Ec+Eb+Et+Enb+…
其中Ec是键的伸缩能，Eb是键角弯曲能，Et是键的二面角扭转能，Enb是非键作用能，它包括vanderWaals作用能，偶极（电荷）作用能、氢键作用能等等。
9.力场的参数化
1）定义：
分子力学力场的性能即它的计算结果的准确性和可靠性主要取决于势能函数和结构参数。
这些有关力常数，结构参数的“本征值”的置定过程称为力场的参数化。
2）如何获得？
参数化的过程要在大量的热力学、光谱学实验数据的基础上进行，有时也需要由量子化学计算的结果提供数据。
10.力场所存在的问题及力场的发展趋势
1）两个相互作用原子间的诱导偶极的作用会受到其它原子的影响；
2）非键作用势中假定原子为球形，实际上非键作用受原子形状影响，还需考虑孤对电子；
3）谐振势函数不能精确拟合实验数据
4）对于静电作用的处理过于简化。
力场的发展趋势：
考虑原子极化率、取用高次项、发展含金属的力场
11.采用分子力学方法进行分子结构优化的过程？
首先，给出所计算分子的试探结构。
不一定是分子的稳定构象，而且往往不是稳定构象。
然后，将总空间能Es对所有描述分子构象的变量即分子各原子的三维坐标在一定的范围内求极小值。
由于数学上只能保证求得局部极小值，即实现局部优化，而不一定能求得全局最小值。
所以得到的是在这一构象附近的一相对稳定的构象。
分子力学常用的优化方法有使用一阶导数的最速下降法和使用二阶导数的Newton-Raphson法。
以下为详细过程：
除了初始坐标外，还要提供分子中所有原子的联接关系，以便自动搜索任何两个原子之间的作用，按不同的联接关系以不同的能量函数形式计算对总能量的贡献。
计算中所用的能量参数大部分已在程序中准备好，有时，要对某些参数进行修改或增补。
分子总能量是原子三维坐标的函数，在计算完初始构象的分子能量后，要进行能量极小化的迭代，直到达到收敛标准为止。
最终给出分子体系优化的原子坐标，总空间能及各能量项的贡献。
12.分子力学的特点
1）概念清楚，便于理解及应用
概念简明易于接受。
分子力学中的总“能量”被分解成键的伸缩、键角弯曲、键的扭曲和非键作用等，比起量子化学计算中的Fock矩阵等概念来要直观易懂。
2）计算速度快
量子化学从头算的计算量随原子轨道数目的增加，按4次方的速度上升，而分子力学的计算量仅与原子数目的平方成正比。
计算时间-MM正比于原子数m的平方m2
QM正比于轨道数n的n4或n3
3）与量子化学计算相辅相成
分子力学宜用于对大分子进行构象分析、研究与空间效应密切相关的有机反应机理、反应活性、有机物的稳定性及生物活性分子的构象与活性的关系；
对于化合物的电子结构、光谱性质、反应能力等涉及电子运动的研究，则应使用量子化学计算的方法。
13.分子力学与量子化学计算比较
分子力学是经典模型，以原子为“粒子”，按经典力学运动，而量子化学则主要处理对象为电子，其运动服从量子力学规律；
量子化学中，电子或原子核间的相互作用服从库仑定律，而分子力学中每对原子之间有一特定的作用势函数，原子不同或者原子虽然相同但所处环境不同，则势函数不同，即使对同一对原子，也无法给出准确的普适势函数。
第四章分子动力学（MD）
1.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的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。
MD方法用来模拟分子体系与时间有关的性质，基于Newton运动定律，可通过对Newton方程积分来抽样检测由原子坐标和速度所严格定义的相空间，可以基于当前分子的位置和速度计算出其未来的位置和速度。
与单点能和构型优化不同，分子动力学模拟计算要考虑热运动，分子可包含足够的热能来穿越势垒。
根据各个粒子运动的统计分析，可推知体系的各种性质。
如可能的构象、热力学性质、分子的动态性质、溶液中的行为，各种平衡态性质等。
2.系综（常用系综）
系综（ensemble）代表一大群相类似的体系的集合
统计物理的一个基本假设（各态历经假设）是：
对于一个处于平衡的体系，物理量的时间平均，等于对对应系综里所有体系进行平均的结果。
体系的平衡态的物理性质可以对不同的微观状态求和来得到。
概念由吉布斯提出
常用系综：
微正则系综（microcanonicalensemble）：
系综里的每个体系具有相同的能量（通常每个体系的粒子数和体积也是相同的）。
正则系综（canonicalensemble）：
系综里的每个体系都可以和其他体系交换能量（每个体系的粒子数和体积仍然是固定且相同的），但是系综里所有体系的能量总和是固定的。
系综内各体系有相同的温度。
巨正则系综（grandcanonicalensemble）：
正则系综的推广，每个体系都可以和其他体系交换能量和粒子，但系综内各体系的能量总和以及粒子数总和都是固定的。
（系综内各体系的体积相同。
）系综内各个体系有相同的温度和化学势。
等温等压系综（isothermal-isobaricensemble）：
正则系综的推广，体系间可交换能量和体积，但能量总和以及体积总和都是固定的。
（系综内各体系有相同的粒子数。
）正如它的名字，系综内各个体系有相同的温度和压强。
3.MD（分子动力学模拟）的基本原理
用牛顿经典力学计算许多分子在相空间中的轨迹
求解系统中的分子或原子间作用势能和系统外加约束共同作用的分子或原子的牛顿方程。
模拟系统随时间推进的微观过程。
通过统计方法得到系统的平衡参数或输运性质计算程序较为复杂，占用较多内存。
4.MD的主要步骤
选取要研究的系统及其边界，选取系统内粒子间的作用势能模型
设定系统中粒子的初始位置和初始动量
建立模拟算法，计算粒子间作用力及各粒子的速度和位置
当体系达到平衡后，依据相关的统计公式，获得各宏观参数和输运性质
5.分子力学与MD的模型、算法、应用（看看PPT的总结）
积分算法优劣的判据（important!
）:
分子动力学中一个好的积分算法的判据主要包括：
①计算速度快；
②需要较小的计算机内存；
③允许使用较长的时间步长；
④表现出较好的能量守恒。
MM、MD方法的应用：
领域：
高分子、生命科学、药物设计、催化、半导体其它功能材料、结构材料等
分子力学是用计算机在原子水平上模拟给定分子模型的结构与性质，进而得到分子的各种物理性质与化学性质，如结构参数、振动频率、构象能量、相互作用能量、偶极矩、密度、摩尔体积、汽化焓等
分子动力学方法能实时将分子的动态行为显示到计算机屏幕上,便于直观了解体系在一定条件下的演变过
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