计算机化学--计算机辅助分子设计.ppt

计算机化学与分子设计,ComputationalChemistrytransitionstatesandreactionpaths.Molecularproperties:Electrical,Magnetic,Optical,etc.Spectroscopy,fromNMRtoX-ray.Reactionmechanismsinchemistryandbio-chemistry.Intermolecularinteractionsgivingpotentialswhichmaybeusedtostudymacromolecules,solventeffects,crystalpacking,etc.,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,一些化合物红外光谱计算结果（从头算法，6-31G(d)）,反应途径及过渡态计算,基元反应：,反应物,配合物1,过渡态,配合物2,产物,鞍点,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,鞍点,T(ABC),Theenergysurface(intwodimensions)forahypotheticalchemicalreactionfromoneequilibriumoverabarrier(transitionstate)tothesecondequilibrium,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(level)的计算方法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Gaussian92,94&98(forUnixorWindows)MullikenforIBM/RS-6000MOPACforWindowsv2.0均配备了反应途径和过渡态自动搜索的功能！,反应物F-+CH3Cl,能量极小点1F-CH3Cl,过渡态(F-CH3Cl)-,能量极小点2FCH3Cl-,产物FCH3+Cl-,实例：一个SN2反应的反应途径和过渡态计算,Electrondensityintheaminoacidsystemcalculatedusingaquantum-chemistrycomputerprogram.Thepictureshowsthesurfacewheretheelectrondensityis0.002electrons/3(meaningthatnearlyallelectronsareinsidethesurface).Thegreyscaleshowstheelectrostaticpotentialatthissurface,darkerportionsrepresentingnegativepotential.,半胱胺酸分子等电子密度面,Highupintheatmosphere,CF2Cl2(freon)aredestroyedbyultravioletlight.FreeClatomsareformed,whichreactwithO3(ozone)anddestroythem.Theprocesscanbestudiedusingquantum-chemicalcalculations.,Freon,Ozone,氟利昂分子破坏大气臭氧层反应机理的理论计算研究,TheelectrondensityaroundthevitaminCmolecule.Thecolorsshowtheelectrostaticpotentialwiththenegativeareasshadedinredandthepositiveinblue,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方程,Roothaan方程,自洽场从头算SCF-abinitio,密度泛函法DFT,超HF,LCMTO-X,AM1,C-EHMO,EHMO,IT-EHMO,MCNDO,CNDO,MINDO,INDO,MNDO,NDDO,PM3,MSW-X,DV-X,LCAO-X,从头算法AbInitio,半从头算法SlaterX,半经验法Semi-emperical,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QM/MM法Combinedabinitio&MolecularMechanics,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（activesite）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QM/MM法的两位杰出华人青年化学家,WeitaoYang（杨伟涛）DukeUniversity,DurhamJialiGao（高嘉立）StateUniversityofNewYorkatBurffalo,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,两步催化历程分子总能量相对值的变化,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,对1998年诺贝尔化学奖划时代的评价,瑞典皇家科学院对1998年诺贝尔化学奖评价空前之高。公告称：,“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实验与理论能携手协力揭示分子体系的性质。化学不再是一门纯实验科学了”,“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、二十年来化学学科中最重要的成果之一”,Theadditionalmaterialendswithaconclusion:,Quantumchemistryistodayamaturescience,whichpenetratesallofchemistry.Thisisanextraordinaryachievement,wheretheworkofthetwolaureates,WalterKohnandJohnPoplehasbeenofprofoundimportance.Whocouldbelieve10yearsagothatquantumchemistrywouldplayanimportantroleinbiochemistry,forexample,intheunderstandingofmechanismsforenzymaticreactions,orexplaintherelationbetweenstructureandspectroscopicproper