计算机化学辅助分子设计(ppt 99页).ppt

1、计算机化学与分子设计,Computational Chemistry transition states and reaction paths. Molecular properties: Electrical, Magnetic, Optical, etc. Spectroscopy, from NMR to X-ray. Reaction mechanisms in chemistry and bio-chemistry. Intermolecular interactions giving potentials which may be used to study macromolecu

2、les, solvent effects, crystal packing, 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),The energy surface (in two dimensions) for a hypothetical chemical reaction fr

3、om one equilibrium over a barrier (transition state) to 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 (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 Gaussian 92, 94 & 98 (for Unix or Windows) Mulliken for IBM / RS-6000 MOPAC for Windows v2.0 均配备了反应途径和过渡态自动搜索的功能！,反应物 F-

4、 + CH3Cl,能量极小点 1 F-CH3Cl,过渡态 ( F-CH3Cl )-,能量极小点 2 FCH3Cl-,产 物 FCH3 + Cl-,实例：一个SN2 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 elec

5、trons 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 dest

6、roy them. The process can be studied using quantum-chemical calculations.,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,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

7、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- ab initio,密度 泛函法 DFT,超 HF,LCMTO

8、-X,AM1,C-EHMO,EHMO,IT-EHMO,MCNDO,CNDO,MINDO,INDO,MNDO,NDDO,PM3,MSW-X,DV-X,LCAO-X,从头算法 Ab Initio,半从头算法 Slater X,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Combined ab initio & Molecular Mechanics,将MO法或D

9、FT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QM/MM法的两位杰出华人青年化学家,Weitao Yang（杨伟涛） Duke University, Durham Jiali Gao（高嘉立） State University of New York at Burffalo,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

10、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。Koh

11、n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”,The additional material ends with a conclusion:,Quantum chemistry is today a mature science, which penetrates all of chemistry. This is an extraordinary achievement, where the work of the two laureates, Walter Kohn and John Pople has been of profound importance. Who could believe 10 years ago that quantum chemistry would play an important role in biochemistry, for example, in the understanding of mechanisms for enzymatic reactions, or explain the relation between structure and spectroscopic properties i