现代化学前沿问题现代化学前沿问题 讲座讲座 1 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。 2 ⑴ 归纳法 ( F. Bacon, 1561-1626 ) ⑵ 演绎法 ( R. Decartes, 1596-1650 ) 设计实验 实验数据 唯象理论 “预测 ” 数据拟合 检验 公理假设 形式理论 二次形式化、 近似、计算 和模拟 预 测 模 型 实验 检验 3 • 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 归纳法(Reduction)与演绎法(Deduction)的比较 4 运运用用数数学学的的多多 少少是是一一门门科科学学成成熟熟 程度的标志。程度的标志。 马克思马克思 5 数数学学的的应应用用：：在在刚刚体体 力力学学中中是是绝绝对对的的，，在在气气体体 力力学学中中是是近近似似的的，，在在液液体体 力力学学中中就就已已经经比比较较困困难难了了；； 在在物物理理学学中中是是试试验验性性的的和和 相相对对的的；；在在化化学学中中是是最最简简 单单的的一一次次方方程程式式；；在在生生物物 学中等于零。学中等于零。 恩格斯恩格斯 6 • 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 7 8 冶金、建材工业推动了无机冶金、建材工业推动了无机 药物、染料、酿酒工业推动了有机药物、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  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 9 • 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  T S 反应速率常数：Arrhenius  化学动力学 10 • 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 11 ⑴⑴ EinsteinEinstein广义和狭义相对论广义和狭义相对论（（19051905）） ⑵⑵量子力学的创建量子力学的创建（（1925~19261925~1926）） 上世纪初理论物理两项重大突破上世纪初理论物理两项重大突破 对对廿廿世世纪纪人人类类科科技技和和物物质质文文明明进进步步产产 生生巨巨大大影影响响。。其其中中，，量量子子力力学学的的影影响响更更为为 直接和广泛。直接和广泛。 12 •• HeisenbergHeisenberg、、SchrödingerSchrödinger、、DiracDirac、、BornBorn等等于于 1925~19261925~1926创建创建 •• 3030年代初由年代初由von Neumannvon Neumann完成形式理论体系完成形式理论体系 量子力学是演绎法最成功的实例量子力学是演绎法最成功的实例 量量子子力力学学的的建建立立未未依依据据任任何何实实验验事事实实或或经经 验验规规律律。。它它用用少少数数几几条条基基本本假假定定作作为为公公理理，，由由 此此出出发发，，通通过过严严格格的的逻逻辑辑演演绎绎，，迅迅速速地地建建成成一一 个自洽、完备、严密的理论体系个自洽、完备、严密的理论体系 13 •• 微微观观粒粒子子或或体体系系的的性性质质由由状状态态波波函函数数 唯唯一一 确定，确定，  服从服从SchrödingerSchrödinger方程方程 基本运动方程基本运动方程 — Schrödinger — Schrödinger方程方程 Schrödinger方程： Hamilton算符： •• 在在1010-13-13 m 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，困难在于求解方程建立容易，困难在于求解 14 • 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。 15 •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 16 •• 2020世世纪纪人人类类光光彩彩夺夺目目的的科科技技成成 就就大大都都与与量量子子力力学学有有关关。。量量子子 理理论论不不仅仅有有力力地地促促进进了了社社会会的的 物物质质文文明明改改观观，，且且改改变变了了人人类类 的思维方式的思维方式 17 • 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 1919 Planck 1921 Einstein 1922 Bohr 1929 de Broglie 1932 Heisenberg 1933 Schrödinger Dirac 1938 Fermi 1945 Pauli 1949 Yukawa 1954 Born Bothe 1957 . Lee . Yang 近20年理论物理领域未见再获 奖。表明物理学科的高度成熟 1962 Landau 1963 Wigner 1965 Tomonaga Schwinger Feyman 1967 Bethe 1969 Gell-Mann 1972 Cooper 1979 Weinberg Salam Glashow 18 量子力学的建立和发展促进了：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（19301930）） PaulingPauling是杰出代表是杰出代表 SlaterSlater、、MullikenMulliken、、HundHund、、Heitler-LondonHeitler-London分分 别作出贡献别作出贡献  量量子子力力学学引引入入化化学学，，促促进进量量子子化化学学、、量量子子统统 计力学形成计力学形成 Einstein-BoseEinstein-Bose、、Fermi-DiracFermi-Dirac两种统计理论两种统计理论 HückelHückel分子轨道理论（分子轨道理论（19321932）） RoothaanRoothaan方程（方程（19521952）） 计算量子化学发展计算量子化学发展 19 • 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 20 • 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 21 一一门门新新的的交交叉叉学学科科 计计算算机机化化学学已已形形成成。。 它它将将帮帮助助化化学学家家在在原原子子、、 分分子子水水平平上上阐阐明明化化学学问问 题题的的本本质质，，在在创创造造特特殊殊 性性能能的的新新材材料料、、新新物物质质 方面发挥重大的作用。方面发挥重大的作用。 22 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 计算机计算机 化化 学学 环境 科学 23 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 计算机化学的主要内容 24 • 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 25 • 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 26 27 What is Molecular Modeling ? •用计算机模拟化学体系 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 什么是分子什么是分子 计算机模拟计算机模拟?? 28 为何进行分子计算机模拟为何进行分子计算机模拟?? •• 宏宏观观化化学学现现象象是是~~10102424个个分分子子（（原原子子））的的集集 体行为，固有统计属性体行为，固有统计属性 •• 化化学学统统计计力力学学的的局局限限性性：：通通常常仅仅适适用用于于 ““ 理理想想体体系系” ”  理理想想气气体体、、完完美美晶晶体体、、稀稀 溶液等溶液等 •• 量量子子力力学学方方法法的的局局限限性性：：对对象象为为平平衡衡态态、、 单单分分子子或或几几个个分分子子组组成成的的体体系系；；不不适适用用于于 动力学过程和有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 29 • 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： ⑴ 分子动力学法 (MD ， Molecular Dynamics)  基于粒子运动的经典轨迹 ⑵ Monte Carlo法 (MC)  基于统计力学 30 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拟(MD) 31 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：总作用力： 32 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  二体及三体以上作用势的叠加 33 一、MD法原理 • 将微观粒子视为经典粒子，服从 Newton 第二 定律 或 • 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 34 • 在合适选定的时间步长 t 内，粒子可视作匀加 速直线运动 加速度：加速度： 位位 移：移： 二、粒子 i 在时间 t 内的位移 ri • 步长取值： t＝~ ps 35 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 — 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 1dm3水  31027个H2O 计算机只能处理 102 ~ 104 个粒子！ • 解决办法 — 赝无限大近似 取较小的模拟体系作中心原胞，令其在空间 重复排列 36 二维周期性边界条件示意图 • 8 个近邻重复单元 包围着中心原胞， 为其提供合理的边 界条件近似 中心中心 原胞原胞 N≮102 • 计算机实际处理 的是原胞内数量 较少的粒子 37 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  原子总数  88 分子总数  25 • 粒子数取得过少是为求 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！ 38 • 用途 — 预测： ⑴ 复杂有机分子可能的稳定异构体 ⑵ 分子量和元素成分已确定的未知化合物的可 能分子结构 四、 MD处理用于单个分子 (无周期边界) • 办法 ： ⑴ 将分子用计算机“加热”至高温（~1000K） ⑵ 进行“逐步退火” MD 计算，在不同温度下 取 样作为初始构型 ⑶ 用 MM 法作构型优化 39 MMMM和和MDMD的比较的比较 MM法 — 每步原子初速均为零， 粒子位移趋于无限小 MD法 — 原子初速不为零，给 出分子内部热运动的经 典图象 40 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质计算 复杂有机分子 高分子 晶体 液晶态 非晶态 溶液 熔盐 界面和表面 气体 热力学性质 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 扩散 吸附与解附 熔融 结晶 相变 分子散射 分子适配 材料应力应变 蠕变与断裂 41 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 42 43 (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 MD 模拟结果的比较 W. Linert, and F. Renz, J. Chem. Inf. Comput. Sci., 33, 776(1993) Experimentally Determined MD-predicted 44 GnRH ( gonadotrophin-releaing hormon, 促性腺释放激素 ) 分子构象理论预测 . Hangauer, in Computer Aided Drug Design, . Perun & . Propst ed., Marcel Dekker Inc., New York, p253, 1989. 分子式：pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu-Arg-Pro-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 45 MD预测的顺磁性和反磁性冰晶体结构 Karim & . Haymet, . Phys., 89, 6889(1988)) Ferromagnetic ice Antiferromagnetic ice 46 MD法模拟的熔盐 体系 T *~V * 相图 . Young & . Alder, J. Chem. Phys., 73, 2434(1980) 47 Ru-Al 合金断裂过程动态模拟 . Becquart , D. Kim, , Rifkin, and , Mat. Sci. Engin., A170, 87(1993) 断裂点周围的损坏区域 48 两块晶体界面结构的模拟 FCC单晶硅，13(150)晶界，晶面倾角 ＝° 49 较小晶面倾角 ( = )下单晶硅晶 界的一种稳定结构 50 • 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 • 伴随有电子跃迁、转移、变价的过程，经典的 分子模拟不能处理 51 52 一、量子力学第一原理 — 多体Shrödinger方程 物理模型： • 分子中电子和原子 核均在运动中 • 粒子间存在着相互 作用 定态Shrödinger方程： rPi rQj rij RPQ 53 原子单位：三个基本物理常数 ⒊单电子近似 — 每个电子行为视为独立，用单电子波函 数  i (ri) 描述 (MO) 二、物理模型的三个基本近似 ⒈非相对论近似： i =  0 ⒉ Born-Oppenheimer 近似： 电子与核运动分离 电子 哈密顿： 54 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：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 55 四、Roothaan 方程 (1952) 对 Hartree-Fock 方程引入 LCAO-MO 近似 • 在以AO集 {i}为基的线性空间中，Fock算符的表示为 Fock矩阵 • MO组合系数表 示为列矢量 • 电子总能量变分要求{  , c }满足 Roothaan 方程 F c =  S c S 为 AO 重叠矩阵: 56 •• 19271927年年HeitlerHeitler和和LondonLondon用用变变分分法法求求解解了了氢氢分分子子 的波函数的波函数 实验值 RAB/ E 首首次次在在形形式式理理论论的的水水平平 上上解解释释了了化化学学键键本本质质，，开开创创 了量子化学分支学科了量子化学分支学科 57 • 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， 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， 这些微观运动均服从薛定谔方程。 • 量子力学的统一理论 (United theory) 使 化学与物理学在原子、分子水平上会师， 两学科的界限趋于模糊 58 量子力学奠基人之一的 Dirac 在 1929说: "The fundamental laws necessary for the mathematical treatment of large parts 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" 59 因处理实际分子在数学上的困难。Dirac本 人对量子力学在化学上的应用前景是悲观的。 • 1952年H. Schull等三人用手摇计算机花两年 才完成一个N2分子的从头算。 • 有人断言：用尽世界上的纸张恐亦无法完成 一个Fe原子的计算 50年代末，大型计算机的浮点运算速度为 ，仅及PIII 的 1/5000 ！ 60 量子化学从二十世纪30年代初的理论奠 基到90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 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 1998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 确立和获得普遍承认的重要标志 61 瑞瑞典典皇皇家家科科学学院院1010月月1313日日宣宣 布布将将19981998年年度度诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖 授授予予两两位位年年迈迈的的量量子子化化学学家家 KohnKohn和和PoplePople,, 表表彰彰他他们们在在开开拓拓用用于于分分子子 性性质质及及其其参参与与化化学学过过程程研研究究的的理理论论和和方方 法上的杰出贡献法上的杰出贡献。。 62 （瑞典皇家科学院在Web上发表的新闻公告） 63 颁奖公告称：The development did not really started until the beginning of the 1960s, when two events became decisive: • To develop of an entirely new theory for describing the spatial distribution of electrons • To use of the increasing potential offered by the computer Walter Kohn and John Pople are the two most prominent figures in this process. 64 John Pople’s ContributionsJohn Pople’s Contributions John 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 is no longer a purely experimental science. 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！ 65 • Pople 最辉煌的贡献是 Gaussian 程序 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 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 . 66 67 Walter Walter Kohn’sKohn’s Contributions Contributions 瑞典皇家科学院颁奖文件评价: Walter Kohn’s theoretical work has formed the basis for simp- lifying the mathematics 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. 68 Walter Kohn showed that it is not necessary to consider the motion of each individual electron: it suffices to know the average number of electrons 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 子密度的单变量函数 T, J, Vxc 分别为动能、库仑能和交换-相关能 P. Hohenberg & W. Kohn, Phys. Rev. B, 136, 864 (1964) 69 • 1965年，运用变分原理导出 Kohn-Sham 自洽 场方程 ( DFT的基础方程 ) 求解方程可得使体系能量最小的电子密度 (r) W. Kohn & . Sham, Phys. Rev. A, 140, 1133 (1965) • DFT的关键是找到依赖电子密度的能量函数 借用早年Thomas-Fermi-Dirac“均匀电子气” 的能量函数，计算晶体的电子结构当年即取得成 功（但分子计算结果不佳） 沈吕九 (香港) 70 • DFT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 without the pioneering work of Walter Kohn.” • DFT已被引入Gaussian 94/98 程序。可处理含 数百个原子的分子体系 71 Applications of Quantum Chemistry • The equilibrium structures of molecules; 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 macromolecules, solvent effects, crystal packing, etc. 72 73 分子轨道法计算演示 ⒈ 分子几何结构优化；能量、波函数和电 子结构计算 ⒉ 分子的性质、偶极矩 ⒊ 分子的振动光谱及紫外－可见光谱；简 正振动分析 74 一些化合物红外光谱计算结果（从头算法，6-31G(d) ） 75 反应途径及过渡态计算 基元反应：基元反应： 反应物 配合物 1 过渡态 配合物 2 产物 鞍点 76 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 (AB C) 77 The energy surface (in two dimensions) for a hypothetical chemical reaction from one equilibrium over a barrier (transition state) to the second equilibrium 78 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 ① 高档次 (level) 的计算方法 ② 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 均配备了反应途径和过渡态自动搜索的功能！ 79 反应物 F- + CH3Cl 能量极小点 1 F-···CH3Cl 过渡态 ( F- ···CH3 ···Cl )- 能量极小点 2 FCH3···Cl - 产 物 FCH3 + Cl - 实例：实例：一个一个SNSN2 2 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 80 Electron density in the amino acid system calculated using a quantum-chemistry computer program. The picture shows the surface where the electron density is electrons/Å3 (meaning that nearly all electrons 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 81 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. 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 82 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 83 • 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 -1 实验值  -1 改进实验手段后测得  -1 84 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 LCM TO- X 耦合 电子对 CEPA 组 态 相互作用 CI 微扰处理 M P 多组态 自洽场 MC SCF 价电子从头算 EP(VP) 模拟从头算 SAMO 分子碎片法 M F 梯度近似 G G A 浮动球 高斯法 FS GO AM 1 C-EHMO EH MO IT-EHMO M CN DO CN DO M IN DO IN DO M N D O N D D O PM 3 MSW-X D V - X LCAO- 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 Sem i-em per ica l 独立 电子对 IEPA 第一原理计算 85 前沿发展 — QM/MM法 Combined 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 87 发展QM/MM法的 两位杰出华人青年化学家 1. Weitao Yang（杨伟涛） Duke University, Durham 2. Jiali Gao（高嘉立） State University of New York at Burffalo 88 烯醇酶活性部位催化两步反应的计算 89 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 90 两步催化历程分子总能量相对值的变化 HF/3-21G QM/MM HF/6-31G QM/MM DFT/3-21G QM/MM 91 烯醇酶催化活性部位之残基及水分子位置 92 烯醇酶催化活性部位之残基及水分子位置 93 94 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” 95 • “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” 96 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 in transition metal containing proteins. Theory works today hand in hand with experimental chemistry in the exploration of the properties of matter. 97 科学探索科学探索 献身、献身、 开拓创新和开拓创新和 激流勇进的精神激流勇进的精神 需要：需要： 98 谢谢出席谢谢出席 99