分子模擬實(shí)驗(yàn)

前言

計(jì)算化學(xué)早已成為一套有效、有用、有利的化學(xué)研究手段。然而，作為化學(xué)專業(yè)本科生必修課的結(jié)構(gòu)化學(xué)，仍然停留在公式與理論的課堂灌輸層面。本實(shí)驗(yàn)教材就是為了解決這種不協(xié)調(diào)的教學(xué)局面而編寫的。采用Chem3D應(yīng)用軟件，結(jié)合GAMESS、Mopac等量子化學(xué)計(jì)算程序與MM2分子動(dòng)力學(xué)模擬程序，對(duì)化學(xué)熱點(diǎn)科學(xué)問題進(jìn)行計(jì)算模擬，培養(yǎng)學(xué)生的理論思維，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。本實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容豐富，不但包含了當(dāng)前應(yīng)用廣泛的電子相關(guān)理論及密度泛函理論，而且涵蓋了從小分子到生物大分子的化學(xué)體系；不但涉及分子幾何結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建、電子結(jié)構(gòu)分析、熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算、光譜模擬（紅外、紫外、拉曼、核磁）等常規(guī)計(jì)算，而且包括分子一分子之間的相互作用、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（中間體、過渡態(tài)、活化能）、分子動(dòng)力學(xué)模擬等熱點(diǎn)問題。本教材共分三個(gè)部分。第一部分簡要總結(jié)了量子化學(xué)及經(jīng)典分子力學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)；第二部分詳細(xì)介紹了Chem3D的使用方法與技巧，以供學(xué)生隨時(shí)查閱；第三部分設(shè)計(jì)了六個(gè)具有代表性的典型實(shí)驗(yàn)與一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)后均有相應(yīng)的練習(xí)題，以鞏固所學(xué)知識(shí)。本書由武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院王寶山和侯華共同編寫。程功臻教授對(duì)分子模擬實(shí)驗(yàn)的開設(shè)以及本書的編寫給予了大力支持與幫助，在此表示衷心的感謝！本書承蒙中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員孔繁敖教授，山東大學(xué)劉成卜教授以及華東師范大學(xué)、紐約大學(xué)張?jiān)鲚x教授審閱。三位教授提出許多寶貴的建設(shè)性修改意見，在此致以誠摯的謝意！高等教育出版社鮑浩波編輯對(duì)書稿提出了許多建設(shè)性的修改意見，對(duì)本書的出版給予了自始至終的關(guān)心與支持，在此致以誠摯的謝意！限于編者的水平，本書難免存在不少紕漏，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正！

內(nèi)容概要

　　《分子模擬實(shí)驗(yàn)》共分三部分。第一部分簡要總結(jié)了量子化學(xué)及經(jīng)典分子力學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)；第二部分詳細(xì)介紹了chem3D的使用方法與技巧，以供學(xué)生隨時(shí)查閱；第三部分設(shè)計(jì)了六個(gè)具有代表性的典型實(shí)驗(yàn)與一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)后均有相應(yīng)的練習(xí)題，以鞏固所學(xué)知識(shí)?！　　斗肿幽M實(shí)驗(yàn)》可作為綜合性大學(xué)和高等師范院?；瘜W(xué)類專業(yè)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的配套實(shí)驗(yàn)教材。

書籍目錄

緒論第一部分 基本理論及計(jì)算方法簡介第一章 量子力學(xué)方法1．1 Hartree-Fock與Hartree-Fock-Roothaan方程Schrodinger方程Born-Oppenheimer近似Hartree近似及自洽場(chǎng)方法原子軌道的線性組合(1inear combination of atomic orbitals，LCAO)近似Hartree-Fock近似及Roothaan-Hall方程1．2 電子相關(guān)模型(post Hartree-Fock理論)組態(tài)相互作用(configuration interaction，cI)模型微擾理論1．3 密度泛函理論1．4 基組原子軌道的線性組合(LCAO)Slater類型軌道(slater-type orbitals，STO )基組Gaussian類型軌道(Gaussian-type orbitals，GTO)基組收縮基組(STO-nG基組)分裂價(jià)基組1．5 半經(jīng)驗(yàn)方法全略微分重疊(CNDO，complect neglect of differential overlap)間略微分重疊(INDO，intermediate neglect of differential overlap)忽略雙電子微分重疊(NDDO，neglect of diatomic differential overlap)EHMO(擴(kuò)展的Huckel分子軌道方法)和PPP(Pafiser-Parr-People)方法1.6 分子等值面圖及性質(zhì)圖等值面圖分子軌道(molecular orbitals)圖電子密度(electron density)圖電子自旋密度(electron spin density)圖靜電勢(shì)(electrostatic potential)圖電子密度映射圖靜電勢(shì)映射圖分子軌道映射圖第二章 分子力學(xué)方法2．1 勢(shì)能函數(shù)形式伸縮勢(shì)(EstrechA)，彎曲勢(shì)(EbendA)扭轉(zhuǎn)勢(shì)(Etorsion)非鍵相互作用勢(shì)(Enon-bonded)2．2 力場(chǎng)參數(shù)2．3 原子類型、化學(xué)鍵類型2．4 常見力場(chǎng)類型第三章 分子動(dòng)力學(xué)模擬3．1 分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本流程3．2 分子動(dòng)力學(xué)模擬運(yùn)動(dòng)方程的求解運(yùn)動(dòng)方程勢(shì)能函數(shù)y(rn)運(yùn)動(dòng)方程的積分算法初始化條件3．3 統(tǒng)計(jì)系綜NVE系綜(微正則系綜)NVT系綜(正則系綜)NPT系綜(恒溫恒壓系綜)NPH系綜(恒焓恒壓系綜)3．4 結(jié)果分析3．5 周期性邊界條件第四章 分子構(gòu)型優(yōu)化及溶劑化模型4．1 分子構(gòu)型優(yōu)化勢(shì)能面構(gòu)型優(yōu)化4．2 溶劑化效應(yīng)顯式溶劑化模型隱式溶劑化模型參考文獻(xiàn)第二部分 chem3D軟件簡介第五章 Cllem3D軟件設(shè)置1．打開菜單“File→Preferences”，進(jìn)行設(shè)置2．打開菜單“File→Model Settings”進(jìn)行設(shè)置3．視窗(view)菜單的設(shè)置4．工具欄(toolbars)的設(shè)置5．關(guān)閉Chem3D-第六章 Chem3D軟件詳解1．菜單和工具欄區(qū)2．文件菜單部分3．編輯4．視窗5．結(jié)構(gòu)6．計(jì)算模塊7．分子面模塊8．工具欄9．Chem3D支持的文件格式10．振動(dòng)模式第三部分 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容第七章 分子結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建和優(yōu)化計(jì)算7．1 建模的三種方式1．分子式輸入直接建模法2．化學(xué)鍵建模法3．利用ChemDraw二維平面圖建模4．其他建模方式7．2結(jié)構(gòu)處理1．加氫飽和價(jià)鍵2．加電荷7．3結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化7．4分子結(jié)構(gòu)的確定1．原子類型的確認(rèn)2．分子結(jié)構(gòu)的合理顯示第八章 分子軌道計(jì)算和分析8．1 分子軌道等值面圖8．2 總電子密度圖8．3 靜電勢(shì)圖8．4 靜電勢(shì)、分子軌道對(duì)總電子密度的映射圖8．5 電子自旋密度圖8．6 溶劑面第九章 勢(shì)能面計(jì)算9．1 分子的解離能量曲線9．2 復(fù)雜分子之間的弱相互作用模擬9．3 分子構(gòu)象搜索9．4 H3體系共線勢(shì)能面的模擬第十章 化學(xué)反應(yīng)模擬10．1 熱力學(xué)參數(shù)的計(jì)算10．2 優(yōu)化搜索過渡態(tài)1．過渡態(tài)猜測(cè)和優(yōu)化2．過渡態(tài)的確認(rèn)3．氫抽提反應(yīng)10．3溶劑化效應(yīng)第十一章 分子光譜模擬11．1 紅外光譜模擬11．2 拉曼光譜模擬11．3 紫外可見光譜模擬11．4 核磁共振(NMR)譜模擬第十二章 生物大分子模擬12．1 蛋白質(zhì)和DNA的立體結(jié)構(gòu)12．2 分子對(duì)接12．3 分子動(dòng)力學(xué)模擬第十三章 綜合實(shí)驗(yàn)1．反應(yīng)物和產(chǎn)物分子的電子結(jié)構(gòu)2．構(gòu)象搜索與分子間長程相互作用3．反應(yīng)途徑計(jì)算4．光譜模擬5．分子動(dòng)力學(xué)模擬附錄附錄I 繪制三維圖形附錄Ⅱ 非線性擬合附錄Ⅲ 紅外光譜圖模擬書評(píng)一書評(píng)二書評(píng)三

章節(jié)摘錄

插圖：量子化學(xué)是一門以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的科學(xué)。雖然量子力學(xué)理論框架早在19世紀(jì)初就已經(jīng)建立起來，但直到近百年后，量子力學(xué)才被大量應(yīng)用于處理實(shí)際問題。這主要是歸功于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式編制成計(jì)算機(jī)程序和軟件，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從而獲得可以與實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接或間接相比較的結(jié)果。特別是近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算速度的提高和量子化學(xué)計(jì)算軟件的不斷改進(jìn)和完善，已經(jīng)可以在普通微型計(jì)算機(jī)上完成小規(guī)模的量子化學(xué)模擬計(jì)算了。因此，計(jì)算化學(xué)正逐漸變成交叉學(xué)科，成為一種強(qiáng)有力的工具，在化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等方面發(fā)揮著重要的輔助作用。針對(duì)化學(xué)問題的計(jì)算化學(xué)，因?yàn)槠溲芯繉?duì)象是化學(xué)意義上的分子或原子，所以通常被稱為“分子模擬”。一般來說，分子模擬包括兩大類，一類是量子力學(xué)（quantum mechanics）模型，簡稱QM模型；另一類是分子力學(xué)（molecular mechanics）模型，簡稱MM模型。兩者的主要區(qū)別在于解決問題的出發(fā)點(diǎn)不同。

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