分子模擬實驗

前言

計算化學早已成為一套有效、有用、有利的化學研究手段。然而，作為化學專業(yè)本科生必修課的結構化學，仍然停留在公式與理論的課堂灌輸層面。本實驗教材就是為了解決這種不協(xié)調(diào)的教學局面而編寫的。采用Chem3D應用軟件，結合GAMESS、Mopac等量子化學計算程序與MM2分子動力學模擬程序，對化學熱點科學問題進行計算模擬，培養(yǎng)學生的理論思維，激發(fā)學生的科研興趣。本實驗教材內(nèi)容豐富，不但包含了當前應用廣泛的電子相關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體系；不但涉及分子幾何結構的創(chuàng)建、電子結構分析、熱力學參數(shù)計算、光譜模擬（紅外、紫外、拉曼、核磁）等常規(guī)計算，而且包括分子一分子之間的相互作用、化學反應動力學（中間體、過渡態(tài)、活化能）、分子動力學模擬等熱點問題。本教材共分三個部分。第一部分簡要總結了量子化學及經(jīng)典分子力學的基礎理論知識；第二部分詳細介紹了Chem3D的使用方法與技巧，以供學生隨時查閱；第三部分設計了六個具有代表性的典型實驗與一個綜合實驗，每個實驗后均有相應的練習題，以鞏固所學知識。本書由武漢大學化學與分子科學學院王寶山和侯華共同編寫。程功臻教授對分子模擬實驗的開設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！本書承蒙中國科學院化學研究所研究員孔繁敖教授，山東大學劉成卜教授以及華東師范大學、紐約大學張增輝教授審閱。三位教授提出許多寶貴的建設性修改意見，在此致以誠摯的謝意！高等教育出版社鮑浩波編輯對書稿提出了許多建設性的修改意見，對本書的出版給予了自始至終的關心與支持，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，懇請讀者批評指正！

內(nèi)容概要

　　《分子模擬實驗》共分三部分。第一部分簡要總結了量子化學及經(jīng)典分子力學的基礎理論知識；第二部分詳細介紹了chem3D的使用方法與技巧，以供學生隨時查閱；第三部分設計了六個具有代表性的典型實驗與一個綜合實驗，每個實驗后均有相應的練習題，以鞏固所學知識?！　　斗肿幽M實驗》可作為綜合性大學和高等師范院?；瘜W類專業(yè)結構化學課程的配套實驗教材。

書籍目錄

緒論第一部分 基本理論及計算方法簡介第一章 量子力學方法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)分裂價基組1．5 半經(jīng)驗方法全略微分重疊(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(electrostatic potential)圖電子密度映射圖靜電勢映射圖分子軌道映射圖第二章 分子力學方法2．1 勢能函數(shù)形式伸縮勢(EstrechA)，彎曲勢(EbendA)扭轉勢(Etorsion)非鍵相互作用勢(Enon-bonded)2．2 力場參數(shù)2．3 原子類型、化學鍵類型2．4 常見力場類型第三章 分子動力學模擬3．1 分子動力學模擬的基本流程3．2 分子動力學模擬運動方程的求解運動方程勢能函數(shù)y(rn)運動方程的積分算法初始化條件3．3 統(tǒng)計系綜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 結果分析3．5 周期性邊界條件第四章 分子構型優(yōu)化及溶劑化模型4．1 分子構型優(yōu)化勢能面構型優(yōu)化4．2 溶劑化效應顯式溶劑化模型隱式溶劑化模型參考文獻第二部分 chem3D軟件簡介第五章 Cllem3D軟件設置1．打開菜單“File→Preferences”，進行設置2．打開菜單“File→Model Settings”進行設置3．視窗(view)菜單的設置4．工具欄(toolbars)的設置5．關閉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．結構6．計算模塊7．分子面模塊8．工具欄9．Chem3D支持的文件格式10．振動模式第三部分 實驗內(nèi)容第七章 分子結構模型創(chuàng)建和優(yōu)化計算7．1 建模的三種方式1．分子式輸入直接建模法2．化學鍵建模法3．利用ChemDraw二維平面圖建模4．其他建模方式7．2結構處理1．加氫飽和價鍵2．加電荷7．3結構調(diào)整和優(yōu)化7．4分子結構的確定1．原子類型的確認2．分子結構的合理顯示第八章 分子軌道計算和分析8．1 分子軌道等值面圖8．2 總電子密度圖8．3 靜電勢圖8．4 靜電勢、分子軌道對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 勢能面計算9．1 分子的解離能量曲線9．2 復雜分子之間的弱相互作用模擬9．3 分子構象搜索9．4 H3體系共線勢能面的模擬第十章 化學反應模擬10．1 熱力學參數(shù)的計算10．2 優(yōu)化搜索過渡態(tài)1．過渡態(tài)猜測和優(yōu)化2．過渡態(tài)的確認3．氫抽提反應10．3溶劑化效應第十一章 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的立體結構12．2 分子對接12．3 分子動力學模擬第十三章 綜合實驗1．反應物和產(chǎn)物分子的電子結構2．構象搜索與分子間長程相互作用3．反應途徑計算4．光譜模擬5．分子動力學模擬附錄附錄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一書評二書評三

章節(jié)摘錄

插圖：量子化學是一門以量子力學原理為基礎的科學。雖然量子力學理論框架早在19世紀初就已經(jīng)建立起來，但直到近百年后，量子力學才被大量應用于處理實際問題。這主要是歸功于計算機技術的發(fā)展，將復雜的數(shù)學公式編制成計算機程序和軟件，進行數(shù)值計算，從而獲得可以與實驗結果直接或間接相比較的結果。特別是近年來，隨著計算機硬件計算速度的提高和量子化學計算軟件的不斷改進和完善，已經(jīng)可以在普通微型計算機上完成小規(guī)模的量子化學模擬計算了。因此，計算化學正逐漸變成交叉學科，成為一種強有力的工具，在化學、生命科學、材料科學等方面發(fā)揮著重要的輔助作用。針對化學問題的計算化學，因為其研究對象是化學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（quantum mechanics）模型，簡稱QM模型；另一類是分子力學（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)點不同。

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