分子模拟基础

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1、计算机在化学中的应用(第二版修订)孙宏伟编南开大学化学系2001年10月内容提要本书主要介绍计算机常用的基础知识、基础软件及其化学相关软件。为化学系研究生课程“计算机在化学中的应用”的配套教材。本书1999年8月完成了第一版，2000年8月完成第二版，由于微机软硬件的发展速度很快，这次相应作了修订。全书分为七章，第一章为微机基础知识，简单介绍微机的发展、DOS及Windows操作系统；第二章介绍MSWord2000的使用；第三章介绍分子绘图，着重介绍ChemWindow6.0使用，另外简单介绍了CSChemoffice及其它一些分子结构绘图及3D结构绘图程序

2、；第四章介绍数据处理软件Origin的使用；第五章介绍网络应用及网上化学资源；第六章介绍常用工具软件的使用；第七章为分子模拟简介。本书力求以实用为原则，对常用的尤其是化学专业学生所必须掌握内容尽量详细介绍，而对于过于基础或不常使用的内容则不作介绍或只是简单介绍，如第二章Word2000的使用，原计划删除，考虑到一些同学对Word使用有很多部分并不熟悉，因此这次修版仍然保留。书中的重要章节为作者长期使用的经验结合软件的说明编写而成，如第三章介绍分子绘图、第四章数据处理软件Origin的使用等，第一、五、六章为从网络、报刊等收集整理而得，第七章分子模拟部分原计划

3、在第二版中就增加，因为一些原因，没有按期写完，本次将这一章补齐，主要参考了一些有关分子模拟的书籍以及分子模拟软件配套书籍编写的。计算机能力的培养是一个长期的过程，要想用好计算机，必须掌握好的学习方法，其根本要点就是要学会如何学计算机。了解一两个软件的使用并不难，关键是学会各类软件使用的通用方法，从而使自己能够很方便地学会最新软件的最实用的部分。学习中要多看、多用、多想。多看是多看些有关计算机使用方面的报刊、书籍(如《电脑报》)，从中可以学到很多有用的经验；多用是多使用计算机，这样就容易掌握软件使用的一般规律性。多想是如果使用中发现不清楚的地方要多试、多想，不

4、要一不清楚就开口问，这样就丧失了学习使用软件的机会，另外，如果发现用计算机进行某项工作非常烦琐，想一下是否有一些窍门，这样通常可以提高使用的能力，而大大节省时间和精力。本书采用电子出版物PDF格式，为方便用户下载，本书将按章节分成7个部分。由于水平有限，经验不足，书中可能存在不少缺点和错误，希望读者在使用过程中提出宝贵意见。本人的Email地址为sunhw@nankai.edu.cn计算机在化学中的应用—第七章分子模拟基础第七章分子模拟基础7.1引言分子模拟(MolecularModeling)这个概念近年来才开始使用的这个研究领域在最近十几年里随计算机的发

5、展而迅速发展并且成为化学领域中与实验仪器一样成为日常的研究工具通过这个研究工具可以从更深的层次理解化学反应及过程确定或预测分子结构以及化学体系的稳定性估算不同状态之间的能量在原子水平上解释反应途径和机理了解分子结构与性质之间的关系预测设计有价值的分子等在这个研究领域中也常使用理论化学(TheoreticalChemistry)和计算化学(ComputationalChemistry)的概念一般来说理论化学等价于量子力学计算化学则除了量子力学外还包括分子力学最小化模拟构象分析和其他以计算机为基础的用以理解和预测分子体系性质的方法分子模拟泛指用于模拟分子或分子体

6、系性质的方法定位于表述和处理基于三维结构的分子结构和性质近年来发展了许多分子模拟的计算机软件其一般都包括以下几个方面1)建立和显示分子2)优化分子结构3)研究分子的反应性(如从轨道能量组合系数节点性质等根据前线轨道理论研究分子不同取代基的相对反应性反应选择性以及亲核亲电试剂的反应位置等)4)计算产生和显示分子轨道电荷分布静电势图等5)估计化学反应途径和机理6)研究分子的动态性质7)研究分子的结构-性质(活性)关系(QSPR/QSAR)下面我们首先介绍几个分子模拟中常用的概念7.1.1坐标系对于分子模拟程序来说无疑确定原子和分子在体系中的位置是非常重要的一般采

7、用两种方法来表示原子/分子的位置一种是笛卡儿坐标另一种是内坐标笛卡儿坐标比较好理解即对每一个原子都用一套XYZ来表示其在体系中的位置但笛卡儿坐标常常并不是十分方便的因为它不能直接显示我们所研究的分子结构的常用数据如键长键角等因此在研究中也常使用内坐标内坐标是采用一个原子对体系内其它原子相对位置进行定位的方法常被写成Z矩阵的形式每一个原子对应于Z矩阵的一行我们以完全交叉构象的乙烷为例在Z矩阵第一行定义原子1为C原子原子2也为C原子与原子1的距离为1.54Å原子3为H原子与原子1之间的键长为1Å3-1-2的键角为109.5°原子4为H原子与原子1之间的键长为1Å

8、4-1-2的键角为109.5°4-1-2-3的二面角