量子化学计算.ppt

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1、第7章量子化学计算方法量子化学计算概述Gaussian程序使用GaussView程序使用Gaussian实例主要内容计算机的发展经典力学量子力学分子和物质结构问题分子力学分子动力学量子化学计算化学1687NewtonHeisenberg1926SchrÖdingerBorn1946WestheimerMayer1927HeitlerLondon统计力学Before1900Boltzmann1957AlderWainwrightapplicationofmathematicalmodelsandsimulationstoc

2、hemicalproblemsusingcomputers量子化学计算概述计算化学能解决的问题molecularenergiesreactionenergies,barriersmoleculargeometrieselectrondistributionsreactivitiesspectroscopicproperties:e.g.UV/VIS,IR/Raman,NMR,etc.moleculardynamicsreactionratesandmechanisms,proteinfoldingphysicalp

3、roperties:e.g.mechanicalhardnessquantitativestructure-activityrelationshipsDoesn’tInclude(listisnotexhaustive):solvingrateequationsdeconvolutingspectraIncludes(listisnotexhaustive):CartesiancoordinatesDescribingacollectionofdiscretemoleculesMolecularMechanicsThen

4、umberofcoordinates:3NInternalcoordinatesRelationshipbetweentheatomsinasinglemoleculeQuantumMechanicsThenumberofcoordinates:3N-6分子结构的表示方法e.g.C2H4Cl2freedegree(X):3(2+4+2)=24reducedfreedegree(E-X):3(2+4+2)-6(5)(linear)A预测分子结构给定一个化学式，通过理论计算定出它的最优结构例：C2H4Cl2势能面的方程分子的

5、完全SchrÖdinger方程：Born-Oppenheimer近似后方程分解为核运动和电子运动两个方程：分子中原子核运动的势能函数B计算分子势能面(PES)单分子性质分子光谱集团性质（容量性质）自由能，焓，熵，热容不可测量性质键级C计算分子的化学性质摘自Gaussian手册?分子的能量和结构?过渡态的能量和结构?振动频率?红外和拉曼光谱?热化学性质?成键和化学反应能量?化学反应路径?分子轨道?原子电荷?电多极矩?NMR屏蔽和磁化系数?振动圆二色性强度?电子亲和能和电离势?极化和超极化率?静电势和电子密度单分子性质集团性

6、质不可测量性质目前常用的量子化学方法1，abinitio分子轨道从头算方法（HF方法）2，DFT密度泛函方法3，超自洽场方法微扰方法(MPn)组态相互作用法CC方法多参考态方法4，半经验分子轨道方法最大原子数可计算量分子力学1000-100万粗略的几何结构半经验200-1000几何结构(有机分子)HF(DFT)50-200能量(含过渡金属)MP225-50能量(弱,氢键)CCSD(T)8-12精确能量(弱作用)CASPT2<10磁性(多个多重度)两类计算方法1.EnergyCalculationMethods（能量计算）

7、:relatetheenergyofamoleculetoitsgeometryareusedtoconstructthepotentialenergysurface势能面include:1.force-fields/molecularmechanics分子力场方法-“ball-and-spring”approach2.abinitiomethods从头算或第一性原理方法-fullyquantummechanicaltreatmentoftheelectronicwavefunction-neglectselectron

8、icstructure3.semi-emipricalmolecularorbitalmethods半经验分子轨道法-abinitiomethodswithanapproximate/parameterizedHamiltonian4.densityfunctionaltheorymethods密度泛函理论方法-fu