理论与计算化学  041M5020H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:计明娟
授课时间: 星期四, 第1、2、3节
授课地点: 教2-207
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
课程编号: 041M5020H 课时: 50 学分: 3.0
课程属性: 专业普及课 主讲教师:计明娟
英文名称: Theoretical and Computational Chemstry

教学目的、要求

本课程是化学学科各专业研究生的专业普及课,同时也可作为其他学科专业研究生的选修课。本课程主要以分子力学和量子力学模型为基础,介绍理论与计算化学中各种技术的理论背景;结合现代计算机技术进一步介绍这些技术如何在化学、材料和药物研究各个领域的应用及前沿研究概况。课程内容包括三大部分:基本原理、计算方法和应用。
通过本课程理论学习和上机操作,使学生初步掌握理论与计算化学的基本原理和利用计算机技术及相应软件研究药物、材料等分子结构、性质和功能之间的关系;进一步掌握分子模拟在新分子设计中的应用,为今后的科学研究打好基础。

预修课程

物理化学,  结构化学基础

教 材

Andrew R. L.,《Molecular Modelling Principles and Applications》.
      世界图书出版社,  1996

主要内容

二、讲授内容 
第一章 分子模拟中的基本概念
坐标系,势能面,表面,分子图形,计算机硬件、软件及网络。
第二章 经验力场模型-----分子力学
力场的一般特征,能量的表达形式,经验势中多体作用和有效对势,氢键和液
体水模拟的力场模型,联合原子力场和简化表达,能量函数的微分,利用力场计
算热力学性质,力场参数和它的转移,离域π-体系和无机体系的力场。
第三章 分子动力学模拟方法
简单模型的分子动力学,具有连续势的分子动力学,分子动力学模拟的设置和运行,限制分子动力学,合并溶剂效应的分子动力学(平均力势和随机动力学),恒温、恒压的分子动力学模拟,分子动力学模拟轨迹分析。
第四章 蒙特卡罗模拟方法
引言,由积分分计算性质,Metropolis Monte Carlo 方法的理论背景和应用,刚性分子的Monte Carlo模拟,柔性分子的Monte Carlo模拟,高分子Monte Carlo模拟中的模型使用,‘Biased’ Monte Carlo 方法,不同系综的Monte Carlo取样方法,化学势的计算,相平衡模拟,Monte Carlo和分子动力学比较。
第五章 构象分析 
系统搜索方法,模建方法,随机搜索方法,遗传方法,距离几何方法,模拟退火方法,簇算法和模式识别技术,在预测肽和蛋白质结构中构象分析的规则。
第六章 济效应和结合自由能计算

显示溶济模型,连续介质模型(表面加和模型,PB/SA模型,GB/SA模型等),结合自由能计算,自由能微扰和热力学积分法,基于主方程的自由能计算,基于经验方法的自由能预测。

第七章 分子设计中的若干方法简介
分子对接方法(刚性对接,半柔性对接,柔性对接),定量构效关系方法
(Hansch法,分子形状分析法,比较分子场分析法, 比较分子相似因子分析法)。

第八章 现代量子化学理论与计算方简介
分子体系薛定谔方程的建立, 变分法求解薛定谔方程的基本思想, RHF方程和UHF方法的基本思想, 相关能方法简介(包括多体微扰理论和组态相互作用方法), 密度方法思想及方法简介, 现代量子化学计算程序(Gaussian)及应用简介   

四、教学重点与难点 
重点:理解理论与计算化学中各种计算方法的理论背景;掌握若干技术和软件的使用。
难点:  在有限的学时期间掌握若干技术和软件使用,有一定难度。
五、学时分配与进度计划 
第一章(含序言)     2学时
第二章               6学时
第三章               8学时(含2次上机)
第四章               6学时(含1次上机)
第五章               4学时
第六章               4学时
第七章               8学时(含2次上机)
第八章              10学时(含2次上机)
考试                 2学时

参考文献

(1)Jonathan M. G. ,《Chemical Applications of Molecular Modelling》. Published by The Royal Society of Chemistry  1998.
(2)Mattew F.S. ,《Molecular Modeling on the PC》. Published by simultaneously in Canada,  1998.
(3)A. Szabo and N. S. Ostlund, 《Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced  Electronic Structure Theory》, Dover Publications, 1996.