计算机化学
计算机在化学中的应用 (原创)
计算机在化学中的应用计算机化学是将计算机科学、数学应用于化学的一门新兴的交叉学科,是化学领域的一个重要分支。
计算机化学的英文叫法有多种,如Computers&Chemistry、Computers in Chemistry及Computers on Chemistry。
有时文献中亦会出现Computer Chemistry,但应用较少。
计算化学(Computational Chemistry)通常指分子力学及量子化学计算等,与计算机化学有较大区别。
计算机与化学的联姻始于60年代。
其首先应用领域是分析化学。
因为分析化学的最本征特征是借助于诸种手段收集数据及其数据处理。
到了70年代,计算机化学得以突飞猛进的发展,几乎在化学的每一分支领域都结满了丰硕的成果。
当今的化学几乎无处不用计算机。
计算机(包括数学)已是化学的重要工具,同时计算机化学作为一个学科分支也在迅速发展。
本文拟就如下几个方面作一简单介绍。
一、数据库技术数据库是计算机科学领域中70年代出现的新技术。
化学中的许多数据库正是在70年代历经了由起步、发展,直至成熟的过程。
其中,最具代表性的是用于化合物结构解析的谱图数据库。
目前,几乎所有的大型分析测试仪器均带有数据库及其检索系统。
各种谱学手段的广泛应用对当代有机化学的发展起到了很大促进作用,因为这些物理方法和手段使人们能较精确地了解化合物的结构。
但是,谱图的解释是一较为繁琐,极为费时的工作。
然而,随着计算机技术的发展极大地推进了这一领域的革新。
计算机辅助谱图解析方法可粗略地分为两大类:直接谱图库手段,即谱图检索，间接谱图库手段,包括波谱模拟、模式识别和人工智能。
目前,应用最广泛的是谱图库检索。
此处顺便提及:数据库,英文一般用database或databank表示,而数据库检索却常用librarysearching一词。
所谓谱图库,目前用于结构解析的主要是指质谱、核磁谱和红外光谱。
二、有机化合物结构自动解析该类研究属于人工智能的范畴。
计算机在化学化工中的运用
计算机在化工中的运用前言：随着科技的发展，计算机的运用越来越广泛，在化工领域中，计算机技术也有着重要的作用。
计算机在化工领域的使用，极大的降低了工作难度，提高了工作效率。
近年来化学学科的重要成就之一是计算机在化学中的应用。
计算机与化学的结合促进了化学的发展。
本论文将主要介绍其在化学化工上4方面的运用。
一、计算机在计算机化学中的应用计算机化学(Computer chemistry)是应用计算机研究化学反应和物质变化的科学。
以计算机为技术手段，建立化学化工信息资源化和智能化处理的理论和方法，认识物质、改造物质、创造新物质，认识反应、控制反应过程和创造新反应、新过程是计算机化学研究的主体。
它的兴起与发展是与计算机技术的发展和计算机的普及紧密联系的。
计算机对化学的作用，还体现在可以用计算机技术描述已有的化学理论知识、化学反应机理、物质结构、化学实验等将计算机的多媒体技术与化学知识相结合，用来展示原子、分子、晶体的空间结构，动态性地模拟各种化学键的形成原理、过程和特性，揭示化学反应的内部机理重现特殊化学实验的全过程。
化静为动，变抽象为具体，将在真实世界中难以感觉到的虚幻世界、微观世界真实地模拟出来，使人们对化学的了解和学习进人了一个可视化的世界。
二、计算机智能化技术在化学化工中的运用专家系统是数据库与人工智能结合的产物，它把“知识规则”作为程序，让机器模拟专家的分析、推理过程，达到用机器代替或部分代替专家的效果。
具体例子有：①酸碱平衡专家系统，内容包括知识库和检索系统，提出问题时，机器自动查出数据，找到程序，进行计算、绘图、选择判断等处理，并用专业内行的语言回答问题，例如，任意溶液（包括任意种组分的混合溶液）的pH值计算，任意溶液用酸、碱进行滴定时操作规程的设计等。
②定性分析专家系统，用帕斯卡语言编写了阳离子硫化氢系统和阴离子消去法系统，学生拿到未知试样，不用学习和查阅这种古老系统，只须按照机器提示的手续进行操作，所得现象再输入机器，如此逐步处理，就会得出“试样是什么化合物”的结论。
计算机与化学
计算机与化学计算机科学和化学是两个不同领域的学科，但在现代社会中，它们之间却有着紧密的联系和相互影响。
计算机科学的快速发展为化学研究带来了许多创新工具和技术，而化学的发展也为计算机科学提供了一系列问题和挑战。
本文将探讨计算机科学和化学之间的关系，重点介绍计算机在化学研究中的应用和化学对计算机领域的影响。
一．计算机在化学研究中的应用1. 分子建模与仿真计算机科学为化学研究提供了强大的分子模拟工具。
通过计算机模拟，化学家可以构建分子的三维模型，预测其性质和行为。
这对于新药物研发、材料设计等具有重要意义。
从分子水平上理解化学反应的机制，通过模拟实验，可以加速实验过程，并为实验提供参考和指导。
2. 药物设计与筛选计算机在药物设计与筛选中发挥了重要作用。
结合化学信息学和机器学习技术，科学家可以利用计算机筛选大量化合物，寻找具有潜在药效的分子。
通过计算机模拟与预测，科学家可以预测潜在药物的相互作用、生物活性等特性，从而提高药物研发的效率和成功率。
3. 化学计算与数据处理计算机计算在化学研究中的应用非常广泛。
从量子化学计算到分子动力学模拟，计算机可以帮助科学家解决许多化学问题。
此外，计算机还可以处理和分析大量化学实验数据，揭示其中的规律和关联。
二．化学对计算机领域的影响1. 量子计算量子计算是计算机科学领域的一个前沿研究方向，而其中的量子化学是重要的应用领域之一。
量子计算可以模拟和求解复杂的量子体系，在解决分子结构、化学反应动力学等问题上具有巨大潜力。
化学的发展也为量子计算提供了一系列计算算法和方法的启示。
2. 生物计算生物计算是一种借鉴生物体自身结构和机制的计算模型，它源于对生命的深入理解。
化学在生物计算领域起到了重要作用，数以化学反应和分子相互作用为生物计算模型的构建提供了基础。
三．计算机与化学的前沿交叉研究当前，随着计算机技术和化学科学的不断发展，两者之间的交叉研究也呈现出越来越密切的趋势。
例如，计算机在化学机器人和化学合成自动化中的应用，通过智能算法和机器学习的引入，大大提高了化学实验的自动化程度和效率。
计算机在化学工程中的应用(精选5篇)
计算机在化学工程中的应用（精选5篇）计算机在化学工程中的应用范文第1篇随着计算机硬件和软件的飞速进展，计算机的应用已深入到各个专业领域。
将计算机技术与其他学科交叉融合，形成了浩繁以计算机应用为核心的新技术、新手段和新兴学科。
将计算机科学、数学应用于化学形成了计算机在化学中的应用（又称计算机化学）这个新兴化学分支学科[1]，重要讨论领域有：化学数据库技术、化学结构与化学反应的计算机处置技术、化学中的人工智能方法、计算机辅佑襄助分子设计、计算机辅佑襄助合成路线设计等[1—3]。
将计算机与应用数学、统计学和计算机科学交叉融合形成了化学计量学这个新兴化学分支学科[1—4]，其基本任务是讨论运用数学、统计学、计算机科学、其他相关学科的理论与方法优化化学量测过程,并从化学量测数据中最大限度地取得有用的化学信息[4]。
将计算机和计算机网络技术应用于化学信息处置形成了化学信息学这个新兴化学分支学科。
它利用计算机技术和计算机网络技术，对化学信息进行表示、管理、分析、模拟和传播，以实现化学信息的提取、转化与共享，揭示化学信息的实质与内在联系，促进化学学科的学问创新[5—6]。
计算机在化工领域中的应用已经特别广泛和深入，比较典型的应用有：试验数据的分析与处置、化工过程分析与开发（计算机仿真）、化工过程设计（工艺计算，计算辅佑襄助绘图）、化工过程掌控、化工信息管理和化工文献检索与管理[7—15]。
在这个背景下，化工类的工程技术人员假如没有较强的计算机应用本领，将直接影响到其对工作岗位的胜任程度。
当前大学阶段的计算机应用本领培育重要集中在低班级阶段，在高班级阶段由于教学重点转移到专业基础课和专业课，往往忽视了对计算机应用本领的连续培育，造成毕业生的计算机应用本领不能充足实际需求。
本讨论以武汉科技大学化学工程与技术学院化学工程与工艺专业为例对化工专业本科生高班级阶段强化计算机应用本领培育进行一些初步探究，以期提高毕业生的计算机应用本领。
化学信息学计算机化学[1]
![化学信息学计算机化学[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/89d029ca6aec0975f46527d3240c844769eaa0a3.png)
2006-2007化学信息学(计算机化学)学科发展报告随着化学信息的大量积累与计算机与网络技术的飞速发展，“化学信息学”已成为化学学科的重要分支之一。
尽管尚缺乏被广泛接受的严格定义，但其精髓可描述为“从数据到信息然后到知识”的说法已得到普遍认可，其具体研究内容包括：计算化学、分子模拟与设计、化学计量学、数据挖掘与知识发现与的利用[16-1,2]。
(一)化学信息学在社会与经济可持续发展中的地位与重要性门捷列夫可被认为是最早的化学信息学家，他通过对化学元素结构与性质的总结建立了化学元素周期表。
近年来，化学信息学在功能材料与分子设计、产品质量评价与控制、环境检测与控制、生命与健康、疾病诊断、各类“组学”的数据挖掘、复杂体系分析、智能分析仪器与新产品开发等研究领域中均发挥了重要作用，为社会与经济的可持续发展奠定了理论与技术基础[16-3,4]。
例如，虚拟筛选()和定量构效关系()等化学信息学技术的引入不仅明显缩短了新药研发周期而且大幅度降低了开发成本；“指纹图谱”的提出与应用为中草药的质量评价与控制提供了关键技术。
(二)近两年化学信息学的研究进展化学信息学在理论化学、分子模拟与设计、化学计量学、数据挖掘以与资源的利用等方面均取得了重要进展[16-5]。
分子模拟研究为药物分子的筛选建立了快速的虚拟高通量筛选()方法[16-6]、为药物的全新设计( )提供了研究方法和手段[16-7]、为蛋白质-配体之间的相互作用研究建立了新的计算方法[16-8]、为小分子化合物的与其它理化性质发展了理论预测方法[16-9]。
理论化学计算与实验科学相互结合用于合成化学和材料设计，实验结果与计算结果得到了相互印证和补充[16-10,11]。
分子动力学、模拟在化学、生物、材料等领域得到应用[16-12,13]。
基于分子力学的优化方法被广泛关注，新的优化算法不断涌现[16-14]。
为了扩展微观的分子力学与分子动力学方法的时空尺度，“粗粒化”力场的方法被重视和发展，多尺度的模拟方法被关注[16-15]。
计算机在化学中的应用
计算机在化学中的应用
计算机在化学中的应用非常广泛，主要分为以下几个方面：
一、计算机在化学结构中的应用
计算机在化学结构中的应用可以帮助化学家分析复杂的化学结构。
可以帮助化学家更准确地了解分子结构的特征，从而帮助他们更轻松地研究化学反应。
例如，通过使用计算机化学结构程序，化学家可以计算分子振动模式，水合和离子吸引等。
二、计算机在反应动力学中的应用
计算机可以分析不同化学反应的流程，模拟现实反应的情况。
它可以用于预测最有可能发生的特定化学反应，并可以确定不同反应路径之间的竞争关系。
有时，计算机还可以预测物质的结构动力学，帮助发现新的有用化合物。
三、计算机在模拟研究中的应用
计算机可以用于模拟实验室中的反应条件，从而帮助化学家更好地了解反应机制。
这样，它们可以用于找出控制反应所必需的条件，让反应更加有效，同时减少有害物质的排放。
实验室外部的条件和机理可以用计算机模拟技术来优化，从而改进反应机制。
计算化学在化学研究中的应用及发展趋势
计算化学在化学研究中的应用及发展趋势计算化学是应用计算机方法解决化学问题的学科，它包括了从基础的量子化学到分子模拟的广泛领域。
作为一门交叉学科，计算化学在当前化学研究中扮演着极其重要的角色，其应用范围涉及药物设计、材料研究、环保治理、化学分析等多个领域。
本文将从计算化学的基础原理、应用场景和未来发展趋势三方面介绍计算化学在化学研究中的应用及发展趋势。
一、计算化学的基础原理：计算化学的核心是运用量子力学原理及其数学表述来描述化学反应，最终达到预测性化学反应信息的目的。
在化学中，一个化学反应可以描述为原子（或分子）之间的电子转移。
在计算化学中，电子被视为运动在特定位置上的波，可以使用量子力学方程式（如Schrodinger方程式）来描述波函数。
因此，计算化学可以被认为是一种使用计算机对这个波函数进行解析的学科。
二、计算化学的应用场景：2.1 药物设计：药物研究是计算化学应用的重要领域之一。
目前，新药研究的首要问题是如何通过有效的途径获得更多的化合物的相互作用信息。
计算化学可以模拟蛋白质识别、药物毒性等方面的计算模型，为药物研究提供技术支持，帮助研发人员在预测化合物结果，优化药物分子构象，减少药物开发成本和时间等方面提供帮助。
2.2 材料研究：材料科学对于新能源、新材料等领域的发展具有至关重要的作用，计算化学可以用来预测材料的性能和动力学，为理解材料的结构和特性提供支持。
例如，在生物材料研究中，计算化学在开发介孔材料、功能材料等方面的应用发挥了积极的作用。
2.3 环保治理：环境问题越来越受到人们的关注，计算化学在解决环境污染方面也发挥着重要的作用。
例如，可以通过计算模拟物质传输、反应等过程，对环境污染动力学进行预测和控制。
此外，在空气污染和水污染等方面，计算化学都可以提供有效的解决方案。
2.4 化学分析：计算化学还可以用于化学分析中。
计算化学方法可以辅助实验室测定，例如在核磁共振（NMR）光谱数据分析方面。
计算化学概述
1.计算化学的常见范围
计算化学是理论化学的一个分支。是计算 机科学与化学的交叉学科。
1.主要目的是利用有效的数学近似以及电 脑程序解量子化学方程来计算物质的性质 （如能量，偶极距，振动频率等），用以 解释一些具体的化学问题。 2.利用计算机程序做分子力学和分子动力 学模拟。简称分子模拟。
几个概念的区别与联系
“成熟程度”。表明各学科研究对象 物质运动形
式与规律 其复杂程度的差异
然而，一百多年来科技的发展使各学科的“成熟程
度”发生了巨大变化
二十世纪八十年代以来，先进的分析仪器的应用、
量子化学计算方法的进展和计算机技术的飞速发展，
对化学科学的发展产生了冲击性的影响。其研究内
容、方法、乃至学科的结构和性质都在发生深刻的
2.计算化学的建立
长期以来，化学一直被科学界公认为一门纯实 验科学。
首先让我们回顾人类认识自然的两种基本科学 方法。
⑴ 归纳法 ( F. Bacon, 1561-1626 )
数据拟合
设计实验 实验数据 唯象理论 检验 “预测”
⑵ 演绎法 ( R. Decartes, 1596-1650 )
模型 二次形式化、 近似、计算 和模拟
计算化学的应用
•可用于更全面地了解分子的性质
化学、生命科学领域无法检测的实验数据
•可以预测尚未合成的化合物的性质
新药、新材料 • 最终目的是设计 -药物设计 (有机分子，多肽等) -材料设计 (固体，表面，晶体，高分子等) -生物大分子设计 (酶，蛋白质等) -其它 (有机反应合成路线设计等)
计算机的发展→热门方向→大量的化学和生 命科学工作者进入该领域，希望应用现代的
• 半经验分子轨道方法 • ab initio 分子轨道从头算方法（HF方法） • DFT 密度泛函方法
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设置结构的显示方式
• 设置其他参数 Atom Fill:选Shadowed color
• Color • 其他可用默认值
量取键长、键角、二面角
• 选择对象：Edit→Slect→select atom • 量取键长、键角、二面角
键长和键级：用鼠标指向相应的键 键角：选择三个原子，单击第一个原子， 按住Alt键，再单击其他原子。 二面角：选择四个原子。
参考书
（1）量子化学计算方法与应用，林梦海， 科学出版社
（2）计算化学实验，胡红智，马思渝，北 京师范大学出版社
Chemoffice ---化学结构和实验装 置设计程序包
• ChemDraw软件的使用 • Chem3D软件的使用 • ChemFinder
ChemDraw软件的使用
• 主要功能: 二维化学结构绘图和简单仪器制作: (1)二维分子结构 (2)化学反应式 (3)反应装置
• 复杂分子可用ChemDraw 构建分子结构， 再由Chem3D读取
输入分子式构建分子结构
• CH4 • C2H6 • CH3COOH • C2H4 • CH2ClCOOH • C6H6 • C5H5N • 2-CH3C6H4COOH
无机物的结构
• H2O • H2SO4 • Fe(CO)5
读取chemDraw结构
• 画价键 单键 双键 叁键 共轭键
• 画二维草图
三维结构的显示方式的选择
1．选择“Display”菜单中的“Rendering”命令；
2．选对话框中其中一种方法。共有六种： (1)Stick(棍模型)；(2)Balls(球模型)；(3)Ball and Cylinders(球棍模型)；(4)Overlapping Spheres(重叠球模型)；(5)Dot(点模型)； (6)Sticks & Dot(棍和点模型)Βιβλιοθήκη ChemDraw软件的使用
• 启动
开始→所有程序→Chemoffice→Chemdraw Ultra
• 窗口简介:命令菜单栏、作图区 • 命令菜单栏 • 工具栏
二维分子结构的制作
1.乙烷分子结构 重叠式
交叉式
• 部分交叉式
二维分子结构的制作
2.非共轭的环状分子
二维分子结构的制作
• 单环化合物 苯、吡喃、吡啶
计算结果的显示
• 文本 • 图形
分子轨道图 静电势图 电荷密度图
光谱性质的模拟
振动及振动光谱
定量构效关系(QSAR)
• 结构描述符的计算 • 定量构效关系的建立 • 根据定量构效关系预测分子的性质 • 根据定量构效关系进行分子设计
谢谢大家！
选择对象
• 选择一个原子 • 选择化学键 • 选择多个原子
删除原子
(1)左键单击Drawing工具进入绘图模式。 (2)右键单击想要删除的原子，或者想要 删除的价键中部。原子或价键就会消失。
删除多个原子或价键
• 1. 左键单击Selection工具进入选择模式。 2. 用左右键在工作区拖出选择的目标。
• 3. 在Edit菜单选择Clear。 • 4. 在提示框中选择Yes。
键长、键角或二面角的设置
• 键长的设置： • (1)选择化学键； • (2)选择“Build”菜单中的“Constrain
Bond Length” 命令； • (3)输入所需的键长； • (4)单击“OK”。
键角的设置
• (1)选择化学键角涉及的三个原子； • (2)选择“Build”菜单中的“Constrain
COOH OH
CH2OCH3 O CH2OCH3O
H
CH 3 H
OCH3
CH 3O
O
CH 3
OCH3
CH 3O CH2OCH3 OCH3
八甲基蔗糖
Chem3D软件
• 主要功能： 构建三维化学结构 分子物理化学参数 量子化学计算
构建化学结构
• 简单分子可直接输入分子式 选工具栏中的“A”，在编辑区中单击左 键，输入分子式，按回车键结束。
化学反应装置
1.Tools”工具栏选择 结构与仪器 模板按钮，按住鼠标左键，选取 “Clipware, part 1”或“Clipware, part 2”中所需要的仪器；
2．将所要的仪器进行组装
3．存盘
原子轨道图
• 可直接选取工具栏“Tool”中的图形
• 选用图形进行组装
练习
N CH3
H3C
• 并(稠)环化合物
N
• 联环化合物
显示分子性质
View→Show Chemical Properties Window 如
文件保存和打开文件
• 保存文件，文件类型 • 打开文件 • 复制粘贴
化学反应方程式
• 分子式、符号、文字标注 • 对象的旋转：“选择对象”→“Objet”
→“Rotate”
量子化学计算
• 可进行几何优化、分子电子结构、过渡态、振 动光谱、电子光谱等性质的计算 。
(1)MOPAC：半经验量子化学计算 AM1，MINDO/3, MNDO, PM3
(2)从头算量子化学方法 Gamess Gaussian
性质计算
• 选择菜单“Analyze/Compute properties” • 选择“Available”中要计算的性质 • 单击“add”按钮 • 单击“OK”，即算出分子的性质。 • 例如甲苯的沸点为399.895K
2. 分子动力学模拟
• MM2→Molecular dynamics→Run 3. 性质计算(键级、空间能)
• MM2→Compute properties • Pi键级：Pi Bond Order • 总空间能：Steric Energy Summary • 空间能细项：Steric Energy Detail • 或Mechanics→Compute properties: • 总空间能：Steric Energy Summary • 空间能细项：Steric Energy Detail
§2 HyperChem量子化学的程序包
• 功能： 包括分子三维结构的构建与显示 多种分子力学、量子化学方法的计算 计算结果的图形化显示等功能。
§2.1建立、显示分子骨架模型
• 程序包含有实验数据构成的数据库（键 长、键角、二面角等），可迅速构成分 子体系骨架，建立起3D、2D分子模型。
• 可打开的如Chemoffice等程序建立的分子 结构，文件类型有：Hin, ent, skc, yz, hdf, mol, zmt,ml2, chm
Bond angle” 命令； • (3)输入所需的键角； • (4)单击“OK”
二面角的设置
• (1)选择二面角涉及的四个原子； • (2)选择“Build”菜单中的“Constrain
Torsion” 命令； • (3)输入所需的二面角角度； • (4)单击“OK”。
量子 化学计算
• 方法选择 • 计算(几何优化和单点计算) • 性质计算
一、画原子及原子的性质
• 1. 打开Element Table对话框：在Build菜单中选 择Default Element，或者双击Drawing工具。
• 2. 单击Properties...按钮，或者按下Shift键同时 单击元素按钮，将显示当前选择元素的物理属 性。
• 左键单击Drawing工具，把指针移到工作区。 左键单击工作区，将出现一个小圈，代表未成 键的碳原子。
• 在chemDraw中画有甲苯结构，存成 C6H6CH3.MOL文件，则Chem3D可打开。
设置结构的显示方式
• 选取View/Setting/Model Dispaly 菜单或F6键， 共有五种不同的显示方式(Model Type)：
• (1)Wire Frame，用线表示化学键; • (2)Sticks，用棍表示化学键; • (3)Ball and stick; • (4) Cylindrical Bonds; • (5)Space Filling
3．对Sticks、Balls、或Cylinders的大小或粗细进 行选择。
三、选择原子、分子或基团
1．设置选择的级别 (1)原子（atoms），(2)基（residues），(3)分子 （molecules）
例如设置为原子（atoms）的操作步骤： Select→Atoms。
2．关闭Multiple Selections的操作：(1)左键单击 Select菜单。(2)如果Multiple Selections打开， 左键单击来关闭它。
计算机化学
主要内容
• 一、二维化学分子结构、化学反应方程式 和反应装置的制作
• 二、三维分子结构的制作、几何参数和物 理化学参数的获取
• 三、量子化学计算 • 四、原子轨道图、分子轨道图、静电势图、
电荷密度图等图形的制作 • 四、分子性质和光谱性质的模拟
介绍软件
• Chemoffice程序 • ChemDraw • Chem3D • HyperChem量子化学的程序包 • Gaussview程序 • Gaussian程序 • Origin程序 • SPSS程序
• 或Mechanics→ Minimize Energy→Force Field → MM2→Minimize Energy→Run
• MM3力场：Mechanics→ Minimize Energy →Force Field→ MM3→Minimize Energy →Run
• 显示几何参数： • Analyze/show measurements
改变键长、键角、二面角
• 选择对象 • object →set bond length • object →set bond angle • object →set Dehedral angle • 在右边窗口出现其数值，进行修改即可