量子化学数据集qm9特征单位
第一章、量子化学积分一——Slater函数
第⼀章、量⼦化学积分⼀——Slater函数绪论1.什么是量⼦化学量⼦化学是理论化学的⼀个分⽀学科，是应⽤量⼦⼒学的基本原理和⽅法研究化学问题的⼀门基础学科。
化学是研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的⼀门学科。
我们主要在原⼦-分⼦这个层次上研究物质的化学性质和化学反应。
电⼦、原⼦核这些微观物体的相互作⽤使原⼦组成了分⼦、形成了晶体、液体等形态的物质。
所以，化学学科的研究对象归根结底是电⼦、原⼦核等微观物体的相互作⽤。
⽽微观物体的运动规律，我们已经了解清楚，这就是在1925到1926年间,发展起来的量⼦⼒学。
量⼦化学就是⽤量⼦⼒学的理论和⽅法来研究化学问题。
由于量⼦⼒学是微观化学物质所遵循的根本规律，所以，量⼦化学是整个化学学科的理论基础。
实际上，量⼦化学的研究成果也已经深⼊到化学学科的各个分⽀。
2.量⼦化学的发展简况1927年,W.Heitler和F.London⽤量⼦⼒学⽅法研究了氢分⼦，⼈们往往把这作为量⼦化学的开端。
近80年来，量⼦化学的发展可以分为两个阶段。
第⼀阶段是1960年代以前。
量⼦化学的主要成果在形成概念和理论⽅⾯，其中有Pauling 的价键理论,Hunt,Slater及Mulliken分⼦轨道理论,配位场理论,Eyring的过渡态理论;在具体计算⽅⾯则有即Hartree对原⼦轨道能量的计算。
第⼆阶段，1960年代⾄今。
在这个阶段，由于电⼦计算机技术的飞速发展，⼈们可以把分⼦轨道理论的计算应⽤于⼏乎所有的各类分⼦，计算它们的性质，分析它们的反应。
另⼀⽅⾯，新的理论（如密度泛函理论）和新的计算⽅法也得到了⼴泛的应⽤。
现在，量⼦化学的理论和计算已经深⼊到化学的各个分⽀学科。
在物理化学中，量⼦化学被⽤于计算分⼦的各种热⼒学函数（例如熵,焓和⾃由能等等）；计算分⼦的结构性质（如键长、键⾓、电偶极矩、转动势垒、异构化能等等）；计算化学反应的速率常数；解释分⼦间相互作⽤以及分⼦和固体中的成键情况。
结构化学实验报告
重庆大学化学化工学院《结构化学》实验报告姓名学号：年级专业：指导老师：重庆大学化学化工学院2013年12月21日实验一利用量子化学计算软件验证分子轨道理论和判断分子点群一、主要仪器设备及软件1、仪器：用于计算的计算机。
2、软件：gviewA、建模软件(1) Chemoffice是一款广受化学学习、研究者好评的化学学习工具。
(2) GaussView 主要功能有创建三维分子模型，计算任务设置全面支持Gaussian 计算，和显示Gaussian计算结果等。
B、计算软件：(1) Gaussian:量子化学领域最著名和应用最广泛的软件之一，由量子化学家约翰波普的实验室开发，可以应用从头计算方法、半经验计算方法等进行分子能量和结构；过渡态能量和结构；化学键及反应能量；分子轨道；偶极矩；多极矩；红外光谱和拉曼光谱，核磁共振，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径等分子相关计算。
(2) Materials Studio：是ACCELRYS 公司专门为材料科学领域研究者所涉及的一款可运行在PC上的模拟软件。
(3) V ASP是使用赝势和平面波基组，进行第一定律分子动力学计算的软件包。
(4) Gamess-US: 由于免费与开放源码，成为除Gaussian以外，最广泛应用的量子化学软件，目前由Iowa State Uinversity的Mark Gorden 教授的研究组主理。
(5) CASTEP:是由密度泛函理论为基础的计算程式所组成，同时采用平面波(plane wave)为基底处理波函数，可针对具有周期性的固态材料表面进行化学模拟计算。
(6) ATK：是由丹麦公司QuantumWise A/S开发的一款通用的电子态结构计算软件。
其他量子化学计算软件目前，除了上面提到的几版著名量子化学计算软件之外，还有大量商业和免费的量子化学计算软件，其中绝大部分是从事量子化学或计算化学研究的实验室自行开发的，此外，一些著名的大型化学软件如HyperChem、Chem3D、Sybyl 等，也包含有量子化学计算包。
量子比特的基础知识
量子比特的基础知识量子比特是量子计算的基本单位，是量子信息科学的基石。
在本文中，我们将介绍量子比特的概念、量子态的表示、量子比特的测量以及它们在量子计算中的应用。
一、量子比特的概念量子比特（qubit）是量子计算中的基本单元，类似于经典计算中的比特（bit）。
比特是经典计算中最小的信息单元，只能表示0或1的状态。
而量子比特可以同时处于0和1的叠加态，可以表示更复杂的信息。
量子比特可以使用量子态表示。
一个量子比特可以表示为如下的线性组合形式：|ψ⟩= α|0⟩+ β|1⟩其中，α和β是复数，且满足|α|^2 + |β|^2 = 1。
|0⟩和|1⟩分别是量子比特的基态，通常被称为“零态”和“一态”。
二、量子态的表示除了线性组合形式外，量子态也可以使用Bloch球来表示。
Bloch 球是一个球面，量子比特的态可以看作是球面上的一个点。
球的上极点代表|0⟩态，下极点代表|1⟩态。
其他态则对应于球面上的其他点。
Bloch球的坐标系由三个轴来定义：x轴、y轴和z轴。
量子态的表示可以转化为Bloch球上的点的坐标。
例如，|0⟩态对应于球的上极点，其坐标为（0,0,1），而|1⟩态对应于球的下极点，其坐标为（0,0,-1）。
三、量子比特的测量量子比特的测量是量子计算中重要的操作之一。
测量量子比特会导致量子态的塌缩，即将量子态由一个叠加态变为一个确定态。
测量的结果是确定态的概率，其中每个可能的结果的概率由该结果对应的态的幅度平方给出。
例如，对一个处于叠加态的量子比特进行测量，可能得到0的结果的概率为|α|^2，得到1的结果的概率为|β|^2。
测量之后，量子比特的状态将塌缩为测量结果对应的态。
四、量子比特的应用量子比特的应用非常广泛，特别是在量子计算领域。
量子比特的叠加态和纠缠态使得量子计算机能够在某些任务上具有超越经典计算机的优势。
例如，量子比特可以用于加速因子分解问题，并且已经有了一些基于量子比特的加速算法。
此外，量子比特还可以用于量子通信、量子密码学和量子模拟等领域。
量子化学
量子化学计算方法
分子模拟
分子力学或量子力学与统计力学结合的分子模拟技 术使量子化学计算从静态向动态、从小体系向纳米、介 观尺度过渡提供了可能。
分子模拟可分为两大类:一类为分子动力学(MD)模拟 ；另一类以概率论为基础的Monte Carlo模拟(MC)。
量子化学计算方法
QM/MM组合方法
量子化学方法(QM) 能精确地预测各种中小分子的物 理、化学性状, 研究化学反应机理。
常听人说“量子化学是棘手的”，这句话不是没有道理的，因 为一提起量子化学，往往就联想到困难的数学和计算。不过现 在否认量子化学有用的人大概是没有了。
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目录
什么是量子化学 量子化学的发展过程 量子化学的研究内容 量子化学计算方法 量子化学计算软件
What quantum chemistry is all about ?
量子化学计算方法
密度泛函理论
如定域密度泛函理论LDFT、自旋密度泛函近似LSDA 、广义梯度近似GGA、密度泛函与分子轨道的杂化方 法(如B3LYP等)等。密度泛函理论改变以往以轨道波函 数为基的特点,以密度函数为为基。
量子化学计算方法
Xα方法
Xα方法是密度泛函理论的一个重要分支, 它是对电子 间非定域的交换能采用了统计平均近似, 用一个与电荷 密度的立方根成正比的密度泛函近似替代了从头计算方 法中计算最为困难的电子交换作用项, 从而在保持较高 理论严谨性和计算精确度的同时, 大大减少了计算工作 量。Xα方法从50 年代发展到现在,根据它们引入近似程 度的不同, 主要可分为以下几种: (1)自洽场多重散射Xα 法(SCF-MS-Xα法) ；(2)分立变分Xα法(DV- Xα法) ；(3)原子线性组合Xα法(LCAO-Xα法) ；
天津大学《量子化学》Gaussian软件简介
编辑批处理作业文件
转换不同格式的分子结构文件
读取.fch文件中的数据并生成三 维空间网格图
利用.chk文件中的分子轨道，生 成电子密度和静电势的空间分布 网格图
从.chk文件中打印出频率和热化 学数据
Gaussian输入界面
%Section:设定作业运 行的环境变量 Route Section:设定作业 的控制项 Title:作业题目 电荷与自旋多重度
➢ %mem=n控制运行过程中使用内存的大小,可以以W或者 MB，GB为单位
➢ default：6000000W＝48MB
➢ 内存并非给得越多越好，最有效率的方法是根据作业类型 估算所需要内存的大小
c)不同作业使用内存的估算方法
M + 2NB2 M：不同类型作业需要的最小内存， NB ：计算所使用基函数的数目
Gaussian软件简介
Gaussian03
计算化学面临的挑战是艰巨的， 但也正在取得很大的进展，年 轻化学家若对计算机有兴趣的 话，那末计算化学是具有令人 兴奋前景的研究领域。
── 美国化学会会长 R.布里斯罗
➢Gaussian是目前世界上发展最全面，历史最长 的量子化学计算商业程序包。
➢Gaussian最早是由Pople等科学家组织编写， 并发展的，后来逐步专业化，现在专门成立 了Gaussian公司，从事量子化学程序发展和销 售工作。类似的公司美国还有不少，biochmi， SGI等。
01 C1 O2 1 A H3 1 B 2 C H4 1 B 2 C 3 D
A = 1.28 B = 1.10 C = 121.0 D = 180.0
01 C1 O2 1 1.28 H3 1 1.10 2 121.0 H4 1 1.10 2 121.0 3 180.0
生物信息学概述 PPT
(三)后基因组时代得生物信息学
基因组
结构与功能
细胞重建
基因
信号网络 代谢途径
系统重建
29
四、生物信息学得研究领域
基因组序列装配 基因识别 基因功能预报 基因多态性分析 基因进化 mRNA结构预测 基因芯片设计 基因芯片数据分析 疾病相关基因分析
20世纪90年代
人类基因组计划开始 (Human Genome Project, HGP)
人类基因组计划带来了 生物信息学
人类基因组计划
(HGP,Human Genome Project) 目标:整体上破解人类遗传信息得奥秘
由美国NIH和能源部提出和带头,美、英、德、法 、日、中共同参与得国际合作项目。
2,3,4,7,11,15,18,Y
900
4 JGI
5,16,19
250
5 Baylor
1,2,3,X
230
6 Riken
21,18,11q
160
7 IMB
8,21,X
50
8 Genoscope
Most of 14
85
9 U. Wash (Olson)
10 Beijing
3p
30
11 GTC (Smith)
分
子
信
生物分子结构数据
息
2022/9/20
生物分子功能数据
直观 复杂
生物分子数据及其关系
第一部 遗传密码
第二部 遗传密码？
DNA 核酸序列
蛋白质 氨基酸序列
蛋白质 结构
蛋白质 功能
最基本的 生物信息
2022/9/20
化学反应过程的动力学模拟与优化研究
化学反应过程的动力学模拟与优化研究引言：化学反应过程的动力学模拟与优化研究在化学领域中具有重要的意义。
通过模拟和优化反应过程，我们可以更好地理解反应机理，探索反应条件对反应速率的影响，并优化反应条件以提高反应效率和产物选择性。
本文将介绍化学反应过程的动力学模拟方法和优化策略，以及相关应用和研究进展。
一、动力学模拟方法1. 分子动力学模拟方法分子动力学模拟是一种基于牛顿运动定律的计算方法，可以模拟化学反应中的原子和分子的运动轨迹。
通过分子动力学模拟，可以揭示反应物和过渡态的结构特征，以及反应速率与温度、压力等参数的关系。
常用的分子动力学模拟软件包有GROMACS、AMBER等。
2. 量子化学计算方法量子化学计算方法可以在原子和分子尺度上解析反应机理和能量变化。
通过计算反应物、过渡态和产物的电子结构和能量，可以确定反应的活化能和反应速率常数。
常用的量子化学计算软件包有Gaussian、VASP等。
二、动力学模拟的优化策略1. 反应物和过渡态的构建和优化在进行动力学模拟前，需要构建反应物和过渡态的初始结构，并通过几何优化使其达到能量最低点。
可以使用分子力学方法对反应物的构建和过渡态的寻优进行辅助。
2. 温度和压力的调节在动力学模拟过程中，温度和压力是重要的控制因素。
通过调节温度和压力，可以模拟不同条件下的反应过程。
温度可以通过热浴算法或控温算法进行调节，压力可以通过NPT或NVT算法进行控制。
3. 反应路径的搜索和分析反应路径是指反应物转化为产物的过程中经历的一系列过渡态和中间体。
通过搜索和分析反应路径，可以揭示反应的机理和速率决定步骤。
常用的反应路径搜索算法有NEB、DFTB和QM/MM方法。
三、应用与研究进展1. 动力学模拟在催化剂设计中的应用催化剂在化学反应中起到了重要的作用。
通过动力学模拟，可以揭示催化剂表面的吸附和解离机制，优化催化剂的结构和活性位点，并预测催化剂的催化活性和选择性。
动力学模拟在催化剂设计中的应用为新型高效催化剂的发现和设计提供了重要的理论指导。
量子化学-3.1
Value
0.001235
Threshold
0.000450
Converged?
NO
RMS
Force
0.000234
0.103483
0.000300
0.001800
YES
NO
Maximum Displacement
RMS
Displacement
0.012763
0.001200
NO
Maximum Force：力的收敛标准是0.00045；
• 势能面把能量与分子的每个何结构联系起来 • 这对应于在解分子体系的Schrö dinger 方程时采用了
Born-Oppenheimer近似
• 因此, 势能面是Born-Oppenheimer（核固定）近似的必然结果
对于体系的最小点或鞍点，其能量的一阶导（也就是梯度） 为零。所有成功的优化都会找到一个极小点。
RMS Force：力的均方根的收敛标准为0.0003;
Maximum Displacement：位移的收敛标准为0.0018； RMS Displacement：位移均方根的收敛标准是0.0012。
例：乙烷的优化（计算执行路径行：# B3LYP/6-31G* Opt）
输出结果的解释：
2.3.2 频率计算（Freq）
2.3.3 单点算（SP Calculation）
单点能计算是指在给定的构型上计算分子的能量和相关性质 （包括电荷密度、偶极距和分子轨道等）。和频率计算不同 的是，单点能计算可以在由较低级别计算得到的优化构型上 进行更高级别的能量计算。
C (6-31G**)
I (Lanl2DZ)
PhI (6-311++G**-lanl2dz)
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量子化学数据集qm9特征单位
摘要：
I.引言
A.量子化学的重要性
B.数据集qm9 的背景
II.量子化学数据集qm9 的特征单位
A.数据集的定义
B.特征单位的选取
C.特征单位的应用
III.数据集qm9 的优缺点
A.优点
1.数据量大
2.多样性高
3.准确度高
B.缺点
1.数据不平衡
2.部分数据存在噪声
IV.特征单位在量子化学领域的应用
A.分子描述符生成
B.分子性质预测
C.分子对接
V.结论
A.特征单位对量子化学的意义
B.特征单位的未来发展方向
正文：
量子化学作为化学的一个重要分支，研究的是分子、原子等微观粒子在量子力学原理下的行为。
近年来，随着计算机技术的快速发展，量子化学在材料科学、药物设计、能源等领域发挥着越来越重要的作用。
为了推动量子化学的研究和发展，许多数据集应运而生，其中qm9 数据集是一个典型代表。
qm9 数据集是一个包含9 种不同分子特性的大规模数据集，这些特性包括能量、电荷、电子密度等。
数据集涵盖了多种不同的分子类型，如小分子、生物大分子、金属有机分子等，具有较高的多样性。
qm9 数据集的建立旨在为量子化学研究提供一个可靠、高效的实验平台。
在qm9 数据集中，特征单位的选择对于研究结果的准确性和可靠性至关重要。
一般来说，特征单位需要能够反映分子的结构特点，同时便于计算和分析。
例如，在能量特征单位的选择上，通常会选择电子伏特（eV）作为能量的度量单位，因为电子伏特既能够体现能量的大小，又便于与其他物理量进行转换和比较。
qm9 数据集在量子化学领域具有广泛的应用。
首先，通过分析数据集中的分子描述符，研究者可以了解不同分子结构与性质之间的关系，从而为分子设计提供理论指导。
其次，基于qm9 数据集的分子性质预测模型，可以实现对分子性质的高效、准确预测，为实验研究提供有力支持。
此外，qm9 数据集还可以用于分子对接研究，通过比较不同分子之间的结合模式和能量变化，
揭示其相互作用的机制和规律。
尽管qm9 数据集具有很多优点，但仍存在一些不足之处。
首先，数据集中部分分子的性质预测准确率仍有待提高。
其次，由于数据集的多样性较高，部分数据可能存在噪声，这给模型的训练和预测带来了一定的挑战。
总之，qm9 数据集作为量子化学领域的一个重要数据资源，为研究分子结构和性质提供了有力支持。