## 11.4 計算化學 化學在傳統上一直被認為是一門實驗科學，但隨著計算機技術的應用，化學家成為大規 模使用計算機的用戶，化學科學的研究內容、方法乃至學科的結構和性質隨之發生了深刻變 化。計算化學（computational chemistry）是化學和計算機科學等學科相結合而形成的交叉學 科，其研究內容是如何利用計算機來解決化學問題。計算化學這個術語早在 1970 年就出現 了，并且在上世紀 70 年代逐步形成了計算化學學科。 因此，計算化學可以幫助實驗化學家，或者挑戰實驗化學家來找出全新的化學對象。 有些化學問題是無法用分析方法解決的，只能通過計算來解決。計算化學一般用于解決 數學方法足夠成熟從而能在計算機上實現的問題。計算化學有兩個用途：一是通過計算來與 化學實驗互為印證、互為補充；一是通過計算來預測迄今完全未知的分子或從未觀察到的化 學現象，或者探索利用實驗方法不能很好研究的反應機制。 計算化學的研究內容很多，我們簡單介紹化學數據庫和分子模擬（或分子建模），前者 是關于化學信息表示、存儲和查找的，后者是研究化學系統結構和運動的。 化學數據庫是專門存儲化學信息的數據庫，其中的化學信息可以是化學結構、晶體結構、 光譜、反應與合成、熱物理等類型的數據。以化學結構數據為例，學過中學化學課程的人都 知道，化學家通常用直線表示原子之間的化學鍵，利用化學鍵將若干原子連接在一起，形成 了分子結構的二維表示。這種表示對化學家來說是理想的、可視的，但對化學數據的計算機 處理來說是很不合適的，尤其是對數據的存儲和查找。為此，需要建立分子結構的計算機表 示，如小分子可以用原子的列表或 XML 元素表示，而大分子（如蛋白質）可用氨基酸序列 來表示。當今一些大的化學結構數據庫存儲了成百萬的分子結構數據（存儲量高達 TB 級）， 可以方便而高效地查找信息。 分子模擬利用計算機程序來模擬化學系統的微觀結構和運動，并用數值計算、統計方法 等對系統的熱力學、動力學等性質進行理論預測。宏觀化學現象是無數個分子（原子）的集 體行為，一般通過統計方法來研究。然而，化學統計力學通常僅適用于“理想系統”（如理 想氣體、完美晶體等），量子力學方法也不適用于動力學過程和有溫度壓力變化的系統。作 為替代方法，分子模擬將原子、分子按經典粒子處理，提供了化學系統的微觀結構、運動過 程以及與宏觀性質相關的數據和直觀圖象，從而能在更一般的情形下研究系統行為。分子模 擬有兩種主要方法，一是基于粒子運動的經典軌跡的分子動力學方法，一種是基于統計力學 的蒙特卡洛方法。分子模擬技術不僅在計算化學中有用，而且還可用于藥物設計和計算生物 學中的分子系統（從小的化學系統到大的生物分子）。 計算化學內部還包括量子化學計算、化學人工智能、化學 CAD 和 CAI 等領域，可以解 決識別化學結構與性質之間的相關性、化合物的有效合成、設計能與其他分子按特定方式進 行反應的分子（如新藥設計）等問題。解決問題過程中所用到的計算化學方法有些是高度精 確的，更多的則是近似的。計算化學的目標是使計算誤差極小化，同時保證計算是可行的。