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                ## 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。
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