論結(jié)構(gòu)化學(xué)中的量子化學(xué)計算方法

摘 要：相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測試來說，量子化學(xué)計算方法在實(shí)驗(yàn)化學(xué)研究、藥物學(xué)、含能材料等結(jié)構(gòu)化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)越性明顯。但需要注意的是，不同量子化學(xué)計算方法的特點(diǎn)和適用范圍有著一定的差異性，如何結(jié)合實(shí)際情況合理的進(jìn)行選擇至關(guān)重要。基于以上，本文從量子化學(xué)計算方法相關(guān)概述入手，分析了不同種類計算方法的原理和特點(diǎn)，之后著重探討了從頭計算法、簡單分子與半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算法等其他方法在結(jié)構(gòu)化學(xué)中的具體應(yīng)用，旨在為相關(guān)研究和實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化學(xué)；量子化學(xué)計算方法；應(yīng)用

作為研究化學(xué)問題的重要學(xué)科之一，量子化學(xué)側(cè)重于在量子力學(xué)理論指導(dǎo)下，完成問題研究過程。相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測試化學(xué)反應(yīng)以及儀器設(shè)備的運(yùn)用等，采用量子化學(xué)計算，可能對瞬間發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行計算，且對過渡態(tài)或激發(fā)態(tài)幾何構(gòu)型、活性位電荷轉(zhuǎn)移等進(jìn)行預(yù)測。但如何使這些優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，仍是當(dāng)前結(jié)構(gòu)化學(xué)應(yīng)用量子化學(xué)計算方法中面臨的主要難題。因此，本文對結(jié)構(gòu)化學(xué)中量子化學(xué)計算方法的應(yīng)用研究，具有十分重要的意義。

一、量子化學(xué)計算方法相關(guān)概述

關(guān)于量子化學(xué)，其主要通過Schrodinger方程進(jìn)行描述，整個電子體系中的電子結(jié)構(gòu)，都可根據(jù)該方程進(jìn)行求解，將復(fù)雜原子體系特性表達(dá)出來。為使描述計算后的近似解更為精確，需在量子化學(xué)計算方法上進(jìn)一步簡化。從量子化學(xué)計算方法常見方法看，主要表現(xiàn)以下幾方面：

第一，從頭計算方法。該方法運(yùn)用的基礎(chǔ)主要以軌道近似、Born-Oppenheimer近似與非相對論近似為主，且在基本物理常數(shù)包括電量、電子質(zhì)量以及Planck常數(shù)等，無需參考半經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，便可計算分子積分，完成量子力學(xué)方程求解過程。由于該算法應(yīng)用下得到的結(jié)果可靠性與準(zhǔn)確度都較高，所以應(yīng)用范圍也較廣。

第二，簡單分子與半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法。對于簡單分子軌道法，較多如EHMO、HMO等方法都可作為該類型計算方法，在計算共軛體系方面極為適用。但需注意由于其包含較多近似內(nèi)容，僅可使簡單分子規(guī)律被推測出來。而從半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法看，間略微分重疊INDO、全略微分重疊CNDO等，都為計算主要類型。盡管其應(yīng)用下，對有機(jī)物平衡幾何構(gòu)型等計算都可適用，但由于其計算結(jié)果在特性上表現(xiàn)為定性、半定量等，所以可靠性、準(zhǔn)確性都難以保障，所以應(yīng)用范圍有一定的限制。

第三，密度泛函理論。以廣義梯度近似GGA、自然密度泛函近似LSDA等為例，都為密度泛函理論的具體表現(xiàn)，在“基”的選擇上，強(qiáng)調(diào)利用密度函數(shù)取代軌道波函數(shù)。從該理論優(yōu)勢看，密度泛函表現(xiàn)出計算速度快、結(jié)果精確等特征，特別在結(jié)合分子動力學(xué)下，可使理論化學(xué)研究更為深入。需注意的是該計算方法實(shí)際應(yīng)用中，也難與所有體系相吻合，如相比共價鍵與氫鍵，應(yīng)用于范德瓦爾鍵體系取得的效果并不明顯。

第四，其他計算方法。除上述量子化學(xué)計算方法外，其他如Xα方法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等都較為常見。其中Xα方法一般可作為密度泛函理論中的一種，可使計算工作量減少，且計算精確度得到提高。再如遺傳算法，其應(yīng)用中通常以變異、雜交等遺傳算子為指標(biāo)，完成計算過程。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)的依據(jù)多表現(xiàn)在人體神經(jīng)元方面，適用性較強(qiáng)。

二、結(jié)構(gòu)化學(xué)中量子化學(xué)計算方法的應(yīng)用分析

（一）結(jié)構(gòu)化學(xué)中從頭計算法的應(yīng)用

從頭計算方法在優(yōu)勢上主要以可靠性、精確性較高，特別在計算機(jī)技術(shù)配合下，更使該計算方法的優(yōu)勢凸顯出來。一般對于晶體、分子或原子等性質(zhì)的預(yù)測、解釋，都可通過從頭計算方法實(shí)現(xiàn)，而其他分子幾何構(gòu)型、化學(xué)反應(yīng)活化能、分子間作用力以及化學(xué)鍵等方面，從頭計算法的適用性都較強(qiáng)。例如，從頭計算法以往應(yīng)用下更側(cè)重于對無機(jī)化合物的處理，而當(dāng)前模擬化合物、功能材料、生物大分子以及有機(jī)化合物都可被計算出來。若實(shí)際計算中，能夠充分利用HONDO、GAMESS等計算軟件，更多大分子化合物如金屬原子簇合物、過渡金屬配合物等在計算中都可利用從頭計算法。

（二）結(jié)構(gòu)化學(xué)中簡單分子與半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法應(yīng)用

對于簡單分子軌道法，盡管其計算近似較多，有一定的局限性，但在量子化學(xué)早期研究中應(yīng)用仍較為頻繁。以氧化還原電勢在有機(jī)共軛分子中的表現(xiàn)、酸堿反應(yīng)涉及的常熟以及定位活性指標(biāo)在有機(jī)反應(yīng)中的表現(xiàn)等，都可利用HMO進(jìn)行研究。對于版經(jīng)驗(yàn)分子軌道法，引入到結(jié)構(gòu)化學(xué)中，對許多如激發(fā)能、反應(yīng)熱、生成熱、原子化熱、電荷分布等，都可適用。但也要注意，雖然其在優(yōu)勢上表現(xiàn)為應(yīng)用范圍廣、計算工作量少，但最終的結(jié)果不具有較強(qiáng)的可靠性與準(zhǔn)確性，半定量、定性等特征極為明顯，所以該方法應(yīng)用下應(yīng)慎重。

（三）其他算法應(yīng)用分析

量子化學(xué)計算方法中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法以及密度泛函理論等應(yīng)用都較為常見。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，在反應(yīng)過程控制以及蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測中氨基酸序列的應(yīng)用等。再如遺傳算法，其最初由Holland提出，經(jīng)過較多學(xué)者研究分析，引入到化學(xué)、生物與材料領(lǐng)域中，尤其在化學(xué)反應(yīng)研究方面該算法應(yīng)用下更能取得良好效果。此外，密度泛函理論應(yīng)用，分子電子結(jié)構(gòu)、催化活性位選擇、電離能計算方面，都可被分析出來。

量子化學(xué)計算方法的應(yīng)用是提高結(jié)構(gòu)化學(xué)研究水平的關(guān)鍵所在。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)正確認(rèn)識量子化學(xué)計算方法的內(nèi)涵，將其中密度泛函、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、簡單分子軌道法以及從頭計算法的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，運(yùn)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)中，以此使結(jié)構(gòu)化學(xué)研究水平得以提高，推動化學(xué)學(xué)科的整體發(fā)展。

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作者簡介：

張迪（1984—），女，吉林長春人，碩士，助教，研究方向：材料物理與化學(xué)。